趙再興，魏浪，陳國(guó)柱，路振剛

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)　550081； 2.豐滿(mǎn)大壩重建工程建設(shè)局，吉林吉林　132108)

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針對(duì)下泄水溫影響的豐滿(mǎn)大壩拆除方案決策分析

趙再興1，魏浪1，陳國(guó)柱1，路振剛2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081； 2.豐滿(mǎn)大壩重建工程建設(shè)局，吉林吉林132108)

針對(duì)豐滿(mǎn)水電站重建工程大壩拆除方案，在工程運(yùn)行、施工等方面均不存在制約的情況下，從下泄水溫變化對(duì)環(huán)境影響的角度開(kāi)展決策研究。根據(jù)工程區(qū)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)及水庫(kù)季節(jié)性封凍的特點(diǎn)，以春夏季對(duì)水生生態(tài)的影響、冬季對(duì)不封凍江面及霧凇景觀的影響為雙重控制指標(biāo)，深入研究大壩拆除高程、機(jī)組運(yùn)行方案的影響情況，提出相應(yīng)的影響減緩措施，為工程方案選擇提供決策依據(jù)。

大壩拆除；水溫；豐滿(mǎn)水電站

大型水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)分層造成的下泄水溫變化，是水電開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的主要環(huán)境影響之一。在豐滿(mǎn)水電站重建工程中，其大壩拆除方案在工程運(yùn)行、施工等均不存在制約的情況下，下泄水溫變化對(duì)環(huán)境的影響成為影響決策的重要因素。因此，在工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)工作中，須深入開(kāi)展影響分析與對(duì)策措施研究，為工程方案選擇提供決策依據(jù)。

1　豐滿(mǎn)水電站重建工程概況

豐滿(mǎn)水電站位于第二松花江干流，下游距吉林市區(qū)16 km。豐滿(mǎn)水庫(kù)總庫(kù)容約103億m3，正常蓄水位263.5 m，死水位242 m，具有多年調(diào)節(jié)性能。該電站于1937年4月正式開(kāi)工，1953年一期工程建成，1992年完成二期擴(kuò)建工程(2×85 MW)，1998年完成三期擴(kuò)機(jī)工程(2×140 MW)，總裝機(jī)容量達(dá)到1 002.5 MW。由于日偽時(shí)期的工程設(shè)計(jì)和施工存在先天性缺陷，豐滿(mǎn)水電站一直在不斷加固與維護(hù)補(bǔ)強(qiáng)中運(yùn)行。為徹底解決工程存在的安全隱患，有關(guān)部門(mén)啟動(dòng)了豐滿(mǎn)水電站大壩全面治理(重建)工程。重建方案將拆除目前豐滿(mǎn)大壩部分壩段及壩后一、二期發(fā)電廠房，保留左岸采用引水隧洞取水的三期發(fā)電廠房，同時(shí)在原壩址下游120 m處新建一座全長(zhǎng)1 068 m、壩頂高程269.50 m、最大壩高94.5 m的混凝土重力壩，壩后廠房設(shè)置6×200 MW發(fā)電機(jī)組，水電站總裝機(jī)容量達(dá)到1 480 MW。工程建成后，不改變水庫(kù)特征水位，不改變?cè)娬镜娜蝿?wù)和功能，水庫(kù)調(diào)度方式基本保持不變，調(diào)峰性能有所增強(qiáng)[1-2]。

為滿(mǎn)足重建工程樞紐區(qū)的泄洪、發(fā)電等過(guò)水要求，需將原大壩擋水建筑物進(jìn)行部分拆除，拆除部位為6#—38#壩段，總長(zhǎng)594 m，壩頂高程為267.7 m，拆除底部高程控制在240 m以下。此外，還將拆除原豐滿(mǎn)水電站一、二期發(fā)電廠房198.75 m高程以上的混凝土框架結(jié)構(gòu)和位于新壩基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)的尾水平臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示。大壩拆除工程實(shí)施過(guò)程中，先拆除相應(yīng)壩體部位的閘門(mén)、啟閉設(shè)備，然后分層分塊、逐層逐塊、由上至下將原大壩混凝土爆破拆除，拆除的混凝土運(yùn)至棄渣場(chǎng)。原大壩局部拆除后，大部分壩體仍然保留在庫(kù)區(qū)內(nèi)，同時(shí)對(duì)其采取景觀設(shè)計(jì)，使之與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)。

圖1　原大壩拆除部位示意圖Fig.1　Demolition site of the original dam

2　大壩拆除方案對(duì)下泄水溫影響

豐滿(mǎn)水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能，是典型的水溫分層型水庫(kù)，水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)已形成穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)以往對(duì)壩前垂向水溫的年內(nèi)觀測(cè)結(jié)果，在春夏季水溫分層較為明顯的時(shí)段，庫(kù)區(qū)水溫由下至上呈升溫分布，壩前垂向溫差可達(dá)到22℃以上；在冬季，受工程區(qū)嚴(yán)寒氣候影響，水庫(kù)表層結(jié)冰封凍，庫(kù)區(qū)水溫呈下層水溫高于上層水溫的逆向分布特征，壩前垂向溫差基本維持在4℃。根據(jù)豐滿(mǎn)水電站下泄水溫觀測(cè)成果，在魚(yú)類(lèi)繁殖期(5至8月)，平均水溫為13℃，存在低溫水下泄影響；在冬季(12月至次年3月)，平均水溫為1.6℃，使壩下游江段能夠保持不結(jié)冰的明流狀態(tài)，為當(dāng)?shù)仂F凇景觀的形成創(chuàng)造了有利條件。

豐滿(mǎn)水電站重建工程實(shí)施后，由于僅對(duì)原大壩中部高程以上的部分壩段進(jìn)行拆除，大部分建筑結(jié)構(gòu)仍留在庫(kù)區(qū)，剩余壩體的阻隔形成前置擋墻效應(yīng)，如圖2所示。在新機(jī)組運(yùn)行的條件下，僅庫(kù)區(qū)在拆除高程以上的水體能夠進(jìn)入壩前區(qū)域，會(huì)對(duì)電站新建大壩前的水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫產(chǎn)生影響[3]。主要體現(xiàn)在以下方面：①庫(kù)區(qū)水體經(jīng)原大壩拆除缺口進(jìn)入兩壩之間后，對(duì)流摻混作用增強(qiáng)，壩前垂向?qū)⒉淮嬖谒疁胤謱蝇F(xiàn)象；②春夏季在原大壩前置擋墻作用的影響下，僅水庫(kù)上層高溫水進(jìn)入新建大壩前發(fā)電取水口，下泄水溫較現(xiàn)狀有所升高，有利于緩解魚(yú)類(lèi)繁殖期低溫水下泄的影響；③冬季由于水庫(kù)表層結(jié)冰，庫(kù)區(qū)水位由下至上呈降溫分布，表層水溫低于下層水溫，在原大壩前置擋墻作用的影響下，僅水庫(kù)上層低溫水進(jìn)入新建大壩前發(fā)電取水口，下泄水溫將較現(xiàn)狀有所偏低，可能造成冬季下游吉林市區(qū)第二松花江約70 km的明流江段縮短，或出現(xiàn)流冰或封凍現(xiàn)象，進(jìn)而影響霧凇景觀的形成[1]。

圖2　原大壩阻隔對(duì)庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的影響Fig.2　Impact of the original dam barrier on the water temperature structure in the reservoir area

3　考慮下泄水溫環(huán)境影響的方案決策

豐滿(mǎn)大壩拆除方案對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫的影響，主要受其拆除部位的高程控制，拆除高程越低，電站下泄水溫越趨近工程重建前，從而可能產(chǎn)生的有利或不利影響越不明顯。為此，對(duì)大壩拆除高程擬定了240 m、237.5 m和235 m 3套方案，并綜合考慮冬季、春夏季下泄水溫，以及拆除期水庫(kù)回蓄期影響等進(jìn)行環(huán)境比選。

3.1冬季下泄水溫影響比較

從霧凇的形成機(jī)理與河道水溫的關(guān)系可知，冬季下游河道只要不結(jié)冰，其他氣象條件適宜時(shí)就可以形成霧凇。根據(jù)目前豐滿(mǎn)壩下區(qū)域霧凇分布情況，下游不封凍江段均會(huì)出現(xiàn)霧凇，霧凇景觀集中區(qū)域主要是豐滿(mǎn)壩下約70 km處的霧凇島。因此，本項(xiàng)目下泄水溫對(duì)冬季霧凇景觀的影響主要考慮將霧凇島作為保護(hù)目標(biāo)，即豐滿(mǎn)壩下70 km范圍內(nèi)的江段水溫不低于0℃，就可滿(mǎn)足下游霧凇景觀形成的水汽條件。

采用耦合冰蓋生長(zhǎng)消融的二維水溫?cái)?shù)學(xué)模型、河道縱向一維水溫模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，以冬季電站下泄水體在河道中溫降至0℃的距離不低于70 km為控制目標(biāo)，預(yù)測(cè)工況考慮在最不利的枯水年低水位條件下，電站分別由新建機(jī)組單獨(dú)發(fā)電、新建機(jī)組與原有三期機(jī)組聯(lián)合發(fā)電的不同工況，結(jié)果如表1所示。根據(jù)不同拆除高程方案的預(yù)測(cè)結(jié)果，冬季主要在1月、2月會(huì)出現(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足水溫控制目標(biāo)的情況。其中，新機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，各方案均不能滿(mǎn)足水溫控制要求；新建機(jī)組與原有三期機(jī)組聯(lián)合發(fā)電時(shí)，由于原有三期機(jī)組取水口(高程215 m)在原大壩上游側(cè)，其取水水溫高于壩前水體，原有三期機(jī)組參與運(yùn)行可在一定程度上增加下泄水溫，因此在聯(lián)合運(yùn)行工況下，237.5 m、235 m方案均滿(mǎn)足下泄水溫控制要求。

表1　不同方案冬季電站下泄水溫降至0℃的距離

注：保護(hù)目標(biāo)為下游70 km范圍內(nèi)水溫不低于0℃。

3.2春夏季下泄水溫影響比較

針對(duì)目前豐滿(mǎn)水電站存在的下泄低溫水影響，重建工程實(shí)施后將有所改善。在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵繁殖期(5—8月)，下泄水溫均較重建前有所增加，各月提高范圍分別為0.4～0.7℃、0.7～2.2℃、0.8～4.0℃、3.3～4.7℃，如表2所示。在對(duì)下泄低溫水影響的減緩效果上，240 m方案依次優(yōu)于237.5 m、235 m方案。

表2　不同方案春夏季電站下泄水溫比較

3.3水庫(kù)回蓄期影響比較

由于豐滿(mǎn)大壩拆除期間需要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行臨時(shí)調(diào)度，將水位從正常蓄水位降至242 m，為減緩施工期對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境及下游用水的影響，選擇在冬季進(jìn)入結(jié)冰期的11月開(kāi)始臨時(shí)調(diào)度，同時(shí)盡可能縮短施工時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行回蓄。根據(jù)不同拆除方案的工期計(jì)算，240 m、237.5 m方案總工期均在5個(gè)月內(nèi)，水庫(kù)在當(dāng)年即可回蓄達(dá)到現(xiàn)狀平均水位；235 m方案水下作業(yè)量較大，總工期為8個(gè)月，水庫(kù)至第3年才能回蓄至現(xiàn)狀平均水位。

3.4方案綜合決策分析

根據(jù)大壩拆除方案對(duì)環(huán)境影響的綜合比較，在減緩目前春夏季電站下泄低溫水影響方面，各方案均有一定的改善效果，可不作為拆除方案比選的控制性因素。在減緩冬季低溫水影響方面，240 m方案不能滿(mǎn)足維持冬季壩下70 km不封凍河長(zhǎng)的控制要求，因此不能作為選擇方案；235 m方案對(duì)減緩冬季低溫水影響效果較好，但由于施工期間水庫(kù)臨時(shí)調(diào)度降水位及回蓄時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境及下游供水影響較大，不推薦采用。因此，該工程在方案決策中，考慮以維持冬季壩下不封凍河長(zhǎng)范圍、有效控制施工和水庫(kù)回蓄期為要求，最終推薦對(duì)原大壩采用237.5 m高程的拆除方案，以保障霧凇景觀的形成條件不受影響，同時(shí)不影響水庫(kù)正常運(yùn)行，最大限度地減小和避免拆除工程對(duì)庫(kù)區(qū)及下游環(huán)境產(chǎn)生的影響。

4　減緩下泄水溫影響的配套措施

豐滿(mǎn)水電站重建工程采取237.5 m重建方案后，在冬季僅采用新機(jī)組運(yùn)行時(shí)，壩下70 km河道范圍內(nèi)水溫仍有降低至0℃的情況，冬季1月、2月必須充分利用原電站三期機(jī)組參與發(fā)電運(yùn)行，才能避免冬季下泄低溫水的影響。為此，在冬季發(fā)電過(guò)程中，應(yīng)首先開(kāi)啟三期機(jī)組進(jìn)行發(fā)電的配套措施，保證優(yōu)先取用庫(kù)區(qū)溫度相對(duì)較高的下層水體。根據(jù)該運(yùn)行方案，豐滿(mǎn)水電站保留的三期發(fā)電機(jī)組在冬季典型日運(yùn)行過(guò)程中，需承擔(dān)140～280 MW的調(diào)峰容量，冬季1月、2月的總利用小時(shí)達(dá)到600 h以上，可滿(mǎn)足維持電站下游70 km不封凍河段的水溫控制要求。

為進(jìn)一步防范冬季下泄低溫水所產(chǎn)生的影響，考慮設(shè)置豐滿(mǎn)壩下、下游永慶壩址、吉林市區(qū)、霧凇島末端等斷面的在線水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)冬季河道水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。擬在各監(jiān)控?cái)嗝嬖O(shè)置4個(gè)水溫監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，配套相應(yīng)的溫度自記及傳輸設(shè)備，通過(guò)溫度自記儀獲取實(shí)時(shí)水溫?cái)?shù)據(jù)，利用無(wú)線發(fā)射器每隔一定時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過(guò)中繼器將實(shí)時(shí)水溫?cái)?shù)據(jù)傳送至電站監(jiān)控室，使運(yùn)行人員隨時(shí)了解下游河道水溫變化情況，及時(shí)為機(jī)組泄流的水溫調(diào)控提供信息反饋，防范可能發(fā)生的水溫影響風(fēng)險(xiǎn)。

5　結(jié)論與建議

在豐滿(mǎn)水電站重建工程大壩拆除方案的制訂過(guò)程中，下泄水溫變化對(duì)環(huán)境的影響首次成為大壩拆除方案的最終決策因素，突出反映了此類(lèi)重建工程在實(shí)施過(guò)程中存在的環(huán)境影響方式與特點(diǎn)。根據(jù)工程區(qū)霧凇等環(huán)境保護(hù)目標(biāo)及水庫(kù)冬季封凍的特殊性，以春夏季對(duì)水生生態(tài)的影響、冬季對(duì)不封凍江面及霧凇景觀的影響為雙重控制指標(biāo)，深入研究了包括大壩拆除高程、機(jī)組運(yùn)行方案的影響，提出相應(yīng)影響減緩措施，為工程方案的選擇提供決策依據(jù)，也可為同類(lèi)型工程的環(huán)境影響分析與對(duì)策措施的制定提供借鑒。

考慮到在大壩拆除方案制訂階段，主要通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)工程的最不利工況條件進(jìn)行了偏保守的預(yù)測(cè)，在實(shí)際影響程度、范圍的預(yù)測(cè)精度上，與工程運(yùn)行后的情形仍存在一定差異。因此，隨著工程實(shí)施與推進(jìn)，有必要結(jié)合水力學(xué)及水溫模型實(shí)驗(yàn)、原型實(shí)驗(yàn)，考慮采取進(jìn)一步優(yōu)化豐滿(mǎn)水電站冬季發(fā)電運(yùn)行調(diào)度方案等減緩低溫水影響的措施。

[1]趙再興. 豐滿(mǎn)水電站重建工程環(huán)評(píng)工作關(guān)鍵技術(shù)研究與創(chuàng)新[J]. 水利水電技術(shù), 2013, 44(8): 57-59.

[2]張志福. 永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)對(duì)豐滿(mǎn)水電站下游河段用水保障效果回顧與變化分析[J]. 水力發(fā)電, 2015, 41(11): 99-102.

[3]劉昕. 豐滿(mǎn)水電站大壩全面治理工程對(duì)魚(yú)類(lèi)資源的影響研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué), 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

趙再興(1982—)，男，貴州都勻人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境水力學(xué)，E-mail：gyyzzx@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.005

X143；TV222

A

2095-6444(2016)03-0018-04