隔水幕水溫分層取水研究概述

黎卡希，黃 衛(wèi)，黃國(guó)兵，黃明海

(長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)所，湖北 武漢 430010)

1 分層取水研究背景

截至2012年，中國(guó)共有水庫(kù)9萬(wàn)余座，總庫(kù)容8 255億m3，其中大型水庫(kù)683座，總庫(kù)容6 493億m3[1]，是世界上擁有水庫(kù)大壩最多的國(guó)家，同時(shí)也是世界上擁有200 m及以上高壩最多的國(guó)家。水庫(kù)建成后，大壩的蓄水使得河流天然徑流過(guò)程發(fā)生了改變，進(jìn)而改變了下游河道的水溫分布規(guī)律。水庫(kù)攔蓄的夏秋季高溫水體熱量保持至冬季，使得庫(kù)區(qū)秋冬季水溫升高，反之，水庫(kù)在春夏季下泄冬季存儲(chǔ)的低溫水使得下游河道水溫降低[2]。大型水庫(kù)建成后，庫(kù)區(qū)水體體積變大、水深增加、流速減緩，蓄水時(shí)間延長(zhǎng)，表面水體接收太陽(yáng)輻射時(shí)長(zhǎng)增加，使得水庫(kù)表面水溫較天然河道升高，而庫(kù)底由于接收不到太陽(yáng)輻射而長(zhǎng)期處于低溫狀態(tài)，這使得庫(kù)區(qū)水體水溫呈現(xiàn)出明顯的沿深度分層分布的特征。在夏季隨著氣溫的持續(xù)上升，水體表面溫度也隨著升高，表層水溫和底層水溫相差很大，有時(shí)表層水溫可超出底部水溫20℃[3]，水庫(kù)庫(kù)區(qū)水體水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

水庫(kù)深層水呈厭氧狀態(tài)，溶解氧(DO)含量較低，且水溫較低。采用底層取水，下泄低溫水會(huì)對(duì)下游流域內(nèi)的農(nóng)作物灌溉、水生生物、水環(huán)境等帶來(lái)不同程度的影響。

1)對(duì)農(nóng)作物灌溉的影響。如水稻、棉花等，具有喜溫怕寒的特性,其產(chǎn)量是隨水溫變化而不同的。水稻不同稻谷品種以及稻株所處不同生長(zhǎng)期對(duì)水溫的要求也不同，一般在28～38℃比較合適[4]。在水溫過(guò)高環(huán)境下，稻株難以積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且易導(dǎo)致田間雜草增加，引起病蟲(chóng)害；在水溫過(guò)低環(huán)境下，稻株難以吸收肥料，從而導(dǎo)致稻根的生長(zhǎng)發(fā)育不良，植株矮，進(jìn)而稻谷產(chǎn)量降低。棉花在整個(gè)生育期內(nèi)的適宜溫度范圍在25～30℃[5]，溫度過(guò)高時(shí)，棉花生長(zhǎng)速度減慢，甚至停止生長(zhǎng)；溫度過(guò)低時(shí)，光合作用效率降低，棉花生長(zhǎng)較慢。

2)對(duì)水生生物的影響。水庫(kù)底層取水下泄，低溫水會(huì)對(duì)下游流域水生生物的生長(zhǎng)繁殖帶來(lái)一定的影響，例如魚(yú)類是生長(zhǎng)繁殖與溫度有著密切關(guān)系的變溫動(dòng)物，一般是水溫低則發(fā)育慢，水溫高則發(fā)育快。在室內(nèi)培養(yǎng)的條件下,水溫超過(guò)31℃則胚胎容易出現(xiàn)畸形[6]。在我國(guó)，常見(jiàn)養(yǎng)殖的魚(yú)類大多數(shù)屬于溫水魚(yú)類，適宜生存水溫為15～32℃；熱帶、亞熱帶魚(yú)類如羅非魚(yú)適宜生存水溫為20～32℃[7]，并且大多數(shù)魚(yú)類在一定溫度下才能進(jìn)行產(chǎn)卵繁殖。水庫(kù)上層水體水溫較高，溶解氧含量也較高，為水生生物生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境；下層水體水溫較低，溶解氧含量也較低，不利于水生生物的生長(zhǎng)。

3)對(duì)水環(huán)境的影響。當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，采用底層取水將延長(zhǎng)下游河道出現(xiàn)濁水的時(shí)間，一般延長(zhǎng)時(shí)間為1～2個(gè)月，有的甚至長(zhǎng)達(dá)4～5個(gè)月。河道放流濁水長(zhǎng)期化給下游人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)一定的影響，并且河道水流濁度的增大，會(huì)使得水中生物群落的光合作用率降低，影響水體的自凈能力和透光吸熱的性能，進(jìn)而間接地對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和魚(yú)類的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生影響[8]。

4)對(duì)水量的影響。水庫(kù)采用底層取水時(shí)，表層溫度較高的水流沒(méi)有得到有效的利用，且表層水體熱能持續(xù)積蓄，水溫不斷提高，使得庫(kù)面蒸發(fā)加劇，進(jìn)而造成一定的水庫(kù)水量損失。

綜上所述，為改善水庫(kù)水溫分層下泄低溫水造成的不利影響，分層取水作為調(diào)控下泄水溫、改善河流下游生態(tài)環(huán)境的有效手段之一，已被國(guó)內(nèi)外廣泛研究與應(yīng)用。

2 分層取水型式及利弊

2.1 常見(jiàn)分層取水型式

采用適宜的分層取水措施來(lái)取得水庫(kù)不同高程的水體是分層取水的重要研究?jī)?nèi)容之一，且不同的分層取水措施的類型、設(shè)置型式及運(yùn)用方式都對(duì)取水效果有著不同程度的影響。

分層取水建筑物按外形分，有斜臥式分層、塔(井)式分層、套筒型、管狀等；按水力學(xué)特性，可以分為堰流和孔流兩種流態(tài)；按啟閉方式和動(dòng)作原理，可分為人工啟閉、電氣自動(dòng)、浮式和多層自動(dòng)翻板等幾種；按取水口設(shè)置方式又可分為活動(dòng)式、固定式和復(fù)式3種[9]。

常見(jiàn)的分層取水型式有4種：多層取水建筑物、疊梁門式分層取水、浮式管型取水口和控制幕分層取水。其中多層取水建筑物和疊梁門式分層取水多應(yīng)用于取水流量較大的大型水利工程；浮式管型取水口和控制幕分層取水多應(yīng)用于中小型水利工程，對(duì)取水流量較小的情況具有較好的效果。

2.2 常見(jiàn)分層取水型式利弊分析

目前國(guó)內(nèi)大型水電站多數(shù)采用的是疊梁門式分層取水，可根據(jù)水庫(kù)水位的變化及下泄水溫要求，開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)高程的閘門，達(dá)到控制取水、控制下泄水溫的目的。它具有操作方便、安全、水溫改善效果好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大型水庫(kù)工程中。

疊梁門分層取水型式也存在著以下不足：①大型深水水庫(kù)的疊梁門式分層取水中均存在閘門多、規(guī)模大，閘門啟閉、門庫(kù)調(diào)度復(fù)雜等現(xiàn)象，增加了許多不確定因素，對(duì)電站運(yùn)行、檢修和安全提出了更高的要求；②電站運(yùn)行時(shí)，如果閘門不對(duì)稱開(kāi)啟，豎向流道內(nèi)水流可能出現(xiàn)環(huán)流、漩渦等有害流態(tài)，引起結(jié)構(gòu)震動(dòng)[10]；③造價(jià)相對(duì)其他分層取水型式較高；④在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)造成一定的水頭損失，如光照水電站運(yùn)行疊梁門會(huì)造成1～2 m的水頭損失和約為總發(fā)電量1%左右的電量損失[11-12]。

針對(duì)疊梁門分層取水型式仍存在不足，需要提出并研究新的分層取水措施。隔水幕分層取水原理是通過(guò)阻斷底層低溫水體的下泄通道，從而下泄表層高溫水體，達(dá)到分層取水的目的。相比之下，隔水幕分層取水方案有以下優(yōu)點(diǎn)：①水頭損失小，基本不影響電站發(fā)電效益；②工程量小，造價(jià)低；③施工方便，蓄水、無(wú)水環(huán)境均能施工；④施工周期短，建設(shè)成本低；⑤運(yùn)行維護(hù)方便，便于更換，靈活性強(qiáng)；⑥對(duì)下泄水溫控制效果好。

3 隔水幕水溫分層取水研究

相較于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)水工建筑物，隔水幕布采用的是柔性體材料，主要由高強(qiáng)度不透水柔性PP系列高韌聚丙烯有紡?fù)凉げ冀M成，有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊性能[13]。

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外分層取水研究大體經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)50年代以前，僅美國(guó)、日本等極少數(shù)國(guó)家針對(duì)水庫(kù)下泄低溫水問(wèn)題建造了分層取水建筑物，當(dāng)時(shí)工程設(shè)計(jì)中很少考慮水溫分層作用，廣泛采用深層取水；20世紀(jì)60年代，工程界認(rèn)識(shí)到水庫(kù)水溫的分層問(wèn)題，開(kāi)展了水庫(kù)分層取水設(shè)計(jì)和研究工作，當(dāng)時(shí)主要采用兩種處理方法：一種是打破分層，一種是利用分層特性取表層溫水或底層冷水[14-15]。20世紀(jì)70年代以后，開(kāi)始出現(xiàn)表層取水、底層取水及分層取水工程。60年代至70年代美國(guó)修建了大量的分層取水結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)學(xué)模型開(kāi)展了大量的水庫(kù)水溫研究工作。日本在上世紀(jì)40年代開(kāi)始，就針對(duì)水庫(kù)下泄低溫水問(wèn)題建造了分層取水建筑物，至80年代中期，約40%的水庫(kù)設(shè)置了表層取水設(shè)備，約30%的水庫(kù)設(shè)置了分層取水設(shè)備。

20世紀(jì)90年代，國(guó)外就提出了采用隔水幕簾分層取水方案來(lái)控制水庫(kù)下泄水溫或改善下泄水質(zhì)。Vermeyen[16]提出了采用水流溫度控制幕來(lái)控制下泄水溫的方案，并描述了Lewsiton水庫(kù)(最大水深為20 m)水流溫度控制幕的工程設(shè)計(jì)、原型觀測(cè)和運(yùn)行性能，其中水庫(kù)溫度控制幕型式如圖1所示。Takashi Asaeda等[17-18]提出了可以運(yùn)用兩道豎直隔水幕布來(lái)緩解日本 Terauchi 水庫(kù)庫(kù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化的方案，并對(duì)水庫(kù)設(shè)立豎直隔水幕布后壩前水體的流場(chǎng)及水質(zhì)的變化進(jìn)行了分析。Marcela[19]利用三維水動(dòng)力水溫模型研究了水流溫度控制幕設(shè)置在McNary水庫(kù)進(jìn)水口前對(duì)下泄水溫及壩前水體水溫分布的影響。Shammaa[20]等采用試驗(yàn)分析了隔水控制幕對(duì)取水水質(zhì)、分層界面變化和流場(chǎng)的影響。Gray Rachel (2016)[21]提出采用取水塔控制幕來(lái)減緩低溫水下泄的方案，并敘述了Burrendong水庫(kù)取水塔控制幕的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)，其中取水塔隔水幕型式如圖2所示。

圖1 Lewsiton水庫(kù)溫度控制幕型式圖

圖2 Burrendong水庫(kù)取水塔隔水幕型式圖

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)分層取水措施主要是運(yùn)用于規(guī)模較小、對(duì)水溫有要求的灌溉型水庫(kù)，水庫(kù)壩高大多低于40 m，分層取水建筑物主要為豎井式和斜涵臥管式兩大類。近年來(lái)國(guó)內(nèi)高壩水庫(kù)不斷增多，需重點(diǎn)研究和設(shè)計(jì)大中型水庫(kù)的水溫分層取水措施。目前，國(guó)內(nèi)大中型水電站分層取水建筑物設(shè)計(jì)多采用的是疊梁門或多層取水口分層取水模式，仍缺乏相關(guān)的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。隔水幕研究依舊還處于起步階段，目前僅貴州三板溪水電站正在研究和設(shè)計(jì)隔水幕水溫分層取水方案，尚未達(dá)到工程實(shí)踐要求。因此，我國(guó)還需進(jìn)一步研究并開(kāi)發(fā)隔水幕分層取水技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)水電站建設(shè)領(lǐng)域環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

練繼建等(2016)[22]采用概化水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬(ce-qual-w2、三維水動(dòng)力水溫模型)研究了隔水控制幕對(duì)下泄水溫的影響因素及下泄水溫改善效果，提出了隔水幕布分層取水方案的下泄水溫預(yù)測(cè)公式,并針對(duì)貴州三板溪水庫(kù)，研究得出了隔水幕布分層取水方案改善下泄低溫水效果良好，且全封式隔水幕布效果更好的結(jié)論，圖3為擬定的三種隔水幕布布置形式示意圖，分別為全封式和半封式隔水幕布。吳登將(2015)[23]采用水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬(EFDC水溫模型)研究隔水控制幕作用下的下泄水溫效果及影響因素，得出當(dāng)水庫(kù)水溫分布不變時(shí)，控制幕運(yùn)用方式是影響下泄水溫的主導(dǎo)因素，且原壩體底部出流的出水口在滯溫層時(shí)，提高下泄水溫的有效方式為表層過(guò)流方式；原壩體溢洪道泄流時(shí)，降低下泄水溫的有效方式是底層過(guò)流方式，圖4為6種隔水幕布的不同運(yùn)用方式示意圖。賀蔚(2017)[24]采用水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬(ce-qual-w2、三維水動(dòng)力水溫模型)研究頂部和底部隔水控制幕作用下的流場(chǎng)及水溫分布，并就隔水控制幕的受力分布情況進(jìn)行研究分析，提出了受力情況計(jì)算公式。

圖3 不同隔水幕布設(shè)置型式示意圖

圖4 隔水幕布不同運(yùn)用方式示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)近年來(lái)大型水庫(kù)的建設(shè)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境

的日益重視，分層取水研究尤其是隔水幕水溫分層取水研究無(wú)疑將會(huì)在滿足下游生態(tài)用水需求、提高水資源綜合利用效率等方面發(fā)揮巨大的作用。

國(guó)外如美國(guó)、日本、澳大利亞對(duì)于隔水幕布分層取水已有一定的研究成果和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，但國(guó)外所研究的隔水幕分層取水運(yùn)用條件與國(guó)內(nèi)不同。目前我國(guó)對(duì)隔水幕分層取水的機(jī)理認(rèn)識(shí)、體型選擇、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方面的研究還不能滿足分層取水工程的實(shí)際需要，仍需加強(qiáng)對(duì)隔水幕水溫分層取水的基礎(chǔ)研究，并開(kāi)發(fā)適用于我國(guó)大型水庫(kù)的隔水幕水溫分層取水技術(shù)。