山區(qū)水庫分層取水設(shè)計探討

任慶鈺，孔德凌，姜運鋮

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

嘎醉河水庫位于貴州省,建設(shè)的主要任務為城市供水,總庫容1961 萬m3,屬Ⅲ等工程。壩址正常蓄水位740.0 m,相應庫容1961 萬m3,面板堆石壩方案校核洪水位為742.74 m（P=0.1%）,總庫容為1961 萬m3。取水隧洞設(shè)計引用流量0.68 m3/s。

2 分層取水口設(shè)計的必要性

2.1 分層取水口的必要性

由于未設(shè)置分層取水設(shè)施,供水管內(nèi)水質(zhì)奇臭難聞,偏酸,直接影響供水質(zhì)量,水處理后水質(zhì)仍未達標,現(xiàn)采取倒虹管方式的措施取表層水供水。水庫蓄水后,淹沒的植物腐爛將釋放出有機物質(zhì),淹沒的土地浸泡而使化肥和農(nóng)藥流失,增加水庫N、P等營養(yǎng)物質(zhì),特別是水庫蓄水初期,對水庫水質(zhì)可能產(chǎn)生一定的影響[1]。水庫水溫雖對魚類和農(nóng)作物影響較小,但考慮到較高的水溫對下游魚類及灌溉農(nóng)作物更有利。

2.2 分層取水口方案擬定

分層取水進水口設(shè)計原則如下：①分層取水口的選型應與施工現(xiàn)場開挖形象面貌相適應；②分層取水口應使水力條件良好,流態(tài)平順,水頭損失小；③分層取水口應采用合理的結(jié)構(gòu)形式,改善受力條件,確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全,降低施工難度,節(jié)省工程投資；④分層取水設(shè)計應控制靈活,運行方便,并具備良好的檢修條件。

3 分層取水口設(shè)計

3.1 取水水溫分析計算

3.1.1 水庫水溫結(jié)構(gòu)判斷

水溫結(jié)構(gòu)類型的判定,采用國內(nèi)外通用的 指標判別法[2]。

=多年平均年徑流量（m3）/總庫容（m3）。判別標準為：當 ＜10,水庫為穩(wěn)定分層型；當10≤ ≤0,水庫為過渡型；當 ＞20,水庫為混合型。

經(jīng)計算,嘎醉河水庫總庫容為1961 萬m3,多年平均徑流量為3620 萬m3。據(jù)此,采用 判別法可知： =1.8＜10,屬分層型水溫結(jié)構(gòu)。由于 ＜10,采用β值判斷不同頻率洪水對水庫水溫結(jié)構(gòu)的臨時影響。

β=一次洪水總量/水庫總庫容。判別標準為：當β＜0.5時,洪水對水溫無影響；當β＞1時,洪水對水溫有影響；當0.5＜β＜1時,洪水對水溫影響介于上述兩者之間。

由表1可知,當洪水頻率≥20%時,β＜0.5,洪水對水溫無影響；當1%≤洪水頻率＜20%時,0.5＜β＜1,水溫結(jié)構(gòu)從分層型變?yōu)榕R時過渡型；當洪水頻率＜1%時,β＞1,洪水對水溫有影響,水溫結(jié)構(gòu)從分層型變?yōu)榕R時混合型。

表1 β 值計算成果表

3.1.2 垂向水溫分布

（1）庫表和庫底月平均水溫計算

庫表水溫計算采用《水利水電工程水文計算規(guī)范》（SL 278—2002）中的緯度與水溫相關(guān)法。庫表月平均水溫T0的計算公式為：

式中：N為北緯緯度；T0′、K值見表2。

表2 水庫表面月平均水溫計算公式中的T0′、K值

該式適用于北緯23°～35°地區(qū),擬建的嘎醉河水庫位于北緯26.5°,可以用該式進行計算。

經(jīng)計算,嘎醉河水庫建成后表面月平均水溫見表3。

表3 嘎醉河水庫建成后表面月平均水溫T0

由全年各月的平均水溫,計算得出年平均水溫為21.6℃。

庫底水溫受緯度、水深、水下建筑物、泥沙淤積、庫底溫度等影響,而以前兩項影響最大。擬建的嘎醉河水庫位于北緯26.5°,經(jīng)查《水利水電工程水文計算規(guī)范》中庫底年平均水溫沿緯度分布圖,嘎醉河水庫建成后庫底年平均水溫為11.7℃。對于穩(wěn)定分層型水庫,各月庫底水溫與其年值差別甚小,可用年值代替。

（2）壩前垂向水溫計算

嘎醉河水庫正常蓄水位740 m,河床高程672 m,經(jīng)計算壩前水深68 m。不同水深處水溫可能存在差異,采用東勘院公式預測壩前各月垂向水溫：

式中：T表為庫表月均水溫,單位：℃；T底為庫底月均水溫,單位：℃；m為月份；y為壩前水深,單位：m。預測結(jié)果見表4。

表4 嘎醉河水庫垂向水溫預測結(jié)果一覽表 單位：℃

根據(jù)貴州山區(qū)的實際情況,一般認為12℃≤水溫≤35℃即可用于農(nóng)田灌溉[3]。考慮水溫更高的水溫有利促進農(nóng)作物生長,滿足水溫要求的取水深度約為15 m。

3.2 取水口層數(shù)選擇

根據(jù)水溫、水質(zhì)分析計算成果,取水口分層高度不宜大于15 m,確定嘎醉河水庫取水口共分成4 層,4 層的底板高程分別為723.75 m、712.50 m、701.25 m、690.00 m,相應的運行水位及取水深度見表5。

表5 嘎醉河水庫分層取水口運行水位表

3.3 多層取水口布置形式選擇

本工程取水口分成四層取水,四層取水口布置成如下：四層取水口順水流向布置成一排,取水口橫向?qū)挾茸钚⌒枰s6.4 m,順水流向最小長度約17.5 m。而且只需要一套攔污柵和清污設(shè)備,四扇閘門和攔污柵的啟閉設(shè)備可以共用,工程投資較省,運行方便[4]。

4 結(jié)果分析

本文針對嘎醉河水庫工程,提出四層分層取水設(shè)計,可供類似工程設(shè)計參考。分層取水效果如下：①取水口采用分層取水措施,能有效控制供水水質(zhì)。②水庫蓄水后,特別是水庫蓄水初期,淹沒的植物腐爛和土地浸泡對水庫水質(zhì)可能產(chǎn)生一定的影響,采取分層取水措施后,可提高水庫水質(zhì)保證率。③采取分層取水措施后可提高供水水溫,較高的水溫對下游魚類及灌溉農(nóng)作物更有利。