分層取水：以獲取更優質原水水質為目標的水庫取水創新方式

Hiroshi Yajima.分層取水:以獲取更優質原水水質為目標的水庫取水創新方式[J].凈水技術，2018,37(3): 1-3,9.

Hiroshi Yajima. SWS: An innovation way to intake raw water of better quality from a reservoir[J].Water Purification Technology,2018,37(3): 1-3,9.

Hiroshi Yajima (島根大學河口研究中心),1996年于京都大學環境工程系獲得博士學位，后在鳥取大學市政工程系從事學術研究工作20年。目前是島根大學河口研究中心的副院長。研究團隊主要關注河口環境以及影響河口的濕地和水體等。

持久性高濁度、水溫問題以及水體富營養化是日本水庫水質面臨的主要挑戰。分層取水系統(selective withdrawal system,SWS)是一種廣泛應用于水庫水質控制的管理技術，通過在堤壩底部安設沖刷閥，將水質較差的原水沖走。SWS技術最早于20世紀初開始應用[1]，至20世紀70年代，日本大部分水壩均已采用該技術[2]。

2000年，日本水資源環境中心對SWS技術在日本的運行情況進行了一項小范圍的調查。在調查的21座水壩中，采用連續表面取水(水下3 m取水)以避免冷水排放的水壩有16座，采用底部取水的有1座，根據季節或者水情靈活調整取水位置的有4座[3]。與之相對應的是在1970年，美國一項大規模調查也考察了SWS技術在美國100多座水壩中的運行狀況[4]，并在2003年通過補充問卷的形式對40座水壩進行數據更新和內容擴增[5]。調查結果顯示，32座水壩采用SWS技術主要需要解決水溫問題，17座需要解決溶解氧問題，5座需要解決濁度問題；其中溶解氧問題在日本并不突出。此外，有8座水壩會同時運行兩座以上的閘閥，通過混合不同水質的進水以滿足達標要求。考慮到SWS技術在美國已有較長的應用歷史，日本的水壩管理者在運行方面還有很大的提升空間。

多層取水塔(multi-level intake tower)是SWS技術的一種形式，有直線、半圓和圓形三種形態，通常應用于取水量較大的情況。垂直層疊虹吸架式分層取水系統是一種特殊的多級取水塔，其通過在倒U型的虹吸管閘頂部充入或釋放空氣而實現閘閥功能(圖1)，因此無需再裝設重鋼閘閥或絞車系統，具有建設成本低的優點，近年來在日本得到廣泛應用。2011年日本的Shizumi水壩最先開始采用該技術，共設有13座虹吸閘閥；2012年日本鳥取縣東部的Tono水壩也采用了這一技術(圖2)，共設有17座虹吸閘閥。

層疊虹吸式分層取水塔之所以能在日本得到廣泛應用，一個重要優勢是它的任意閘閥都可以同時開啟，比如需要排放20 ℃的水，控制人員可以在20 ℃的水層開啟一個閘閥，或同時在30 ℃和10 ℃的水層開啟兩個閘閥，甚至可以同時開啟三個以上的閘閥排水。這種多閘閥排水的運行方式可使躍溫層趨于更深層，從而確保溫水層的水量，特別是在旱季水位下降的情況下可以避免冷水的排放[6]，在洪水發生后可以盡量排放而避免排放渾水，從而有效解決了水溫問題和濁度問題。與此同時，該運行模式改變了水庫的水溫層結構，從而對藍藻暴發等水庫生物的生態行為具有一定的控制作用。雖然另外安置揚水系統(bubbler system)也能較方便地改善水華問題，但成本較高；而該分層取水塔僅需改變運行狀態就可應對水庫水質問題，且不會產生任何額外成本。此外，對于具備多功能的水利樞紐工程(multi-purpose dam)，SWS的最優化運行更有助于實現多項目標[7]。需要指出的是，相對于進水，SWS的排水水量需要足夠大才能達到預期目標，否則改變系統的運行狀態不會對水庫水質產生影響。

當我和水壩工程管理人員討論SWS的運行情況時，我建議他們不要盲目照搬以往傳統的運行模式，要積極探索新的模式，實現水庫更好的運行。工程管理人員通常會迫于股東們的壓力而在水壩運行工作中趨于保守，不愿嘗試；研究學者的參與能夠助力新運行模式的建立，換而言之，當運行過程中發生意外時，研究人員可以幫助工程管理人員分擔一部分運行責任，給工程管理人員以足夠的退路。目前由于變化的氣候以及有限的預算，SWS面對的需求越來越復雜，日常運行也正變得越來越困難；只有工程人員和研究人員共同攜手，才能將更好的環境留給我們的下一代。

[1]Imberger J. Selective withdrawal:A review[C]. Norway:2nd International Symposium on Stratified Flows,IAHR,1980.

[2]Hideaki Kawasaki.Trends and issues of dam technique[J].The Dam Digest,2003(700):21-33.(in Japanese)

[3]Yoshida N,Nakamura T.About the application effects of selective water withdrawal equipment[R].Annual Report of Water Resources Environment Technology Center,2002:30-37.(in Japanese with English abstract)

[4]Nece R.Register of selective withdrawal works in United States[J].Journal of the Hydraulics Division,1970,96(9):1841-1872.

[5]Vermeyen T B,DeMoyer C,Delzer W,etal.A survey of selective withdrawal systems[R].Denver,Colorado:Bureau of Reclamation,Technical Service Center,2003.

[6]Yajima H,Kikkawa S,Ishiguro J.Effect of selective withdrawal system operation on the long-and short-term water conservation in a reservoir[J].Proceedings of Hydraulic Engineering,2006(50):1375-1380.(in Japanese with English abstract)

[7]Castelletti A,Yajima H,Giuliani M,etal.Planning the optimal operation of a multioutlet water reservoir with water quality and quantity targets[J].Journal of Water Resources Planning and Management,2013,140(4):496-510.