青?？煽晌骼稃}湖水文監測方案初步構想

陳 強，溫得平，文雄飛，解蘇平

（1.青海省水文水資源勘測局，青海西寧810001；2.長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430000）

1 引 言

2011年9月，青海可可西里地區卓乃湖東南部出現潰決，下泄湖水流經庫賽湖、海丁諾爾湖，最終匯入鹽湖，使原來各自相對封閉的4個湖泊建立了水力聯系。外溢后的卓乃湖水面面積急劇減小至穩定，但鹽湖面積持續增大，特別是最近兩年鹽湖面積增大速度明顯加快，2019年3月實測鹽湖冰面高程為4 464.25 m（黃海高程，下同），僅低于鹽湖東側可能外溢埡口約1.75 m。若鹽湖水位持續上漲，湖水將外溢進入長江流域楚瑪爾河支流清水河，對下游青藏鐵路、公路、油氣管道、通信線路和輸電線塔等重要基礎設施的安全構成威脅。

可可西里鹽湖潛在外溢問題已經引起國家領導人、青海省政府和社會公眾的關注。許多學者對該區域的湖泊時空變化特征、卓乃湖及庫賽湖湖水潰決外溢成因、鹽湖湖水外溢的可能性等進行了研究，并取得了一定的成果［1-3］，但對該區域水文要素的實時監測方面研究甚少。

實測水文資料的缺乏和鹽湖高寒缺氧、人煙稀少的自然條件，使得更難以精確預測鹽湖及其他湖泊未來水文情勢變化。本研究提出以地面常規監測、應急監測與立體監測相結合的監測思路，以滿足鹽湖外溢監測預警發布的要求，為未來鹽湖水情研判提供依據。

2 鹽湖基本情況

2.1 可可西里水系概況

可可西里國家級自然保護區主要湖泊自西向東分別為卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖和鹽湖，均屬內陸湖。鹽湖位于保護區東北部，距索南達杰保護站約10 km，以產鹽而得名。鹽湖地處可可西里腹地，為昆侖山南部新生代山間構造斷陷盆地中的次一級封閉洼地，北部為昆侖山南緣縫合帶博卡雷克塔格山，南部為唐古拉山脈。山地地貌主要為融凍蝕高山，山頂終年積雪，現代寒凍風化、多年凍土與融凍作用強烈。鹽湖平原地貌主要表現為高原寬谷湖盆，比降為0.2%左右，較為平緩，湖濱凍土草沼和熱湖塘發育。湖盆西部與海丁諾爾湖相鄰，東部與長江北源楚瑪爾河的支流清水河以低緩的分水嶺相隔［4-5］。

2011年之前，卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖和鹽湖為4個相對封閉的內陸湖，與其他青藏高原內陸湖泊的水文循環過程類似，主要依靠各自流域內大氣降水及冰川融水補給，以湖面蒸發形式排泄，四湖之間無水力聯系。2011年之后，卓乃湖下泄湖水的河床再造，使4個獨立內陸湖水系連通，鹽湖成為最下游的尾閭湖（見圖1）。鹽湖面積由2011年的45.89 km2增大至2019 年 3 月的 195.74 km2，集水面積由 1 419.01 km2增大至全流域的 8 728.78 km2。

2.2 區域測量成果

近年來，長江科學院和青海省水文局等相關單位和部門多次組織專家，深入可可西里開展了一系列的實地考察，做了大量扎實的基礎性工作。2017—2018年，完成了可可西里庫賽湖、海丁諾爾湖、鹽湖的容積測量及科學考察，為鹽湖外溢治理、生態保護前期工作提供了重要的技術基礎。

2019年3月，長江科學院和青海省水文局等單位組成聯合工作組完成對可可西里鹽湖最新湖面及周邊高程實測。工作組采用星載差分高精度GPS設備和移動調繪系統，對鹽湖近埡口方向冰面及埡口附近的古河道進行了高程測量。根據最新測量成果，鹽湖冰面高程為4 464.25 m，與埡口最低高程4 466 m之間相差為 1.75 m。

2019年4月，青海省水電設計院完成了青海省可可西里鹽湖引流疏導應急工程實施方案的編制。應急工程利用天然湖岸，通過人工控泄措施，將可能洪水均勻分配到較長時間內排出，減少災害過程，確保外溢湖水不對下游保護對象產生破壞。工程擬在鹽湖東側湖岸最低處通過溢流堰將鹽湖水位控制在4 464.60 m以下，保證鹽湖水位不再上升。

3 鹽湖水情預警級別劃分

根據2018年鹽湖最新水文情勢，預計1～2 a（甚至更短時間）內鹽湖可能發生外溢。鹽湖湖水外溢后，水流沿分水嶺東側地勢較低的古河床進入清水河，最終匯入長江流域的楚瑪爾河。面臨鹽湖可能外溢的迫切形勢，亟需對鹽湖及其上游湖泊開展水情監測，掌握鹽湖水量平衡關系，對湖水上漲情況作出研判，為外溢應對決策提供依據。

可可西里鹽湖外溢預警級別等級由低至高劃分為Ⅲ級、Ⅱ級和Ⅰ級，分別對應一般、較重、嚴重災害等級。當鹽湖水位達到4 465.50 m，且預報將繼續上漲時，為Ⅲ級預警；當鹽湖開始外溢，可能對下游重要基礎設施安全運行造成影響時，為Ⅱ級預警；當鹽湖出現外溢，水流對鐵路橋墩和公路路基產生嚴重沖刷，可能造成鐵路、公路交通中斷，或對油氣管道、通信線路和輸電線塔等產生嚴重沖刷或損毀，可能造成相關設施中斷運行時，為Ⅰ級預警。

4 監測方案總體設計思路

本次設計將水文監測分為鹽湖外溢前、后的地面監測和立體監測。當鹽湖外溢風險未達到預警級別，即鹽湖水位低于4 465.50 m時，為常規監測，主要對鹽湖水位和區域雨量進行監測，在有條件的情況下開展區域河道（如湖泊連通河道）的水文監測；當達到預警級別，即鹽湖水位達到4 465.50 m時，啟動應急水文監測，即在常規監測的基礎上主要對清水河河道的水位及流量、青藏公路清水河橋涵處的過水情況、鹽湖外溢湖水的水質進行監測。立體監測是指綜合運用多源衛星數據、航測、高精度GPS實地踏勘、多波束水下地形探測、衛星通信等先進技術手段，開展鹽湖區域水文應急監測與預報（見圖2）。

圖2 監測方案總體技術路線

4.1 水文地面常規監測

為掌握鹽湖在溢流前后水位的動態變化，該監測方案擬在鹽湖下游東側埡口湖岸安裝氣泡式水位計，在索南達杰保護站安裝遙測雨量計，實時監測鹽湖水位和區域降水量。鹽湖地區無網絡信號，采用北斗衛星短報文的方式傳輸水位信息。在鹽湖自記水位計處布設水準點及直立式水尺輔助觀測驗證，以保證氣泡水位計實時數據的可靠性。

目前已完成可可西里庫賽湖、海丁諾爾湖和鹽湖的容積測量工作，可通過自記水位計的安裝實施，查算鹽湖的水面面積、蓄水量等數據。本次新建站點測驗方式以遙測為主，日常巡測期間進行比測和校測，實行無人值守的管理模式。儀器配置根據該地區氣候和地形地貌特征，在對新技術設備充分論證、綜合分析的基礎上，充分利用先進的科學技術手段，采用適用于高寒地區的儀器設備，實現水位、降水、流量等水文要素的自動監測及水文信息自動采集與傳輸［6］。

在區域封凍期（11月至次年5月上旬），主要利用衛星遙感技術對鹽湖及上游的卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖冰面變化情況進行監測；解凍后，采用氣泡式水位計監測鹽湖的水位，采用雷達波測流系統（氣泡水位計）監測清水河河道的流量（水位），采用視頻采集系統對青藏公路清水河橋涵處過水情況進行實時監測。

4.2 鹽湖外溢立體監測

可可西里為高寒無人區，空氣稀薄，自然環境惡劣，交通十分困難，傳統的地面測驗方式難以滿足該地區的水文監測需要。針對可可西里自然環境惡劣、數據難以獲取的實際情況，綜合運用衛星遙感、無人機遙感、高精度GPS實地踏勘、多波束水下地形探測、高頻雷達測流、衛星通信等先進技術，建立天-空-地-水多平臺鹽湖區域水情變化及影響因子立體監測系統，配合地面水文常規應急監測，預測鹽湖水文情勢未來發展趨勢，科學應對、治理鹽湖外溢風險。

鹽湖立體監測綜合利用衛星遙感、無人機航測、地面高精度高程測繪與水下地形探測等立體觀測手段，圍繞可可西里鹽湖遙感監測、湖泊水位與溢出通道高程測量與復核、鹽湖水下地形補充測量及庫容曲線修正、鹽湖冰期與非冰期湖泊水量平衡模型4個方面開展工作。該監測方案的立體監測總體技術路線見圖3，從左向右依次為使用多源衛星遙感（天）、無人機航飛（空）、自動設備觀測（水位、流量、降水）及現場巡測（地）、多波束水下地形探測（水）等多種技術手段，采集鹽湖區域的各類數據。其中：衛星遙感數據采集時間序列的湖泊面積、湖泊水位、地表沉降、冰川分布等信息，無人機航飛主要采集鹽湖東側潛在湖水溢出通道的高精度地形數據和數字正射影像，地面觀測主要利用各種自動監測設備及現場巡測采集鹽湖的水位、流量、降水、水質等信息，無人船水下地形測量主要獲取鹽湖水下地形數據，構建水位—面積—容積關系曲線。

基于天空地水立體監測手段獲取的各種數據，分析鹽湖水量變化過程，結合氣象部門提供的氣候資料，分析鹽湖水量（水位）的變化過程與區域內氣候變化過程之間的關系，開展水量平衡分析［7-10］，并利用氣象預報數據，預測鹽湖溢出水量、流量過程與淹沒范圍，建立模型對不同情景進行洪水演進高精度、高仿真模擬，供管理部門應急決策。

圖3 鹽湖外溢立體監測總體技術路線

5 結 語

鹽湖湖水外溢前的常規監測主要是對鹽湖的水位和區域降水等進行監測。外溢后的應急監測是在常規監測的基礎上對清水河河道的水位及流量、青藏公路清水河橋涵處的過水情況、鹽湖外溢湖水的水質進行監測。立體監測即綜合運用多源衛星遙感、無人機航測、高精度GPS實地踏勘、多波束水下地形探測、衛星通信等先進技術手段，開展鹽湖區域水文應急監測與預報。青海可可西里鹽湖水文監測沒有先例可循，通過監測方案的實施，可以積累在高寒無人區開展水文監測的實踐經驗，預期成為這一地區最先開展水文地面與立體監測相結合方式的范例。

由于影響湖泊水量平衡的所有要素觀測數據在本研究區均無實測數據驗證，高精度數字高程模型目前尚在建立過程中，鹽湖調蓄及水量平衡關系還需配合相關監測才能滿足預警要求，評估的鹽湖湖水外溢時間可能與實際情況有較大的誤差。鹽湖未來是否會如2017—2018年那樣加速上漲，外流入長江流域及其造成的影響還需繼續關注。