CN105756007A - 一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，包括设置于大坝上游进水口前的挡墙墙体，所述挡墙墙体安装在挡墙基础上，所述挡墙墙体的中心线外侧设置有水库库区水温水位连续在线观测单元，所述进水口与引水隧洞相连，在引水隧洞的出口处设置有水库下游泄流水温连续在线观测单元，所述水库库区水温水位连续在线观测单元安布置在大坝警示缆索上的水库深泓线处，所述挡墙墙体顶部设置有进水口边墩，所述挡墙墙体内侧设置有挡墙扶臂。采用本发明所述的观测系统对水库前置挡墙增温效应观测进行了全面、综合、有效覆盖，确保了水库及下游水温变化规律整体观测与研究成果的系统性、代表性、可靠性。

Description

一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统

技术领域

本发明属于水利水电工程水文观测技术领域，具体是涉及一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统。

背景技术

水利水电工程等拦河水工建筑物成库后改变了水库库区的水文情势与水体环境，水库既调蓄水量又储存热量，可能会导致水库库区水体水温出现垂向分层现象，若不考虑分层取水措施取用水库表层高温区水体，则水库下泄流量大部分来自库区深水低温区水体，而水库低温水下泄会对下游河道水生态系统产生长期、深远的影响。

目前，我国水利水电工程通常是采用在其进水口前设置前置挡墙方式取用水库表层水体发电或引流，以减缓原水库进水口下泄低温水对下游河道水生态系统影响的方法已逐渐推广，但关于水利水电工程前置挡墙增温效应系统观测工作尚处于空白阶段，前置挡墙增温效应系统观测工作技术方法与要求缺乏相关导则或规范的有效统一，致使水库及下游整体水温变化规律观测与研究成果质量普遍存在系统性、代表性、可靠性不强等问题，对改进、优化后续水利水电工程前置挡墙分层取水措施的设计、建设及运行调度等工作的参考意义不大，对提高我国河流水温变化规律数学模型研究、经验公式改进及其计算软件开发等工作，并推动行业科技进步的借鉴意义不大。因此，如何开展水库前置挡墙增温效应库区及下游水温对比观测工作，研究水库前置挡墙增温效应的影响机理，并为相关环境影响系统研究作好技术支撑，是目前水利水电工程水文观测技术领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统。从而对水库前置挡墙增温效应系统观测技术做出统一要求，以提高水库及下游水温变化规律观测与研究工作技术水平及成果质量，克服现有技术所存在的不足。

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，包括设置于大坝上游进水口前的挡墙墙体，所述挡墙墙体安装在挡墙基础上，所述挡墙墙体的中心线外侧设置有水库库区水温水位连续在线观测单元，所述进水口与引水隧洞相连，在引水隧洞的出口处设置有水库下游泄流水温连续在线观测单元。

所述水库库区水温水位连续在线观测单元安布置在大坝警示缆索上的水库深泓线处。

所述水库库区水温水位连续在线观测单元包括浮球、探头链、配重物及设置在探头链上的若干组水温水位在线观测探头，其中浮球安装在警示缆索上，探头链上端与浮球连接，下端与配重物连接。

所述水库下游泄流水温连续在线观测单元包括垂向钢管、浮球、水温在线观测探头及探头链，其中，垂向钢管安装于尾水平台左侧和右侧回水区的外壁上，并通过钢管固定支架固定在尾水平台上，浮球漂浮在垂向钢管内部，探头链一端与浮球连接，另一端与水温在线观测探头连接。

所述挡墙墙体顶部设置有进水口边墩。

所述挡墙墙体内侧设置有挡墙扶臂。

所述垂向钢管内部还设置有检修钢缆。

所述水温水位在线观测探头和水温在线观测探头均采用具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水位测量精度为0.1米，工作深度范围可达200米，水温、水位数据记录频次可在10～180分钟区间任意设置。

所述水温水位在线观测探头在探头链上垂向上布设间距为2米至10米。

所述钢管固定支架延垂向钢管上下等距设置，间距为3米至10米。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明系统考虑了水库进水口前置挡墙工程分布高程情况，以及水库库区流场分布实际，通过该观测系统对水库前置挡墙增温效应观测进行了全面、综合、有效覆盖，确保了水库及下游水温变化规律整体观测与研究成果的系统性、代表性、可靠性。

本发明对全面、有效观测水库前置挡墙分层取水增温效果，提高我国水库水温变化规律观测工作技术水平及成果质量，对改进、优化后续水利水电工程前置挡墙分层取水措施的设计、建设及运行调度等工作，提高我国河流水温变化规律数学模型研究、经验公式改进及其计算软件开发等工作，并推动行业科技进步具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述坝前前置挡墙布置示意图；

图2为本发明中水库库区水温水位连续在线观测单元结构示意图；

图3为本发明中水库下游泄流水温连续在线观测单元布置示意图。

图中：1-进水口，2-引水隧洞，3-挡墙墙体，4-挡墙扶臂，5-进水口边墩，6-挡墙基础，7-警示缆索，8-浮球，9-探头链，10-水温水位在线观测探头，11-配重物，12-尾水平台，13-垂向钢管，14-钢管固定支架，15-水温在线观测探头，16-检修钢缆。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1至图3所示，本发明所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，包括设置于大坝上游进水口1前的挡墙墙体3，所述挡墙墙体3安装在挡墙基础6上，所述挡墙墙体3的中心线外侧设置有水库库区水温水位连续在线观测单元，所述进水口1与引水隧洞2相连，在引水隧洞2的出口处设置有水库下游泄流水温连续在线观测单元。在实际布置过程中，水库库区水温水位连续在线观测单元与挡墙墙体3的距离一般在10m以上，以防止水库下游泄流水温连续在线观测单元被进水口1前水流紊动影响损毁，该系统根据水库进水口前置挡墙工程分布高程情况，以及水库库区流场分布实际，通过在大坝上游侧及厂房尾水分别设置水库库区水温水位连续在线观测单元和水库下游泄流水温连续在线观测单元，以确保水库及下游水温变化规律整体观测与研究成果的系统性、代表性、可靠性。

所述水库库区水温水位连续在线观测单元安布置在大坝警示缆索7上的水库深泓线处。

所述水库库区水温水位连续在线观测单元包括浮球8、探头链9、配重物11及设置在探头链9上的若干组水温水位在线观测探头10，其中浮球8安装在警示缆索7上，探头链9上端与浮球8连接，下端与配重物11连接。

所述水库下游泄流水温连续在线观测单元包括垂向钢管13、浮球8、水温在线观测探头15及探头链9，其中，垂向钢管13安装于尾水平台12左侧和右侧回水区的外壁上，并通过钢管固定支架14固定在尾水平台12上，浮球8漂浮在垂向钢管13内部，探头链9一端与浮球8连接，另一端与水温在线观测探头15连接。探头链9用于悬挂水温在线观测探头15并连接浮球8，探头链9接链长度一般为1米至3米，其末端位置应短于垂向钢管13末端至少0.5米，以确保水温在线观测探头15不受水库泄流尾水影响而损毁。

所述挡墙墙体3顶部设置有进水口边墩5。进水口边墩5用于连接挡墙墙体3与大坝，起到加强稳固作用。

所述挡墙墙体3内侧设置有挡墙扶臂4。对挡墙墙体3起加强支撑作用。

所述垂向钢管13内部还设置有检修钢缆16。检修钢缆16为用于连接浮球8与垂向钢管13顶端的钢缆，用于在仪器检修、更换电池等情况下提升水温在线观测探头15。

所述浮球8是指漂浮于水库表面并承受一定配重的浮体，浮球直径根据配重所需浮力确定，材质应具备抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。浮球应依附安装于水库坝前水域相对固定的设施上，如图2所示水库表面的警示缆索7、库区水文测船等位置，并要确保观测仪器不受水库库区水流等影响而损毁。

所述水温水位在线观测探头10和水温在线观测探头15均采用具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水位测量精度为0.1米，工作深度范围可达200米，水温、水位数据记录频次可在10～180分钟区间任意设置。水温水位在线观测探头10采用电池作为电源，采用0.2毫米壁厚的不锈钢外壳封装，蓄热量极小，灵敏性高，具有防水、抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。

所述探头链9采用钢缆型式，用于垂向布置水温水位在线观测探头10，并便于观测仪器检修、更换电池等，以满足水库前置挡墙增温效应观测工作要求。探头链9连接于浮球8下部，其长度根据观测水深确定。

所述配重物11为铅球等可悬式重物，用于确保探头链9保持垂向，减小水库水体流动对探头链9的波动影响。

所述水温水位在线观测探头10在探头链9上垂向上布设间距一般为2米至10米，其中探头链9上不同水库运行水位时进水口垂向上边界对应高程变化区间内的水温水位在线观测探头10布设较密，间距一般为2米至5米。水温水位在线观测探头10在探头链9垂向上的具体布设间距以对水库前置挡墙增温效应观测进行有效覆盖为宜。

所述水库库区水温水位连续在线观测单元的安装组数及具体布置应根据水库坝前水域地形情况予以考虑，可安装一组或多组，其中至少应在水库坝前水域深泓线上安装一组，其余各组根据水库坝前水域地形情况予以综合考虑，具体安装组数根据观测工作精度要求确定，以对水库前置挡墙增温效应观测进行有效覆盖为宜。所述水库下游泄流水温连续在线观测单元安装组数及具体布置，应根据水库泄流情况及观测仪器安全运行方面综合考虑，可考虑在水库泄流尾水的左岸、右岸及下游河道中心线构筑物上分别设置一组或多组，以减小观测误差，并确保不受水库泄流冲击、碰撞等强外力影响。

所述垂向钢管13的长度根据水库尾水位变化范围确定，其底端应至少超过最低尾水位1.5米至3.5米，顶端应至少超过最高尾水位3米至5米；垂向钢管13的管径以满足浮球8、水温在线观测探头15安装为宜；钢管固定支架14延垂向钢管13上下等距设置，间距一般3米至10米。

一种采用本发明所述水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统对大坝水温进行观测的方法，该方法是根据水库进水口前置挡墙工程分布高程情况，以及水库库区流场分布实际，对水库前置挡墙增温效应系统观测技，以确保水库及下游水温变化规律整体观测与研究成果的系统性、代表性、可靠性。

所述前置挡墙增温效应系统观测，是指根据观测周期内水库不同水位运行情况，对水库库区及下游进行前置挡墙增温效应全过程的同步连续系统观测，包括水库库区水温水位连续在线观测、水库下游泄流水温连续在线观测，以及进行水库进水口垂向边界区间水温、水库下游泄流水温的同步对比分析计算，得出观测周期内前置挡墙增温效应幅度值，再由观测周期内全时段的增温效果幅度值累积统计后得到前置挡墙整体增温效应观测研究成果的方法。

所述前置挡墙增温效应全过程同步连续系统观测，是指结合一个水文年或多个水文年的观测周期内水库水位在正常蓄水位、死水位区间正常运行情况，将水库库区水温水位连续在线观测单元、水库下游泄流水温连续在线观测单元的观测仪器计数频率、周期予以同步设置，以对水库进水口垂向边界区间水温、水库下游泄流水温进行连续观测与数据统一整编，并予以对比分析计算。

所述前置挡墙增温效果幅度值是指观测周期内“水库进水口垂向边界区间水温连续在线观测值”与“水库下游泄流水温连续在线观测值”的同步连续差值。“水库进水口垂向边界区间水温连续在线观测值”可以是“水库库区水温水位连续在线观测单元”观测到的水库运行某一时段“进水口中心线对应高程水位处”或“距离进水口中心线对应高程水位最近处”水温水位在线观测探头记录的水温实测值，也可以是水库运行某一时段“进水口上下边界对应高程区间”多个垂向水温水位在线观测探头记录的水温实测值的平均值、内插值等水温分析计算值，具体取值方式根据观测工作精度要求予以确定；“水库下游泄流水温连续在线观测值温”即水库下游泄流水温连续同步在线观测系统的一个或多个水温在线观测探头记录的水温实测值(或平均值)。

所述前置挡墙整体增温效应观测研究成果是指在观测周期内各时段的前置挡墙增温效应幅度值时间维度上的累积统计成果，反映的是观测周期内全过程的前置挡墙增温效应幅度值相对趋势变化的统计成果。

下面结合北盘江董箐水电站实施实例对本发明方案作进一步详细说明如下：

(1)前置挡墙工程概况

董箐水电站为北盘江干流水电梯级开发最后一级，下游为红水河龙滩水电站，为II等大(2)型工程，开发任务主要以发电为主、航运次之，兼顾灌溉和供水等综合效益。董箐水电站水库正常蓄水位490.0m，死水位483.0m，发电极限水位475.0m，装机容量880MW(4×220MW)，保证出力172MW，多年平均电量30.26亿kW·h。董箐水电站引水发电系统布置在河床右岸，采用一洞一机单元供水方式，由塔式进水口、引水隧洞、压力钢管、坝后右岸地面厂房组成。

董箐水电站塔式进水口塔身底板高程455.0m，塔顶高程494.5m，塔高39.5m，进水口前沿宽度89.2m，顺水流方向长38.15m。董箐水库水温结构为过渡型，其塔式进水口底板距离正常蓄水位有35.0m高差，若不考虑分层取水则发电下泄流量大部分来自进水口前455.0m～470.0m高程内的深水低温区，会对下游河道水生态系统产生一定不利影响。按照环境保护部要求，为减轻董箐水电站发电下泄低温水不利影响，同时考虑董箐水库为日调节，库水位变幅相对频繁，确定在其发电进水口前13.0m设置了π型扶臂式钢筋混凝土挡墙以取用水库表层水发电。

董箐水电站进水口π型扶臂式钢筋混凝土前置挡墙距进水口前13.0m，挡墙两侧与进水口边墩相接；挡墙墙高15.0m，墙厚3.0m，扶臂间距5.0m，臂厚2.0m；挡墙顶部高程470.0m，挡墙底部为3.0m厚钢筋混凝土基础。

(2)水库库区水温水位连续在线观测单元布置情况

如2所示，董箐水电站水库库区水温水位连续在线观测单元设置一组，布置在坝前500m警示缆索7上的水库深泓线对应处，基本不受电站进水口发电引流及库区其他流场冲击影响。

浮球8采用PE滚塑浮球，直径为800mm，具备抗冲击、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。探头链9长为36m，钢缆直径为0.4cm，在探头链9底端采用20kg铅球11配重。

探头链9上从水库表面向下共布设16组水温水位在线观测探头10，同一布设处设置1组2个探头，一用一备，16组共32个，水温水位在线观测探头10布设在探头链9上分两段考虑：

由库表往下0m～10m范围为探头链9的第一段，按照间距5m布设，共布设3组水温水位在线观测探头10，分别在探头链9的0m、5m、10m予以布设。第一段内水温水位在线观测探头10在水库正常蓄水位490m与死水位483m正常运行期间，所测水温数据基本为前置挡墙顶部以上3m～10m区间的水库表层水体水温，所测水温值作为水库前置挡墙增温效应观测所需的间接对照数据。

由第一段末端至探头链9底端为第二段，即10m～36m范围，按照间距2m布设，共13组水温水位在线观测探头10，分别在探头链9的12m、14m、16m、18m、20m、22m、24m、26m、28m、30m、32m、34m、36m处予以布设。第二段内水温水位在线观测探头10在水库正常蓄水位490m与死水位483m正常运行期间，所测水温数据基本为前置挡墙顶部以上10m至挡墙底部合计垂向26m区间的水库深水层水体水温，以对水库各时段运行水位下的进水口垂向边界区间水温观测的有效覆盖，所测水温值作为水库前置挡墙增温效应观测所需的直接分析数据。

在董箐水电站水库库区水温水位连续在线观测单元中，水温水位在线观测探头10的水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水位测量精度为0.1m，工作深度范围为0～200m。水温水位在线观测探头10采用电池作为电源，设置成每180分钟记录一次水温、水位观测数据，其中每日08:00必须观测记录一次，在此模式下电池寿命为两年。采用不锈钢外壳封装，不锈钢外壳仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了传感器的高灵敏性，极小的温度延迟，具有抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。水温水位在线观测探头10采集的水温、水位数据通过中国移动GPRS数据通信平台接收至指定计算机予以储存。

(3)水库下游泄流水温连续在线观测单元布置情况

董箐水电站发电尾水与下游的龙滩水电站水库衔接，尾水变幅较大，尾水位的变化范围为366.5m～402.5m，尾水位变幅达36m。

如图3所示，董箐水电站水库下游泄流水温连续在线观测单元的垂向钢管13安装于尾水平台12左侧和右侧回水区的外壁上，共计两组，通过钢管固定支架14固定在尾水平台12上，垂向钢管13的管径为200mm，垂向钢管13总长度为41m，其底端超过最低尾水位2m，顶端超过最高尾水位3m。钢管固定支架14延垂向钢管13上下等距设置，间距为4m，共计11个水平支架，钢管固定支架14安装处的位置由低端至顶端分别为0m、4m、8m、12m、16m、20m、24m、28m、32m、36m、40m。

浮球8采用PE滚塑浮球，直径为150mm，具备抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。探头链9为钢缆，长度为1.5m，直径为0.3cm。检修钢缆16长度为80m，直径为0.4cm。

探头链9接链末端安装有2个水温在线观测探头15，一用一备，水温在线观测探头15的水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，工作深度范围为0～200m。采用电池作为电源，设置成每180分钟记录一次水温观测数据，其中每日08:00必须观测记录一次，此模式下电池寿命为两年。采用不锈钢外壳封装，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了传感器的高灵敏性，极小的温度延迟，具有抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。水温在线观测探头采集的水温数据通过中国移动GPRS数据通信平台接收至指定计算机予以储存。

(4)水库前置挡墙增温效应观测工作开展情况

董箐水电站在2012年3月启动了水库前置挡墙增温效应观测工作，计划开展为期10个水文年的观测工作，其中近期3～5年观测成果满足工程竣工环境保护验收与环境影响后评价工作要求，远期5～10年观测成果满足整个北盘江流域整体环境保护科学研究工作要求。

董箐水电站水库库区水温水位连续在线观测单元、水库下游泄流水温连续在线观测单元的观测仪器计数频率、周期一致，均为每180分钟记录一次水温或水位观测数据，每日08:00必须观测记录一次。

董箐水电站水库前置挡墙增温效应观测的“前置挡墙增温效应幅度值”，在观测规划周期内，对“水库进水口垂向边界区间水温连续在线观测值”与“水库下游泄流水温连续在线观测值”的同步连续差值进行了深入的对比分析和研究论证。

董箐水电站“水库进水口垂向边界区间水温连续在线观测值”采用了多种方案予以了对比分析，以切实调查前置挡墙工程增温效果，分别为：“水库库区水温水位连续在线观测单元”观测到的水库运行某一时段“进水口中心线对应高程459.5m水位处”对应的水温水位在线观测探头10记录的水温实测值；“距离进水口中心线对应高程459.5水位最近处”水温水位在线观测探头10记录的水温实测值；“进水口上下边界对应高程455m～464m区间”多个垂向水温水位在线观测探头10记录的水温实测值的平均值；“进水口上下边界对应高程455m～464区间”多个垂向水温水位在线观测探头10记录的水温实测值的内插值。“水库下游泄流水温连续在线观测值温”则以两组水库下游泄流水温连续同步在线观测系统水温在线观测探头15记录的水温实测值平均值作为增温效应分析依据。

董箐水电站“前置挡墙整体增温效应果观测研究成果”，主要是统计观测周期内各水文年内前置挡墙增温效果幅度值时间维度上的累积成果，以全面、直观反映观测周期各水文年内全过程的前置挡墙增温效果幅度值相对趋势变化。

Claims (10)

1.一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：包括设置于大坝上游进水口(1)前的挡墙墙体(3)，所述挡墙墙体(3)安装在挡墙基础(6)上，所述挡墙墙体(3)的中心线外侧设置有水库库区水温水位连续在线观测单元，所述进水口(1)与引水隧洞(2)相连，在引水隧洞(2)的出口处设置有水库下游泄流水温连续在线观测单元。

2.根据权利要求1所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述水库库区水温水位连续在线观测单元安布置在大坝警示缆索(7)上的水库深泓线处。

3.根据权利要求1所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述水库库区水温水位连续在线观测单元包括浮球(8)、探头链(9)、配重物(11)及设置在探头链(9)上的若干组水温水位在线观测探头(10)，其中浮球(8)安装在警示缆索(7)上，探头链(9)上端与浮球(8)连接，下端与配重物(11)连接。

4.根据权利要求1所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述水库下游泄流水温连续在线观测单元包括垂向钢管(13)、浮球(8)、水温在线观测探头(15)及探头链(9)，其中，垂向钢管(13)安装于尾水平台(12)左侧和右侧回水区的外壁上，并通过钢管固定支架(14)固定在尾水平台(12)上，浮球(8)漂浮在垂向钢管(13)内部，探头链(9)一端与浮球(8)连接，另一端与水温在线观测探头(15)连接。

5.根据权利要求1所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述挡墙墙体(3)顶部设置有进水口边墩(5)。

6.根据权利要求1所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述挡墙墙体(3)内侧设置有挡墙扶臂(4)。

7.根据权利要求1所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述垂向钢管(13)内部还设置有检修钢缆(16)。

8.根据权利要求3所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述水温水位在线观测探头(10)采用具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水位测量精度为0.1米，工作深度范围可达200米，水温、水位数据记录频次可在10～180分钟区间任意设置。

9.根据权利要求3所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述水温水位在线观测探头(10)在探头链(9)上垂向上布设间距为2米至10米。

10.根据权利要求4所述的一种水库前置挡墙上游及厂房下游水温对比观测系统，其特征在于：所述钢管固定支架(14)延垂向钢管(13)上下等距设置，间距为3米至10米。