CN108303235B - 一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置和方法 - Google Patents

一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型深水库中温度‑泥沙耦合异重流监测装置和方法，它包括用于采集和监测泥沙的定点泥沙监测装置、用于采集和监测水温的定点水温监测装置和能够进行移动监测的移动监测装置。该监测装置和方法用于大型深水库异重流在运动过程中水体温度、含沙量沿程及垂向变化的观测，采集水库入出库的含沙量和水温数据，为大型深水库泥沙调度提供数据支撑和判断依据。

Description

一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置和方法
技术领域
本发明涉及一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置及方法，该异重流监测装置和方法适用于大型深水库的异重流原型监测，属于水利水电工程监测领域。
背景技术
水库异重流是水库来流与库区环境水体由于密度的差异而发生相对运动而不发生全局性掺混的现象，其密度差主要由温差、泥沙、污染物等因素引起。水库异重流运动规律影响库区泥沙淤积位置、库区淤积形态、水库排沙比、库区营养物质输运及库区温度分层结构等重要问题。
目前，在长江上已建成三峡水利枢纽工程、溪洛渡、向家坝水电站等举世瞩目的大型水利水电工程，在这些大型深水库中存在不同程度的温度分层情况，水库表底温差形成的密度差可达1 kg/m3左右，同时白鹤滩水文站汛期月均含沙量在1kg/m3左右，2016年汛期白鹤滩水文站最大含沙量为19.9 kg/m3。温差引起的密度差与含沙量引起的密度差接近，在流量及含沙量条件合适的情况下，汛期入库浑水在温度差和含沙量耦合作用下下潜形成异重流。科学合理的利用水库异重流形成排沙通道帮助排沙，对控制水库有效兴利库容和防洪库容，调整泥沙淤积在梯级水库的均衡配置至关重要。
温差和泥沙耦合作用形成的异重流运动规律复杂，其形成和运动过程变化较快，目前尚无快速可靠的方式进行大型深水库的温差-泥沙耦合异重流的跟踪监测装置和方法。为解决以上技术问题，本发明针对类似于溪洛渡水库异重流低沙河流中温差-泥沙耦合异重流的运动特点，提出大型深水库中异重流的监测装置及方法，实时反馈水库异重流形成和发展过程，为大型深水库泥沙调度提供数据支撑和判断依据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大型深水库中温差-泥沙耦合异重流形成及运动发展过程的监测装置和方法，该监测装置和方法用于大型深水库异重流在运动过程中水体温度、含沙量沿程及垂向变化的观测，为大型深水库泥沙调度提供数据支撑和判断依据。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置，它包括用于采集和监测泥沙的定点泥沙监测装置、用于采集和监测水温的定点水温监测装置和能够进行移动监测的移动监测装置。
所述定点泥沙监测装置包括主缆道和副缆道，在所述主缆道和副缆道之间悬挂有悬索，在悬索的末端安装有铅鱼，所述铅鱼上安装有悬移质采样器，所述主缆道和副缆道的两端分别支撑安装在对称布置的主缆道排架和副缆道排架上，所述主缆道排架和副缆道排架固定安装在岸边的铅鱼台上，所述铅鱼台的侧面设置有站房，所述悬索的顶部通过行车与主缆道和副缆道构成滑动配合连接，并驱动其沿缆道行走。
所述定点水温监测装置包括水位自记井，所述水位自记井内部设置有钢索，所述钢索的另一端与浮在水面的漂浮球相连，所述漂浮球的底部用连接索悬挂有温度探头，所述温度探头的外部安装有保护套，所述钢索上滑动连接有滑动重物。
所述移动监测装置包括水文测船，所述水文测船的顶部侧面固定安装有悬臂架，所述悬臂架上支撑安装有悬索，所述悬索的一端与水文铅鱼拖动机构相连，另一端连接有水文铅鱼，所述移动监测装置包括采样测量设备，所述采样测量设备包括水温、浊度自记设备和瞬时式横式“1”型采样器。
任意一项所述大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置进行异重流监测的方法，其特征在于它包括以下步骤：
在库区选取重点关注河段进行巡航，找到异重流潜入点，在库区异重流潜入点至坝址范围内，沿异重流的发展方向布置垂向水温、浊度监测点；采用水文测船搭载的移动监测装置进行巡测，利用GNSS确定测量船的坐标；同步进行连续测量库区水体垂向水温、浊度工作和垂向水体悬沙采样工作。
所述连续测量库区水体垂向水温、浊度工作的方法为：在预定取样位置采用水文铅鱼搭载自记式水温、浊度和水深记录仪进行垂向断面上的数据采集，垂向上放线控制在每2m布设一个采样点，根据记录仪的采样时间频率（s）和垂向采样间距（m）计算钢缆的放线速度；实际放线速度不大于计算放线速度；待铅鱼放到库底后提升仪器收回；
放线速度（m/s）=垂向采样间距（m）/采样时间（s）
所述垂向水体悬沙采样工作的方法为：选取重要断面采用悬索悬挂水文铅鱼和瞬时式采样器进行悬沙采样，数据用于后期建立浊度和含沙量的换算的关系曲线；采样时，采样器口门应正对水流，在采样点停留一定时间后关闭口门，再提升仪器收回；取样后均分为两份，分别用于含沙量和颗粒级配的测量；水样的含沙量采用烘干法进行测量，颗粒级配采用马尔文激光粒度仪进行分析。
所述垂向水体悬沙采样点的分布为：水面（0）、相对水深的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0（河底）。
入库和出库河段采用定点监测河道的含沙量和水温，监测频次为每两小时一次，含沙量大时加密测量。
本发明有如下有益效果：
1、本发明提供了一种可靠有效的大型深水库中温度-泥沙耦合异重流观测装置及方法，适用于水深200m级大型水库监测，可操作性强，可在大型深水库的异重流监测中广泛推广。
2、本发明提供一种泥沙定点监测装置，含沙量采用多点采样混合计算，采用水文铅鱼拖动系统配合缆道控制悬移质采样器采样位置，自动化程度高，能应用于大型河流悬沙采样，实现了横断面多点采样，监测结果更具代表性。
3、本发明提供一种移动监测设备装置和方法，采用水温、浊度自记探头和水文铅鱼拖动系统，配合水文船巡测，实现了垂向200m水深级的垂向数据的连续自记和实时读数，为大型深水库泥沙调度提供及时数据支撑，绞车自动投放钢缆相较于人工投放仪器的方法更可靠，且垂向的采样点位置控制更为精准，自动化程度高。
4、本发明中采用瞬时式横式“1”型采样器，配合水文船同步取悬沙水样，在垂向上采用11点法采水样进行含沙量取样分析，建立浊度-含沙量关系曲线，用于库区水样含沙量的换算。
5、本发明中采用的定点温度监测装置，配置滑动重物适应河道水位的变化，保证测得水面以下固定水深的水温值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明泥沙定点监测装置示意图。
图2为本发明水温定点监测装置示意图。
图3为本发明移动监测装置主视图。
图4为本发明移动监测装置俯视图。
图5纵断面监测点位和横断面监测点位的示意图。
图6异重流监测点位示意图。
图中：定点泥沙监测装置1、定点水温监测装置2、移动监测装置3；
主缆道101、副缆道102、悬索103、铅鱼104、悬移质采样器105、主缆道排架106、副缆道排架107、铅鱼台108、站房109、行车110；
水位自记井201、钢索202、漂浮球203、温度探头204、滑动重物205；
水文测船301、悬臂架302、悬索303、水文铅鱼304、水文铅鱼拖动机构305；
入库定点监测位置601、潜入点602、移动垂向监测点位603、异重流前锋604、出库定点监测位置605。
具体实施方式
下面结合附图并用实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，即并不意味着是对本发明保护内容的任何限定。
实施例1：
如图1-4，一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置，它包括用于采集和监测泥沙的定点泥沙监测装置1、用于采集和监测水温的定点水温监测装置2和能够进行移动监测的移动监测装置3。通过采用上述的异重流监测装置，用于大型深水库异重流在运动过程中水体温度、含沙量沿程及垂向变化的观测，为大型深水库泥沙调度提供数据支撑和判断依据。
进一步的，所述定点泥沙监测装置1包括主缆道101和副缆道102，在所述主缆道101和副缆道102之间悬挂有悬索103，在悬索103的末端安装有铅鱼104，所述铅鱼104上安装有悬移质采样器105，所述主缆道101和副缆道102的两端分别支撑安装在对称布置的主缆道排架106和副缆道排架107上，所述主缆道排架106和副缆道排架107固定安装在岸边的铅鱼台108上，所述铅鱼台108的侧面设置有站房109，所述悬索103的顶部通过行车110与主缆道101和副缆道102构成滑动配合连接，并驱动其沿缆道行走。
其中定点水样泥沙监测具体方法为：采用调压积时式AYX2-1型采样器在测流断面布置3~5条垂线，每条垂线按0.2、0.6、0.8三点混合取样计算。通过水文缆道调整AYX2-1型调压积时式悬移质采样器105采样位置，采样器口门正对水流，在采样点停留一定时间后关闭口门，提升仪器。取样后均分水样，采用HACH TL2350浊度仪测量浊度，采用马尔文激光粒度仪分析水样颗粒级配。采样频次为2小时采样一次，含沙量大时酌情加密采样。
进一步的，所述定点泥沙监测装置2包括水位自记井201，所述水位自记井201内部设置有钢索202，所述钢索202的另一端与浮在水面的漂浮球203相连，所述漂浮球203的底部连接有温度探头204，所述钢索202上滑动连接有滑动重物205，所述滑动重物205。所述滑动重物205在钢索上滑动，保证防水钢索202不会缠绕。采样频次为每2小时一次。所述温度探头204外部设置有保护套，保证水温记录仪在水面在1m内完成水温观测。
进一步的，所述移动监测装置3包括水文测船301，所述水文测船301的顶部侧面固定安装有悬臂架302，所述悬臂架302上支撑安装有悬索303，所述悬索303的一端与水文铅鱼拖动机构305相连，另一端连接有水文铅鱼304。通过所述的水文测船301能够带动整个测量装置沿着水库行进，进而进行水库的异重流监测。采样测量设备包括水温、浊度自记设备和瞬时式横式“1”型采样器。
实施例2：
采用任意一项所述大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置进行异重流监测的方法，其特征在于它包括以下步骤：
在库区选取重点关注河段进行巡航，找到异重流潜入点，在库区异重流潜入点至坝址范围内，沿异重流的发展方向布置垂向水温、浊度监测点；采用水文测船301搭载的移动监测装置3进行巡测，利用GNSS确定测量船的坐标；同步进行连续测量库区水体垂向水温、浊度工作和垂向水体悬沙采样工作。
进一步的，所述连续测量库区水体垂向水温、浊度工作的方法为：在预定取样位置采用水文铅鱼304搭载自记式水温、浊度和水深记录仪进行垂向断面上的数据采集，垂向上放线控制在每2m布设一个采样点，根据记录仪的采样时间频率（s）和垂向采样间距（m）计算钢缆的放线速度；实际放线速度不大于计算放线速度；待铅鱼放到库底后提升仪器收回；
放线速度（m/s）=垂向采样间距（m）/采样时间（s）
进一步的，所述垂向水体悬沙采样工作的方法为：选取重要断面采用悬索悬挂水文铅鱼304和瞬时式采样器进行悬沙采样，数据用于后期建立浊度和含沙量的换算的关系曲线；采样时，采样器口门应正对水流，在采样点停留一定时间后关闭口门，再提升仪器收回；取样后均分为两份，分别用于含沙量和颗粒级配的测量；水样的含沙量采用烘干法进行测量，颗粒级配采用马尔文激光粒度仪进行分析。
进一步的，所述垂向水体悬沙采样点的分布为：水面（0）、相对水深的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0（河底）。
实施例3：
以下实施例中所用的仪器设备出处如下：
1）温度记录仪采用浙大仪器设备厂生产的ZDR记录仪，温度传感器的分辨率为0.1℃，精度为±0.2℃，范围为-40～100℃，仪器采用高能锂电池供电。
2）温度-浊度记录仪采用CSI-OBS-3A浊度-温度记录仪，其温度的测量范围在0到35℃，温度精度为±0.5℃;浊度测量范围为0.4到1000NTU，误差小于2%；水深的测量范围为300m，误差小于2%。
3）室内水样浊度采用HACH TL2350浊度仪测量，泥沙颗粒级配采用马尔文激光粒度仪测量，测量粒径范围为0.02µm到2000µm。
4）水文铅鱼变频拖动系统采用ELD-3B水文变频拖动系统。
5）定点监测悬移质采样器选用AYX2-1型调压积时式悬移质采样器。
以下结合金沙江下游溪洛渡水库实施实例对深水库中异重流监测装置及方法进一步详细说明。
工程概况介绍
溪洛渡水库位于金沙江下游干流上，是金沙江下游河段四个梯级电站的第三级。最大坝高278m，电站装机容量1260万kW。水库总容量115.7亿m3，调节库容64.6亿m3，死库容51.1亿m3，具有不完全年调节功能。2016年溪洛渡入库水量约为1311亿m3，沙量约为10003万t。2016年溪洛渡水库库尾白鹤滩水文站年均含沙量为0.751 kg/m3，最大含沙量为19.9kg/m3（6月15日），而溪洛渡水库下游溪洛渡水文站的年均含沙量仅为0.009 kg/m3。结合库区水文条件和库区垂向水温分布情况判断，库区可能出现异重流。
观测方案介绍
（一）监测时机判断
根据现场情况踏勘，找到库区干流聚集大量漂浮物的清浑交界面，判断该河段为异重流的潜入位置。在潜入点至坝址河段开展异重流观测。
（二）定点监测
在库尾白鹤滩水文站和坝址下游溪洛渡水文站利用定点监测装置进行出入库含沙量、浊度和温度的监测。异重流观测期间，测量频次为每2小时一次，含沙量大时酌情加密采样。
定点水样泥沙监测方法为：采用调压积时式AYX2-1型采样器在测流断面起点距160m、180m、200m三线，按0.2、0.8混合取样计算。通过水文缆道调整AYX2-1型调压积时式悬移质采样器采样位置，采样后提升仪器。取样后均分水样，采用HACH TL2350浊度仪测量浊度，采用马尔文激光粒度仪分析水样颗粒级配。
定点水温监测装置及方法：在临水边位置布设ZDR自记式水温记录器，采用铁皮箱做好仪器设备防护，用直径2cm的空心管将缆线和钢丝固定在岸坡上，采用泡沫浮球承载记录仪，保证水温记录仪在水面在1m内完成水温观测，滑动配重体在防水钢索上滑动，保证防水钢索不会缠绕。
（三）移动监测
在库区异重流潜入点至坝址范围内，沿异重流的发展方向布置垂向水温、浊度监测点。采用水文船搭载的移动监测装置进行巡航，利用GNSS确定测量船的坐标。同步进行连续测量库区水体垂向水温、浊度工作和垂向水体悬沙采样工作。
连续测量库区水体垂向水温、浊度工作：首先对CSI-OBS-3A浊度-温度记录仪进行压力校正。然后在预定取样位置采用铅鱼搭载自记式水温、浊度和水深记录仪进行垂向断面上的数据采集。采用水文铅鱼变频拖动系统连续放线，垂向上放线控制在每2m布设一个采样点，控制放线速度小于0.4m/s，采样频率为5s，垂向采样间距为2m。待铅鱼放到库底后，仪器连续记录完垂向水温、浊度和压力数据，提升仪器收回。将监测仪主机与便携式计算机连接，将各垂线水温、浊度和水深数据导出备份，对监测结果进行测报。
垂向水体悬沙采样工作：选取重要断面采用悬索悬挂铅鱼和瞬时式采样器进行悬沙采样，垂向上采用11点法采水样进行含沙量取样分析。位置分别为：水面（0）、相对水深的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0（河底）。数据用于后期建立浊度和含沙量的换算的关系曲线。采样时，采样器口门应正对水流，在采样点停留一定时间后关闭口门，再提升仪器收回。横式采样器所取的水样均分为两份，分别用于含沙量和颗粒级配的测量。水样的含沙量采用烘干法进行测量，颗粒级配采用马尔文激光粒度仪进行分析。
纵断面监测点位和横断面监测点位的示意图如图6所示。
（1）纵断面监测
在库区异重流潜入点至坝址范围，沿异重流发展方向布置纵断面水样采样监测点，每6km布设一条垂线共计36条垂线。
（2）横断面监测
自潜入点上游5km至坝前范围，在固定断面的布设基础上，每隔2~5km布设一断面共13断面，每断面2线11点，取样进行水样含沙量和颗粒级配分析。垂向数据采集和水样采集方法同纵断面监测方法。
上述实施例仅为本发明用于金沙江下游溪洛渡水库水温-泥沙耦合异重流的形成和运动特征观测，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案基础上所做的变形，修饰或者等同替换等，均应落入本发明的保护范围。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测方法，其特征在于：所述一种大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测装置包括用于采集和监测泥沙的定点泥沙监测装置（1）、用于采集和监测水温的定点水温监测装置（2）和能够进行移动监测的移动监测装置（3）；
所述定点泥沙监测装置（1）包括主缆道（101）和副缆道（102），在所述主缆道（101）和副缆道（102）之间悬挂有悬索（103），在悬索（103）的末端安装有铅鱼（104），所述铅鱼（104）上安装有悬移质采样器（105），所述主缆道（101）和副缆道（102）的两端分别支撑安装在对称布置的主缆道排架（106）和副缆道排架（107）上，所述主缆道排架（106）和副缆道排架（107）固定安装在岸边的铅鱼台（108）上，所述铅鱼台（108）的侧面设置有站房（109），所述悬索（103）的顶部通过行车（110）与主缆道（101）和副缆道（102）构成滑动配合连接，并驱动其沿缆道行走；
所述定点水温监测装置（2）包括水位自记井（201），所述水位自记井（201）内部设置有钢索（202），所述钢索（202）的另一端与浮在水面的漂浮球（203）相连，所述漂浮球（203）的底部用连接索悬挂有温度探头（204），所述温度探头（204）的外部安装有保护套，所述钢索（202）上滑动连接有滑动重物（205）；
所述移动监测装置（3）包括水文测船（301），所述水文测船（301）的顶部侧面固定安装有悬臂架（302），所述悬臂架（302）上支撑安装有悬臂架悬索（303），所述悬臂架悬索（303）的一端与水文铅鱼拖动机构（305）相连，另一端连接有水文铅鱼（304），所述移动监测装置（3）包括采样测量设备，所述采样测量设备包括水温、浊度自记设备和瞬时式横式“1”型采样器；
异重流监测的方法包括以下步骤：
在库区选取重点关注河段进行巡航，找到异重流潜入点，在库区异重流潜入点至坝址范围内，沿异重流的发展方向布置垂向水温、浊度监测点；采用水文测船（301）搭载的移动监测装置（3）进行巡测，利用GNSS确定测量船的坐标；同步进行连续测量库区水体垂向水温、浊度工作和垂向水体悬沙采样工作；
所述连续测量库区水体垂向水温、浊度工作的方法为：在预定取样位置采用水文铅鱼（304）搭载自记式水温、浊度和水深记录仪进行垂向断面上的数据采集，垂向上放线控制在每2m布设一个采样点，根据记录仪的采样时间频率（s）和垂向采样间距（m）计算钢缆的放线速度；实际放线速度不大于计算放线速度；待铅鱼放到库底后提升仪器收回；
放线速度（m/s）=垂向采样间距（m）/采样时间（s）；
所述垂向水体悬沙采样工作的方法为：选取重要断面采用悬索悬挂水文铅鱼（304）和瞬时式采样器进行悬沙采样，数据用于后期建立浊度和含沙量的换算的关系曲线；采样时，采样器口门应正对水流，在采样点停留一定时间后关闭口门，再提升仪器收回；取样后均分为两份，分别用于含沙量和颗粒级配的测量；水样的含沙量采用烘干法进行测量，颗粒级配采用马尔文激光粒度仪进行分析；
移动监测：
在库区异重流潜入点至坝址范围内，沿异重流的发展方向布置垂向水温、浊度监测点，采用水文船搭载的移动监测装置进行巡航，利用GNSS确定测量船的坐标，同步进行连续测量库区水体垂向水温、浊度工作和垂向水体悬沙采样工作；
纵断面监测点位和横断面监测点位的具体监测过程为：
纵断面监测：
在库区异重流潜入点至坝址范围，沿异重流发展方向布置纵断面水样采样监测点，每6km布设一条垂线共计36条垂线；
横断面监测：
自潜入点上游5km至坝前范围，在固定断面的布设基础上，每隔2~5km布设一断面共13断面，每断面2线11点，取样进行水样含沙量和颗粒级配分析；
垂向数据采集和水样采集方法同纵断面监测方法。
2.根据权利要求1所述大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测方法，其特征在于，所述垂向水体悬沙采样点的分布为：水面为0、相对水深的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0为河底。
3.根据权利要求1所述大型深水库中温度-泥沙耦合异重流监测方法，其特征在于，入库和出库河段采用定点监测河道的含沙量和水温，监测频次为每两小时一次，含沙量大时加密测量。
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