夾巖水利樞紐工程分層取水口操作方案研究

侯業(yè)楹

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，為Ⅰ等大(1)型工程。夾巖水庫(kù)正常蓄水位1323m，總庫(kù)容13.25億m3，城鄉(xiāng)供水4.581億m3/a，毛灌溉供水量為2.35億m3/a，由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3部分組成。夾巖水庫(kù)蓄水后將出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象，為減緩低溫水對(duì)下游水生生態(tài)環(huán)境、灌溉造成不利影響，對(duì)分層取水口操作方案進(jìn)行研究[1]。

1 壩前垂向水溫預(yù)測(cè)結(jié)果

采用平水年來(lái)水條件下夾巖水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行作為預(yù)測(cè)方案，對(duì)夾巖水庫(kù)進(jìn)行三維水溫模擬預(yù)測(cè)。

圖1 夾巖水庫(kù)水溫模擬范圍

根據(jù)水庫(kù)各月垂向水溫模擬結(jié)果，選取壩前水溫垂向分布結(jié)果作為庫(kù)水溫垂向分布情況及取水水溫分析。各月庫(kù)區(qū)的表層、底層水溫變化與天然水溫關(guān)系如圖2所示，壩前水溫垂向分布如圖3所示。與天然水溫相比，水庫(kù)的熱量調(diào)蓄作用比較明顯，4-8月水庫(kù)水溫比起天然水溫低，但11月—次年1月，水庫(kù)水溫比天然水溫稍高。從模擬分析結(jié)果可知，夾巖水庫(kù)庫(kù)區(qū)水溫處于常年分層狀態(tài)，屬于典型的水溫分層型水庫(kù)。1-2月為低溫期，受庫(kù)區(qū)氣溫和太陽(yáng)輻射較低影響，溫度垂向分布出現(xiàn)輕微逆溫現(xiàn)象；3-5月份為升溫期，隨著庫(kù)區(qū)氣溫和太陽(yáng)輻射大幅度上升，水體溫度逐漸攀升，表層水溫增速更為明顯，從3月的12.87℃升至8月份的19.16℃；由于水庫(kù)的調(diào)蓄作用，水庫(kù)表層年最高水溫出現(xiàn)在9月份，10-12月為降溫期，隨著入流水溫、氣溫和太陽(yáng)輻射的逐漸下降，水體向大氣散失熱量而開(kāi)始降溫，溫度躍層現(xiàn)象減緩。總體上，庫(kù)區(qū)表底層溫差隨著季節(jié)的變化呈現(xiàn)出由春季、夏季、秋季至冬季的由小到大再到小的過(guò)程。

2 分層取水口設(shè)計(jì)

2.1 灌溉取水口

根據(jù)水溫預(yù)測(cè)成果，灌溉雙層取水方案對(duì)于水稻等對(duì)水溫敏感的農(nóng)作物生長(zhǎng)期3-9月的升溫作用不明顯，灌溉供水進(jìn)入附廓水庫(kù)后將與水體進(jìn)行混合，經(jīng)過(guò)3天以上的滯留后水溫可基本恢復(fù)天然水溫，主干渠進(jìn)入附廓水庫(kù)前的織納、理化、林錦灌區(qū)主要種植旱作作物，對(duì)水溫要求不高，灌溉取水推薦單層取水方案。

圖2 壩前垂向斷面不同水深水溫年內(nèi)過(guò)程線 圖3 夾巖水庫(kù)壩前斷面水溫垂向分布

2.2 發(fā)電取水口

為減輕低溫水下泄對(duì)壩下水生生物及魚類資源的影響，推薦兩層取水口方案。經(jīng)研究，進(jìn)水口采用岸塔式，進(jìn)水口下層底板高程綜合考慮水庫(kù)淤沙高程、死水位和淹沒(méi)深度控制確定為1294.5m，上層底板高程 1303m[2]。

圖4 分層取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 分層取水口操作方案研究

3.1 分層取水口操作運(yùn)行要求

灌溉取水口采用單層取水方案，發(fā)電取水口采用兩層取水方案。

表1 發(fā)電取水口兩層取水操作運(yùn)行要求

當(dāng)水庫(kù)水位在1315-1323m(正常蓄水位)之間時(shí)，采用上層取水口。

當(dāng)水庫(kù)水位在1305m(死水位)-1315m之間時(shí)，采用下層取水口。

3.2 不同典型年取水口運(yùn)行方案研究

采用夾巖水庫(kù)庫(kù)區(qū)水溫預(yù)測(cè)成果為依據(jù)，從工程安全運(yùn)行(保證淹沒(méi)水深)、可操作和保護(hù)生態(tài)環(huán)境(保證魚類繁殖期的需求和改善部分季節(jié)低溫水下泄的狀況)的角度出發(fā)，對(duì)豐平枯水年的分層取水口運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度研究。

根據(jù)豐平枯水年庫(kù)區(qū)水位運(yùn)行成果，得到夾巖水庫(kù)各典型年取水口運(yùn)行方案如下。豐水年、平水年庫(kù)水位全年均在1315m以上，均采用上層取水口?？菟?月下旬-7月上旬，水庫(kù)水位在1309.3-1314.97m之間，采用下層取水口；7月中旬-次年3月中旬，水庫(kù)水位在1315m以上，采用上層取水口[3]。

表2 各典型年取水口運(yùn)行方案研究

續(xù)表2 各典型年取水口運(yùn)行方案研究

3.3 閘門操作運(yùn)行方式研究

水庫(kù)取水時(shí)根據(jù)水庫(kù)水位情況依次開(kāi)啟或關(guān)閉各層隔水閘門以實(shí)現(xiàn)分層取水，即取水庫(kù)的表層溫水來(lái)滿足下游生態(tài)用水的要求，同時(shí)確保金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備良好、穩(wěn)定運(yùn)行，綜合確定閘門操作運(yùn)行方式如下[4-5]。

1)攔污柵功能及調(diào)度方案

在壩后電站取水口進(jìn)口處設(shè)置有2套攔污柵，攔污柵的孔口尺寸均為5.4m×37m(寬×高)，攔污柵的型式采用露頂平面直立活動(dòng)式攔污柵，攔污柵的底檻高程均為1292.00m，設(shè)計(jì)水位差均為4m，攔污柵運(yùn)行方式為靜水啟閉，啟閉過(guò)程中上、下游水位差≤3m。當(dāng)取水口正在引水發(fā)電或下放生態(tài)水時(shí)，攔污柵應(yīng)處于攔污狀態(tài)，嚴(yán)禁啟吊攔污柵。當(dāng)下游不需要取水時(shí)可進(jìn)行攔污柵的啟吊。

2)上層(1#)隔水閘門功能及調(diào)度方案

上層(1#)隔水閘門底檻高程為1303.00m，孔口尺寸為6.8m×6.8m(寬×高)，運(yùn)行方式為動(dòng)閉靜啟。主要用于能取水庫(kù)的表層溫水來(lái)滿足下游生態(tài)用水的要求，同時(shí)兼作事故閘門，當(dāng)下游需要維護(hù)檢修或出現(xiàn)事故時(shí)動(dòng)水閉門。

調(diào)度方案：上層(1#)隔水閘門最高運(yùn)行水位為1323.00m，即正常蓄水位，最低運(yùn)行水位1315.00m，最高擋水水位考慮為上游校核洪水位為1326.01m。為滿足取表層溫水的取水需要，在水庫(kù)取水時(shí)段，當(dāng)水庫(kù)庫(kù)水位在1315.00m以上時(shí)，打開(kāi)上層(1#)隔水閘門取水，此時(shí)下層(2#)隔水閘門處于關(guān)閉擋水狀態(tài)，只有當(dāng)下游需要維護(hù)檢修或出現(xiàn)事故時(shí)動(dòng)水關(guān)閉上層(1#)隔水閘門，在維護(hù)檢修或事故處理完畢后，閘門先充水平壓后靜水啟門。

3)下層(2#)隔水閘門功能及調(diào)度方案

下層(2#)隔水閘門底檻高程為1292.00m，閘門的孔口尺寸為6.8m×6.8m(寬×高)，運(yùn)行方式為動(dòng)閉靜啟。

調(diào)度方案：下層(2#)隔水閘門最高運(yùn)行水位為1315.00m，最低運(yùn)行水位1305.00m，最高擋水水位考慮為上游校核洪水位為1326.01m。為滿足取表層溫水的取水需要，在水庫(kù)取水時(shí)段，當(dāng)水庫(kù)庫(kù)水位在1315.00m-1305.00m時(shí)，打開(kāi)下層隔水閘門取水，此時(shí)上層(1#)隔水閘門處于關(guān)閉擋水狀態(tài)。

2套隔水閘門均設(shè)置有1套水位差儀，便于監(jiān)測(cè)隔水閘門開(kāi)啟時(shí)的水位及流量等，方便隔水閘門的調(diào)度運(yùn)行。

4 水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

僅根據(jù)水溫預(yù)測(cè)成果進(jìn)行，運(yùn)行期與實(shí)際水溫分布可能存在一定差距。因此，運(yùn)行期設(shè)置水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在庫(kù)區(qū)和壩下建立水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)水庫(kù)來(lái)水天然水溫與下泄水溫及其對(duì)比情況，分析分層取水措施對(duì)提升下泄水溫的效果，從而為優(yōu)化分層取水方案及運(yùn)行方式提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表3 分層取水口水溫恢復(fù)效果觀測(cè)計(jì)劃表

4.1 壩前水溫在線觀測(cè)

壩前垂向溫度鏈沿面板表面布置，底部位于水平趾板上。高程1265-1323m段，每隔2m高程布置一個(gè)溫度傳感器，高程1220-1265m，每隔5m高程布置一個(gè)溫度傳感器，共布置39個(gè)溫度傳感器，測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

4.2 發(fā)電取水口水溫在線觀測(cè)

發(fā)電取水口前溫度鏈沿取水口建筑物垂直布置，底部位于取水口底板高程。從取水口底板高程1292m至正常蓄水位1323m，每隔1m高程布置一個(gè)溫度傳感器，共布置32個(gè)溫度傳感器，測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

4.3 尾水渠、總干渠入口在線水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在發(fā)電廠房的尾水渠擋墻、總干渠入口側(cè)墻上，各布設(shè)一個(gè)在線水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程1207.50m，測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

4.4 水溫在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)

溫鏈數(shù)據(jù)需包括溫度鏈點(diǎn)位分布圖、縱切面溫度分布圖和單鏈實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并形成分析圖，水深/溫度關(guān)系圖、高程/溫度關(guān)系圖、等溫線高程變化圖、水文氣象/溫度關(guān)系圖、不同季節(jié)水溫與水深關(guān)系圖、取水口水溫與廠房尾水水溫對(duì)比圖、水溫與氣溫關(guān)系圖等。

5 結(jié) 論

夾巖水利樞紐工程水溫分層結(jié)構(gòu)研究，在三維預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)水溫分層的前提下，結(jié)合工程實(shí)際情況，提出水溫分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合環(huán)保、水文、水工、金屬結(jié)構(gòu)等多專業(yè)研究結(jié)果提出分層取水口操作運(yùn)行方案，根據(jù)取水口閘門特性制定閘門調(diào)度操作方案。為研究分層取水口實(shí)施效果，運(yùn)行期設(shè)置水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為優(yōu)化分層取水方案及運(yùn)行方式提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文章對(duì)夾巖水利樞紐工程分層取水口操作方案進(jìn)行全過(guò)程研究，以期對(duì)其他水利工程提供參考。