[德國(guó) ]A.胡塔魯

美茵河上的生態(tài)友好型電站使魚(yú)類受益

[德國(guó) ]A.胡塔魯

德國(guó)在建的科斯泰姆低水頭水電工程位于美茵河上,這是一座生態(tài)環(huán)境友好型的水電站,它能保證魚(yú)類及其他水中生物的安全、自由上溯及下行。對(duì)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方案、工程的設(shè)計(jì)特征以及魚(yú)類上溯和下行安全通道的設(shè)計(jì)原理、工程的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等作了介紹。

低水頭;水電站設(shè)計(jì);環(huán)境;魚(yú)道設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)特征;科斯泰姆水電站;德國(guó)

德國(guó)科斯泰姆(Kostheim)船閘位于美茵河(Main)上,距美茵河流入萊茵(Rhine)河的河口2.5 km處,船閘運(yùn)行水頭4.1m?？扑固┠费呦到y(tǒng)建于 1928年,是美茵河上的最后一座船閘。美茵河的水力資源一直沒(méi)有得到開(kāi)發(fā)的原因主要是可用水頭低,以及受到萊茵河產(chǎn)生的回水影響等。

哈爾布萊赫克拉夫特韋爾克(Halblechkraftwerke)水電公司(HLK)最近確定了修建該工程的方案,并取得了建設(shè)和運(yùn)行 5MW水電站的許可證,工程目前正在建設(shè)中。同時(shí),還與當(dāng)?shù)氐乃顾绿仨f爾克(Stadtwerke Ulm)能源供應(yīng)公司合作,成立了WKW科斯泰姆美茵股份有限責(zé)任公司,從事水力發(fā)電工作。

該水電站的主要特性為:

(1)最大流量為 160m3/s;

(2)水頭4.1～0.8m(受萊茵河的影響);

(3)裝機(jī)容量為 2×2.5MW;

(4)規(guī)劃的發(fā)電量為18.5 GW·h/a。

由于政府層面上的迫切要求,加之受到電站波動(dòng)的尾水狀況的挑戰(zhàn)以及交通繁忙的船閘的用水需求,因此建設(shè)生態(tài)友好型的水電站顯得尤為重要。

1 工程設(shè)計(jì)特征

咨詢工程公司簽訂了電站設(shè)計(jì)合同,合同內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:

(1)臥軸轉(zhuǎn)槳豎井貫流式水輪機(jī),轉(zhuǎn)速 85～98 r/min;

(2)3葉片轉(zhuǎn)輪的可變速水輪機(jī)(轉(zhuǎn)輪直徑3.85 m),基于福伊特水力驅(qū)動(dòng)(HydroDrive)技術(shù)和一個(gè)齒輪系統(tǒng),將轉(zhuǎn)輪的可變轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為發(fā)電機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速;

(3)一個(gè)可調(diào)節(jié) 26m3/s船閘用水需求的控制單元,且不會(huì)擾動(dòng)水位;

(4)在滿發(fā)電條件下,篩網(wǎng)處的允許行近速度為 Vmax＞0.5m/s;

(5)攔污柵柵條之間的開(kāi)口僅為 20 mm;

(6)在任何時(shí)候,水生動(dòng)物都可自由地上溯和下行;

(7)不發(fā)生上下涌浪,以此維持美茵河的正常航運(yùn);

(8)高洪水位與水電站不沖突,因?yàn)楦吆樗恢槐嚷└?.2m;

(9)水電站不影響攔河壩墩的基礎(chǔ)。

從美茵河水面下 18m處、離陸上壩墩的現(xiàn)有基礎(chǔ)水平距離3.5～7m處進(jìn)行開(kāi)挖,面臨著很大的挑戰(zhàn)。但土壤條件(下覆粘土層,深度為 7～45m)可以使排水簡(jiǎn)化。

發(fā)電廠房安裝一個(gè)適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng),以監(jiān)測(cè) 26 m×58m的機(jī)坑。監(jiān)測(cè)裝置包括:

(1)用于觀測(cè)延伸到地面 28 m以下的擋土墻狀況的測(cè)斜儀;

(2)至開(kāi)挖高程以下 28 m的土壤引伸計(jì);

(3)坑壁加強(qiáng)筋的在線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng);

(4)布置在 18個(gè)鉆孔處的地表水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng);

(5)測(cè)量上游與下游水位的水位計(jì);

(6)采用基于傳感器的全球定位系統(tǒng)(GPS)對(duì)機(jī)坑與堰系統(tǒng)中可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè);

(7)堰系統(tǒng)中所有樁的測(cè)斜儀讀數(shù)計(jì);

(8)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳感器之間的計(jì)算機(jī)連接;

(9)與工程總公司相連接的照相機(jī)在線視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

水電站設(shè)計(jì)是在三維模型的基礎(chǔ)上完成的,同時(shí)還對(duì)未來(lái)電站的比例模型進(jìn)行了模擬。作為副產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì),提交了數(shù)字計(jì)算的輸入,構(gòu)成了有助于設(shè)計(jì)出可能是最好的泄水進(jìn)水口和尾水出口等高線的工具。對(duì)進(jìn)水口段的水流條件是基于 IEC41計(jì)算出的。

在設(shè)計(jì)階段,還解決了許多細(xì)節(jié)方面的問(wèn)題?？扑固┠冯娬镜囊话愎こ烫匦粤杏诒?1。

表1 科斯泰姆電站的一般特性

2 魚(yú)類的上溯

采用魚(yú)道幫助魚(yú)類上溯,是目前比較通用的手段。美茵河科斯泰姆船閘設(shè)置了一個(gè)較緩(1∶75)的斜坡魚(yú)道。斜坡河流中天然泥沙沉積是工程設(shè)計(jì)的重要因素。在長(zhǎng) 210 m的魚(yú)道上鋪設(shè)了天然石頭。當(dāng)寬度為2.5m、流量為 2 m3/s(最小流量)時(shí),對(duì)應(yīng)的水深為 50 cm。為證明魚(yú)道設(shè)計(jì)的有效性,需要對(duì)魚(yú)道進(jìn)行仔細(xì)監(jiān)測(cè),不僅需要計(jì)算通過(guò)的魚(yú)的數(shù)量,還要識(shí)別河中魚(yú)的種類。

對(duì)魚(yú)道采用緩坡來(lái)模擬水流流場(chǎng)是無(wú)庸置疑的。但是,從水面上方或下方來(lái)觀測(cè)魚(yú),可能不足以獲得精確的結(jié)果。因此,需要尋求一個(gè)解決方案,從魚(yú)道的側(cè)面來(lái)觀測(cè)通過(guò)的魚(yú)類。在科斯泰姆工程的魚(yú)道中設(shè)計(jì)了一個(gè)小島形觀測(cè)窗,將其布置在魚(yú)道中部,并安裝有 2臺(tái)照相機(jī),用于同時(shí)觀測(cè)附近區(qū)域的水流狀況。

數(shù)字技術(shù)可進(jìn)行永久視頻觀測(cè)和/或建立由事件驅(qū)動(dòng)的文件?？梢酝ㄟ^(guò)水中透明觀測(cè)窗進(jìn)行觀測(cè),也易于維護(hù)。通過(guò)過(guò)道的明亮色彩,使可視性得到加強(qiáng)。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在靠近過(guò)道下面的管道內(nèi),利用一條不漏水的網(wǎng)絡(luò)電纜既可以檢測(cè)魚(yú)類的上溯或下行,也可以對(duì)魚(yú)的種類進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)電廠房與計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的距離很近。今天科學(xué)的技術(shù)和價(jià)格合理的硬件使得安裝這種監(jiān)測(cè)設(shè)施很方便。

3 魚(yú)類的下行

魚(yú)類的下行與河流的主流狀況息息相關(guān)。從理論上來(lái)講,魚(yú)類不受傷害地通過(guò)水輪機(jī)應(yīng)該很簡(jiǎn)單,而實(shí)際上并不簡(jiǎn)單,因?yàn)樗啓C(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)使魚(yú)在通過(guò)流道時(shí)造成危險(xiǎn)。為了解決該問(wèn)題,必須安裝一套能使魚(yú)類安全下行的裝置。

安裝了一個(gè)篩網(wǎng),同時(shí)為了防止有害的物體進(jìn)入轉(zhuǎn)輪,必須在進(jìn)水口前安裝一個(gè)攔污柵。攔污柵不但不會(huì)妨礙水流通過(guò),還應(yīng)能滿足生態(tài)要求。因此,攔污柵的開(kāi)口大小和將水流輸入流道的管道就顯得非常重要。這種與上、下游水流連通的管道,也演變成了一個(gè)可輸送任何一種進(jìn)入該系統(tǒng)的物質(zhì)的水力輸送系統(tǒng),無(wú)論是魚(yú)、樹(shù)葉或其他小物件都能從其中通過(guò)。

可以同時(shí)對(duì) 2個(gè)下行系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。在設(shè)有觀測(cè)窗的管線的末端和在鰻魚(yú)過(guò)道的下端,安裝有一個(gè)魚(yú)柵,在任何情況下,該魚(yú)柵都不會(huì)對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生干擾。為了保證不會(huì)對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生任何負(fù)面影響,每個(gè)隔室都配備有 2個(gè)軌道,用于安裝大型監(jiān)測(cè)魚(yú)柵。因此,所有元件的效率可用專業(yè)方法監(jiān)測(cè),這向環(huán)境友好型的水電站前進(jìn)了一大步。

將管道末端的一個(gè)蛙形閥連接到間歇工作的攔污柵清污機(jī)上。當(dāng)清污耙到達(dá)窗口時(shí),傳感器就會(huì)接受一個(gè)釋放閥的信號(hào),由水驅(qū)動(dòng)該管道下泄接近窗口的任何東西。為了優(yōu)化魚(yú)類下行的通道,在設(shè)計(jì)科斯泰姆魚(yú)類下行通道時(shí),設(shè)置了長(zhǎng) 20～30 cm的窗口,排水管道直徑為 400 cm。

窗口可布置與裝設(shè)在不同的高程上。攔污柵的支持翼可使流向下游的生態(tài)水流受益。

科斯泰姆魚(yú)類下行通道包括一套二級(jí)永久操作裝置。在 2個(gè)水輪機(jī)室之間的墩中,埋設(shè)了直徑為800mm的管子,在水輪機(jī)進(jìn)水口的兩側(cè),提供了 6 m2的開(kāi)口。在該管道的進(jìn)水口和尾水管之間的連接處,采用了一個(gè)帶自由溢流的固定堰,以便將水向下游轉(zhuǎn)送。轉(zhuǎn)送到該管道的水量基于正常的水力計(jì)算。

數(shù)字設(shè)計(jì)不僅有助于優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì),而且還可以形成平滑的轉(zhuǎn)輪輪廓和水流條件。

為使發(fā)電站成為生態(tài)友好型電站,在科斯泰姆電站安裝的臥式3葉片轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪和94 r/min的低轉(zhuǎn)速,即是做出了很大努力的最好證明。

事實(shí)上,美茵河科斯泰姆低水頭電站為魚(yú)類提供了包括 4個(gè)方面的生態(tài)友好型的布置方案。魚(yú)類上溯和下行的運(yùn)動(dòng),受到水輪機(jī)泄水吸引的影響,增加了正在安裝的系統(tǒng)的效率。監(jiān)測(cè)裝置證實(shí)了已實(shí)施設(shè)計(jì)方案的有效性。

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第 4期

劉專雄 校

A

1006-0081(2010)10-0034-03

2010-06-20

(編輯:趙秋云)