濟南市喬店水庫取水方案比選

劉雪芹，魏永強，陳 峰

（濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 271108）

1 工程概況

濟南市喬店水庫位于濟南市鋼城區(qū)辛莊街道辦事處喬店村東，大汶河支流牟汶河上游，總流域面積85 km2，是一座集防洪除澇、城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉等于一體的綜合利用的中型水庫。水庫于1965 年開工建設，1967 年建成并投入使用，初建時興利庫容1 400 萬m3，2003—2005 年經(jīng)工程除險加固，在原開敞式溢洪道溢流堰頂新建四孔4 m×10 m 平板鋼閘門，增加興利庫容600 萬m3。于1993 年開發(fā)建設喬店水庫城市供水工程，并于1993 年底投入使用，供水能力為700 萬m3/年，2007 年該供水工程進行升級改造后供水能力達到1 200 萬m3/年，近五年該水庫實際城市供水量平均為1 100 萬m3/年。供水面積覆蓋供水管路沿途及整個萊蕪主城區(qū), 供水人口達20 萬，為萊蕪區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展及各企事業(yè)的整體提升提供了可靠的水資源與水環(huán)境保障，確保了本區(qū)域內(nèi)防洪安全、供水安全及水生態(tài)安全。2016 年列入國家重要飲用水水源地名錄，發(fā)揮了突出的防洪和興利作用。

喬店水庫設計洪水標準與校核洪水標準分別為50 年一遇與1 000 年一遇。樞紐工程由主壩、副壩、南放水洞、北放水洞及溢洪道（閘）等部分組成，主、副壩及溢洪道控制建筑物設計級別為3 級，其他為4 級。

主壩、副壩均為黏土心墻砂殼壩，主壩與副壩壩頂長度分別為810 m、160 m，壩頂寬為7 m，壩頂高程與防浪墻頂高程分別為286.27 m、287.27 m，最大壩高26.2 m。上游為干砌石護坡，下游為草皮護坡。

溢洪道型式為實用堰，設在大壩右端，堰頂高程為279.32 m，堰頂寬44 m，消能型式為挑流和消力池兩級消能，最大泄量為1 052.4 m3/s。

北放水洞位于主壩的右端，鋼筋混凝土壓力涵管內(nèi)襯鋼管，管內(nèi)徑1.3 m，最大流量13.67 m3/s，進口底高程265.02 m，壩前豎井式鋼板閘門控制。

南放水洞位于主壩左端，鋼筋混凝土壓力涵管內(nèi)襯鋼管，管內(nèi)徑0.8 m，最大流量4.35 m3/s，進口底高程271.27 m，壩前豎井式鋼板閘門和壩后蝶閥雙門控制。

2 分層取水的必要性與可行性

近年來由于本區(qū)域內(nèi)降雨時空分布不均勻，降水年際變化大，造成水庫水源各分層水質(zhì)差異較大。并且每年的汛期，有效降雨導致水面快速上漲，周圍有枯枝、垃圾、漂浮物等淤積雜物沖入水庫，造成水庫各分層的水質(zhì)發(fā)生明顯變化，加上夏季氣溫高，日照時間長，水溫上升，容易滋生藻類等水生植物，甚至有輕微的藍藻生成，根據(jù)水資源環(huán)境分析及水庫每年汛期表象，水庫淺表水多有枯枝、樹葉等淤積雜物，從上層取水容易堵塞取水攔污柵，致使時間一長形成黑臭淤泥甚至是黑臭水，進而增加水處理難度。而水庫底層水由于汛期大雨，上游河道源短流急，容易擾動水庫底部泥沙、淤泥等，造成水體渾濁，甚至存在“異重流現(xiàn)象”，出現(xiàn)最難處理的低溫低濁水，這種低溫低濁水質(zhì)層便來自于水庫底層水。而水庫底層水中由于水生物耗氧、庫中有機物及植物腐爛等，導致溶解氧變低，甚至從底部沉積物分解出錳鐵等物質(zhì)；隨著有機物質(zhì)殘渣沉淀，底層水比表層水具有更高濃度的硫化氫、氨、磷酸鹽等；故從水庫淺表水取水與水庫底層取水的水質(zhì)均較差，不僅水中的異味消除困難，新生有害物質(zhì)現(xiàn)時增加了水處理的難度和成本。因此從原水水源地取其優(yōu)質(zhì)水源層是目前地表水水源地優(yōu)化配置的有力保障措施之一[1]。

隨著城市建成區(qū)面積的擴漲與經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，居民生活、城市服務業(yè)、工業(yè)及三產(chǎn)等用水的質(zhì)與量標準要求逐步提高，同時水廠對原水的要求相應提高。充分利用現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)水源不僅在水處理措施投資及水處理劑的使用上相應減少，節(jié)約水處理成本，降低水處理劑的副作用，并且能減少水處理時長，進而保證生活及城市日常用水的時效性[2]。

鵬山凈水廠從喬店水庫北放水洞取水，現(xiàn)有取水口只能向水廠輸送水庫底層水，有時會有藻類、淤泥夾在水體中，造成原水雜質(zhì)明顯異味較大，水處理設施壓力較大，偶而會出現(xiàn)水質(zhì)超標等問題，為保障飲用水的安全，降低處理成本，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水層取水，對喬店水庫水源地城市供水取水口實行分層取水是十分必要的。

通過相關資料查閱，結(jié)合喬店水庫現(xiàn)有的南北放水洞取水口底高程控制及壩前豎井式鋼板閘門位置，經(jīng)省、市水利專家實地踏勘研究討論，一致認為實現(xiàn)水庫表層取水，保證城市居民供水安全，提供優(yōu)質(zhì)水資源，優(yōu)化喬店水庫取水工程方案是合理可行的。

3 分層取水方案的比選

3.1 一般分層取水構筑物選擇

一般情況下水庫分層取水構筑物分為固定式取水和活動式取水兩種[3]。固定式取水構筑物取水相對靈活，一般采用豎井式，在取水范圍內(nèi)分別設置多個空口位置于不同標高，且分別有閘門控制每個孔口開關，其堅固耐用，但施工時需要將水庫放空，建設周期長，投資大，不能連續(xù)取用表層水，閘門控制操作頻繁?；顒邮饺∷畼嬛镏饕姆绞綖楦〈?。利用浮船隨水庫水位升降，可連續(xù)取用表層水，構筑物施工簡便、工期短、投資省等優(yōu)點，然而卻需要水下完成進水管道與放水洞進口鉸接管道連接，工程施工中存在一定難度。

喬店水庫為濟南市重要地表水飲用水水源地，不僅需要保證現(xiàn)存水量不允許放空水庫再進行項目施工，且取水口所在的北放水洞進口距離豎井較遠，無法改造現(xiàn)有豎井，因此取水構筑物固定式和活動式兩者間應選擇采用浮船取水構筑物較為合理。

3.2 浮船式取水構筑物設計方案

經(jīng)實測，水面以下1.5 m 水質(zhì)較好。喬店水庫壩頂高程286.27 m，興利水位282.82 m，死水位265.02 m。壩頂至死水位高差為21.25 m。壩頂至死水位的水平距離為74.05 m 。興利水位至死水位高差為17.8 m。興利水位至死水位的水平距離為66 m 。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)并參考其他成功經(jīng)驗，擬制定浮船建造及設備配置方案如下：

設計采用浮船長15 m，寬12 m，高1.5 m，吃水深1.0 m，用4 個密封鋼板箱體拼接而成，重60 t，安裝在距壩頂150 m 處；采用管道與現(xiàn)放水洞進口涵洞連接，金屬軟管與浮船連接；配交通船1 艘；為免破壞壩體，浮船固定于副壩附近山體。

浮船式取水構筑物與放水洞進口連接方式為通過大口徑金屬軟管、法蘭式球形補償接頭、大口徑伸縮節(jié)方式連接浮船與放水洞進口。

該方案系采用活動式取水構筑物，可解決改造現(xiàn)有的利用豎井分層取水的困難。

3.3 浮船式取水構筑物優(yōu)缺點分析

浮船取水指運用置于水體中的浮船來從地表水源地內(nèi)取水。取水設備固定于船艙中，利用金屬軟管與輸水洞連接。其特點為建設周期短，施工簡便，且能隨水位升降而自動調(diào)節(jié)取用優(yōu)質(zhì)水源層。但因水位漲落需要有移動錨鏈、輸電線路、接頭拆換、收放纜繩等，特別是汛期洪水多發(fā)時，造成勞功環(huán)境條件差，取水浮船漂浮于水體中，受庫水面驟升、風浪等因素影響較大，操作上有一定困難。

3.4 結(jié)合工程實際取水方案

結(jié)合喬店水庫工程實際，利用水庫樞紐工程南放水洞高于北放水洞6 m 的地勢，將南放水洞與壩后城市供水管線連接，在庫水位高于南放水洞進口底高程（271.27 m）1.5 m，相應庫容大于530 萬m3時，關閉北放水洞取水口，打開南放水洞取水口，一次性實現(xiàn)分層取水。同時，改造、更新南北放水洞閘閥兩處，實現(xiàn)全自動化操作。

該分層取水方案易于施工，并且易于交換操作。喬店水庫近年來水位一直維持有水位275.00 m 以上，近5 年相應庫容平均在800 萬m3以上，該取水方案不僅避免了取水庫底層水，同時也避免了取用正常蓄水情況下淺層水，實現(xiàn)取用喬店水庫優(yōu)質(zhì)水源層用于城市生活供水，并且該分層取水方案與浮船式分層取水相比較在施工與操作方面占很大優(yōu)勢。

4 取水工程方案投資比較

4.1 浮船式分層取水工程方案

該方案工程總投資約有265 萬元。其中浮船（含固定支架及其他配件）投資95 萬元、大口徑金屬軟管投資54 萬元、法蘭式球形補償接頭投資16 萬元、大口徑伸縮節(jié)投資4.1 萬元、交通船投資17 萬元、水下作業(yè)施工費投資25 萬元、土石方及混凝土工程投資25 萬元；臨時建筑工程投資4.622 萬元；獨立費用投資24.279 萬元。

4.2 利用南放水洞分層取水工程方案

該方案工程總投資約有170.61 萬元。其中取水口改造工程投資143.86 萬元，包括DN800 鋼管購買及安裝、開挖及回填、DN800 電動閘閥購買及安裝、遠程式流量計、排氣閥等其余設備購置等；獨立費用總投資26.7 萬元。

通過對比分析可知：利用南放水洞取水工程方案投資低于浮船式分層取水工程方案。

5 結(jié) 語

水庫分層取水工程一般情況下采用固定式和活動式浮船取水兩種方式，但在實際應用中應結(jié)合工程實際。喬店水庫水利用南放水洞與壩后城市供水管線連接的取水方案總投資較少，且施工不受庫水位高低的影響，工程實施后操作簡便。浮船式分層取水工程方案投資較高，有水下施工，雖能適應多水位分層取水，但工程建成后操作繁瑣且易出現(xiàn)故障，甚至影響正常供水時間，綜合考慮喬店水庫采用利用南放水洞與壩后城市供水管線連接這一取水方案更為合理。