青海可可西里鹽湖水文監(jiān)測方案初步構(gòu)想

陳 強(qiáng)，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(huì)長江科學(xué)院，湖北武漢430000）

1 引 言

2011年9月，青海可可西里地區(qū)卓乃湖東南部出現(xiàn)潰決，下泄湖水流經(jīng)庫賽湖、海丁諾爾湖，最終匯入鹽湖，使原來各自相對(duì)封閉的4個(gè)湖泊建立了水力聯(lián)系。外溢后的卓乃湖水面面積急劇減小至穩(wěn)定，但鹽湖面積持續(xù)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(shí)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(cè)可能外溢埡口約1.75 m。若鹽湖水位持續(xù)上漲，湖水將外溢進(jìn)入長江流域楚瑪爾河支流清水河，對(duì)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(chǔ)設(shè)施的安全構(gòu)成威脅。

可可西里鹽湖潛在外溢問題已經(jīng)引起國家領(lǐng)導(dǎo)人、青海省政府和社會(huì)公眾的關(guān)注。許多學(xué)者對(duì)該區(qū)域的湖泊時(shí)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(jìn)行了研究，并取得了一定的成果［1-3］，但對(duì)該區(qū)域水文要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測方面研究甚少。

實(shí)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(yù)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(guī)監(jiān)測、應(yīng)急監(jiān)測與立體監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測思路，以滿足鹽湖外溢監(jiān)測預(yù)警發(fā)布的要求，為未來鹽湖水情研判提供依據(jù)。

2 鹽湖基本情況

2.1 可可西里水系概況

可可西里國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)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(nèi)陸湖。鹽湖位于保護(hù)區(qū)東北部，距索南達(dá)杰保護(hù)站約10 km，以產(chǎn)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(gòu)造斷陷盆地中的次一級(jí)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(xiàn)代寒凍風(fēng)化、多年凍土與融凍作用強(qiáng)烈。鹽湖平原地貌主要表現(xiàn)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(fā)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(gè)相對(duì)封閉的內(nèi)陸湖，與其他青藏高原內(nèi)陸湖泊的水文循環(huán)過程類似，主要依靠各自流域內(nèi)大氣降水及冰川融水補(bǔ)給，以湖面蒸發(fā)形式排泄，四湖之間無水力聯(lián)系。2011年之后，卓乃湖下泄湖水的河床再造，使4個(gè)獨(dú)立內(nèi)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(qū)域測量成果

近年來，長江科學(xué)院和青海省水文局等相關(guān)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(shí)地考察，做了大量扎實(shí)的基礎(chǔ)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(xué)考察，為鹽湖外溢治理、生態(tài)保護(hù)前期工作提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2019年3月，長江科學(xué)院和青海省水文局等單位組成聯(lián)合工作組完成對(duì)可可西里鹽湖最新湖面及周邊高程實(shí)測。工作組采用星載差分高精度GPS設(shè)備和移動(dòng)調(diào)繪系統(tǒng)，對(duì)鹽湖近埡口方向冰面及埡口附近的古河道進(jìn)行了高程測量。根據(jù)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(shè)計(jì)院完成了青海省可可西里鹽湖引流疏導(dǎo)應(yīng)急工程實(shí)施方案的編制。應(yīng)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(shí)間內(nèi)排出，減少災(zāi)害過程，確保外溢湖水不對(duì)下游保護(hù)對(duì)象產(chǎn)生破壞。工程擬在鹽湖東側(cè)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(yù)警級(jí)別劃分

根據(jù)2018年鹽湖最新水文情勢，預(yù)計(jì)1～2 a（甚至更短時(shí)間）內(nèi)鹽湖可能發(fā)生外溢。鹽湖湖水外溢后，水流沿分水嶺東側(cè)地勢較低的古河床進(jìn)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(duì)鹽湖及其上游湖泊開展水情監(jiān)測，掌握鹽湖水量平衡關(guān)系，對(duì)湖水上漲情況作出研判，為外溢應(yīng)對(duì)決策提供依據(jù)。

可可西里鹽湖外溢預(yù)警級(jí)別等級(jí)由低至高劃分為Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅰ級(jí)，分別對(duì)應(yīng)一般、較重、嚴(yán)重災(zāi)害等級(jí)。當(dāng)鹽湖水位達(dá)到4 465.50 m，且預(yù)報(bào)將繼續(xù)上漲時(shí)，為Ⅲ級(jí)預(yù)警；當(dāng)鹽湖開始外溢，可能對(duì)下游重要基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行造成影響時(shí)，為Ⅱ級(jí)預(yù)警；當(dāng)鹽湖出現(xiàn)外溢，水流對(duì)鐵路橋墩和公路路基產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，可能造成鐵路、公路交通中斷，或?qū)τ蜌夤艿?、通信線路和輸電線塔等產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷或損毀，可能造成相關(guān)設(shè)施中斷運(yùn)行時(shí)，為Ⅰ級(jí)預(yù)警。

4 監(jiān)測方案總體設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)將水文監(jiān)測分為鹽湖外溢前、后的地面監(jiān)測和立體監(jiān)測。當(dāng)鹽湖外溢風(fēng)險(xiǎn)未達(dá)到預(yù)警級(jí)別，即鹽湖水位低于4 465.50 m時(shí)，為常規(guī)監(jiān)測，主要對(duì)鹽湖水位和區(qū)域雨量進(jìn)行監(jiān)測，在有條件的情況下開展區(qū)域河道（如湖泊連通河道）的水文監(jiān)測；當(dāng)達(dá)到預(yù)警級(jí)別，即鹽湖水位達(dá)到4 465.50 m時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急水文監(jiān)測，即在常規(guī)監(jiān)測的基礎(chǔ)上主要對(duì)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(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。立體監(jiān)測是指綜合運(yùn)用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航測、高精度GPS實(shí)地踏勘、多波束水下地形探測、衛(wèi)星通信等先進(jìn)技術(shù)手段，開展鹽湖區(qū)域水文應(yīng)急監(jiān)測與預(yù)報(bào)（見圖2）。

圖2 監(jiān)測方案總體技術(shù)路線

4.1 水文地面常規(guī)監(jiān)測

為掌握鹽湖在溢流前后水位的動(dòng)態(tài)變化，該監(jiān)測方案擬在鹽湖下游東側(cè)埡口湖岸安裝氣泡式水位計(jì)，在索南達(dá)杰保護(hù)站安裝遙測雨量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測鹽湖水位和區(qū)域降水量。鹽湖地區(qū)無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，采用北斗衛(wèi)星短報(bào)文的方式傳輸水位信息。在鹽湖自記水位計(jì)處布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)及直立式水尺輔助觀測驗(yàn)證，以保證氣泡水位計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(jì)的安裝實(shí)施，查算鹽湖的水面面積、蓄水量等數(shù)據(jù)。本次新建站點(diǎn)測驗(yàn)方式以遙測為主，日常巡測期間進(jìn)行比測和校測，實(shí)行無人值守的管理模式。儀器配置根據(jù)該地區(qū)氣候和地形地貌特征，在對(duì)新技術(shù)設(shè)備充分論證、綜合分析的基礎(chǔ)上，充分利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，采用適用于高寒地區(qū)的儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水位、降水、流量等水文要素的自動(dòng)監(jiān)測及水文信息自動(dòng)采集與傳輸［6］。

在區(qū)域封凍期（11月至次年5月上旬），主要利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)鹽湖及上游的卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖冰面變化情況進(jìn)行監(jiān)測；解凍后，采用氣泡式水位計(jì)監(jiān)測鹽湖的水位，采用雷達(dá)波測流系統(tǒng)（氣泡水位計(jì)）監(jiān)測清水河河道的流量（水位），采用視頻采集系統(tǒng)對(duì)青藏公路清水河橋涵處過水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4.2 鹽湖外溢立體監(jiān)測

可可西里為高寒無人區(qū)，空氣稀薄，自然環(huán)境惡劣，交通十分困難，傳統(tǒng)的地面測驗(yàn)方式難以滿足該地區(qū)的水文監(jiān)測需要。針對(duì)可可西里自然環(huán)境惡劣、數(shù)據(jù)難以獲取的實(shí)際情況，綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感、高精度GPS實(shí)地踏勘、多波束水下地形探測、高頻雷達(dá)測流、衛(wèi)星通信等先進(jìn)技術(shù)，建立天-空-地-水多平臺(tái)鹽湖區(qū)域水情變化及影響因子立體監(jiān)測系統(tǒng)，配合地面水文常規(guī)應(yīng)急監(jiān)測，預(yù)測鹽湖水文情勢未來發(fā)展趨勢，科學(xué)應(yīng)對(duì)、治理鹽湖外溢風(fēng)險(xiǎn)。

鹽湖立體監(jiān)測綜合利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)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(jiān)測、湖泊水位與溢出通道高程測量與復(fù)核、鹽湖水下地形補(bǔ)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(gè)方面開展工作。該監(jiān)測方案的立體監(jiān)測總體技術(shù)路線見圖3，從左向右依次為使用多源衛(wèi)星遙感（天）、無人機(jī)航飛（空）、自動(dòng)設(shè)備觀測（水位、流量、降水）及現(xiàn)場巡測（地）、多波束水下地形探測（水）等多種技術(shù)手段，采集鹽湖區(qū)域的各類數(shù)據(jù)。其中：衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采集時(shí)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(jī)航飛主要采集鹽湖東側(cè)潛在湖水溢出通道的高精度地形數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像，地面觀測主要利用各種自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備及現(xiàn)場巡測采集鹽湖的水位、流量、降水、水質(zhì)等信息，無人船水下地形測量主要獲取鹽湖水下地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建水位—面積—容積關(guān)系曲線。

基于天空地水立體監(jiān)測手段獲取的各種數(shù)據(jù)，分析鹽湖水量變化過程，結(jié)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(qū)域內(nèi)氣候變化過程之間的關(guān)系，開展水量平衡分析［7-10］，并利用氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)測鹽湖溢出水量、流量過程與淹沒范圍，建立模型對(duì)不同情景進(jìn)行洪水演進(jìn)高精度、高仿真模擬，供管理部門應(yīng)急決策。

圖3 鹽湖外溢立體監(jiān)測總體技術(shù)路線

5 結(jié) 語

鹽湖湖水外溢前的常規(guī)監(jiān)測主要是對(duì)鹽湖的水位和區(qū)域降水等進(jìn)行監(jiān)測。外溢后的應(yīng)急監(jiān)測是在常規(guī)監(jiān)測的基礎(chǔ)上對(duì)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(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。立體監(jiān)測即綜合運(yùn)用多源衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航測、高精度GPS實(shí)地踏勘、多波束水下地形探測、衛(wèi)星通信等先進(jìn)技術(shù)手段，開展鹽湖區(qū)域水文應(yīng)急監(jiān)測與預(yù)報(bào)。青?？煽晌骼稃}湖水文監(jiān)測沒有先例可循，通過監(jiān)測方案的實(shí)施，可以積累在高寒無人區(qū)開展水文監(jiān)測的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)期成為這一地區(qū)最先開展水文地面與立體監(jiān)測相結(jié)合方式的范例。

由于影響湖泊水量平衡的所有要素觀測數(shù)據(jù)在本研究區(qū)均無實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，高精度數(shù)字高程模型目前尚在建立過程中，鹽湖調(diào)蓄及水量平衡關(guān)系還需配合相關(guān)監(jiān)測才能滿足預(yù)警要求，評(píng)估的鹽湖湖水外溢時(shí)間可能與實(shí)際情況有較大的誤差。鹽湖未來是否會(huì)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(xù)關(guān)注。