CN205691266U - 一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，包括浮球、探头链及设置在探头链上的若干水温水位在线观测探头，所述探头链连接于浮球下部，所述探头链下端还设置有配重物，所述浮球为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，所述水温水位在线观测探头为具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，其水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为‑40～100℃，水位测量精度为0.1米，所述水温水位在线观测探头采用电池作为电源。本实用新型所述的观测装置提高了河流、水库等水体的水温变化及分布规律系统观测工作技术水平及成果质量，克服了现有技术的不足。

Description

一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置

技术领域

本实用新型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坝前垂向水温参混逆温效应观测装置。

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分层现象。对于水温分层型水库，其坝前垂向水温结构总体来说可分为库面的温水层、库中的斜温层、库下的冷水层三个部分，水温分层型水库大多数的增暖和冷却现象都在温水层(温变层)进行，温水层以下是温度变化较迅速的斜温层(温跃层)，斜温层以下是热量难以交换的冷水层(滞温层)。

对于水温分层型水库，在夏季，水温分层后形成了较为稳定的斜温层，坝前水域水体温度在水平方向上保持不变，仅垂直方向存在变化，而且由水温引起的垂向密度梯度上下(下面水体重、上面水体轻)很难产生渗混，形成了入流和出流的水平层流；根据我国大部分水温分层型水库统计资料，其夏季库面温水层和库下冷水层温差可达15～20℃。

在秋季，水温分层型水库表层水温度降低，密度增加，库面水下沉，产生对流现象，进入对流期，这样入流和出流的流动，再加上来水的均匀渗混，使库水温达到了均匀分布。

在冬季，水温分层型水库坝前表层水体水温基本处于均匀分布，部分水温分层型水库还可能会形成表面冰盖，冰盖下面是4℃的水，形成冬季坝前水体逆温分层分布。

春季来临后，水库上层热量的输入大于支出，使水库表面温度升高，接近4℃时，会发生上下水层之间的水量交换，如遇有强风，则全深度的水达到均匀密度分布，水库水温也均匀分布。

随着次年夏季的来临，水库表面温度升高，由于外力影响，热量向较深层传递，在表面形成暖而轻的水层，冷而重的水分布在库底，如果混合不能充分补偿这种温度和密度的垂直分布，则形成夏季水库水温分层结构。这种水温分层型水库多出现在规模较大，并且水流较慢的大型水库。

目前，我国水温分层型水库坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化规律的机理研究很少，尤其是针对水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测研究，更是处于空白阶段，水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测的技术方法与要求缺乏相关导则或规范的有效统一，观测成果质量普遍存在系统性、代表性、可靠性不强等问题，对提高我国河流、水库等水体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的参考意义不大，不能很好的指导水利水电工程环境影响系统研究工作的科学开展。

因此，如何开展水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测，研究水温分层型水库坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温变化规律的影响机理，并为进行相关环境影响的系统研究作好技术支撑，是十分必要的。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置。根据水温分层型水库坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化规律情况，对水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测方法作出要求，以提高水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测工作技术水平及成果质量，从而克服了现有技术的不足。

本实用新型是通过如下技术方案予以实现的。

一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，包括浮球、探头链及设置在探头链上的若干水温水位在线观测探头，所述探头链连接于浮球下部，所述探头链下端还设置有配重物。

所述浮球为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。

所述水温水位在线观测探头为具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，其水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水位测量精度为0.1米。

所述水温水位在线观测探头采用电池作为电源，采用0.2毫米壁厚的不锈钢外壳封装。

所述水温水位在线观测探头在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上等距设置，间距为2米至10米。

本实用新型的有益效果是：

采用本实用新型所述的观测方法及装置，提高了我国河流、水库等水体的水温变化及分布规律系统观测工作技术水平及成果质量，克服了现有技术的不足，进一步提升我国河流、水库等水体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研究工作水平，对推动行业技术进步具有重要意义，其经济、社会、环境效益显著。

与现有技术相比，本实用新型根据我国水温分层型水库坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化实际，提出了水温分层水库坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测垂线布设、垂线测点布设以及观测工作周期安排等方法与技术要求，对水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应进行了全面、有效覆盖，确保了水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测成果的系统性、代表性、可靠性。

附图说明

图1为本实用新型光照水电站水库坝前垂向水温参混逆温效应观测垂线平面示意图；

图2为本实用新型所述的水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置剖面示意图。

图中：1-坝前库区河道深弘线与警示缆索交汇处水温自动观测垂线，2-坝前库区河道深弘线与进水口中心线交汇处水温人工观测垂线，3-警示缆索，4-光照水电站大坝，5-光照水电站进水口，6-坝前库区河道深弘线，7-进水口中心线，8-浮球，9-水温水位在线观测探头，10-探头链，11-铅球。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

本实用新型所述的一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测方法，该方法是根据水温分层型水库坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化实际，提出了水温分层水库坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测垂线布设、垂线测点布设以及观测工作周期安排，以确保水温分层水库坝前垂向水温参混逆温效应观测成果的系统性、代表性、可靠性。

所述水温分层水库坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测垂线布设，是指在水温分层型水库坝前水域一定范围布设若干坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线，以观测坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化情况；

所述在坝前水域一定范围布设水温观测垂线，是指根据坝前水域的库区地形情况，并考虑观测仪器安全运行要求布设坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线。观测垂线宜布设在坝前库区河道深弘线上或进水口中心线上，并根据水库大坝及进水口前流场分布实际布设，注意与大坝进水口及泄洪影响水域边界保持一定的安全距离，该安全距离宜在100米以上，以确保观测仪器不受坝前水体流场影响而发生安全事故。

所述布设若干坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线，是指根据观测工作精度要求，分别在坝前库区河道深弘线上与进水口中心线上布设若干坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线，观测垂线具体布设数目、位置分布应根据观测精度工作要求确定，各观测垂线在河道横向与纵向上的间距宜在200米～500米，以有效控制坝前水域整体边界为宜。其具体布置方式如下：

当坝前水域宽度在500米以内时，水温观测垂线宜为1条～2条，其中坝前库区河道深弘线上至少设置1条。

当坝前水域宽度在500米至1000米时，水温观测垂线宜为2条～3条，其中坝前库区河道深弘线上、进水口中心线上至少各设置1条。

当坝前水域宽度在1000米至2000米时，水温观测垂线宜为3条～5条，其中坝前库区河道深弘线上、进水口中心线上至少各设置1条。

当坝前水域宽度在2000米以上时，具体水温观测垂线布设数量应根据观测工作精度要求予以设置，其中坝前库区河道深弘线上、进水口中心线上至少各设置1条。

所述水温分层水库坝前垂向水温参混逆温动态变化的垂线测点布设，是指根据坝前水域水深及观测工作精度要求，在布设的坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上采取自动观测、人工观测或自动观测加人工观测的方式，以观测坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化情况。

所述坝前垂向水温参混逆温动态变化自动观测，是指在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上设置水温自动观测装置，以连续观测坝前水域垂向水温参混逆温动态变化情况。

如图2所示，本实用新型所述的坝前垂向水温参混逆温效应观测装置包括浮球8、探头链10及设置在探头链10上的若干水温水位在线观测探头9，所述探头链10采取钢缆型式，用于垂向布置水温水位在线观测探头9，所述探头链10连接于浮球8下部，其长度根据坝前水域观测水深确定；所述探头链10下端还设置有配重物，配重物为铅球11等可悬式重物，用于确保探头链10保持垂向，减小水库横向水体流动对探头链的波动影响。

所述浮球8为漂浮于水库表面并承受一定配重的浮体，浮球8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8应依附安装于水温分层型水库坝前水域相对固定的设施上，如图1、图2所示的水库表面的警示缆索3、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9为具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，其水温测量分辨率为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9采用电池作为电源，采用仅0.2毫米壁厚的不锈钢外壳封装，蓄热量极小，灵敏性高，具有抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。

所述水温水位在线观测探头9在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上等距设置，间距一般为2米至10米，若两相邻水温水位在线观测探头9之间实测水温温差超过0.2℃，则在区间增加水温水位在线观测探头9，具体间距布设以对水温分层型水库坝前水域库面温水层、库中斜温层、库下冷水层的水温参混逆温效应进行有效覆盖为宜。

所述坝前垂向水温参混逆温动态变化人工观测，是指在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上采取水温观测仪器进行人工观测的方式，以定期观测坝前水域垂向水温参混逆温动态变化情况。

所述水温观测仪器，是指能自动记录水深、水温等参数的仪器，其水温传感器的分辨率为0.01℃及以上，精度为±0.15℃及以上，量测范围-5～100℃，水深传感器精度为0.3米及以上，工作深度范围0～500米；水温传感器无需校准，水深传感器可根据施测位置当地大气压予以现场校准。

所述人工观测方式，是指考虑坝前水域垂向水温参混逆温动态变化实际，分别在水温分层型水库坝前水域库面温水层、库中斜温层、库下冷水层等不同水温结构层予以布设测点，并根据相邻测点间温差情况予以增设测点。库面温水层内的测点一般布设在水面以下0.5米；库中斜温层内的测点一般沿垂线水深方向每间隔3.0米布设1个，若两相邻测点之间温差超过0.2℃，则在区间增加测点；库下冷水层内的测点一般沿垂线水深方向每间隔5.0米布设1个，若两相邻测点之间温差超过0.2℃，则在区间增加测点。观测时将水温观测仪器置于指定水温观测垂线的待测点上，停留足够时间，一般至少15秒，待仪器读数稳定且自动记录垂向测点水温与水深数据后，将探头移至下一测点，直至整条垂线观测完成，回收探头，并现场备份观测仪器相关数据。

所述水温分层水库坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测工作周期安排，是指根据水温分层型水库不同季节坝前水域水体垂向参混逆温、水量交换变化情况，结合不同季节坝前水域垂向水温变化实际，在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上采取长期自动观测或定期人工观测或长期自动观测加定期人工观测的方式，以观测坝前水域不同季节的垂向水温结构参混逆温动态变化情况。

所述坝前垂向水温参混逆温动态变化长期自动观测，是指在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上设置水温自动观测装置以在一个水文年或多个水文年的观测工作周期内，自动、连续的观测坝前水域垂向水温参混逆温动态变化情况，水温自动观测装置的水温、水位数据记录频次宜在30～180分钟之间。

所述坝前垂向水温参混逆温动态变化定期人工观测，是指根据一个水文年或多个水文年的观测工作周期内的春夏秋冬四季交替变化情况，在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上采取定期人工观测的方式予以定期观测，根据观测工作精度要求，每期连续观测1～3天，每天观测1次(观测时间一般在08:00)。

a、春季初期，水温分层型水库坝前水体上层热量输入大于支出，使水库表面温度升高，接近4℃时，会发生上下水层之间的水量交换现象，交换之后坝前水温达到均匀分布。因此，春季初期上下层水量交换期间的定期人工观测宜在3～7天观测一期，春季坝前水温均匀分布期间的定期人工观测宜在15～30天观测一期。

b、夏季初期，水温分层型水库坝前密度已均匀分布的水体，随着水库表面温度升高，热量向较深层传递，在水库表面逐渐形成暖而轻的水层，而在库底则形成冷而重的水层。因此，夏季初期水库表面热量向较深层传递期间的定期人工观测宜在3～7天观测一期，夏季坝前水温稳定分层分布期间的定期人工观测宜在15～30天观测一期。

c、秋季初期，水温分层型水库坝前表层水体温度降低、密度增加，库面水下沉，进入上下层水体的对流期，对流之后坝前水温达到均匀分布。因此，秋季初期水库上下层水体对流期间的定期人工观测宜在3～7天观测一期，秋季坝前水温均匀分布期间的定期人工观测宜在15～30天观测一期。

d、冬季，水温分层型水库坝前表层水体水温基本处于均匀分布，部分水温分层型水库还可能会形成表面冰盖，冰盖下面是4℃的水，形成冬季坝前水体逆温分层分布。因此，冬季坝前水温均匀分布或逆温分布期间的定期人工观测宜在15～30天观测一期。

下面结合北盘江光照水电站实施实例对本实用新型方案作进一步详细说明。

(1)工程及水库水温分层分布特征概况：

光照水电站是北盘江干流上最大的一个梯级电站和龙头水库，位于贵州省北盘江中游，具有以发电为主，兼顾航运等综合利用功能，其水库正常蓄水位为745m，死水位为691m，引水隧洞进口底板高程为670m，为不完全多年调节水库，水库的水温属分层型结构。

光照水库正常蓄水位745m，死水位691m，引水隧洞进口底板高程为670m，坝前最大水深150m，水库水位通常都在745～710.5m之间变动，平水年8月至11月水位基本保持在接近745m，12月至4月水位逐渐下降至710.5m，5月至7月基本保持在710.5m。只有连续枯水年，水库水位才消落到死水位691m。根据坝前水温预测及前期观测成果，光照水库会在春季和冬季出现坝前水温均匀分布情况，而在夏季水温稳定分层期间，光照水电站坝前水体水温还会呈现出双温跃层特征，一般情况下：水库表面以下0～10m左右受气温和日照影响为表层温跃层，水库表面以下10～50m左右温度变化梯度较小，水库表面以下50～70m左右为底层温跃层，在大于70m深度下逐渐为库底滞温层。

(2)坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测垂线布设：

如图1、图2所示，光照水电站坝前1km内库区水域平均宽度为600m，其中最窄处460m、最宽处770m。在大坝上游700m处设置有坝前警示缆索3横跨水库表面，警示缆索3的长900m。

根据光照水电站坝前水域地形实际、观测工作精度及考虑观测仪器安全运行要求，共计布设2条坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测垂线，即：坝前库区河道深弘线与警示缆索交汇处水温自动观测垂线1(距离大坝700m)、坝前库区河道深弘线与进水口中心线交汇处水温人工观测垂线2(距离进水口250m)，2条坝前垂向水温参混逆温动态变化的观测垂线相距500m，与大坝进水口及泄洪影响水域边界均保持了足够的安全距离。

(3)坝前垂向水温参混逆温动态变化水温自动观测装置布设：

根据光照水电站水库坝前水域不同季节的垂向水温结构分布变化情况，坝前库区河道深弘线与警示缆索交汇处水温自动观测垂线上水温自动观测装置布设如下：

如图1、图2所示，光照水电站坝前最大水深150m，但水库表面以下70m基本为库底滞温层，为满足坝前垂向水温参混逆温动态变化水温自动观测工作要求，坝前警示缆索3水温水位在线观测探头链10的长度设置成100m，以满足水库表面至库底常年滞温层界线以下30m区间水温观测要求。

坝前警示缆索3水温水位观测装置观测浮球8采取PE滚塑浮球，直径为800mm，具备抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀、抗老化等特性。探头链10钢缆直径位0.4cm，在探头链10底端采取10kg铅球11配重，悬挂在探头链10末端的水温水位在线观测探头9下方。

探头链10的水温水位在线观测探头9垂向布置为：共计布设水温水位在线观测探头9为21个，其中：浮球8以下2m布设1个，其余20个分别布置在浮球8以下5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m、65m、70m、75m、80m、85m、90m、95m、100m。

坝前警示缆索3的水温水位在线观测探头9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9采用电池作为电源，设置成每30分钟记录一次水温、水位观测数据，此模式下电池寿命为一年。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。水温水位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实验室指定计算机予以储存。

(4)坝前垂向水温参混逆温动态变化人工观测及周期安排：

1)观测仪器及现场操作情况

采用YSI 6600多参数水质监测仪，该仪器能自动记录水库垂向水体的水深、水温等参数，其水温传感器的分辨率为0.01℃，精度为±0.15℃，范围-5～50℃，水深传感器的精度为0.3m，工作深度范围0～200m。水温传感器无需校准，水深传感器根据施测位置当地大气压予以现场校准。

现场人工观测时，将YSI6600多参数水质监测仪探头置于指定观测垂线的待测点上，停留足够时间(约20秒)，待仪器读数稳定且自动记录垂向测点水温与水深数据后，将探头移至下一测点，直至整条垂线观测完成，回收探头，将监测仪主机与便携式计算机连接，将各垂线水温观测结果现场予以备份。

为保证水温人工观测垂线位置维持在预设位置，并保障观测人员、仪器的安全，在YSI 6600多参数水质监测仪上捆绑设置10kg重的铁锤以作配重，观测船采取机械动力式，设安全员利用尼康1200S激光测距望远镜(量测范围10～1100m，量测精度±0.5m)予以确定观测垂线位置变化情况，位置偏移超过10m时由安全员提示观测船操作人员调整观测垂线位置。观测时同步记录观测时刻、位置及相应气温。

2)观测周期安排

从2011年11月至2012年11月，开展了一个完整水文年(平水年)的光照水电站坝前垂向水温参混逆温动态变化人工观测，各季观测周期安排具体如下：

冬季：观测周期为2011年11月～2012年1月，分别在2011年11月8日(立冬)至9日、2011年12月7日(大雪)至8日、2012年1月6日(小寒)至7日各观测一期，小计3期。

春季：观测周期为2012年2月～2012年4月，分别在2011年2月4日(立春)至5日、2月11日至12日、2月18日至19日(雨水)、3月5日(惊蛰)至6日、3月20日(春分)至21日、4月5日至6日、4月20日(谷雨)至21日各观测一期，小计7期。

夏季：观测周期为2012年5月～2012年7月，分别在2012年5月5日(立夏)至6日、5月12日至13日、5月19日至20日、6月5日(芒种)至6日、6月21日(夏至)至22日、7月7日(小暑)至8日、7月22日(大暑)至23日各观测一期，小计7期。

秋季：观测周期为2012年8月～2012年11月，分别在2012年8月7日(立秋)至8日、8月14日至15日、8月21日至22日、9月6日至7日(白露)、9月21日至22日(秋分)、10月8(寒露)至9日、10月23(霜降)至24日、11月7日(立冬)至8日各观测一期，小计8期。

由此，光照水电站坝前垂向水温参混逆温动态变化人工观测共计一个水文年25期。

Claims (5)

1.一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，其特征在于：

包括浮球(8)、探头链(10)及设置在探头链(10)上的若干水温水位在线观测探头(9)，所述探头链(10)连接于浮球(8)下部，所述探头链(10)下端还设置有配重物。

2.根据权利要求要求1所述的一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，其特征在于：所述浮球(8)为漂浮于水库表面并承受一定配重的浮体，浮球(8)直径根据配重所需浮力确定。

3.根据权利要求要求1所述的一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，其特征在于：所述水温水位在线观测探头(9)为具有数据远程在线传输功能的水温水位传感器，其水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水位测量精度为0.1米。

4.根据权利要求要求1所述的一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，其特征在于：所述水温水位在线观测探头(9)采用电池作为电源，采用0.2毫米壁厚的不锈钢外壳封装。

5.根据权利要求要求4所述的一种水库坝前垂向水温参混逆温效应观测装置，其特征在于：所述水温水位在线观测探头(9)在坝前垂向水温参混逆温动态变化观测垂线上等距设置，间距为2米至10米。