青海可可西里盐湖水文监测方案初步构想

陈 强，温得平，文雄飞，解苏平

（1.青海省水文水资源勘测局，青海西宁810001；2.长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430000）

1 引 言

2011年9月，青海可可西里地区卓乃湖东南部出现溃决，下泄湖水流经库赛湖、海丁诺尔湖，最终汇入盐湖，使原来各自相对封闭的4个湖泊建立了水力联系。外溢后的卓乃湖水面面积急剧减小至稳定，但盐湖面积持续增大，特别是最近两年盐湖面积增大速度明显加快，2019年3月实测盐湖冰面高程为4 464.25 m（黄海高程，下同），仅低于盐湖东侧可能外溢垭口约1.75 m。若盐湖水位持续上涨，湖水将外溢进入长江流域楚玛尔河支流清水河，对下游青藏铁路、公路、油气管道、通信线路和输电线塔等重要基础设施的安全构成威胁。

可可西里盐湖潜在外溢问题已经引起国家领导人、青海省政府和社会公众的关注。许多学者对该区域的湖泊时空变化特征、卓乃湖及库赛湖湖水溃决外溢成因、盐湖湖水外溢的可能性等进行了研究，并取得了一定的成果［1-3］，但对该区域水文要素的实时监测方面研究甚少。

实测水文资料的缺乏和盐湖高寒缺氧、人烟稀少的自然条件，使得更难以精确预测盐湖及其他湖泊未来水文情势变化。本研究提出以地面常规监测、应急监测与立体监测相结合的监测思路，以满足盐湖外溢监测预警发布的要求，为未来盐湖水情研判提供依据。

2 盐湖基本情况

2.1 可可西里水系概况

可可西里国家级自然保护区主要湖泊自西向东分别为卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖和盐湖，均属内陆湖。盐湖位于保护区东北部，距索南达杰保护站约10 km，以产盐而得名。盐湖地处可可西里腹地，为昆仑山南部新生代山间构造断陷盆地中的次一级封闭洼地，北部为昆仑山南缘缝合带博卡雷克塔格山，南部为唐古拉山脉。山地地貌主要为融冻蚀高山，山顶终年积雪，现代寒冻风化、多年冻土与融冻作用强烈。盐湖平原地貌主要表现为高原宽谷湖盆，比降为0.2%左右，较为平缓，湖滨冻土草沼和热湖塘发育。湖盆西部与海丁诺尔湖相邻，东部与长江北源楚玛尔河的支流清水河以低缓的分水岭相隔［4-5］。

2011年之前，卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖和盐湖为4个相对封闭的内陆湖，与其他青藏高原内陆湖泊的水文循环过程类似，主要依靠各自流域内大气降水及冰川融水补给，以湖面蒸发形式排泄，四湖之间无水力联系。2011年之后，卓乃湖下泄湖水的河床再造，使4个独立内陆湖水系连通，盐湖成为最下游的尾闾湖（见图1）。盐湖面积由2011年的45.89 km2增大至2019 年 3 月的 195.74 km2，集水面积由 1 419.01 km2增大至全流域的 8 728.78 km2。

2.2 区域测量成果

近年来，长江科学院和青海省水文局等相关单位和部门多次组织专家，深入可可西里开展了一系列的实地考察，做了大量扎实的基础性工作。2017—2018年，完成了可可西里库赛湖、海丁诺尔湖、盐湖的容积测量及科学考察，为盐湖外溢治理、生态保护前期工作提供了重要的技术基础。

2019年3月，长江科学院和青海省水文局等单位组成联合工作组完成对可可西里盐湖最新湖面及周边高程实测。工作组采用星载差分高精度GPS设备和移动调绘系统，对盐湖近垭口方向冰面及垭口附近的古河道进行了高程测量。根据最新测量成果，盐湖冰面高程为4 464.25 m，与垭口最低高程4 466 m之间相差为 1.75 m。

2019年4月，青海省水电设计院完成了青海省可可西里盐湖引流疏导应急工程实施方案的编制。应急工程利用天然湖岸，通过人工控泄措施，将可能洪水均匀分配到较长时间内排出，减少灾害过程，确保外溢湖水不对下游保护对象产生破坏。工程拟在盐湖东侧湖岸最低处通过溢流堰将盐湖水位控制在4 464.60 m以下，保证盐湖水位不再上升。

3 盐湖水情预警级别划分

根据2018年盐湖最新水文情势，预计1～2 a（甚至更短时间）内盐湖可能发生外溢。盐湖湖水外溢后，水流沿分水岭东侧地势较低的古河床进入清水河，最终汇入长江流域的楚玛尔河。面临盐湖可能外溢的迫切形势，亟需对盐湖及其上游湖泊开展水情监测，掌握盐湖水量平衡关系，对湖水上涨情况作出研判，为外溢应对决策提供依据。

可可西里盐湖外溢预警级别等级由低至高划分为Ⅲ级、Ⅱ级和Ⅰ级，分别对应一般、较重、严重灾害等级。当盐湖水位达到4 465.50 m，且预报将继续上涨时，为Ⅲ级预警；当盐湖开始外溢，可能对下游重要基础设施安全运行造成影响时，为Ⅱ级预警；当盐湖出现外溢，水流对铁路桥墩和公路路基产生严重冲刷，可能造成铁路、公路交通中断，或对油气管道、通信线路和输电线塔等产生严重冲刷或损毁，可能造成相关设施中断运行时，为Ⅰ级预警。

4 监测方案总体设计思路

本次设计将水文监测分为盐湖外溢前、后的地面监测和立体监测。当盐湖外溢风险未达到预警级别，即盐湖水位低于4 465.50 m时，为常规监测，主要对盐湖水位和区域雨量进行监测，在有条件的情况下开展区域河道（如湖泊连通河道）的水文监测；当达到预警级别，即盐湖水位达到4 465.50 m时，启动应急水文监测，即在常规监测的基础上主要对清水河河道的水位及流量、青藏公路清水河桥涵处的过水情况、盐湖外溢湖水的水质进行监测。立体监测是指综合运用多源卫星数据、航测、高精度GPS实地踏勘、多波束水下地形探测、卫星通信等先进技术手段，开展盐湖区域水文应急监测与预报（见图2）。

图2 监测方案总体技术路线

4.1 水文地面常规监测

为掌握盐湖在溢流前后水位的动态变化，该监测方案拟在盐湖下游东侧垭口湖岸安装气泡式水位计，在索南达杰保护站安装遥测雨量计，实时监测盐湖水位和区域降水量。盐湖地区无网络信号，采用北斗卫星短报文的方式传输水位信息。在盐湖自记水位计处布设水准点及直立式水尺辅助观测验证，以保证气泡水位计实时数据的可靠性。

目前已完成可可西里库赛湖、海丁诺尔湖和盐湖的容积测量工作，可通过自记水位计的安装实施，查算盐湖的水面面积、蓄水量等数据。本次新建站点测验方式以遥测为主，日常巡测期间进行比测和校测，实行无人值守的管理模式。仪器配置根据该地区气候和地形地貌特征，在对新技术设备充分论证、综合分析的基础上，充分利用先进的科学技术手段，采用适用于高寒地区的仪器设备，实现水位、降水、流量等水文要素的自动监测及水文信息自动采集与传输［6］。

在区域封冻期（11月至次年5月上旬），主要利用卫星遥感技术对盐湖及上游的卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖冰面变化情况进行监测；解冻后，采用气泡式水位计监测盐湖的水位，采用雷达波测流系统（气泡水位计）监测清水河河道的流量（水位），采用视频采集系统对青藏公路清水河桥涵处过水情况进行实时监测。

4.2 盐湖外溢立体监测

可可西里为高寒无人区，空气稀薄，自然环境恶劣，交通十分困难，传统的地面测验方式难以满足该地区的水文监测需要。针对可可西里自然环境恶劣、数据难以获取的实际情况，综合运用卫星遥感、无人机遥感、高精度GPS实地踏勘、多波束水下地形探测、高频雷达测流、卫星通信等先进技术，建立天-空-地-水多平台盐湖区域水情变化及影响因子立体监测系统，配合地面水文常规应急监测，预测盐湖水文情势未来发展趋势，科学应对、治理盐湖外溢风险。

盐湖立体监测综合利用卫星遥感、无人机航测、地面高精度高程测绘与水下地形探测等立体观测手段，围绕可可西里盐湖遥感监测、湖泊水位与溢出通道高程测量与复核、盐湖水下地形补充测量及库容曲线修正、盐湖冰期与非冰期湖泊水量平衡模型4个方面开展工作。该监测方案的立体监测总体技术路线见图3，从左向右依次为使用多源卫星遥感（天）、无人机航飞（空）、自动设备观测（水位、流量、降水）及现场巡测（地）、多波束水下地形探测（水）等多种技术手段，采集盐湖区域的各类数据。其中：卫星遥感数据采集时间序列的湖泊面积、湖泊水位、地表沉降、冰川分布等信息，无人机航飞主要采集盐湖东侧潜在湖水溢出通道的高精度地形数据和数字正射影像，地面观测主要利用各种自动监测设备及现场巡测采集盐湖的水位、流量、降水、水质等信息，无人船水下地形测量主要获取盐湖水下地形数据，构建水位—面积—容积关系曲线。

基于天空地水立体监测手段获取的各种数据，分析盐湖水量变化过程，结合气象部门提供的气候资料，分析盐湖水量（水位）的变化过程与区域内气候变化过程之间的关系，开展水量平衡分析［7-10］，并利用气象预报数据，预测盐湖溢出水量、流量过程与淹没范围，建立模型对不同情景进行洪水演进高精度、高仿真模拟，供管理部门应急决策。

图3 盐湖外溢立体监测总体技术路线

5 结 语

盐湖湖水外溢前的常规监测主要是对盐湖的水位和区域降水等进行监测。外溢后的应急监测是在常规监测的基础上对清水河河道的水位及流量、青藏公路清水河桥涵处的过水情况、盐湖外溢湖水的水质进行监测。立体监测即综合运用多源卫星遥感、无人机航测、高精度GPS实地踏勘、多波束水下地形探测、卫星通信等先进技术手段，开展盐湖区域水文应急监测与预报。青海可可西里盐湖水文监测没有先例可循，通过监测方案的实施，可以积累在高寒无人区开展水文监测的实践经验，预期成为这一地区最先开展水文地面与立体监测相结合方式的范例。

由于影响湖泊水量平衡的所有要素观测数据在本研究区均无实测数据验证，高精度数字高程模型目前尚在建立过程中，盐湖调蓄及水量平衡关系还需配合相关监测才能满足预警要求，评估的盐湖湖水外溢时间可能与实际情况有较大的误差。盐湖未来是否会如2017—2018年那样加速上涨，外流入长江流域及其造成的影响还需继续关注。