针对下泄水温影响的丰满大坝拆除方案决策分析

赵再兴，魏浪，陈国柱，路振刚

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳　550081； 2.丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林　132108)



针对下泄水温影响的丰满大坝拆除方案决策分析

赵再兴1，魏浪1，陈国柱1，路振刚2

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081； 2.丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林132108)

针对丰满水电站重建工程大坝拆除方案，在工程运行、施工等方面均不存在制约的情况下，从下泄水温变化对环境影响的角度开展决策研究。根据工程区环境保护目标及水库季节性封冻的特点，以春夏季对水生生态的影响、冬季对不封冻江面及雾凇景观的影响为双重控制指标，深入研究大坝拆除高程、机组运行方案的影响情况，提出相应的影响减缓措施，为工程方案选择提供决策依据。

大坝拆除；水温；丰满水电站

大型水库水温结构分层造成的下泄水温变化，是水电开发产生的主要环境影响之一。在丰满水电站重建工程中，其大坝拆除方案在工程运行、施工等均不存在制约的情况下，下泄水温变化对环境的影响成为影响决策的重要因素。因此，在工程环境影响评价及设计工作中，须深入开展影响分析与对策措施研究，为工程方案选择提供决策依据。

1　丰满水电站重建工程概况

丰满水电站位于第二松花江干流，下游距吉林市区16 km。丰满水库总库容约103亿m3，正常蓄水位263.5 m，死水位242 m，具有多年调节性能。该电站于1937年4月正式开工，1953年一期工程建成，1992年完成二期扩建工程(2×85 MW)，1998年完成三期扩机工程(2×140 MW)，总装机容量达到1 002.5 MW。由于日伪时期的工程设计和施工存在先天性缺陷，丰满水电站一直在不断加固与维护补强中运行。为彻底解决工程存在的安全隐患，有关部门启动了丰满水电站大坝全面治理(重建)工程。重建方案将拆除目前丰满大坝部分坝段及坝后一、二期发电厂房，保留左岸采用引水隧洞取水的三期发电厂房，同时在原坝址下游120 m处新建一座全长1 068 m、坝顶高程269.50 m、最大坝高94.5 m的混凝土重力坝，坝后厂房设置6×200 MW发电机组，水电站总装机容量达到1 480 MW。工程建成后，不改变水库特征水位，不改变原电站的任务和功能，水库调度方式基本保持不变，调峰性能有所增强[1-2]。

为满足重建工程枢纽区的泄洪、发电等过水要求，需将原大坝挡水建筑物进行部分拆除，拆除部位为6#—38#坝段，总长594 m，坝顶高程为267.7 m，拆除底部高程控制在240 m以下。此外，还将拆除原丰满水电站一、二期发电厂房198.75 m高程以上的混凝土框架结构和位于新坝基坑开挖范围内的尾水平台混凝土结构，如图1所示。大坝拆除工程实施过程中，先拆除相应坝体部位的闸门、启闭设备，然后分层分块、逐层逐块、由上至下将原大坝混凝土爆破拆除，拆除的混凝土运至弃渣场。原大坝局部拆除后，大部分坝体仍然保留在库区内，同时对其采取景观设计，使之与周围环境相协调。

图1　原大坝拆除部位示意图Fig.1　Demolition site of the original dam

2　大坝拆除方案对下泄水温影响

丰满水库具有多年调节性能，是典型的水温分层型水库，水库运行以来已形成稳定的水温分层结构。根据以往对坝前垂向水温的年内观测结果，在春夏季水温分层较为明显的时段，库区水温由下至上呈升温分布，坝前垂向温差可达到22℃以上；在冬季，受工程区严寒气候影响，水库表层结冰封冻，库区水温呈下层水温高于上层水温的逆向分布特征，坝前垂向温差基本维持在4℃。根据丰满水电站下泄水温观测成果，在鱼类繁殖期(5至8月)，平均水温为13℃，存在低温水下泄影响；在冬季(12月至次年3月)，平均水温为1.6℃，使坝下游江段能够保持不结冰的明流状态，为当地雾凇景观的形成创造了有利条件。

丰满水电站重建工程实施后，由于仅对原大坝中部高程以上的部分坝段进行拆除，大部分建筑结构仍留在库区，剩余坝体的阻隔形成前置挡墙效应，如图2所示。在新机组运行的条件下，仅库区在拆除高程以上的水体能够进入坝前区域，会对电站新建大坝前的水温结构及下泄水温产生影响[3]。主要体现在以下方面：①库区水体经原大坝拆除缺口进入两坝之间后，对流掺混作用增强，坝前垂向将不存在水温分层现象；②春夏季在原大坝前置挡墙作用的影响下，仅水库上层高温水进入新建大坝前发电取水口，下泄水温较现状有所升高，有利于缓解鱼类繁殖期低温水下泄的影响；③冬季由于水库表层结冰，库区水位由下至上呈降温分布，表层水温低于下层水温，在原大坝前置挡墙作用的影响下，仅水库上层低温水进入新建大坝前发电取水口，下泄水温将较现状有所偏低，可能造成冬季下游吉林市区第二松花江约70 km的明流江段缩短，或出现流冰或封冻现象，进而影响雾凇景观的形成[1]。

图2　原大坝阻隔对库区水温结构的影响Fig.2　Impact of the original dam barrier on the water temperature structure in the reservoir area

3　考虑下泄水温环境影响的方案决策

丰满大坝拆除方案对水库水温结构及下泄水温的影响，主要受其拆除部位的高程控制，拆除高程越低，电站下泄水温越趋近工程重建前，从而可能产生的有利或不利影响越不明显。为此，对大坝拆除高程拟定了240 m、237.5 m和235 m 3套方案，并综合考虑冬季、春夏季下泄水温，以及拆除期水库回蓄期影响等进行环境比选。

3.1冬季下泄水温影响比较

从雾凇的形成机理与河道水温的关系可知，冬季下游河道只要不结冰，其他气象条件适宜时就可以形成雾凇。根据目前丰满坝下区域雾凇分布情况，下游不封冻江段均会出现雾凇，雾凇景观集中区域主要是丰满坝下约70 km处的雾凇岛。因此，本项目下泄水温对冬季雾凇景观的影响主要考虑将雾凇岛作为保护目标，即丰满坝下70 km范围内的江段水温不低于0℃，就可满足下游雾凇景观形成的水汽条件。

采用耦合冰盖生长消融的二维水温数学模型、河道纵向一维水温模型进行预测，以冬季电站下泄水体在河道中温降至0℃的距离不低于70 km为控制目标，预测工况考虑在最不利的枯水年低水位条件下，电站分别由新建机组单独发电、新建机组与原有三期机组联合发电的不同工况，结果如表1所示。根据不同拆除高程方案的预测结果，冬季主要在1月、2月会出现无法满足水温控制目标的情况。其中，新机组单独运行时，各方案均不能满足水温控制要求；新建机组与原有三期机组联合发电时，由于原有三期机组取水口(高程215 m)在原大坝上游侧，其取水水温高于坝前水体，原有三期机组参与运行可在一定程度上增加下泄水温，因此在联合运行工况下，237.5 m、235 m方案均满足下泄水温控制要求。

表1　不同方案冬季电站下泄水温降至0℃的距离

注：保护目标为下游70 km范围内水温不低于0℃。

3.2春夏季下泄水温影响比较

针对目前丰满水电站存在的下泄低温水影响，重建工程实施后将有所改善。在鱼类产卵繁殖期(5—8月)，下泄水温均较重建前有所增加，各月提高范围分别为0.4～0.7℃、0.7～2.2℃、0.8～4.0℃、3.3～4.7℃，如表2所示。在对下泄低温水影响的减缓效果上，240 m方案依次优于237.5 m、235 m方案。

表2　不同方案春夏季电站下泄水温比较

3.3水库回蓄期影响比较

由于丰满大坝拆除期间需要对水库进行临时调度，将水位从正常蓄水位降至242 m，为减缓施工期对库区生态环境及下游用水的影响，选择在冬季进入结冰期的11月开始临时调度，同时尽可能缩短施工时间，及时进行回蓄。根据不同拆除方案的工期计算，240 m、237.5 m方案总工期均在5个月内，水库在当年即可回蓄达到现状平均水位；235 m方案水下作业量较大，总工期为8个月，水库至第3年才能回蓄至现状平均水位。

3.4方案综合决策分析

根据大坝拆除方案对环境影响的综合比较，在减缓目前春夏季电站下泄低温水影响方面，各方案均有一定的改善效果，可不作为拆除方案比选的控制性因素。在减缓冬季低温水影响方面，240 m方案不能满足维持冬季坝下70 km不封冻河长的控制要求，因此不能作为选择方案；235 m方案对减缓冬季低温水影响效果较好，但由于施工期间水库临时调度降水位及回蓄时间较长，对库区生态环境及下游供水影响较大，不推荐采用。因此，该工程在方案决策中，考虑以维持冬季坝下不封冻河长范围、有效控制施工和水库回蓄期为要求，最终推荐对原大坝采用237.5 m高程的拆除方案，以保障雾凇景观的形成条件不受影响，同时不影响水库正常运行，最大限度地减小和避免拆除工程对库区及下游环境产生的影响。

4　减缓下泄水温影响的配套措施

丰满水电站重建工程采取237.5 m重建方案后，在冬季仅采用新机组运行时，坝下70 km河道范围内水温仍有降低至0℃的情况，冬季1月、2月必须充分利用原电站三期机组参与发电运行，才能避免冬季下泄低温水的影响。为此，在冬季发电过程中，应首先开启三期机组进行发电的配套措施，保证优先取用库区温度相对较高的下层水体。根据该运行方案，丰满水电站保留的三期发电机组在冬季典型日运行过程中，需承担140～280 MW的调峰容量，冬季1月、2月的总利用小时达到600 h以上，可满足维持电站下游70 km不封冻河段的水温控制要求。

为进一步防范冬季下泄低温水所产生的影响，考虑设置丰满坝下、下游永庆坝址、吉林市区、雾凇岛末端等断面的在线水温监测系统，对冬季河道水温进行实时监控。拟在各监控断面设置4个水温监测站点，配套相应的温度自记及传输设备，通过温度自记仪获取实时水温数据，利用无线发射器每隔一定时段进行数据发送，通过中继器将实时水温数据传送至电站监控室，使运行人员随时了解下游河道水温变化情况，及时为机组泄流的水温调控提供信息反馈，防范可能发生的水温影响风险。

5　结论与建议

在丰满水电站重建工程大坝拆除方案的制订过程中，下泄水温变化对环境的影响首次成为大坝拆除方案的最终决策因素，突出反映了此类重建工程在实施过程中存在的环境影响方式与特点。根据工程区雾凇等环境保护目标及水库冬季封冻的特殊性，以春夏季对水生生态的影响、冬季对不封冻江面及雾凇景观的影响为双重控制指标，深入研究了包括大坝拆除高程、机组运行方案的影响，提出相应影响减缓措施，为工程方案的选择提供决策依据，也可为同类型工程的环境影响分析与对策措施的制定提供借鉴。

考虑到在大坝拆除方案制订阶段，主要通过数学模型对工程的最不利工况条件进行了偏保守的预测，在实际影响程度、范围的预测精度上，与工程运行后的情形仍存在一定差异。因此，随着工程实施与推进，有必要结合水力学及水温模型实验、原型实验，考虑采取进一步优化丰满水电站冬季发电运行调度方案等减缓低温水影响的措施。

[1]赵再兴. 丰满水电站重建工程环评工作关键技术研究与创新[J]. 水利水电技术, 2013, 44(8): 57-59.

[2]张志福. 永庆反调节水库对丰满水电站下游河段用水保障效果回顾与变化分析[J]. 水力发电, 2015, 41(11): 99-102.

[3]刘昕. 丰满水电站大坝全面治理工程对鱼类资源的影响研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2013.

Decision Analysis on Demolition Scheme of Fengman Dam from the Viewpoint of Discharge Water Temperature Impact

ZHAO Zai-xing1, WEI Lang1, CHEN Guo-zhu1, LU Zhen-gang2

(1.PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, China;2.Fengman Dam Reconstruction Project Construction Bureau, Jilin 132108, China)

Decision analysis was conducted on the demolition scheme of Fengman Dam without restrictions from construction or operation, from the viewpoint of environmental impact of water temperature changes. Based on the environmental protection objectives and the characteristics of seasonal frozen reservoirs, both the aquatic ecosystem in summer and the unfrozen river landscape in winter were considered as dual-control indexes. This study analyzed the impact of demolition height and unit operation mode, put forward the impact mitigation measures, and provided decision basis for the demolition scheme.

dam demolition; water temperature; Fengman Dam

2016-02-27

赵再兴(1982—)，男，贵州都匀人，高级工程师，硕士，主要研究方向为环境水力学，E-mail：gyyzzx@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.005

X143；TV222

A

2095-6444(2016)03-0018-04