針對下泄水溫影響的豐滿大壩拆除方案決策分析

趙再興，魏浪，陳國柱，路振剛

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽　550081； 2.豐滿大壩重建工程建設局，吉林吉林　132108)

?

針對下泄水溫影響的豐滿大壩拆除方案決策分析

趙再興1，魏浪1，陳國柱1，路振剛2

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081； 2.豐滿大壩重建工程建設局，吉林吉林132108)

針對豐滿水電站重建工程大壩拆除方案，在工程運行、施工等方面均不存在制約的情況下，從下泄水溫變化對環(huán)境影響的角度開展決策研究。根據(jù)工程區(qū)環(huán)境保護目標及水庫季節(jié)性封凍的特點，以春夏季對水生生態(tài)的影響、冬季對不封凍江面及霧凇景觀的影響為雙重控制指標，深入研究大壩拆除高程、機組運行方案的影響情況，提出相應的影響減緩措施，為工程方案選擇提供決策依據(jù)。

大壩拆除；水溫；豐滿水電站

大型水庫水溫結構分層造成的下泄水溫變化，是水電開發(fā)產(chǎn)生的主要環(huán)境影響之一。在豐滿水電站重建工程中，其大壩拆除方案在工程運行、施工等均不存在制約的情況下，下泄水溫變化對環(huán)境的影響成為影響決策的重要因素。因此，在工程環(huán)境影響評價及設計工作中，須深入開展影響分析與對策措施研究，為工程方案選擇提供決策依據(jù)。

1　豐滿水電站重建工程概況

豐滿水電站位于第二松花江干流，下游距吉林市區(qū)16 km。豐滿水庫總庫容約103億m3，正常蓄水位263.5 m，死水位242 m，具有多年調節(jié)性能。該電站于1937年4月正式開工，1953年一期工程建成，1992年完成二期擴建工程(2×85 MW)，1998年完成三期擴機工程(2×140 MW)，總裝機容量達到1 002.5 MW。由于日偽時期的工程設計和施工存在先天性缺陷，豐滿水電站一直在不斷加固與維護補強中運行。為徹底解決工程存在的安全隱患，有關部門啟動了豐滿水電站大壩全面治理(重建)工程。重建方案將拆除目前豐滿大壩部分壩段及壩后一、二期發(fā)電廠房，保留左岸采用引水隧洞取水的三期發(fā)電廠房，同時在原壩址下游120 m處新建一座全長1 068 m、壩頂高程269.50 m、最大壩高94.5 m的混凝土重力壩，壩后廠房設置6×200 MW發(fā)電機組，水電站總裝機容量達到1 480 MW。工程建成后，不改變水庫特征水位，不改變原電站的任務和功能，水庫調度方式基本保持不變，調峰性能有所增強[1-2]。

為滿足重建工程樞紐區(qū)的泄洪、發(fā)電等過水要求，需將原大壩擋水建筑物進行部分拆除，拆除部位為6#—38#壩段，總長594 m，壩頂高程為267.7 m，拆除底部高程控制在240 m以下。此外，還將拆除原豐滿水電站一、二期發(fā)電廠房198.75 m高程以上的混凝土框架結構和位于新壩基坑開挖范圍內的尾水平臺混凝土結構，如圖1所示。大壩拆除工程實施過程中，先拆除相應壩體部位的閘門、啟閉設備，然后分層分塊、逐層逐塊、由上至下將原大壩混凝土爆破拆除，拆除的混凝土運至棄渣場。原大壩局部拆除后，大部分壩體仍然保留在庫區(qū)內，同時對其采取景觀設計，使之與周圍環(huán)境相協(xié)調。

圖1　原大壩拆除部位示意圖Fig.1　Demolition site of the original dam

2　大壩拆除方案對下泄水溫影響

豐滿水庫具有多年調節(jié)性能，是典型的水溫分層型水庫，水庫運行以來已形成穩(wěn)定的水溫分層結構。根據(jù)以往對壩前垂向水溫的年內觀測結果，在春夏季水溫分層較為明顯的時段，庫區(qū)水溫由下至上呈升溫分布，壩前垂向溫差可達到22℃以上；在冬季，受工程區(qū)嚴寒氣候影響，水庫表層結冰封凍，庫區(qū)水溫呈下層水溫高于上層水溫的逆向分布特征，壩前垂向溫差基本維持在4℃。根據(jù)豐滿水電站下泄水溫觀測成果，在魚類繁殖期(5至8月)，平均水溫為13℃，存在低溫水下泄影響；在冬季(12月至次年3月)，平均水溫為1.6℃，使壩下游江段能夠保持不結冰的明流狀態(tài)，為當?shù)仂F凇景觀的形成創(chuàng)造了有利條件。

豐滿水電站重建工程實施后，由于僅對原大壩中部高程以上的部分壩段進行拆除，大部分建筑結構仍留在庫區(qū)，剩余壩體的阻隔形成前置擋墻效應，如圖2所示。在新機組運行的條件下，僅庫區(qū)在拆除高程以上的水體能夠進入壩前區(qū)域，會對電站新建大壩前的水溫結構及下泄水溫產(chǎn)生影響[3]。主要體現(xiàn)在以下方面：①庫區(qū)水體經(jīng)原大壩拆除缺口進入兩壩之間后，對流摻混作用增強，壩前垂向將不存在水溫分層現(xiàn)象；②春夏季在原大壩前置擋墻作用的影響下，僅水庫上層高溫水進入新建大壩前發(fā)電取水口，下泄水溫較現(xiàn)狀有所升高，有利于緩解魚類繁殖期低溫水下泄的影響；③冬季由于水庫表層結冰，庫區(qū)水位由下至上呈降溫分布，表層水溫低于下層水溫，在原大壩前置擋墻作用的影響下，僅水庫上層低溫水進入新建大壩前發(fā)電取水口，下泄水溫將較現(xiàn)狀有所偏低，可能造成冬季下游吉林市區(qū)第二松花江約70 km的明流江段縮短，或出現(xiàn)流冰或封凍現(xiàn)象，進而影響霧凇景觀的形成[1]。

圖2　原大壩阻隔對庫區(qū)水溫結構的影響Fig.2　Impact of the original dam barrier on the water temperature structure in the reservoir area

3　考慮下泄水溫環(huán)境影響的方案決策

豐滿大壩拆除方案對水庫水溫結構及下泄水溫的影響，主要受其拆除部位的高程控制，拆除高程越低，電站下泄水溫越趨近工程重建前，從而可能產(chǎn)生的有利或不利影響越不明顯。為此，對大壩拆除高程擬定了240 m、237.5 m和235 m 3套方案，并綜合考慮冬季、春夏季下泄水溫，以及拆除期水庫回蓄期影響等進行環(huán)境比選。

3.1冬季下泄水溫影響比較

從霧凇的形成機理與河道水溫的關系可知，冬季下游河道只要不結冰，其他氣象條件適宜時就可以形成霧凇。根據(jù)目前豐滿壩下區(qū)域霧凇分布情況，下游不封凍江段均會出現(xiàn)霧凇，霧凇景觀集中區(qū)域主要是豐滿壩下約70 km處的霧凇島。因此，本項目下泄水溫對冬季霧凇景觀的影響主要考慮將霧凇島作為保護目標，即豐滿壩下70 km范圍內的江段水溫不低于0℃，就可滿足下游霧凇景觀形成的水汽條件。

采用耦合冰蓋生長消融的二維水溫數(shù)學模型、河道縱向一維水溫模型進行預測，以冬季電站下泄水體在河道中溫降至0℃的距離不低于70 km為控制目標，預測工況考慮在最不利的枯水年低水位條件下，電站分別由新建機組單獨發(fā)電、新建機組與原有三期機組聯(lián)合發(fā)電的不同工況，結果如表1所示。根據(jù)不同拆除高程方案的預測結果，冬季主要在1月、2月會出現(xiàn)無法滿足水溫控制目標的情況。其中，新機組單獨運行時，各方案均不能滿足水溫控制要求；新建機組與原有三期機組聯(lián)合發(fā)電時，由于原有三期機組取水口(高程215 m)在原大壩上游側，其取水水溫高于壩前水體，原有三期機組參與運行可在一定程度上增加下泄水溫，因此在聯(lián)合運行工況下，237.5 m、235 m方案均滿足下泄水溫控制要求。

表1　不同方案冬季電站下泄水溫降至0℃的距離

注：保護目標為下游70 km范圍內水溫不低于0℃。

3.2春夏季下泄水溫影響比較

針對目前豐滿水電站存在的下泄低溫水影響，重建工程實施后將有所改善。在魚類產(chǎn)卵繁殖期(5—8月)，下泄水溫均較重建前有所增加，各月提高范圍分別為0.4～0.7℃、0.7～2.2℃、0.8～4.0℃、3.3～4.7℃，如表2所示。在對下泄低溫水影響的減緩效果上，240 m方案依次優(yōu)于237.5 m、235 m方案。

表2　不同方案春夏季電站下泄水溫比較

3.3水庫回蓄期影響比較

由于豐滿大壩拆除期間需要對水庫進行臨時調度，將水位從正常蓄水位降至242 m，為減緩施工期對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境及下游用水的影響，選擇在冬季進入結冰期的11月開始臨時調度，同時盡可能縮短施工時間，及時進行回蓄。根據(jù)不同拆除方案的工期計算，240 m、237.5 m方案總工期均在5個月內，水庫在當年即可回蓄達到現(xiàn)狀平均水位；235 m方案水下作業(yè)量較大，總工期為8個月，水庫至第3年才能回蓄至現(xiàn)狀平均水位。

3.4方案綜合決策分析

根據(jù)大壩拆除方案對環(huán)境影響的綜合比較，在減緩目前春夏季電站下泄低溫水影響方面，各方案均有一定的改善效果，可不作為拆除方案比選的控制性因素。在減緩冬季低溫水影響方面，240 m方案不能滿足維持冬季壩下70 km不封凍河長的控制要求，因此不能作為選擇方案；235 m方案對減緩冬季低溫水影響效果較好，但由于施工期間水庫臨時調度降水位及回蓄時間較長，對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境及下游供水影響較大，不推薦采用。因此，該工程在方案決策中，考慮以維持冬季壩下不封凍河長范圍、有效控制施工和水庫回蓄期為要求，最終推薦對原大壩采用237.5 m高程的拆除方案，以保障霧凇景觀的形成條件不受影響，同時不影響水庫正常運行，最大限度地減小和避免拆除工程對庫區(qū)及下游環(huán)境產(chǎn)生的影響。

4　減緩下泄水溫影響的配套措施

豐滿水電站重建工程采取237.5 m重建方案后，在冬季僅采用新機組運行時，壩下70 km河道范圍內水溫仍有降低至0℃的情況，冬季1月、2月必須充分利用原電站三期機組參與發(fā)電運行，才能避免冬季下泄低溫水的影響。為此，在冬季發(fā)電過程中，應首先開啟三期機組進行發(fā)電的配套措施，保證優(yōu)先取用庫區(qū)溫度相對較高的下層水體。根據(jù)該運行方案，豐滿水電站保留的三期發(fā)電機組在冬季典型日運行過程中，需承擔140～280 MW的調峰容量，冬季1月、2月的總利用小時達到600 h以上，可滿足維持電站下游70 km不封凍河段的水溫控制要求。

為進一步防范冬季下泄低溫水所產(chǎn)生的影響，考慮設置豐滿壩下、下游永慶壩址、吉林市區(qū)、霧凇島末端等斷面的在線水溫監(jiān)測系統(tǒng)，對冬季河道水溫進行實時監(jiān)控。擬在各監(jiān)控斷面設置4個水溫監(jiān)測站點，配套相應的溫度自記及傳輸設備，通過溫度自記儀獲取實時水溫數(shù)據(jù)，利用無線發(fā)射器每隔一定時段進行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過中繼器將實時水溫數(shù)據(jù)傳送至電站監(jiān)控室，使運行人員隨時了解下游河道水溫變化情況，及時為機組泄流的水溫調控提供信息反饋，防范可能發(fā)生的水溫影響風險。

5　結論與建議

在豐滿水電站重建工程大壩拆除方案的制訂過程中，下泄水溫變化對環(huán)境的影響首次成為大壩拆除方案的最終決策因素，突出反映了此類重建工程在實施過程中存在的環(huán)境影響方式與特點。根據(jù)工程區(qū)霧凇等環(huán)境保護目標及水庫冬季封凍的特殊性，以春夏季對水生生態(tài)的影響、冬季對不封凍江面及霧凇景觀的影響為雙重控制指標，深入研究了包括大壩拆除高程、機組運行方案的影響，提出相應影響減緩措施，為工程方案的選擇提供決策依據(jù)，也可為同類型工程的環(huán)境影響分析與對策措施的制定提供借鑒。

考慮到在大壩拆除方案制訂階段，主要通過數(shù)學模型對工程的最不利工況條件進行了偏保守的預測，在實際影響程度、范圍的預測精度上，與工程運行后的情形仍存在一定差異。因此，隨著工程實施與推進，有必要結合水力學及水溫模型實驗、原型實驗，考慮采取進一步優(yōu)化豐滿水電站冬季發(fā)電運行調度方案等減緩低溫水影響的措施。

[1]趙再興. 豐滿水電站重建工程環(huán)評工作關鍵技術研究與創(chuàng)新[J]. 水利水電技術, 2013, 44(8): 57-59.

[2]張志福. 永慶反調節(jié)水庫對豐滿水電站下游河段用水保障效果回顧與變化分析[J]. 水力發(fā)電, 2015, 41(11): 99-102.

[3]劉昕. 豐滿水電站大壩全面治理工程對魚類資源的影響研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學, 2013.

Decision Analysis on Demolition Scheme of Fengman Dam from the Viewpoint of Discharge Water Temperature Impact

ZHAO Zai-xing1, WEI Lang1, CHEN Guo-zhu1, LU Zhen-gang2

(1.PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, China;2.Fengman Dam Reconstruction Project Construction Bureau, Jilin 132108, China)

Decision analysis was conducted on the demolition scheme of Fengman Dam without restrictions from construction or operation, from the viewpoint of environmental impact of water temperature changes. Based on the environmental protection objectives and the characteristics of seasonal frozen reservoirs, both the aquatic ecosystem in summer and the unfrozen river landscape in winter were considered as dual-control indexes. This study analyzed the impact of demolition height and unit operation mode, put forward the impact mitigation measures, and provided decision basis for the demolition scheme.

dam demolition; water temperature; Fengman Dam

2016-02-27

趙再興(1982—)，男，貴州都勻人，高級工程師，碩士，主要研究方向為環(huán)境水力學，E-mail：gyyzzx@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.005

X143；TV222

A

2095-6444(2016)03-0018-04