减缓水电工程水温影响的调控措施与建议

薛联芳，顾洪宾，冯云海

(1.水电水利规划设计总院，北京　100011； 2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙　410014)



减缓水电工程水温影响的调控措施与建议

薛联芳1，顾洪宾1，冯云海2

(1.水电水利规划设计总院，北京100011； 2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

在调查分析国内外水库及下泄水温调控措施分类、特点及其适应性的基础上，结合大型水电工程高坝大库、大流量、深取水的要求，介绍了大型水电工程水温影响调控工程措施应用实践及存在的问题，提出了今后分层取水建筑物、隔水幕墙设计研究建议。

水电工程；水温影响；调控措施；分层取水；隔水幕墙

一些调节性能较好的高坝大库往往出现水温分层现象，水库水温分层及其引起的下游水温、水质变化，对水库下游鱼类生长繁殖和供水水质带来影响。水库下泄水温调控措施旨在通过采取分层取水等工程措施或生态调度等管理措施，减缓水库下游水温变化对水生生态和供水水质的影响。本文通过调查分析近年来大型水电工程分层取水设计应用实例及其存在的问题，提出分层取水设计研究建议，为水利水电工程环境影响评价及其对策措施制定和分层取水建筑物设计、运行提供借鉴。

1　水温恢复与调控措施分类及适用范围

20世纪六七十年代，美国、日本等针对水库水温分层及其对下游水生生态的影响，提出并采取了很多形式的分层取水建筑物或水温调控措施。我国在20世纪七八十年代建设灌溉水库时，也十分重视改善水库下泄水温的措施，设计并建设了许多分层取水设施[1-5]。近年来，随着国内一些高坝大库在大江大河上相继开工建设或已经建成投产，部分调节性能好的高坝大库，其下泄低温水将对下游水质和水生生物带来显著影响，相关监管部门和建设单位对此非常重视，按照相关法规规定和要求，开展了大型分层取水设施设计和建设，例如已建成的光照、滩坑、糯扎渡、溪洛渡等水电站分层取水建筑物，正在建设的白鹤滩、双江口、两河口等大型水电站分层取水建筑物，要求采取有效措施提高下泄水温。

根据国内外实践经验，改善水温的措施可分为以下5种方式：

(1)设置取水口分层取水。目前，水库分层取水设施型式大致可分为4大类：多孔式、分节式、铰链式和虹吸式。根据实践应用情况来看，只有多孔式和分节式分层取水设施适用于大、中型工程，铰链式和虹吸式等其他型式的分层取水设施只适用于小型工程。

(2)设置水温控制幕。水温控制幕是在取水口前布置一道隔水幕墙，通过对幕墙的调节，挡住不适宜温度层的水，放流所需温度层的水。水温控制幕墙设计与安装都较为简单，工程费用和后期维护费用均较低，且不影响发电量，特别适用于已建工程的生态修复改建。目前，在国外以生态修复为目的的工程改建措施中，水温控制幕使用较多，如美国加利福尼亚州Trinity流域与Sacramento流域的水利工程中就大量使用了这种结构。在日本，这种控制幕曾被安装在水库表层约水下5 m，用来有效阻止水库表层蓝藻的蔓延。

(3)破坏取水口附近温跃层。这种措施在国外已有研究和实践，其原理是在取水口前面的一定范围内，通过动力搅动或向深层输气，促进水库水体的上下对流，破坏水温的分层结构，从而提高水库底层水温。这种方法仅限于小型工程，在美国、英国曾获得采用，效果较好，目前仍在研究中。

(4)进行生态调度。这是近年来国内外实验研究的主要管理措施，一是在水库泄洪期间，尽量采用溢洪道、表孔等表层泄水建筑物泄洪，以提高下泄水温；二是在鱼类繁殖的特殊时段，采用溢洪道、表孔等表层泄水建筑物向下游供水，与电站发电尾水混合，提高下游水温。这种方式适用于不同规模的工程，但第二种方式将带来较大的电量损失。

(5)延长渠道或设置晒水池。对于具有灌溉功能的水库，从水库中泄放的低温水流入渠道一定流程后，水温的高低与出库水温、流量、渠道长度、气温有很大关系。通过延长流程，可充分接受日晒，提高灌溉用水水温。[6]

2　大型水电工程水温影响调控工程措施

2.1大型水电工程水库运行特点

(1)高坝大库。大型水电工程往往对应高坝大库，特别是一些龙头水库，水深达200多米，库容巨大，调节性能好，对水温影响大，有的水库在夏季，库表与库底水温相差十几度，春夏季出库水温低于天然河流水温，秋冬季出库水温则相反。

>>水库下泄水温调控，旨在通过采取分层取水等工程措施或生态调度等管理措施，减缓水库下游水温变化对水生生态和供水水质的影响。

(2)取水流量大。大型水电工程装机容量大，单机额定引用流量大，例如三板溪、两河口水电站单机引用流量分别为216 m3/s和245 m3/s，白鹤滩、乌东德水电站更高达548 m3/s和691 m3/s，大流量取水对取水建筑物型式、规模、布置和设计参数要求高。

(3)水位变幅大。多数大型水电工程水库水位变幅大，特别是调节性能好的龙头水库，水位变幅大多在50 m以上，例如三板溪、光照水电站水库水位变幅分别为50 m和60 m，两河口水电站高达80 m，巨大的水位变幅要求超高超大型的取水建筑物。

2.2大型水电工程水温调控工程措施

针对大型水电站高坝大库、取水流量大、水位变幅大的特点，取水建筑物规模大、结构复杂、运行要求高，同时要具备分层取水作用。从目前工程实践来看，大型水电工程水温调控工程措施主要有多孔式、分节式分层取水设施和水温控制幕。

2.2.1多孔式分层取水措施

在取水范围内设置标高不同的多个孔口，取水口中心高程根据水库水温分布特点和取水水温的要求设定，不同高程的孔口通过竖井或斜井连通，每个孔口分别由闸门控制。运行时可根据需要，启闭不同高程的闸门，达到分层取水的目的。对于引用流量较小、水库水位变幅不大的工程，具有结构简单、运行管理方便、安全可靠、操作简单、工程造价较低的优点，但不能连续取得表层水。对于大型水电工程来说，由于取水流量大、水位变幅大，采用该型式的分层取水设施，将使取水建筑物结构复杂化，工程造价提高，而且还不能连续取得表层水。

2.2.2多节式分层取水措施

多节式分层取水设施由控制闸门和取水塔等结构物组成，闸门和取水塔结合形成流道，通过增减或伸缩闸门形成随水位变化流道，从而保证连续取得表层水。为保持始终取得表层水，同时防止出现淹没水深不够而引起的闸门振动和过大的水头损失，需要及时调整闸门高度，要求较高的运行管理水平。多节式表层取水设施有3种结构型式：即平面多节式、圆筒多节式和半圆筒多节式。圆筒多节式分层取水设施具有取水灵活、安全稳定、可用于已建工程改建等优点，但这种分层取水设施难以在大型水电工程中应用，即使中小型工程，也存在投资大，管理较为复杂的问题。

(1)平板多节式

平板多节式表层取水设施由过水竖井、隔水门组成。过水竖井位于输水道的头部，竖井顶部设启闭塔，沿竖井两侧设置门槽，安置隔水门。取水时，随着水位下降，相继提升隔水门，隔水门仅起隔水作用，流量由输水道出口工作闸门控制。其优点是制作工艺简单、施工方便、检修容易、造价相对较低。平板多节式分层取水设施根据闸门及运行方式的不同，分为浮式板型、多层水力自动翻板型、叠梁门型等。浮式板型、多层水力自动翻板型结构简单、使用范围广，在中、小型水库中均能适用，因此早期在国内受到普遍推广；叠梁门型可适用于大、中、小型工程，近年在光照、滩坑、溪洛渡水电站等大型水电工程中均有采用[7]。叠梁门分层取水可以根据不同水库水位及水温要求调节取水高度，运行灵活；缺点是大型深水水库分层取水叠梁门众多，有的甚至多达几百节，此外，叠梁门水下抓取和提升对启闭机运行要求很高，运行调度十分复杂。

(2)半圆筒式

半圆筒取水闸门由多节同心半圆形拱形门叶组成的套筒式结构、半圆形钢筒套叠在一起，从上至下由小到大排列，随着水位的升降而伸缩，以取到表层水。目前，国内还没有采用该型式分层取水的大型水电工程实例，美国饿马水电站[8]的半圆筒式分层取水系统由已经建成并运行多年的水电工程改建而成，利用现有拦污栅墩，在进水口前缘安装3个独立的半圆形闸门，每扇闸门都可根据水库水位自由升降，通过相互配合达到分层取水的目的。这种取水方式结构简单，可用于已建工程分层取水进水口的改建，但对于大型水电工程来说，巨大的半圆形闸门制作工艺和安装要求非常高，若不能达到较高的圆度要求，稍有变形，运行时容易发生卡阻，不能自由伸缩。当水头较高而套筒无法收缩时，会出现水头差过大、甚至空筒的情况，从而造成套筒失稳被破坏。

2.2.3隔水幕墙

隔水幕墙的原理与水温控制幕相同，隔水幕墙可以脱离大坝，在坝前一定距离水面以下布置，以隔水幕墙方式阻断温跃层和底部恒温层的水体流向坝前，将低温水阻挡在隔水幕墙前一定位置。同时，在电站进水口泄流的带动下，表层温度较高的水体快速翻越幕墙，流入电站进水口，实现下泄水体水温的提升，如图1所示。隔水幕墙位置的选择应主要考虑提高水温的效果，不影响通航，便于施工。由于大型水电工程坝前断面巨大，同时还面临洪水泥沙的考验，到目前为止还没有具体成功的工程实践，相关单位正在开发研究该方案在三板溪水电站的应用。

图1　隔水幕墙整体形式Fig.1　Integral form of impermeable curtain wall

3　水电工程水温调控措施存在问题及建议

到目前为止，国内外已建成运行有多种型式的分层取水设施，但是除近年建成的溪洛渡、锦屏一级水电站等是大型工程外，其他均为中小型工程，取水流量鲜有过百。因此，需要对已建成的叠梁门分层取水设施运行效果进行调查研究。无论采用哪种分层取水型式，取水工程的设计都必须以水库水温计算结果为基础，并据此确定进水口位置。目前已有的水温预测模型研究往往难以准确预测水温分布，从而影响分层取水效果。

3.1加强水库及下泄水温观测研究

以往，国内外对已建水库水温开展了一系列观测研究，但由于影响水库及下游水温分布的因素较多，特别是地理位置、气候条件、工程特性、运行方式等，这些观测研究不能完全反映我国西部地区水电站水库的水温变化规律，需要加强观测研究。以既有水库水温监测和水文站长期水温观测资料为基础，结合典型流域天然河流水温变化和典型工程水库水温结构及其下游水温变化分析，总结天然河流和水库及其下游水温变化规律和影响因素。结合取水口分布及运行调度方式，分析探讨出库水温与水库坝前水温分布的关系，为水电工程环境影响评价、环境保护设计提供技术依据。

3.2开展叠梁门分层取水运行效果试验

近几年，国内大型水电工程分层取水基本采用叠梁门方案，有的已建成投产，有的还处于在建阶段。应尽快开展大型水电工程分层取水及其措施效果调研，调查分层取水建筑物设计、试验、建设、运行过程及其效果、存在问题，分析采取水温影响减缓措施后，水库及下游水温变化情况，分析生态调度等非工程措施对下泄水温的影响，探讨各种水温影响缓解措施的经济性、适用性、有效性，提出针对大型深水水库水温影响缓解措施规划设计和运行建议，为水库水温影响缓解措施的设计和实施提供技术支撑。

3.3加快隔水幕墙分层取水方案工程应用

从初步调查研究结果来看，隔水墙分层取水方案不仅适用于尚未建设的水库工程，还可用于已建工程的改造项目，可提高电站下泄水温2～5℃，效果显著。但与此同时，还存在材料寿命、防泥沙淤积、抗洪水冲击等问题。对于已建工程，实施过程中还存在水下安装稳固墩以及稳固墩的定位难度极大、确保运行安全等问题。建议主要采取以下措施：

(1)根据力学物理模型试验提供的基础数据，进行隔水幕墙稳固墩、悬挂系统和幕墙自身的强度验算和稳定性分析，优化幕墙整体结构形式；

(2)探究稳固墩锚固形式和定位技术，从而保证稳固墩安装定位准确，并且在运行过程中安全牢固；

(3)在保证隔水幕墙整体结构稳定的前提下，探究隔水幕墙分幅安装、分幅运行的方法，实现幕墙分块操作、协同工作的理念，达到安装方便、局部破坏局部置换的效果。

[1]吴莉莉, 王惠民, 吴时强. 水库的水温分层及其改善措施[J]. 水电站设计, 2007, 23(3): 97-100.

[2]吴建军, 吴东利, 罗畅, 等. 永定桥水库水温预测及分层取水设计[J]. 华北水利水电学院学报, 2007, 28(5): 11-13.

[3]常宗滨. 磨盘山水库枢纽金属结构的布置与设计[J]. 黑龙江水利科技, 2009(3): 29-30.

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[5]薛联芳. 基于下泄水温控制考虑的水库分层取水建筑物设计[J]. 中国水利, 2007(6): 45-47.

[6]齐远东. 寒地水稻井水增温灌溉技术[J]. 现代农业科技, 2009(1): 6-7.

[7]刘欣, 陈能平, 肖德序, 等. 光照水电站进水口分层取水设计[J]. 贵州水力发电, 2008, 22(5): 33-35.

[8]杜效鹄, 李岳军. 饿马水坝分层取水系统改建设计和运行分析[J]. 水力发电, 2009, 35(4): 14-18.

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

薛联芳(1964—)，男，福建上杭人，教授级高级工程师，硕士，主要研究方向为水电环境保护，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.002

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)03-0005-04