減緩水電工程水溫影響的調(diào)控措施與建議

薛聯(lián)芳，顧洪賓，馮云海

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京　100011； 2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙　410014)

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減緩水電工程水溫影響的調(diào)控措施與建議

薛聯(lián)芳1，顧洪賓1，馮云海2

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100011； 2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

在調(diào)查分析國(guó)內(nèi)外水庫(kù)及下泄水溫調(diào)控措施分類、特點(diǎn)及其適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合大型水電工程高壩大庫(kù)、大流量、深取水的要求，介紹了大型水電工程水溫影響調(diào)控工程措施應(yīng)用實(shí)踐及存在的問(wèn)題，提出了今后分層取水建筑物、隔水幕墻設(shè)計(jì)研究建議。

水電工程；水溫影響；調(diào)控措施；分層取水；隔水幕墻

一些調(diào)節(jié)性能較好的高壩大庫(kù)往往出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象，水庫(kù)水溫分層及其引起的下游水溫、水質(zhì)變化，對(duì)水庫(kù)下游魚(yú)類生長(zhǎng)繁殖和供水水質(zhì)帶來(lái)影響。水庫(kù)下泄水溫調(diào)控措施旨在通過(guò)采取分層取水等工程措施或生態(tài)調(diào)度等管理措施，減緩水庫(kù)下游水溫變化對(duì)水生生態(tài)和供水水質(zhì)的影響。本文通過(guò)調(diào)查分析近年來(lái)大型水電工程分層取水設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例及其存在的問(wèn)題，提出分層取水設(shè)計(jì)研究建議，為水利水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)及其對(duì)策措施制定和分層取水建筑物設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供借鑒。

1　水溫恢復(fù)與調(diào)控措施分類及適用范圍

20世紀(jì)六七十年代，美國(guó)、日本等針對(duì)水庫(kù)水溫分層及其對(duì)下游水生生態(tài)的影響，提出并采取了很多形式的分層取水建筑物或水溫調(diào)控措施。我國(guó)在20世紀(jì)七八十年代建設(shè)灌溉水庫(kù)時(shí)，也十分重視改善水庫(kù)下泄水溫的措施，設(shè)計(jì)并建設(shè)了許多分層取水設(shè)施[1-5]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)一些高壩大庫(kù)在大江大河上相繼開(kāi)工建設(shè)或已經(jīng)建成投產(chǎn)，部分調(diào)節(jié)性能好的高壩大庫(kù)，其下泄低溫水將對(duì)下游水質(zhì)和水生生物帶來(lái)顯著影響，相關(guān)監(jiān)管部門和建設(shè)單位對(duì)此非常重視，按照相關(guān)法規(guī)規(guī)定和要求，開(kāi)展了大型分層取水設(shè)施設(shè)計(jì)和建設(shè)，例如已建成的光照、灘坑、糯扎渡、溪洛渡等水電站分層取水建筑物，正在建設(shè)的白鶴灘、雙江口、兩河口等大型水電站分層取水建筑物，要求采取有效措施提高下泄水溫。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，改善水溫的措施可分為以下5種方式：

(1)設(shè)置取水口分層取水。目前，水庫(kù)分層取水設(shè)施型式大致可分為4大類：多孔式、分節(jié)式、鉸鏈?zhǔn)胶秃缥健８鶕?jù)實(shí)踐應(yīng)用情況來(lái)看，只有多孔式和分節(jié)式分層取水設(shè)施適用于大、中型工程，鉸鏈?zhǔn)胶秃缥降绕渌褪降姆謱尤∷O(shè)施只適用于小型工程。

(2)設(shè)置水溫控制幕。水溫控制幕是在取水口前布置一道隔水幕墻，通過(guò)對(duì)幕墻的調(diào)節(jié)，擋住不適宜溫度層的水，放流所需溫度層的水。水溫控制幕墻設(shè)計(jì)與安裝都較為簡(jiǎn)單，工程費(fèi)用和后期維護(hù)費(fèi)用均較低，且不影響發(fā)電量，特別適用于已建工程的生態(tài)修復(fù)改建。目前，在國(guó)外以生態(tài)修復(fù)為目的的工程改建措施中，水溫控制幕使用較多，如美國(guó)加利福尼亞州Trinity流域與Sacramento流域的水利工程中就大量使用了這種結(jié)構(gòu)。在日本，這種控制幕曾被安裝在水庫(kù)表層約水下5 m，用來(lái)有效阻止水庫(kù)表層藍(lán)藻的蔓延。

(3)破壞取水口附近溫躍層。這種措施在國(guó)外已有研究和實(shí)踐，其原理是在取水口前面的一定范圍內(nèi)，通過(guò)動(dòng)力攪動(dòng)或向深層輸氣，促進(jìn)水庫(kù)水體的上下對(duì)流，破壞水溫的分層結(jié)構(gòu)，從而提高水庫(kù)底層水溫。這種方法僅限于小型工程，在美國(guó)、英國(guó)曾獲得采用，效果較好，目前仍在研究中。

(4)進(jìn)行生態(tài)調(diào)度。這是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究的主要管理措施，一是在水庫(kù)泄洪期間，盡量采用溢洪道、表孔等表層泄水建筑物泄洪，以提高下泄水溫；二是在魚(yú)類繁殖的特殊時(shí)段，采用溢洪道、表孔等表層泄水建筑物向下游供水，與電站發(fā)電尾水混合，提高下游水溫。這種方式適用于不同規(guī)模的工程，但第二種方式將帶來(lái)較大的電量損失。

(5)延長(zhǎng)渠道或設(shè)置曬水池。對(duì)于具有灌溉功能的水庫(kù)，從水庫(kù)中泄放的低溫水流入渠道一定流程后，水溫的高低與出庫(kù)水溫、流量、渠道長(zhǎng)度、氣溫有很大關(guān)系。通過(guò)延長(zhǎng)流程，可充分接受日曬，提高灌溉用水水溫。[6]

2　大型水電工程水溫影響調(diào)控工程措施

2.1大型水電工程水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)

(1)高壩大庫(kù)。大型水電工程往往對(duì)應(yīng)高壩大庫(kù)，特別是一些龍頭水庫(kù)，水深達(dá)200多米，庫(kù)容巨大，調(diào)節(jié)性能好，對(duì)水溫影響大，有的水庫(kù)在夏季，庫(kù)表與庫(kù)底水溫相差十幾度，春夏季出庫(kù)水溫低于天然河流水溫，秋冬季出庫(kù)水溫則相反。

>>水庫(kù)下泄水溫調(diào)控，旨在通過(guò)采取分層取水等工程措施或生態(tài)調(diào)度等管理措施，減緩水庫(kù)下游水溫變化對(duì)水生生態(tài)和供水水質(zhì)的影響。

(2)取水流量大。大型水電工程裝機(jī)容量大，單機(jī)額定引用流量大，例如三板溪、兩河口水電站單機(jī)引用流量分別為216 m3/s和245 m3/s，白鶴灘、烏東德水電站更高達(dá)548 m3/s和691 m3/s，大流量取水對(duì)取水建筑物型式、規(guī)模、布置和設(shè)計(jì)參數(shù)要求高。

(3)水位變幅大。多數(shù)大型水電工程水庫(kù)水位變幅大，特別是調(diào)節(jié)性能好的龍頭水庫(kù)，水位變幅大多在50 m以上，例如三板溪、光照水電站水庫(kù)水位變幅分別為50 m和60 m，兩河口水電站高達(dá)80 m，巨大的水位變幅要求超高超大型的取水建筑物。

2.2大型水電工程水溫調(diào)控工程措施

針對(duì)大型水電站高壩大庫(kù)、取水流量大、水位變幅大的特點(diǎn)，取水建筑物規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行要求高，同時(shí)要具備分層取水作用。從目前工程實(shí)踐來(lái)看，大型水電工程水溫調(diào)控工程措施主要有多孔式、分節(jié)式分層取水設(shè)施和水溫控制幕。

2.2.1多孔式分層取水措施

在取水范圍內(nèi)設(shè)置標(biāo)高不同的多個(gè)孔口，取水口中心高程根據(jù)水庫(kù)水溫分布特點(diǎn)和取水水溫的要求設(shè)定，不同高程的孔口通過(guò)豎井或斜井連通，每個(gè)孔口分別由閘門控制。運(yùn)行時(shí)可根據(jù)需要，啟閉不同高程的閘門，達(dá)到分層取水的目的。對(duì)于引用流量較小、水庫(kù)水位變幅不大的工程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、安全可靠、操作簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)，但不能連續(xù)取得表層水。對(duì)于大型水電工程來(lái)說(shuō)，由于取水流量大、水位變幅大，采用該型式的分層取水設(shè)施，將使取水建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，工程造價(jià)提高，而且還不能連續(xù)取得表層水。

2.2.2多節(jié)式分層取水措施

多節(jié)式分層取水設(shè)施由控制閘門和取水塔等結(jié)構(gòu)物組成，閘門和取水塔結(jié)合形成流道，通過(guò)增減或伸縮閘門形成隨水位變化流道，從而保證連續(xù)取得表層水。為保持始終取得表層水，同時(shí)防止出現(xiàn)淹沒(méi)水深不夠而引起的閘門振動(dòng)和過(guò)大的水頭損失，需要及時(shí)調(diào)整閘門高度，要求較高的運(yùn)行管理水平。多節(jié)式表層取水設(shè)施有3種結(jié)構(gòu)型式：即平面多節(jié)式、圓筒多節(jié)式和半圓筒多節(jié)式。圓筒多節(jié)式分層取水設(shè)施具有取水靈活、安全穩(wěn)定、可用于已建工程改建等優(yōu)點(diǎn)，但這種分層取水設(shè)施難以在大型水電工程中應(yīng)用，即使中小型工程，也存在投資大，管理較為復(fù)雜的問(wèn)題。

(1)平板多節(jié)式

平板多節(jié)式表層取水設(shè)施由過(guò)水豎井、隔水門組成。過(guò)水豎井位于輸水道的頭部，豎井頂部設(shè)啟閉塔，沿豎井兩側(cè)設(shè)置門槽，安置隔水門。取水時(shí)，隨著水位下降，相繼提升隔水門，隔水門僅起隔水作用，流量由輸水道出口工作閘門控制。其優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)單、施工方便、檢修容易、造價(jià)相對(duì)較低。平板多節(jié)式分層取水設(shè)施根據(jù)閘門及運(yùn)行方式的不同，分為浮式板型、多層水力自動(dòng)翻板型、疊梁門型等。浮式板型、多層水力自動(dòng)翻板型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用范圍廣，在中、小型水庫(kù)中均能適用，因此早期在國(guó)內(nèi)受到普遍推廣；疊梁門型可適用于大、中、小型工程，近年在光照、灘坑、溪洛渡水電站等大型水電工程中均有采用[7]。疊梁門分層取水可以根據(jù)不同水庫(kù)水位及水溫要求調(diào)節(jié)取水高度，運(yùn)行靈活；缺點(diǎn)是大型深水水庫(kù)分層取水疊梁門眾多，有的甚至多達(dá)幾百節(jié)，此外，疊梁門水下抓取和提升對(duì)啟閉機(jī)運(yùn)行要求很高，運(yùn)行調(diào)度十分復(fù)雜。

(2)半圓筒式

半圓筒取水閘門由多節(jié)同心半圓形拱形門葉組成的套筒式結(jié)構(gòu)、半圓形鋼筒套疊在一起，從上至下由小到大排列，隨著水位的升降而伸縮，以取到表層水。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有采用該型式分層取水的大型水電工程實(shí)例，美國(guó)餓馬水電站[8]的半圓筒式分層取水系統(tǒng)由已經(jīng)建成并運(yùn)行多年的水電工程改建而成，利用現(xiàn)有攔污柵墩，在進(jìn)水口前緣安裝3個(gè)獨(dú)立的半圓形閘門，每扇閘門都可根據(jù)水庫(kù)水位自由升降，通過(guò)相互配合達(dá)到分層取水的目的。這種取水方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于已建工程分層取水進(jìn)水口的改建，但對(duì)于大型水電工程來(lái)說(shuō)，巨大的半圓形閘門制作工藝和安裝要求非常高，若不能達(dá)到較高的圓度要求，稍有變形，運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生卡阻，不能自由伸縮。當(dāng)水頭較高而套筒無(wú)法收縮時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水頭差過(guò)大、甚至空筒的情況，從而造成套筒失穩(wěn)被破壞。

2.2.3隔水幕墻

隔水幕墻的原理與水溫控制幕相同，隔水幕墻可以脫離大壩，在壩前一定距離水面以下布置，以隔水幕墻方式阻斷溫躍層和底部恒溫層的水體流向壩前，將低溫水阻擋在隔水幕墻前一定位置。同時(shí)，在電站進(jìn)水口泄流的帶動(dòng)下，表層溫度較高的水體快速翻越幕墻，流入電站進(jìn)水口，實(shí)現(xiàn)下泄水體水溫的提升，如圖1所示。隔水幕墻位置的選擇應(yīng)主要考慮提高水溫的效果，不影響通航，便于施工。由于大型水電工程壩前斷面巨大，同時(shí)還面臨洪水泥沙的考驗(yàn)，到目前為止還沒(méi)有具體成功的工程實(shí)踐，相關(guān)單位正在開(kāi)發(fā)研究該方案在三板溪水電站的應(yīng)用。

圖1　隔水幕墻整體形式Fig.1　Integral form of impermeable curtain wall

3　水電工程水溫調(diào)控措施存在問(wèn)題及建議

到目前為止，國(guó)內(nèi)外已建成運(yùn)行有多種型式的分層取水設(shè)施，但是除近年建成的溪洛渡、錦屏一級(jí)水電站等是大型工程外，其他均為中小型工程，取水流量鮮有過(guò)百。因此，需要對(duì)已建成的疊梁門分層取水設(shè)施運(yùn)行效果進(jìn)行調(diào)查研究。無(wú)論采用哪種分層取水型式，取水工程的設(shè)計(jì)都必須以水庫(kù)水溫計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，并據(jù)此確定進(jìn)水口位置。目前已有的水溫預(yù)測(cè)模型研究往往難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水溫分布，從而影響分層取水效果。

3.1加強(qiáng)水庫(kù)及下泄水溫觀測(cè)研究

以往，國(guó)內(nèi)外對(duì)已建水庫(kù)水溫開(kāi)展了一系列觀測(cè)研究，但由于影響水庫(kù)及下游水溫分布的因素較多，特別是地理位置、氣候條件、工程特性、運(yùn)行方式等，這些觀測(cè)研究不能完全反映我國(guó)西部地區(qū)水電站水庫(kù)的水溫變化規(guī)律，需要加強(qiáng)觀測(cè)研究。以既有水庫(kù)水溫監(jiān)測(cè)和水文站長(zhǎng)期水溫觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合典型流域天然河流水溫變化和典型工程水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其下游水溫變化分析，總結(jié)天然河流和水庫(kù)及其下游水溫變化規(guī)律和影響因素。結(jié)合取水口分布及運(yùn)行調(diào)度方式，分析探討出庫(kù)水溫與水庫(kù)壩前水溫分布的關(guān)系，為水電工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

3.2開(kāi)展疊梁門分層取水運(yùn)行效果試驗(yàn)

近幾年，國(guó)內(nèi)大型水電工程分層取水基本采用疊梁門方案，有的已建成投產(chǎn)，有的還處于在建階段。應(yīng)盡快開(kāi)展大型水電工程分層取水及其措施效果調(diào)研，調(diào)查分層取水建筑物設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、建設(shè)、運(yùn)行過(guò)程及其效果、存在問(wèn)題，分析采取水溫影響減緩措施后，水庫(kù)及下游水溫變化情況，分析生態(tài)調(diào)度等非工程措施對(duì)下泄水溫的影響，探討各種水溫影響緩解措施的經(jīng)濟(jì)性、適用性、有效性，提出針對(duì)大型深水水庫(kù)水溫影響緩解措施規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行建議，為水庫(kù)水溫影響緩解措施的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供技術(shù)支撐。

3.3加快隔水幕墻分層取水方案工程應(yīng)用

從初步調(diào)查研究結(jié)果來(lái)看，隔水墻分層取水方案不僅適用于尚未建設(shè)的水庫(kù)工程，還可用于已建工程的改造項(xiàng)目，可提高電站下泄水溫2～5℃，效果顯著。但與此同時(shí)，還存在材料壽命、防泥沙淤積、抗洪水沖擊等問(wèn)題。對(duì)于已建工程，實(shí)施過(guò)程中還存在水下安裝穩(wěn)固墩以及穩(wěn)固墩的定位難度極大、確保運(yùn)行安全等問(wèn)題。建議主要采取以下措施：

(1)根據(jù)力學(xué)物理模型試驗(yàn)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行隔水幕墻穩(wěn)固墩、懸掛系統(tǒng)和幕墻自身的強(qiáng)度驗(yàn)算和穩(wěn)定性分析，優(yōu)化幕墻整體結(jié)構(gòu)形式；

(2)探究穩(wěn)固墩錨固形式和定位技術(shù)，從而保證穩(wěn)固墩安裝定位準(zhǔn)確，并且在運(yùn)行過(guò)程中安全牢固；

(3)在保證隔水幕墻整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，探究隔水幕墻分幅安裝、分幅運(yùn)行的方法，實(shí)現(xiàn)幕墻分塊操作、協(xié)同工作的理念，達(dá)到安裝方便、局部破壞局部置換的效果。

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Regulation Measures and Suggestions for Mitigating the Influence of Water Temperature in Hydropower Project

XUE Lian-fang1, GU Hong-bin1, FENG Yun-hai2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100011, China;2.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

On the basis of analyzing the classification, characteristics and applicability of water temperature regulation measures for reservoir and discharge water at home and abroad, regulation measures for mitigating the influence of water temperature in large hydropower projects with requirements of high dams, large discharge and deep water intakes and the potential problems thereof were introduced. Suggestions for the design of layered water intake structure and impermeable curtain wall were also put forward in this paper.

hydropower project; influence of water temperature; regulation measures; layered water intake; impermeable curtain wall

2016-02-27

薛聯(lián)芳(1964—)，男，福建上杭人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗姯h(huán)境保護(hù)，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.002

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)03-0005-04