孫波 ， 孫林云 ， 于海淼 ， 韓信 ， 劉建軍

（1.水資源與水工程國(guó)家試驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司，天津 300480）

天津北疆電廠位于濱海新區(qū)東北部（原天津市漢沽區(qū)境內(nèi)）的渤海灣西北灣頂（見圖1），是國(guó)家首批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目首創(chuàng)了“發(fā)電—海水淡化—濃海水制鹽—土地節(jié)約整理—廢棄物資源化再利用”五位一體的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。作為我國(guó)嚴(yán)重缺水的城市之一，海水資源的有效利益是天津大型工業(yè)工程建設(shè)的優(yōu)先考慮因素，北疆電廠不僅完全利用海水資源，而且能生產(chǎn)供市政管網(wǎng)的淡水。

北疆電廠規(guī)劃建設(shè)4×1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組和40萬(wàn)t/d海水淡化工程，一期工程建設(shè)2×1 000 MW發(fā)電機(jī)組和20萬(wàn)t/d海水淡化工程。電廠取水包括4×1 000 MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充冷卻水和40×104m3/d海水淡化用水，取水工程的海水補(bǔ)充水量約18 m3/s。

1 取水工程關(guān)鍵技術(shù)

北疆電廠取水工程附近海岸屬于典型的淤泥質(zhì)海岸，波浪和潮流為主要的動(dòng)力條件。近岸海域地勢(shì)低平，高潮時(shí)海水漫至堤岸，低潮時(shí)大片淤泥質(zhì)海灘出露，形成寬3～6 km的潮間帶，潮間帶坡度平緩，一般在0.3‰～1.6‰之間。圖2為取水工程設(shè)計(jì)潮型，影響取水安全的主要因素是低潮位過程。為保持一定的水位差，進(jìn)水口必須建在一定水深處，但冬季在離岸風(fēng)作用下減水現(xiàn)象明顯，?？沙霈F(xiàn)連續(xù)數(shù)日的超低潮位過程，且時(shí)有冰凌發(fā)生，重冰年浮冰會(huì)在涉水建筑物附近產(chǎn)生疊冰現(xiàn)象，繼而影響取水的安全。

工程區(qū)海域潮汐水流強(qiáng)度中等，波浪以小周期的風(fēng)生浪為主。該海域岸灘宏觀上處在沖淤基本平衡狀態(tài)，但工程區(qū)附近存在水下拋泥區(qū)，水下淺灘分布著大面積新淤淤泥，見圖3。由于海岸坡緩水淺，泥沙極易被風(fēng)浪掀起并在波流共同作用下發(fā)生輸移，水體含沙量較大，泥沙運(yùn)動(dòng)活躍，開挖溝槽泥沙回淤嚴(yán)重。這可能會(huì)引起取水工程淤塞，導(dǎo)致取水工程效率降低或達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

除此以外，該海區(qū)又是風(fēng)暴潮易發(fā)區(qū)域，風(fēng)暴潮期間大浪及增減水會(huì)對(duì)建筑物的安全和泥沙淤積產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

電廠附近海水的水質(zhì)條件較差，主要表現(xiàn)為水體含沙量大?，F(xiàn)場(chǎng)水文泥沙調(diào)查資料分析表明：風(fēng)浪越大、潮流動(dòng)力越強(qiáng)，含沙量越大；水深越淺含沙量越大，沿垂線含沙量一般則為底層大表層?。粷q潮含沙量大于落潮含沙量。

鑒于工程區(qū)十分復(fù)雜的自然條件特點(diǎn)，能否滿足全天候大流量安全取水且水質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求是工程建設(shè)中的技術(shù)難題。電廠取水工程設(shè)計(jì)潮型、沉淀池沉淀效率、泥沙淤積、取水工程布置方案、取水調(diào)度工藝等是實(shí)現(xiàn)大流量安全取水的主要影響因素。確保電廠取水安全（包括保證流量和水質(zhì)）、取水工程防淤減淤措施和實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的取水工程布置方案和取水調(diào)度工藝，是該項(xiàng)工程的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 取水工程設(shè)計(jì)方案比選

為實(shí)現(xiàn)電廠大流量取水和水質(zhì)要求，取水工程設(shè)計(jì)的基本思路是 “取水”與 “沉淀”。隨著研究的不斷深入，取水工程的設(shè)計(jì)歷經(jīng)兩類方案，即引潮溝方案和沉淀池方案。經(jīng)過多方案可行性技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并通過系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算和物理模型試驗(yàn)分析論證，最終確定了沉淀池方案，采用兩級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池高潮進(jìn)水的運(yùn)行模式。

3.1 引潮溝方案

該系列方案采用開挖引潮溝半潮取水的方式，引潮溝開挖底標(biāo)高-2.0 m（新港理論基面，下同）、底寬50 m，兩側(cè)建擋沙堤，見圖1～3。其中方案1在陸上廠址邊建沉淀調(diào)節(jié)池，方案2則將沉淀池調(diào)節(jié)池移至海擋外；優(yōu)化方案縮短引潮溝，擴(kuò)大并局部挖深沉淀池。

通過自然條件分析、數(shù)模計(jì)算和物模試驗(yàn)，對(duì)北疆電廠大流量取水工程引潮溝方案進(jìn)行了比選和優(yōu)化論證[1]，結(jié)果認(rèn)為，通過引潮溝加海擋外沉淀池方式取水的優(yōu)化方案可作為初步推薦方案。電廠供水系統(tǒng)基本能夠達(dá)到大流量取水和對(duì)水質(zhì)的要求，但取水安全性還受到以下幾個(gè)方面的影響和制約。

（1）引潮溝內(nèi)會(huì)發(fā)生累積性的泥沙淤積，斷面縮小、阻力增大，如果不及時(shí)清淤，會(huì)導(dǎo)致取水量達(dá)不到要求；

（2）由于海擋內(nèi)沉淀池容積較小，在電廠大流量取水要求下，引潮溝必須滿足時(shí)時(shí)暢通，這對(duì)引潮溝的維護(hù)清淤不利；若定期維護(hù)清淤，除增加運(yùn)營(yíng)成本外，還會(huì)涉及長(zhǎng)期拋泥地選址以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響問題；

（3）海擋外沉淀池通過引潮溝與外海直通，使取水條件受潮汐漲落限制，取水調(diào)節(jié)能力相對(duì)較差，難以保證全天候大流量取水的要求；

（4）海擋外沉淀池中已經(jīng)沉淀水體會(huì)部分隨退潮入海，未能充分發(fā)揮沉淀池效用；

（5）遇到惡劣天氣，水體含沙量較大、水質(zhì)較差，海擋內(nèi)沉淀池因受尺度限制其沉淀效率有限，會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)不能滿足電廠用水的要求；

（6）冬季引潮溝中海冰堆積或持續(xù)低潮位過程，會(huì)對(duì)大流量取水產(chǎn)生極端不利影響；

（7）由于引潮溝需延至較深水域，取水工程整體布局對(duì)周邊海岸環(huán)境的影響較大。

綜合上述，需要對(duì)引潮溝優(yōu)化方案進(jìn)一步優(yōu)化，諸如海擋內(nèi)沉淀池布置優(yōu)化、在海擋外沉淀調(diào)節(jié)池進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)水閘來(lái)調(diào)節(jié)沉淀池進(jìn)水量和進(jìn)水時(shí)機(jī)、提高沉淀池效用、減少取水工程淤積等。

3.2 沉淀池方案

沉淀池方案方案1是在引潮溝方案2的基礎(chǔ)上增加了二級(jí)沉淀池和瀝水池，用來(lái)存放在一、二級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池施工期間產(chǎn)生的大量泥漿及運(yùn)行期間的清淤，見圖7。該方案由于保留了引潮溝和直接連通外海的一級(jí)沉淀池，除二級(jí)沉淀池一定程度上提高了取水保證率和水質(zhì)外，以上引潮溝方案的不足之處并未得以消除。

沉淀池方案2和3采用高潮進(jìn)水、兩級(jí)沉淀的取水工藝，相當(dāng)于在海擋外設(shè)置了海水庫(kù)，見圖8和圖9，兩方案不同之處在于平面布置和沉淀池的容積[2]。一級(jí)沉淀池由閘控進(jìn)水，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在既能調(diào)節(jié)進(jìn)水水質(zhì)，如高潮含沙量小時(shí)多補(bǔ)水、或天氣條件好多補(bǔ)水，又能控制進(jìn)水量，如在可預(yù)見的惡劣天氣前可充分利用庫(kù)容預(yù)先補(bǔ)水或間隔補(bǔ)水等。二級(jí)閘和二級(jí)沉淀池的設(shè)置則為進(jìn)一步控制水質(zhì)打下了基礎(chǔ)，在水量得到保障的前提下，經(jīng)過一級(jí)池的沉淀后，含沙量已較外海大為降低，根據(jù)一二級(jí)池的含沙量水質(zhì)條件，二級(jí)閘可靈活調(diào)度，保證進(jìn)入電廠的水質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。

這兩個(gè)方案的取水調(diào)度工藝使進(jìn)入取水工程內(nèi)部的泥沙主要落淤在一級(jí)池內(nèi)，便于運(yùn)營(yíng)過程中的維護(hù)清淤，且清淤施工基本不會(huì)影響電廠取水過程。該兩方案整體布局在離岸方向的長(zhǎng)度較之引潮溝方案大為縮短，減輕了對(duì)周邊海岸環(huán)境的影響?？傮w而言，兩級(jí)閘控的沉淀池布置克服了前期引潮溝方案的不利因素，充分保障了電廠大流量取水的安全性和可靠性。同時(shí)該兩方案還充分考慮了電廠后期擴(kuò)建，并具有與周邊海岸開發(fā)的適應(yīng)性。

3 取水工程運(yùn)行狀況

沉淀池方案3正常運(yùn)行工況：由一級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池閘門漲潮自流進(jìn)水（在連續(xù)低潮位時(shí)還可由泵提水），一級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池有效容積約456×104m3，可連續(xù)供水約95 h（約4 d）；二級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池有效容積337×104m3， 可連續(xù)供水約70 h（約3 d）。根據(jù)沉淀效率試驗(yàn)分析，電廠進(jìn)水口處離岸3.5 km，海水含沙量為500～1 000 mg/L，經(jīng)兩級(jí)沉淀后電廠取水口懸移質(zhì)含沙量小于100 mg/L，無(wú)需進(jìn)一步處理即能進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)。

本方案成功解決了連續(xù)低潮時(shí)電廠取水水量嚴(yán)重不足的難題。兩級(jí)沉淀池的有效容積可實(shí)現(xiàn)給本期工程連續(xù)供水12～17 d，給規(guī)劃工程連續(xù)供水7～9 d。兩級(jí)沉淀池可根據(jù)泥沙和水位情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，運(yùn)行靈活可靠。

本方案將風(fēng)暴潮的影響降到最小。近年來(lái)，工程海域的風(fēng)暴潮時(shí)有發(fā)生，沉淀池方案可根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，在風(fēng)暴潮來(lái)臨之前提前由一級(jí)進(jìn)水閘蓄水至一級(jí)池，風(fēng)暴潮期間則關(guān)閉一級(jí)閘，此時(shí)二級(jí)進(jìn)水閘可照常運(yùn)行，取水工程主體免受風(fēng)暴潮的影響。

本方案極大降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。采用高潮取水，通過一級(jí)進(jìn)水閘控制取水的時(shí)間和水位，當(dāng)海水含沙量較小時(shí)，充分給沉淀池開閘補(bǔ)水；當(dāng)遇到風(fēng)暴潮或海水含沙量較大時(shí)，關(guān)閉閘門；補(bǔ)水過程中可根據(jù)沉淀池與外海的水位差，見機(jī)控制閘門啟閉，運(yùn)行方式靈活可靠。由此大大減少進(jìn)入取水工程內(nèi)部的泥沙，電廠運(yùn)行的清淤工程量和清淤難度都較小。

整個(gè)取水工程自2007年8月開工建設(shè)，于2009年9月份投入運(yùn)行。在近兩年的運(yùn)行過程中，取水工程既經(jīng)過了春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的考驗(yàn)，又經(jīng)過了風(fēng)暴潮和寒冷天氣的考驗(yàn)，取水水質(zhì)和水量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2010年4月首期每日10萬(wàn)t海水淡化裝置全部調(diào)試成功，并生產(chǎn)出高品質(zhì)的淡化海水，標(biāo)志著該項(xiàng)目的循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)目標(biāo)已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)。

在取水工程現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)論是漲潮還是退潮，兩級(jí)沉淀池內(nèi)海水清澈，與沉淀池外含沙量大的渾濁海水形成鮮明的對(duì)比，將成為天津市碧海藍(lán)天工程的示范。

由于工程區(qū)海域自然條件復(fù)雜，渤海灣內(nèi)圍海造陸工程方興未艾，鄰近涉海工程的建設(shè)勢(shì)必對(duì)電廠取水工程海域產(chǎn)生一定的影響，建議加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和分析研究工作，必要時(shí)可采取納潮沖淤等辦法來(lái)減少一級(jí)閘前的泥沙淤積，并做好一、二級(jí)進(jìn)水閘聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度管理。

4 結(jié) 論

針對(duì)北疆取水工程海水含沙量大、淺灘緩坡，結(jié)合電廠補(bǔ)充水水質(zhì)要求高、水量大、保證率高的要求，通過多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和模型試驗(yàn)論證，最終采取了兩級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池高潮進(jìn)水方案可符合設(shè)計(jì)要求。

從取水工程近兩年的運(yùn)行情況看，兩級(jí)沉淀調(diào)節(jié)池高潮進(jìn)水方案具有取水保證率高、水質(zhì)條件好、工程投資低、運(yùn)行靈活、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，是淤泥質(zhì)淺灘上一種新型的取水方式，可供其他類似工程參考。

[1] 孫林云，韓信，劉建軍等.天津北疆電廠取水工程數(shù)學(xué)和物理模型試驗(yàn)研究總報(bào)告[R].南京水利科學(xué)研究院報(bào)告，2007年5月.

[2] 孫林云，韓信，劉建軍等.天津北疆發(fā)電廠供水系統(tǒng)補(bǔ)充方案研究總報(bào)告[R].南京水利科學(xué)研究院報(bào)告，2007年5月.