李君軍，王玉潔，段 杭，鄭曉紅

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.中國三峽建工(集團)有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

白鶴灘水電站是金沙江下游4級開發(fā)方案的第2級，壩址位于四川省涼山州寧南縣白鶴灘鎮(zhèn)與云南省昭通市巧家縣大寨鄉(xiāng)交界處，壩址上游距烏東德水電站壩址182 km，下游距溪洛渡水電站壩址195 km，距巧家縣城45 km，距寧南縣城65 km，距宜賓市約380 km。工程任務以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運，以及促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展[1-3]。

白鶴灘水電站壩址以上流域面積43.03萬km2，多年平均流量4 170 m3/s。擋水壩采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.0 m，最大壩高289.0 m，壩頂中心線弧長709.0 m。水庫正常蓄水位825.0 m，興利庫容190.06億m3，調(diào)節(jié)庫容104.36億m3，防洪限制水位785.0 m，防洪庫容75.0億m3，死水位765.0 m，庫容系數(shù)7.90%，具有年調(diào)節(jié)性能。電站裝機容量16 000 MW，保證出力5 470 MW，多年平均發(fā)電量624.43億kW·h。樞紐主要由攔河壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成[1-3]。

設(shè)計就白鶴灘水電站運行后對下泄水溫變化的影響程度，從進水口采用單層取水和分層取水2種不同方案進行了計算分析和預測，分析結(jié)果表明：白鶴灘進水口采用單層取水，金沙江下游4個梯級水電站(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩)聯(lián)合運行時，與無白鶴灘水電站的3級聯(lián)合運行相比，白鶴灘運行使得向家壩水溫在5月、6月有1.2、1.5 ℃的溫降，而在12月～翌年3月平均上升2.1 ℃，其中2月溫升最大達2.5 ℃；白鶴灘采用疊梁門分層取水方案，金沙江下游4個梯級聯(lián)合運行時，與無白鶴灘的3級聯(lián)合運行相比，此方案使得向家壩水溫在5月、6月僅有0.3 ℃和1.0 ℃的溫降，較單層取水方案該2個月溫降貢獻值(1.2、1.5 ℃)分別改善了0.9 ℃和0.5 ℃，秋冬季疊梁門分層取水方案與單層取水方案溫降貢獻值相同[4-5]。

2 設(shè)計背景

白鶴灘水電站運行時下泄水溫平水年4月月均最大降幅為3.9 ℃，特殊邊界條件下月均最大溫降為5.6 ℃，電站運行使向家壩壩下水溫延遲幅度增加約1旬，可能對金沙江河段以及長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)的水生生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響。白鶴灘水電站工程采取疊梁門分層取水措施，以盡量減緩所產(chǎn)生的不利水溫影響。庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以全面掌握其水庫運行后水庫水溫、下泄水溫變化情況，而且為疊梁門運行效果研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，布置庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是有必要的[4]。

對于高壩大庫，由于水庫調(diào)節(jié)周期較長，水庫的溫度和原河流的水溫有很大的不同。庫水溫度和庫水位一樣，是大壩變形、滲流、應力的主要影響因素，也是大壩運行管理的重要依據(jù)，所以庫水溫度監(jiān)測也是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的必設(shè)項目。

綜上所述，對白鶴灘水電站工程開展庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)工作，無論從環(huán)境保護角度還是從了解水工建筑物運行工作狀態(tài)都具有重要意義和必要性。

3 方案設(shè)計

3.1 總體布置

根據(jù)白鶴灘水電站工程特點、計算成果及現(xiàn)場施工進度情況，庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由4部分組成，即庫區(qū)沿程垂向庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)、取水口垂向庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)、機組流道庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)和壩下庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。其中，庫區(qū)沿程垂向庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在壩面、攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋各布置1個監(jiān)測斷面；取水口垂向水溫監(jiān)測系統(tǒng)在左岸永久供水取水塔、右岸進水塔(10號、12號、14號、16號)攔污柵各布置1個監(jiān)測斷面；機組流道庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在左岸進水塔(1號、2號)進口流道及機組、右岸進水塔(14號、16號)進口流道及機組各布置1個監(jiān)測斷面；壩下庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在壩下水文站布置1個監(jiān)測斷面[6-9]。

3.1.1 庫區(qū)

為全面掌握白鶴灘水庫運行后對庫水溫度的影響范圍，結(jié)合庫區(qū)場地地質(zhì)條件、運行期日常巡查維護便利性及庫區(qū)附近橋梁等建筑物分布情況，在距離白鶴灘壩址約110.0 km的金東大橋兩岸橋墩附近、距離白鶴灘壩址約40.0 km的葫蘆口大橋兩岸橋墩附近、壩前約1.5 km的兩岸攔污漂附近各布置1條垂向水溫測線(見圖1)。金東大橋的兩岸測線因河谷較寬，故水溫測線的布置深度范圍在720.0 m高程至正常蓄水位825.0 m高程間，測點按2 m間隔分布；攔污漂和葫蘆口大橋的2條測線因河谷較窄，故水溫測線的布置深度范圍在670.0 m高程至正常蓄水位825.0 m高程間，測點分布的密度同壩面垂向水溫測線；上述共計布置392支溫度計。

圖1 庫區(qū)水溫監(jiān)測范圍示意

3.1.2 取水口

根據(jù)現(xiàn)場施工進度，在左岸永久供水取水塔(2條)和右岸進水塔(10號、12號、14號、16號各1條)布置6條水溫測線。其中，左岸永久供水取水塔水溫監(jiān)測范圍為757.0～824.0 m高程，測點沿深度方向由疏漸密布置，800.0 m高程以上范圍垂向按4 m間隔設(shè)測點，800.0 m高程以下范圍垂向按2 m間隔設(shè)測點，共計布置54支溫度計；右岸10號、12號、14號、16號進水塔攔污柵墩迎水面水溫監(jiān)測范圍為737.0～825.0 m高程，按疊梁門的運行特點，測點在764.0 m高程以下范圍和800.0 m高程以上范圍垂向均按4 m間隔布置，在764.0～800.0 m高程范圍垂向按2 m間隔布置，共計布置了128支溫度計。

3.1.3 壩面

根據(jù)現(xiàn)場大壩澆筑面貌，在大壩泄洪影響區(qū)范圍以外的14號、24號壩段壩面各布置1條水溫測線，這樣既可監(jiān)測靠近上游壩面的庫水溫度，又可監(jiān)測混凝土上游壩體內(nèi)溫度。14號、24號壩段測線的測點分布在625.0～825.0 m高程范圍。各測線上的測點根據(jù)庫水溫度特點按高程方向由密漸疏布置，即700.0 m高程以上范圍按2 m間隔設(shè)測點；700.0 m高程以下范圍按5 m間隔設(shè)測點，共計布置158支溫度計。

3.1.4 機組流道

在左岸1號及2號、右岸14號及16號進水塔進口流道及機組沿水流方向各設(shè)一條流道水溫監(jiān)測測線，各測點分布在進水塔檢修閘門槽后、尾水連接管(尾水管檢修閘門室和尾水調(diào)壓室之間)內(nèi)、尾水出口附近處，共計布置12支溫度計。

3.1.5 壩下

白鶴灘水文站位于壩址右岸下游4.5 km處，已有水位、流量、降水、泥沙以及水溫監(jiān)測項目，其中水溫為人工測量，難以滿足實時在線監(jiān)測要求，因此在該水文站處布置1條垂向水溫測線?？紤]到該水文站斷面水體摻混，不存在分層現(xiàn)象，故水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)分布在578.5～618.5 m高程范圍，垂向按10 m間隔設(shè)置測點，共計5支溫度計。

3.1.6 水溫監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水溫監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)構(gòu)成，其中自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是準確采集分布在各部位的溫度計，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ拇鎯υO(shè)備上，按照一定的格式進行存儲；信息管理系統(tǒng)主要功能是對所有水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)等相關(guān)資料進行科學有序的管理、整理整編與分析，并對最終分析成果、原始信息等以可視化的方式輸出，同時還具有報警和定時上報功能。

本工程的水溫監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用現(xiàn)場監(jiān)測站和中心管理站兩層次構(gòu)架(見圖2)，傳輸利用大壩智能網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式?，F(xiàn)場監(jiān)測站主要作用是數(shù)據(jù)采集裝置對溫度計進行數(shù)據(jù)采集、存儲、電源管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳和接收中心管理站上位機的控制指令；中心管理站主要作用是工作站和服務器通過信息管理系統(tǒng)對現(xiàn)場監(jiān)測站自動采集、人工測讀的數(shù)據(jù)、相關(guān)的文檔資料進行集中統(tǒng)一管理，通過信息管理系統(tǒng)進行監(jiān)測資料的初步分析和發(fā)布工作，并根據(jù)初步分析成果反饋給相關(guān)部門，同時具有遠程服務功能。

圖2 水溫監(jiān)測自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 安裝埋設(shè)

3.2.1 庫區(qū)垂向庫水溫度計

庫區(qū)(攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋)垂向庫水溫度計采用浮漂溫度深度一體式的垂向水溫測線安裝方式，即將各組垂向水溫測線上的溫度計在空曠地帶提前按設(shè)計高程進行捆綁，之后固定在φ10 mm高強度鋼絲繩上，在各測線上每隔一段距離放置1支水位計(用于校核溫度計高程)，將綁扎好的溫度鏈放入PVC網(wǎng)紋軟管內(nèi)(以減少庫底摩擦阻力)，之后在鋼絲繩的中部和底部各固定一個30～50 kg配重塊，最后將垂向溫度測線固定在漂浮船上(漂浮船通過鋼絲繩與江底的錨固墩基座連接)。此外，在安裝有溫度計或水位計部位的軟管局部開口，同時采用土工布或其他透水保護裝置安裝在開口部位，以確保溫度計及水位計與庫水充分接觸(見圖3)。

圖3 浮漂溫度深度一體式安裝示意(單位：m)

3.2.2 取水口垂向庫水溫度計

取水口垂向水溫測線的安裝方式在結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)距表面15 cm處預埋若干根φ50 mm鍍鋅鋼管作為水溫觀測主管，同時在各主管側(cè)壁迎水面安裝若干根觀測支管，且在各觀測支管內(nèi)布置溫度計，其中觀測支管直徑及材質(zhì)與觀測主管相同(見圖4)。

圖4 取水口垂向庫水溫度計安裝示意

3.2.3 機組流道庫水溫度計

根據(jù)現(xiàn)場安裝條件，進水塔檢修閘門槽后的溫度計安裝在已預埋結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)的水位觀測管內(nèi)，與管內(nèi)水位計共用一根觀測管；尾水連接管和尾水出口的溫度計直接埋設(shè)在結(jié)構(gòu)襯砌混凝土內(nèi)5 cm深度處。

3.2.4 壩面垂向庫水溫度計

為避免壩內(nèi)埋管方式可能產(chǎn)生大壩滲透通道的風險，故采用在壩表面固定水溫測線的安裝方式，即在2個壩段水溫監(jiān)測范圍626.32～825.00 m高程表面平行布置8根φ48.3 mm不銹鋼管作為水溫觀測主管，各主管通過每間隔2 m的預埋不銹鋼板加扁鋼的方式固定，同時在各主管對應水溫測點安裝高程位置分叉處斜向設(shè)置用于安裝溫度計的φ33.7 mm不銹鋼管作為水溫觀測支管，每根主管布置6～12根支管(見圖5)。

圖5 壩面庫水溫度計安裝示意(單位：m)

3.2.5 壩下庫水溫度計

壩下水溫測線利用水文站已有的水尺觀測梯道，在梯道側(cè)面固定1根φ60 mm不銹鋼管作為水溫觀測管，在鋼管表面按10 cm間距梅花形設(shè)置直徑為10 mm的透水孔，在管內(nèi)安裝溫度計進行觀測。

4 應用效果

4.1 庫區(qū)垂向庫水溫度

本工程在2021年4月初導流底孔下閘蓄水，庫區(qū)(攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋)垂向庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在蓄水后即2021年6月份投入正常觀測，觀測頻次為每1小時一次。2021年7月份(水庫蓄水至775 m高程)的1日、10日、20日、30日庫區(qū)各斷面垂向水溫分布見圖6，攔污漂在2021年6月～11月的1日、10日、20日、30日垂向水溫分布見圖7。

圖6 2021年7月庫區(qū)不同日期、不同部位垂向水溫分布

圖7 攔污漂不同日期典型垂向水溫分布

從圖6可知，7月份金東大橋(距白鶴灘壩址約110 km)附近的平均庫水溫度相對較低，其平均庫水溫度低于攔污漂(距白鶴灘壩址約1.5 km)和葫蘆口大橋(距白鶴灘壩址約40 km)附近的平均庫水溫度約2～3 ℃；攔污漂和葫蘆口大橋除表面水溫兩者最大相差約4 ℃外[10-15]，其余深度水溫較接近。攔污漂、葫蘆口大橋和金東大橋這3個部位的垂向水溫測線沿深度方向的變化規(guī)律基本一致，即從表面至水深約7 m水溫下降梯度大，水深7～55 m水溫保持在23 ℃，水深約55～110 m水溫又有一個比表面相對較小的下降梯度，水深110 m以下水溫約在19～22 ℃之間。各條垂直線的溫差主要發(fā)生在水深20 m以上及水深80 m以下，兩段水深范圍內(nèi)的最大溫差約4 ℃。

從圖7可知，攔污漂附近在2021年6月～11月間水面最大的水溫月差約為8 ℃，在水深160 m處的最大水溫月差約為4 ℃[10-15]。同一斷面在水深110～160 m范圍大多表現(xiàn)出水溫變化較小，不同月份的最大溫差約4 ℃[10-15]。同一斷面從水面至水深110 m范圍水溫變化規(guī)律有所差異。

4.2 壩前(壩面、左右岸取/進水口)垂向庫水溫度

4.2.1 壩面垂向庫水溫度

2021年4月水庫蓄水以來，第一階段即在4月～6月期間，水位上升了140 m，壩面垂直庫水溫度測點沒有觀測成果。從2021年7月開始觀測，其水位、溫度、環(huán)境溫度的測值過程線見圖8。

圖8 2021年7月～2022年8月壩面典型水溫與上游水位、環(huán)境溫度測值過程線

第二階段即在2021年7月～9月期間，水位上升了45 m，從圖8可知，各測線沿深度方向水溫受水深增加影響表現(xiàn)出不同程度的溫升趨勢。圖8中TKL代表壩面庫水溫度計的編號，阿拉伯數(shù)字從小到大代表測點沿水深方向從低高程到高高程。

第三階段即在2021年9月～2022年3月期間，水位下降了30 m，為786.89 m。從圖8可知，各測線沿深度方向水溫受水深減小及環(huán)境溫度降低綜合影響下表現(xiàn)出下降趨勢，即各測線在2021年10月初不同深度水溫下降(降幅程度與水深關(guān)系與第二階段成果一致)到20 ℃后，基本以相同遞減速率降低到15 ℃，期間環(huán)境溫度降低了13.8 ℃(環(huán)境溫度為17 ℃)。

綜上所述，上游水深及環(huán)境溫度是影響壩面垂向水溫的主要因素。在高溫季節(jié)、水深增加情況下，淺部垂向水溫變化較明顯；在低溫季節(jié)、水深減小情況下，不同深度垂向水溫變幅較接近。

4.2.2 左岸取水塔(壩前約50 m)庫水溫度

左岸取水塔庫水溫度從2021年7月開始觀測，其水位、溫度及氣溫測量過程線圖見圖9。從圖9可知，在第二階段水位上升期間，各測線水溫基本不受影響，僅在2021年7月～8月中旬，不同深度水溫略上升1 ℃后呈同速率下降趨勢，至2022年1月初不同深度水溫約降低7℃(水溫約17.5 ℃)，期間環(huán)境溫度降低了11.4 ℃(環(huán)境溫度為14.1 ℃)。

圖9 2021年7月～2022年1月左岸取水塔典型庫水溫度與上游水位、環(huán)境溫度測值過程線

由上述可知，環(huán)境溫度是影響左岸取水塔(壩前約50 m)庫水溫度的主要因素，不同深度垂向水溫隨環(huán)境溫度影響變幅較接近。

4.2.3 右岸進水口庫水溫度

右岸10號、12號、14號、16號進水口庫水溫度從2021年11月開始觀測，測量過程線見圖10。從圖10可知，各進水口測線水溫變化規(guī)律(圖10b)與壩面庫水溫度(圖9b)變化規(guī)律相似，即各測線沿不同深度方向水溫受水深減小及環(huán)境溫度降低綜合影響下表現(xiàn)出同速率下降趨勢。

圖11 機組流道內(nèi)典型水溫測值過程線

圖12 壩下典型垂向水溫測值過程線

綜上，上游水深及環(huán)境溫度是影響右岸進水口庫水溫度的主要因素，在低溫季節(jié)、水深減小情況下不同深度垂向水溫變幅較接近。

4.3 機組流道內(nèi)水溫

機組流道位置較低，位于正常蓄水位以下約80 m，流道內(nèi)的水溫測線受機組并網(wǎng)發(fā)電流道過水影響較小，蓄水前后的水溫較接近，溫度相差約1～3 ℃。

4.4 壩下垂向庫水溫度

壩下垂向庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)與庫區(qū)垂向庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)投入觀測時間一致，即在蓄水后2021年6月份投入正常觀測，觀測頻次為每1小時一次。近年壩下年平均水位分布在594.89～598.64 m之間，壩下水面以下578.50～588.50 m之間的垂向庫水溫度基本受發(fā)電進水口部位的水溫和氣溫影響而變化，且不同深度水溫變化較接近，沒有出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象。

4.5 庫區(qū)沿程庫水溫度分布比較

4.5.1 庫區(qū)至壩前順水流向沿程水溫分析

繪制2022年4月23日13∶00(此時上游水位為788.68 m，日平均氣溫為24.3 ℃)庫區(qū)至壩前順水流向沿程水溫垂向分布圖，由圖13可知：

圖13 典型日順水流向沿程水溫分布

(1)庫區(qū)至壩前水溫順水流方向沿程分布規(guī)律存在不均一性。即，順水流向金東大橋(距白鶴灘壩址約110 km)附近的平均庫水溫最低，攔污漂(距白鶴灘壩址約1.5 km)及壩前(14號、24號壩段壩面)附近的平均庫水溫次之，葫蘆口大橋(距白鶴灘壩址約40 km)附近的平均庫水溫最高。

(2)在水深分布較淺區(qū)域(如金東大橋水深約72 m)的垂向水溫分布較均一，在水深分布較深區(qū)域(如壩前水深約162 m)垂向水溫分布有所差異且存在分層現(xiàn)象。

4.5.2 壩前壩軸線向沿程水溫分析

繪制2022年3月1日13∶00(此時上游水位為789.02 m，日平均氣溫17.5 ℃)壩前壩軸線向各測線水溫垂向分布圖(見圖14)。由圖14可知：壩前壩軸線向沿程方向在淺部水深范圍(水面以下9 m深度)水溫存在分層現(xiàn)象且靠近庫岸側(cè)表現(xiàn)較明顯，在深部水深范圍(水面以下9 m至測線底部)水溫分布較均一。

圖14 典型日壩前壩軸線向沿程水溫分布

4.5.3 典型機組進水口至尾水出口沿程水溫分析

選擇典型機組(16號)繪制2022年1月11日至今，從機組進水口至尾水出口沿程水溫實時測值過程線圖(見圖15)。由圖15可知，16號進水口至尾水出口沿程水溫變化規(guī)律基本一致，且水溫較接近。其中，靠近進水口和尾水出口上游面的水溫相對稍高，流道襯砌內(nèi)的水溫相對稍低，最高水溫和最低水溫相差約0.4 ℃。

圖15 16號進水口至尾水出口沿程水溫實時測值過程線

5 結(jié) 語

白鶴灘水電站庫水溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)工程樞紐特性、計算成果及現(xiàn)場施工進展情況進行設(shè)計的。其監(jiān)測范圍覆蓋庫區(qū)、壩前、壩內(nèi)流道、壩下等區(qū)域，針對重點監(jiān)測部位采取了同部位多條水溫測線和部分高程加密測點等布置方式，結(jié)合監(jiān)測部位的建筑物特點采取不同的安裝埋設(shè)方式，同時還建立了水溫自動化系統(tǒng)實現(xiàn)全天候、全自動化地實時監(jiān)測。庫水溫度在線系統(tǒng)的應用不僅為白鶴灘疊梁門分層取水措施研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且減緩了工程建設(shè)所產(chǎn)生的不利水溫影響，為保證金沙江河段以及長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)的水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供了技術(shù)支撐。