嚴(yán)希培

(三明市水利工作站，福建 三明 365000)

東坑水庫(kù)工程分層取水口方案設(shè)計(jì)

嚴(yán)希培

(三明市水利工作站，福建 三明 365000)

隨著人民群眾生產(chǎn)生活水平的不斷提高，對(duì)水質(zhì)的要求不斷提出新要求，分層取水口設(shè)計(jì)可以解決水庫(kù)運(yùn)行長(zhǎng)久后，庫(kù)區(qū)中植物和其他有機(jī)物腐爛、淤積等問(wèn)題所帶來(lái)的水質(zhì)污染，無(wú)法取到優(yōu)質(zhì)水的問(wèn)題，在工程地形地質(zhì)條件合適的情況下，適用于中小型水庫(kù)的分層取水，有較好的應(yīng)用前景。

東坑水庫(kù)；水質(zhì)；分層取水；方案設(shè)計(jì)；取水口

1 工程概況

寧化縣東坑水庫(kù)工程是福建省第一批實(shí)施的煙草行業(yè)水源工程建設(shè)項(xiàng)目，水庫(kù)位于寧化縣泉上鎮(zhèn)青瑤村境內(nèi)，所在流域?yàn)殚}江上游金溪流域鋪溪支流的蓋洋溪小支流的青瑤小溪河道上，是一座以灌溉為主兼顧泉上鎮(zhèn)及周邊生活用水的小(1)型水庫(kù)工程。水庫(kù)壩址以上集雨面積9.5 km2，大壩為混凝土砌石重力壩，最大壩高38.8m，水庫(kù)正常蓄水位為543.60m，相應(yīng)庫(kù)容為244.2萬(wàn)m3。工程樞紐建筑物包括攔河壩、溢洪道、引水系統(tǒng)及灌區(qū)渠系建筑物等組成。主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按30a一遇洪水設(shè)計(jì)，300a一遇洪水校核。岸塔式取水口由分層閘門(mén)井、交通橋及啟閉房等組成。

2 分層取水的必要性

東坑水庫(kù)工程建設(shè)后承擔(dān)著泉上鎮(zhèn)563hm2耕地的灌溉用水及集鎮(zhèn)群眾3000m3/d的供水任務(wù)。

東坑水庫(kù)正常蓄水位為543.60m，死水位為527.50m，水位變化幅度達(dá)16m，由于水庫(kù)具有分層的特性，季節(jié)變化，水溫分層影響水庫(kù)PH值、溶解氧(Do)、鐵(Fe)、錳(Mn)的垂直分布，PH值、溶解氧(Do)隨水深加深而減少，鐵(Fe)、錳(Mn)等含量隨水深加深而增加，本工程作為泉上鎮(zhèn)直接供水水源，必須取到優(yōu)質(zhì)水源，進(jìn)水口需進(jìn)行分層取水。

水庫(kù)形成后, 優(yōu)質(zhì)原水的供應(yīng)受季節(jié)溫度的影響，使水庫(kù)產(chǎn)生分層現(xiàn)象。如果灌溉取用水庫(kù)底部的水，引用水的水溫較天然水溫將有滯后和坦化的現(xiàn)象，用于農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。農(nóng)作物生長(zhǎng)期灌溉用水一般春秋季灌溉水溫≥10℃-15℃；夏季水溫≥15℃-20℃，以免對(duì)作物生長(zhǎng)不利。水庫(kù)底層水溫偏低，不宜直接用來(lái)灌溉水稻等作物?？紤]灌溉水溫度需滿足水稻生長(zhǎng)的最低要求，宜取用水庫(kù)表層水用于農(nóng)業(yè)灌溉[1]。

3 水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算

3.1 基本資料

1)徑流的年內(nèi)分配，按代表年選擇的原則，將泉上雨量站各水文年平均流量與相應(yīng)設(shè)計(jì)值作比較，從中選出合適的年份。經(jīng)分析比較P=90%的代表年為1991年4月-1992年3月。其徑流年內(nèi)月分配比例見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)代表年徑流年內(nèi)分配表

2)庫(kù)容曲線：據(jù)庫(kù)區(qū)地形圖圈算，求得東坑水庫(kù)水位、庫(kù)容關(guān)系。其成果見(jiàn)表2。

表2 東坑水庫(kù)庫(kù)容曲線表

3)水量損失：①水庫(kù)蒸發(fā)：根據(jù)水文資料可知，東坑水庫(kù)多年平均降水量1804mm，年徑流深1028mm，水面多年平均蒸發(fā)1050mm，則陸面蒸發(fā)為776mm，水庫(kù)年蒸發(fā)損失為64mm, 月蒸發(fā)根據(jù)泉上雨量站資料可查詢。②水庫(kù)月滲漏量按庫(kù)容0.5%計(jì)。

4)水庫(kù)下泄流量：東坑水庫(kù)壩址下游約6km為泉上水庫(kù)大壩，東坑水庫(kù)壩址至泉上水庫(kù)庫(kù)尾只有2.5km，東坑水庫(kù)的興建對(duì)下游生態(tài)環(huán)境影響較小。生態(tài)環(huán)境用水量包括水庫(kù)排泄量、區(qū)間來(lái)水、水庫(kù)滲漏水量及下泄量。東坑水庫(kù)枯水年(P=90%)下泄量按枯水年(P=90%)平均流量的5%即0.01m3/s下泄。其它年份按規(guī)范取多年平均流量的10%即0.03 m3/s下泄。

5)水庫(kù)典型代表年分析：根據(jù)泉上雨量站水文年徑流系列資料參照分析，東坑水庫(kù)P=90%的代表年為1991年4月-1992年3月。

3.2 水庫(kù)水量調(diào)節(jié)計(jì)算

1)水庫(kù)調(diào)節(jié)方式和運(yùn)行方式：東坑水庫(kù)調(diào)節(jié)按滿足灌溉用水需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足灌溉需水的前提下，若水庫(kù)來(lái)水大于灌溉需水量，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行蓄水或棄水調(diào)節(jié)；若水庫(kù)來(lái)水量小于灌溉需水量，則動(dòng)用庫(kù)存水按需水量放水。

東坑水庫(kù)上游沒(méi)有水庫(kù)設(shè)施，因此無(wú)法與上游形成聯(lián)合運(yùn)行條件。但東坑水庫(kù)下游6km處有中型水庫(kù)-泉上水庫(kù)，泉上水庫(kù)灌溉泉上鎮(zhèn)454.5m以下1.4萬(wàn)耕地，而東坑水庫(kù)可以灌溉泉上鎮(zhèn)泉上、聯(lián)群、謝新等村563hm2耕地，同時(shí)可以補(bǔ)充泉上水庫(kù)干渠水量。因此，東坑水庫(kù)可以與泉上水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行，整個(gè)灌區(qū)形成高低灌渠聯(lián)灌，高低灌渠互補(bǔ)。

2)調(diào)節(jié)計(jì)算：東坑水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算是根據(jù)水庫(kù)調(diào)節(jié)方式和運(yùn)行方式進(jìn)行。水庫(kù)調(diào)節(jié)按泉上鎮(zhèn)旱片面積進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)泉上鎮(zhèn)旱片分布，分別確定灌溉耕地面積473hm2、510hm2、563hm2及603hm24種方案進(jìn)行水量調(diào)節(jié)計(jì)算。

4 分層取水口設(shè)計(jì)

4.1 分層取水口方案選擇

根據(jù)水庫(kù)地形特征，在壩體左岸有泉上至延祥公路興建，路寬7m，結(jié)合泉上鎮(zhèn)飲用水質(zhì)要求，進(jìn)水口采用分層取水原則。本階段擬定兩個(gè)工程方案進(jìn)行比較。

方案一：采用岸塔分層式結(jié)構(gòu)。進(jìn)水口由分層閘門(mén)井、交通橋和啟閉房等組成。

閘門(mén)井由攔污柵、取水閘門(mén)井及事故檢修閘門(mén)井組成。進(jìn)水口底板高程526.50m，進(jìn)口段布置一孔垂直的攔污柵。攔污柵后為閘門(mén)段，在535.10m、526.50m兩個(gè)高程設(shè)取水口，535.10m為1#取水口，庫(kù)水位在536.10m以上時(shí)取水。526.50m為2#取水口，庫(kù)水位在527.50m以上時(shí)取水。兩個(gè)取水口均設(shè)置一扇工作閘門(mén)，孔口尺寸為φ0.6m。在工作閘門(mén)之后設(shè)一扇事故閘門(mén)，孔口尺寸為0.8m×0.8m，在閘門(mén)井尾部設(shè)置消力箱。事故閘門(mén)后設(shè)通氣孔。閘門(mén)井長(zhǎng)9.2m，寬4.0m，高24.7m。閘門(mén)井后接消力箱，長(zhǎng)16.0m，同時(shí)由方形斷面漸變成城門(mén)型斷面。閘門(mén)檢修平臺(tái)同壩頂高程為547.50m。

檢修平臺(tái)上部布置框架式啟閉房，啟閉房設(shè)置3臺(tái)手動(dòng)兩用螺桿式啟閉機(jī)。檢修平臺(tái)通過(guò)交通橋與上壩公路連接，交通橋長(zhǎng)12.0m。

方案二：采用豎井分層式結(jié)構(gòu)。進(jìn)水口由分層進(jìn)口段、閘門(mén)井和啟閉房組成。

閘門(mén)井與方案一相同，只是進(jìn)口段在閘門(mén)井與水庫(kù)取水口間各設(shè)置一條隧洞相通。隧洞尺寸為1.6m×1.8m，在隧洞取水口前各設(shè)置一孔攔污柵。

對(duì)上述兩種方案進(jìn)行工程可比費(fèi)用經(jīng)濟(jì)比較，詳見(jiàn)表3。

4.2 分層取水口工程布置

根據(jù)水庫(kù)工程總體布置，取水口布置在大壩左岸上游約150m岸坡處。岸塔式取水口由分層閘門(mén)井、交通橋及啟閉房等組成。

本工程水庫(kù)為穩(wěn)定分層型水庫(kù)，水庫(kù)水質(zhì)沿水深方向呈分層結(jié)構(gòu)。為避開(kāi)水質(zhì)較差的水層，取水質(zhì)較好的表層水，因本工程水位變化幅度僅16m，如果按取水口分層越多越有利于水質(zhì)及水溫的要求設(shè)置，會(huì)對(duì)工程布置和管理運(yùn)行造成較大不便，且工程投資將隨層數(shù)增加而加大。根據(jù)水庫(kù)興利庫(kù)容和運(yùn)行調(diào)度方式，取水口分層按8m左右控制，采用雙層取水結(jié)構(gòu)，在535.10m、526.50m兩個(gè)高程分設(shè)取水口，535.10m為1#取水口，庫(kù)水位在536.10m以上時(shí)取水。526.50m為2#取水口，庫(kù)水位在527.50m以上時(shí)取水。

閘門(mén)井由攔污柵、取水閘門(mén)井及事故檢修閘門(mén)井組成。進(jìn)水口底板高程526.50m，進(jìn)口段布置一孔垂直的攔污柵。兩個(gè)取水口各設(shè)置一扇工作閘門(mén)，閘門(mén)尺寸為0.6m×0.6m。在工作閘門(mén)之后設(shè)一扇事故閘門(mén)，孔口尺寸為0.8m×0.8m。在閘門(mén)井尾部設(shè)置消力箱。事故閘門(mén)后設(shè)通氣孔。閘門(mén)井長(zhǎng)9.2m，寬4.0m，高24.7m。閘門(mén)井后接消力箱，長(zhǎng)16.0m，同時(shí)由方形斷面漸變成城門(mén)型斷面與引水隧洞銜接。

閘門(mén)檢修平臺(tái)高程為547.50m，檢修平臺(tái)上部布置框架式啟閉房，啟閉房設(shè)置3臺(tái)LQ-20T手動(dòng)兩用螺桿式啟閉機(jī)。檢修平臺(tái)通過(guò)交通橋與上壩公路連接，交通橋長(zhǎng)12.0m，分兩跨，每跨長(zhǎng)6.0m，中間設(shè)一橋墩，橋面寬2.0m，采用簡(jiǎn)支梁現(xiàn)澆C25混凝土結(jié)構(gòu)。

表3 方案投資可比費(fèi)用比較表

由上表可以看出，方案一明顯比方案二投資更省。從施工角度看，方案一較易些，方案二要進(jìn)行豎井開(kāi)挖，由于本身地質(zhì)條件較差，施工難度較大些。綜合上述分析，本階段采用方案一，即采用岸塔式分層取水方案。

4.3 分層取水口運(yùn)行方式

事故檢修閘門(mén)均可在任何水位動(dòng)水啟閉，而取水閘門(mén)在相應(yīng)的庫(kù)水位取水運(yùn)行。當(dāng)庫(kù)水位在536.10m以上時(shí)，由1#取水口閘門(mén)取水；當(dāng)庫(kù)水位在527.50-536.10m時(shí)，由2#取水口閘門(mén)取水。正常運(yùn)行時(shí)，因庫(kù)水位變化需轉(zhuǎn)換取水閘門(mén)，應(yīng)先開(kāi)啟所需的取水閘門(mén)，然后關(guān)閉其他運(yùn)行的取水閘門(mén)。事故檢修閘門(mén)應(yīng)處于全開(kāi)或全閉狀況，不應(yīng)處于半開(kāi)半閉狀況。

5 工程效益分析

從東坑水庫(kù)項(xiàng)目工程本身國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)看，計(jì)算的經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率10.91%；大于社會(huì)折現(xiàn)率8%，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值1,851.90 萬(wàn)元(is=8%)，>0；經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比1.27 ，>1，表明工程的建設(shè)實(shí)施是經(jīng)濟(jì)合理的。

寧化縣東坑水庫(kù)岸塔式取水口自2015年12月建成，在下閘蓄水后已試運(yùn)行一年多時(shí)間，運(yùn)行過(guò)程中取水閘門(mén)在不同庫(kù)水位時(shí)變換方便，閘門(mén)啟閉正常，運(yùn)行情況良好。

6 結(jié) 語(yǔ)

寧化縣東坑水庫(kù)的建設(shè)，通過(guò)取水口分層取水，保證取到水質(zhì)較好的表層水，同時(shí)提高農(nóng)業(yè)灌溉用水水溫，有效解決了寧化縣泉上鎮(zhèn)集鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉用水問(wèn)題。

分層取水設(shè)計(jì)可以解決水庫(kù)運(yùn)行長(zhǎng)久后，庫(kù)區(qū)中植物和其他有機(jī)物腐爛、淤積等問(wèn)題所帶來(lái)的水質(zhì)污染，無(wú)法取到優(yōu)質(zhì)水的問(wèn)題，在工程地形地質(zhì)條件合適的情況下，適用于中小型水庫(kù)的分層取水，有較好的應(yīng)用前景。

[1]林曉麗.文坑水庫(kù)岸塔式分層取水口設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技，2013(09)：68-69.

TV671

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1007-7596(2017)09-0119-03

2017-08-25

嚴(yán)希培(1983-)，男，福建三明人，工程師，從事水利水電工程建設(shè)與管理工作。