高壩庫內管道表層取水系統的設計研究*

(1.保山學院信息學院,云南 保山 678000；2.云南省施甸縣水務局,云南 保山 678200；3.云南省施甸縣應急管理局，云南 保山 678200)

水利工程建成蓄水后，隨著蓄水水位的上升，水庫上游將會形成較大的蓄水面積。受淹沒區地表、氣象等條件的影響，汛期入庫洪水徑流攜帶氨氮、地表雜質等有機物進入庫內,導致水庫內水質渾濁度大、水溫呈現垂向分層現象：表層水體溫度高于深層水體溫度,死水位以下水溫最低[1]。同時，通過輸水建筑物閘門泄水的水溫與原自然河道的水溫明顯偏低。通常，每年的3—10月下泄水溫低于自然河道水溫，每年的11月—次年2月下泄水溫高于自然河道水溫。根據庫內水溫、濁度的垂向分層規律,庫內水體溫度隨著庫水位的加深而降低,當達到一定的庫水位時,水溫常年不變,且濁度隨庫水位的加深而加大[2]。對于承擔城市或農村人畜供水任務的水庫來說,深層水位供水在居民飲水的過程中會有輕微的土霉味[3]。針對表層取水和深層取水的影響,國內外開展了部分研究，通過取水工程措施和非工程措施進行調節或減少水庫水體溫度變化,降低水庫下泄水溫對自然環境和生態的影響，從而解決城市或農村人畜供水異味[4]。而水庫分層取水利用了水庫表層水溫高于深層水溫的特征,通過工程措施從水庫內取得所需水溫,以達到合理開發利用水資源并改善水質的目的。本文對紅谷田水庫高壩管道表層取水系統進行了設計和研究。

1 工程概況

紅谷田水庫屬怒江流域,壩址位于施甸河一級支流官市河中游,壩址高程1593.8m,水庫壩高85.7m,總庫容1190.3萬m3。水庫規模為中型,工程等級為Ⅲ等。水庫主要功能為解決農村人畜飲水供水和農業灌溉用水,供水人口4.79萬、牲畜6.46萬頭,灌溉面積2.68萬畝。水庫樞紐工程由攔河大壩、輸水隧洞、溢洪道組成。輸水隧洞全長751.1m,輸水流量3.0m3/s，泄流量50.6m3/s。農村人畜供水量為0.065m3/s，生態流量0.077m3/s。初步設計在輸水隧洞內布置DN300、壁厚δ=8mm的Q235無縫鋼管作為農村人畜供水及生態用水供水管,供水管進口位于輸水隧洞進口底板處(高程1628.04m)。閘門控制段緊靠洞壁外側埋置于鋼筋混凝土內，其余沿輸水隧洞內側平行于軸線布置,在輸水隧洞出口與下游供水管連接。因受投資及高壩表層取水缺乏可供借鑒經驗的限制,初步設計在隧洞進口底板處采用了深層取水方案。目前，施甸縣1座中型水庫、5座小(1)型水庫、15座小(2)型水庫農村人畜供水均采取了隧洞內埋設供水管,取庫內表層水供水。在多年的運行中，發現表層水質要優于深層水質。但現有的水庫壩高均未超過30.0m，而紅谷田水庫壩高85.7m,對于如何解決高壩庫內表層取水的問題，國內可供借鑒的經驗不多。為解決紅谷田水庫高壩庫內表層取水的問題，紅田水庫管理局成立了“紅谷田水庫庫內管道取水技術應用與研究課題組”，成員由紅谷田水庫管理局、云南省水利水電勘測設計研究院、保山學院、自貢九天水利機械有限公司、河北鑫能重工機械有限公司、施甸縣自來水公司、云南滇池水務集團施甸第二自來水廠、施甸灌區管理所等單位的工程技術專家組成，通過歷時近半年的時間完成了水庫庫內管道表層取水系統的設計。

2 庫內分層或表層取水類型

通過查閱國內外相關文獻,按取水建筑物分類,分層或表層取水主要有豎井式、斜涵臥管貼坡式、虹吸式、懸臂浮子式、伸縮套筒式五類[5]。

a.豎井式分級取水。使用進水塔或閘門井,沿垂直方向在不同高程分別布置閘門, 通過啟閉機啟閉閘門控制流量,閘門的型式分為平板閘門、疊梁門、碟閥,啟閉設備采用卷揚機、螺桿啟閉機等。該方式的缺點是垂直分級數量少,跑漏水隱患多，投資大；優點是取水量大,可靠性及穩定性較好,并可實現遠程自動控制。

b.斜涵臥管貼坡式分級取水。即在水庫大壩上游壩面或岸坡修建管涵或鋪設管道,底部與輸水隧洞或洞內供水管連接,在水庫蓄水位以下,垂向不同高程分級布置進水孔。運行中,先開啟靠水庫表面一級進水閘門, 隨著庫內蓄水位的下降,逐級向下開啟閘門,利用垂向各級孔口高差,實現取用表層水的目的。該方式的缺點是閘門布置數量較多,取水量受管徑所限；優點是可靠性、操作性、穩定性好,投資少。

c.虹吸式表層取水。在水庫大壩上設置虹吸管，利用虹吸作用取用庫內表層水。該方式的缺點是頻繁調整虹吸管進水管口操作不便,伸縮及預埋裝置維護困難；優點是布置方便,投資小。

d.懸臂浮子式分層取水。采用鋼管或柔性軟管將放水水管與浮子相連，浮子取水口隨水位變化而升降，始終浮沉于庫水表面之下,以滿流狀態工作。缺點是鋼管結構較復雜,工藝過程要求高，若采用柔性軟管則使用壽命短，更換頻繁，可靠性、穩定性差；該方式的優點是能夠獲取表層庫水,水溫較高。

e.伸縮套筒式取水。伸縮套筒類似收音機上的伸縮天線，由鋼管做成,其頂部與浮箱相連，隨庫水位變化伸縮。缺點是為防風浪沖擊,套筒四周建有鋼架或塔井以固定其位置，由于伸縮套筒相互連接,拉伸長，從上至下須設多個檢修臺架，檢修極不方便；優點是布置方便,投資小。

3 表層取水的運行情況分析

1995年施甸縣首次在蔣家寨水庫推廣了供水管道表層取水技術,取用水庫表層水,2010年進行了技術改造。目前全縣1座中型水庫、5座小(1)型水庫、15座小(2)型水庫農村人畜供水均采取了庫內表層水供水。

魚洞水庫壩高32.9m，總庫容1278萬m3，水庫規模為中型,工程等別為Ⅲ等,2006年建成運行。正常蓄水位至死水位變幅15.3m,水庫最大變幅17.4m。在輸水隧洞內布置供水管，采用懸臂浮子式表層取水,一端采用柔性PE軟管與無縫鋼管連接、懸臂固定于岸坡,另一端采用柔性PE軟管與方形浮箱連接浮于水庫表面。

蔣家寨水庫壩高32.5m，總庫容807 萬m3, 水庫規模為小(1)型,工程等別為Ⅳ等。正常蓄水位至死水位變幅19.5m,水庫最大變幅20.0m。在輸水隧洞內布置供水管,采用懸臂浮子式表層取水,一端采用柔性PE軟管與無縫鋼管連接,另一端采用柔性PE軟管與方形浮箱連接浮于水庫表面, 1995年建成投入使用。1995—2010年先后更換柔性PE軟管4次, 柔性PE軟管運行中因內外水壓力變化較大,變形嚴重,不能保障供水量。2010年進行了技術改造,為降低內外水壓力,在輸水涵洞出口新建減壓池。在2011～2018年的6年運行中,更換柔性PE軟管2次。

全縣其他的小(1)型、小(2)型水庫農村人畜供水均采取了隧洞或涵洞內埋設供水管,取庫內表層水供水，采用懸臂浮子式分層取水的方式。運行中主要存在以下問題：

a.為防止雜物進入供水管,柔性PE軟管進水口設置攔污網,在汛期時常發生農作物秸稈、樹根、雜草等雜物堵塞供水管進口的情況，嚴重影響了供水。

b.柔性PE軟管因內外水壓變化較大,易發生變形,影響正常供水。

c.在運行管理的過程中,檢修、維護困難。因浮箱離岸邊60～100m，須停止供水方可進行檢修、維護。同時水庫中的浮箱浮動,檢修、維護存在安全隱患。

4 分層取水系統設計

紅谷田水庫校核洪水位1679.00m，設計洪水位1677.50m，正常蓄水位1676.50m，死水位1631.34m，正常蓄水位至死水位變幅45.16m,水庫最大變幅47.7m。水庫年供水量1505.9萬m3，其中農村人畜供水量204.9萬m3，下游河道生態放水量為244萬m3，農業灌溉供水量1301.0萬m3,損失水量94.3萬m3。為取得濁度低、水質好的表層水,須采用多級分層取水的方式,即隨著庫水位的升降,開啟某一級閘門,實現表層取水。

結合紅谷田水庫壩高85.7m、水位變幅47.7m的實際,分層取水系統的設計原則如下：?最大限度地取表層水；?運行管理方便；?結合閘門的制作、運輸、安裝及運行操作；?結構布置合理,技術先進,節省投資。基于以上原則，課題組提出了3個方案。

4.1 拍門

根據水庫的具體情況，供水管道按照每2.0m高差設置一道拍門，在拍門前端設置拉桿，每個拍門沿管道上端設置滾筒和操作輪，然后用不銹鋼鋼絲連接拍門前的拉杠，通過拉桿來操作拍門的關閉。本方案投資小，操作的穩定性高，但須要水庫管理人員根據庫水位來控制，管理操作不便。拍門式分層取水的布置如圖1所示。

圖1 拍門式分層取水布置示意圖

4.2 不銹鋼插閥

根據水庫的具體情況，在主管道(直徑325mm、壁厚8mm)按照每2.0m高差設置一個300mm的接管及閘閥，閘閥的本體采用球墨鑄鐵，閥板以及閥桿采用不銹鋼，閥桿根據現場需要采用特殊的加長型，閥桿長度為2～3m。本方案操作的穩定性高，但須布置操作平臺、運行管理通道，且需要管理人員根據水位來控制。不銹鋼插閥式分層取水布置如圖2所示。

圖2 不銹鋼插閥式分層取水布置示意圖

4.3 自動浮球式

本方案在主管道上按需要的高程差設置自動浮球，并根據預設的水位自動開啟閥門。可按照每(高程差)2.0m設置控制閥門。該方案可實現無人員或少人員值守，節能環保。期間，利用水位差實現自動控制。當水位降低時，浮球的開關將自動斷開，管道正常通水。當到達設定水位后，開關自動閉合，管道口自動關閉停止供水。該方案須開展水力模型試驗，以論證該方案的可行性和穩定性。自動浮球式分層取水布置如圖3所示。

圖3 自動浮球式分層取水布置示意圖(單位：mm)

水利工程的建設重在管理，管理的核心在于提升信息化管理水平。因此，在后期運行的過程中，針對本方案采集的相關歷史數據，可使用計算機管理系統進行維護管理。推薦方案如下：

前臺編程環境：Microsoft Visual Studio 2016，后臺數據庫:Microsoft SQL SERVER 2012，核心語言采用C sharp。控制與監測部分可由I/O端口、PLC和上位機構成。上位機通過工業以太網與下位機進行通信，期間由PLC通過尋址將所采集的數據(庫水位、水溫等)讀入上位機界面，并存儲至后臺數據庫中。

如圖4所示，管理系統的功能可分為數據導入與導出、數據查詢與統計、用戶與權限管理、系統管理。其中，用戶與權限管理模塊可分別調整不同級別的用戶角色，使其具有不同的管理權限。系統參與的用戶角色包括值班人員、管理局人員、管理局負責人、局領導等。數據查詢與統計模塊既可根據輸入的相關字段查詢到對應的結果，也可按需要生成統計圖表。數據導入與導出模塊可將相關的Excel表格數據導入至數據庫中，也可將查詢到的結果導出為Excel格式的文件。同時，還可以將其打印成日報表或月報表。

圖4 信息化管理系統

5 結 語

紅谷田水庫庫內表層取水系統的設計借鑒了國內外先進技術和經驗。經綜合比選，推薦采用斜涵臥管貼坡式分級取水，垂向分級高差不超過2.0m,分22級取水。閘門推薦選用不銹鋼插閥。該表層取水系統的優勢如下：?可以解決高水位管道分層取水的技術難題，為高壩高水位管道分層取水提供借鑒；?投資少、操作性和穩定性高；?既改善了農村人畜飲水的供水水質，也減小了上下游河道的水溫差，而且還降低了因供水對生態環境帶來的不利影響；?有效提高了水庫后期運行的信息化管理水平。