減緩水電工程水溫影響的調控措施與建議

薛聯芳，顧洪賓，馮云海

(1.水電水利規劃設計總院，北京　100011； 2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙　410014)

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減緩水電工程水溫影響的調控措施與建議

薛聯芳1，顧洪賓1，馮云海2

(1.水電水利規劃設計總院，北京100011； 2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

在調查分析國內外水庫及下泄水溫調控措施分類、特點及其適應性的基礎上，結合大型水電工程高壩大庫、大流量、深取水的要求，介紹了大型水電工程水溫影響調控工程措施應用實踐及存在的問題，提出了今后分層取水建筑物、隔水幕墻設計研究建議。

水電工程；水溫影響；調控措施；分層取水；隔水幕墻

一些調節性能較好的高壩大庫往往出現水溫分層現象，水庫水溫分層及其引起的下游水溫、水質變化，對水庫下游魚類生長繁殖和供水水質帶來影響。水庫下泄水溫調控措施旨在通過采取分層取水等工程措施或生態調度等管理措施，減緩水庫下游水溫變化對水生生態和供水水質的影響。本文通過調查分析近年來大型水電工程分層取水設計應用實例及其存在的問題，提出分層取水設計研究建議，為水利水電工程環境影響評價及其對策措施制定和分層取水建筑物設計、運行提供借鑒。

1　水溫恢復與調控措施分類及適用范圍

20世紀六七十年代，美國、日本等針對水庫水溫分層及其對下游水生生態的影響，提出并采取了很多形式的分層取水建筑物或水溫調控措施。我國在20世紀七八十年代建設灌溉水庫時，也十分重視改善水庫下泄水溫的措施，設計并建設了許多分層取水設施[1-5]。近年來，隨著國內一些高壩大庫在大江大河上相繼開工建設或已經建成投產，部分調節性能好的高壩大庫，其下泄低溫水將對下游水質和水生生物帶來顯著影響，相關監管部門和建設單位對此非常重視，按照相關法規規定和要求，開展了大型分層取水設施設計和建設，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。

根據國內外實踐經驗，改善水溫的措施可分為以下5種方式：

(1)設置取水口分層取水。目前，水庫分層取水設施型式大致可分為4大類：多孔式、分節式、鉸鏈式和虹吸式。根據實踐應用情況來看，只有多孔式和分節式分層取水設施適用于大、中型工程，鉸鏈式和虹吸式等其他型式的分層取水設施只適用于小型工程。

(2)設置水溫控制幕。水溫控制幕是在取水口前布置一道隔水幕墻，通過對幕墻的調節，擋住不適宜溫度層的水，放流所需溫度層的水。水溫控制幕墻設計與安裝都較為簡單，工程費用和后期維護費用均較低，且不影響發電量，特別適用于已建工程的生態修復改建。目前，在國外以生態修復為目的的工程改建措施中，水溫控制幕使用較多，如美國加利福尼亞州Trinity流域與Sacramento流域的水利工程中就大量使用了這種結構。在日本，這種控制幕曾被安裝在水庫表層約水下5 m，用來有效阻止水庫表層藍藻的蔓延。

(3)破壞取水口附近溫躍層。這種措施在國外已有研究和實踐，其原理是在取水口前面的一定范圍內，通過動力攪動或向深層輸氣，促進水庫水體的上下對流，破壞水溫的分層結構，從而提高水庫底層水溫。這種方法僅限于小型工程，在美國、英國曾獲得采用，效果較好，目前仍在研究中。

(4)進行生態調度。這是近年來國內外實驗研究的主要管理措施，一是在水庫泄洪期間，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；二是在魚類繁殖的特殊時段，采用溢洪道、表孔等表層泄水建筑物向下游供水，與電站發電尾水混合，提高下游水溫。這種方式適用于不同規模的工程，但第二種方式將帶來較大的電量損失。

(5)延長渠道或設置曬水池。對于具有灌溉功能的水庫，從水庫中泄放的低溫水流入渠道一定流程后，水溫的高低與出庫水溫、流量、渠道長度、氣溫有很大關系。通過延長流程，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控工程措施

2.1大型水電工程水庫運行特點

(1)高壩大庫。大型水電工程往往對應高壩大庫，特別是一些龍頭水庫，水深達200多米，庫容巨大，調節性能好，對水溫影響大，有的水庫在夏季，庫表與庫底水溫相差十幾度，春夏季出庫水溫低于天然河流水溫，秋冬季出庫水溫則相反。

>>水庫下泄水溫調控，旨在通過采取分層取水等工程措施或生態調度等管理措施，減緩水庫下游水溫變化對水生生態和供水水質的影響。

(2)取水流量大。大型水電工程裝機容量大，單機額定引用流量大，例如三板溪、兩河口水電站單機引用流量分別為216 m3/s和245 m3/s，白鶴灘、烏東德水電站更高達548 m3/s和691 m3/s，大流量取水對取水建筑物型式、規模、布置和設計參數要求高。

(3)水位變幅大。多數大型水電工程水庫水位變幅大，特別是調節性能好的龍頭水庫，水位變幅大多在50 m以上，例如三板溪、光照水電站水庫水位變幅分別為50 m和60 m，兩河口水電站高達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控工程措施

針對大型水電站高壩大庫、取水流量大、水位變幅大的特點，取水建筑物規模大、結構復雜、運行要求高，同時要具備分層取水作用。從目前工程實踐來看，大型水電工程水溫調控工程措施主要有多孔式、分節式分層取水設施和水溫控制幕。

2.2.1多孔式分層取水措施

在取水范圍內設置標高不同的多個孔口，取水口中心高程根據水庫水溫分布特點和取水水溫的要求設定，不同高程的孔口通過豎井或斜井連通，每個孔口分別由閘門控制。運行時可根據需要，啟閉不同高程的閘門，達到分層取水的目的。對于引用流量較小、水庫水位變幅不大的工程，具有結構簡單、運行管理方便、安全可靠、操作簡單、工程造價較低的優點，但不能連續取得表層水。對于大型水電工程來說，由于取水流量大、水位變幅大，采用該型式的分層取水設施，將使取水建筑物結構復雜化，工程造價提高，而且還不能連續取得表層水。

2.2.2多節式分層取水措施

多節式分層取水設施由控制閘門和取水塔等結構物組成，閘門和取水塔結合形成流道，通過增減或伸縮閘門形成隨水位變化流道，從而保證連續取得表層水。為保持始終取得表層水，同時防止出現淹沒水深不夠而引起的閘門振動和過大的水頭損失，需要及時調整閘門高度，要求較高的運行管理水平。多節式表層取水設施有3種結構型式：即平面多節式、圓筒多節式和半圓筒多節式。圓筒多節式分層取水設施具有取水靈活、安全穩定、可用于已建工程改建等優點，但這種分層取水設施難以在大型水電工程中應用，即使中小型工程，也存在投資大，管理較為復雜的問題。

(1)平板多節式

平板多節式表層取水設施由過水豎井、隔水門組成。過水豎井位于輸水道的頭部，豎井頂部設啟閉塔，沿豎井兩側設置門槽，安置隔水門。取水時，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。其優點是制作工藝簡單、施工方便、檢修容易、造價相對較低。平板多節式分層取水設施根據閘門及運行方式的不同，分為浮式板型、多層水力自動翻板型、疊梁門型等。浮式板型、多層水力自動翻板型結構簡單、使用范圍廣，在中、小型水庫中均能適用，因此早期在國內受到普遍推廣；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不同水庫水位及水溫要求調節取水高度，運行靈活；缺點是大型深水水庫分層取水疊梁門眾多，有的甚至多達幾百節，此外，疊梁門水下抓取和提升對啟閉機運行要求很高，運行調度十分復雜。

(2)半圓筒式

半圓筒取水閘門由多節同心半圓形拱形門葉組成的套筒式結構、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，國內還沒有采用該型式分層取水的大型水電工程實例，美國餓馬水電站[8]的半圓筒式分層取水系統由已經建成并運行多年的水電工程改建而成，利用現有攔污柵墩，在進水口前緣安裝3個獨立的半圓形閘門，每扇閘門都可根據水庫水位自由升降，通過相互配合達到分層取水的目的。這種取水方式結構簡單，可用于已建工程分層取水進水口的改建，但對于大型水電工程來說，巨大的半圓形閘門制作工藝和安裝要求非常高，若不能達到較高的圓度要求，稍有變形，運行時容易發生卡阻，不能自由伸縮。當水頭較高而套筒無法收縮時，會出現水頭差過大、甚至空筒的情況，從而造成套筒失穩被破壞。

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，在電站進水口泄流的帶動下，表層溫度較高的水體快速翻越幕墻，流入電站進水口，實現下泄水體水溫的提升，如圖1所示。隔水幕墻位置的選擇應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，同時還面臨洪水泥沙的考驗，到目前為止還沒有具體成功的工程實踐，相關單位正在開發研究該方案在三板溪水電站的應用。

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

3　水電工程水溫調控措施存在問題及建議

到目前為止，國內外已建成運行有多種型式的分層取水設施，但是除近年建成的溪洛渡、錦屏一級水電站等是大型工程外，其他均為中小型工程，取水流量鮮有過百。因此，需要對已建成的疊梁門分層取水設施運行效果進行調查研究。無論采用哪種分層取水型式，取水工程的設計都必須以水庫水溫計算結果為基礎，并據此確定進水口位置。目前已有的水溫預測模型研究往往難以準確預測水溫分布，從而影響分層取水效果。

3.1加強水庫及下泄水溫觀測研究

以往，國內外對已建水庫水溫開展了一系列觀測研究，但由于影響水庫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、運行方式等，這些觀測研究不能完全反映我國西部地區水電站水庫的水溫變化規律，需要加強觀測研究。以既有水庫水溫監測和水文站長期水溫觀測資料為基礎，結合典型流域天然河流水溫變化和典型工程水庫水溫結構及其下游水溫變化分析，總結天然河流和水庫及其下游水溫變化規律和影響因素。結合取水口分布及運行調度方式，分析探討出庫水溫與水庫壩前水溫分布的關系，為水電工程環境影響評價、環境保護設計提供技術依據。

3.2開展疊梁門分層取水運行效果試驗

近幾年，國內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，有的還處于在建階段。應盡快開展大型水電工程分層取水及其措施效果調研，調查分層取水建筑物設計、試驗、建設、運行過程及其效果、存在問題，分析采取水溫影響減緩措施后，水庫及下游水溫變化情況，分析生態調度等非工程措施對下泄水溫的影響，探討各種水溫影響緩解措施的經濟性、適用性、有效性，提出針對大型深水水庫水溫影響緩解措施規劃設計和運行建議，為水庫水溫影響緩解措施的設計和實施提供技術支撐。

3.3加快隔水幕墻分層取水方案工程應用

從初步調查研究結果來看，隔水墻分層取水方案不僅適用于尚未建設的水庫工程，還可用于已建工程的改造項目，可提高電站下泄水溫2～5℃，效果顯著。但與此同時，還存在材料壽命、防泥沙淤積、抗洪水沖擊等問題。對于已建工程，實施過程中還存在水下安裝穩固墩以及穩固墩的定位難度極大、確保運行安全等問題。建議主要采取以下措施：

(1)根據力學物理模型試驗提供的基礎數據，進行隔水幕墻穩固墩、懸掛系統和幕墻自身的強度驗算和穩定性分析，優化幕墻整體結構形式；

(2)探究穩固墩錨固形式和定位技術，從而保證穩固墩安裝定位準確，并且在運行過程中安全牢固；

(3)在保證隔水幕墻整體結構穩定的前提下，探究隔水幕墻分幅安裝、分幅運行的方法，實現幕墻分塊操作、協同工作的理念，達到安裝方便、局部破壞局部置換的效果。

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[5]薛聯芳. 基于下泄水溫控制考慮的水庫分層取水建筑物設計[J]. 中國水利, 2007(6): 45-47.

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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

薛聯芳(1964—)，男，福建上杭人，教授級高級工程師，碩士，主要研究方向為水電環境保護，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.002

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)03-0005-04