侯業(yè)楹

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

0 引 言

貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，為Ⅰ等大(1)型工程。夾巖水庫正常蓄水位1323m，總庫容13.25億m3，城鄉(xiāng)供水4.581億m3/a，毛灌溉供水量為2.35億m3/a，由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3部分組成。夾巖水庫蓄水后將出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象，為減緩低溫水對下游水生生態(tài)環(huán)境、灌溉造成不利影響，對分層取水口操作方案進行研究[1]。

1 壩前垂向水溫預測結果

采用平水年來水條件下夾巖水庫調(diào)度運行作為預測方案，對夾巖水庫進行三維水溫模擬預測。

圖1 夾巖水庫水溫模擬范圍

根據(jù)水庫各月垂向水溫模擬結果，選取壩前水溫垂向分布結果作為庫水溫垂向分布情況及取水水溫分析。各月庫區(qū)的表層、底層水溫變化與天然水溫關系如圖2所示，壩前水溫垂向分布如圖3所示。與天然水溫相比，水庫的熱量調(diào)蓄作用比較明顯，4-8月水庫水溫比起天然水溫低，但11月—次年1月，水庫水溫比天然水溫稍高。從模擬分析結果可知，夾巖水庫庫區(qū)水溫處于常年分層狀態(tài)，屬于典型的水溫分層型水庫。1-2月為低溫期，受庫區(qū)氣溫和太陽輻射較低影響，溫度垂向分布出現(xiàn)輕微逆溫現(xiàn)象；3-5月份為升溫期，隨著庫區(qū)氣溫和太陽輻射大幅度上升，水體溫度逐漸攀升，表層水溫增速更為明顯，從3月的12.87℃升至8月份的19.16℃；由于水庫的調(diào)蓄作用，水庫表層年最高水溫出現(xiàn)在9月份，10-12月為降溫期，隨著入流水溫、氣溫和太陽輻射的逐漸下降，水體向大氣散失熱量而開始降溫，溫度躍層現(xiàn)象減緩?？傮w上，庫區(qū)表底層溫差隨著季節(jié)的變化呈現(xiàn)出由春季、夏季、秋季至冬季的由小到大再到小的過程。

2 分層取水口設計

2.1 灌溉取水口

根據(jù)水溫預測成果，灌溉雙層取水方案對于水稻等對水溫敏感的農(nóng)作物生長期3-9月的升溫作用不明顯，灌溉供水進入附廓水庫后將與水體進行混合，經(jīng)過3天以上的滯留后水溫可基本恢復天然水溫，主干渠進入附廓水庫前的織納、理化、林錦灌區(qū)主要種植旱作作物，對水溫要求不高，灌溉取水推薦單層取水方案。

圖2 壩前垂向斷面不同水深水溫年內(nèi)過程線 圖3 夾巖水庫壩前斷面水溫垂向分布

2.2 發(fā)電取水口

為減輕低溫水下泄對壩下水生生物及魚類資源的影響，推薦兩層取水口方案。經(jīng)研究，進水口采用岸塔式，進水口下層底板高程綜合考慮水庫淤沙高程、死水位和淹沒深度控制確定為1294.5m，上層底板高程 1303m[2]。

圖4 分層取水口結構設計圖

3 分層取水口操作方案研究

3.1 分層取水口操作運行要求

灌溉取水口采用單層取水方案，發(fā)電取水口采用兩層取水方案。

表1 發(fā)電取水口兩層取水操作運行要求

當水庫水位在1315-1323m(正常蓄水位)之間時，采用上層取水口。

當水庫水位在1305m(死水位)-1315m之間時，采用下層取水口。

3.2 不同典型年取水口運行方案研究

采用夾巖水庫庫區(qū)水溫預測成果為依據(jù)，從工程安全運行(保證淹沒水深)、可操作和保護生態(tài)環(huán)境(保證魚類繁殖期的需求和改善部分季節(jié)低溫水下泄的狀況)的角度出發(fā)，對豐平枯水年的分層取水口運行進行調(diào)度研究。

根據(jù)豐平枯水年庫區(qū)水位運行成果，得到夾巖水庫各典型年取水口運行方案如下。豐水年、平水年庫水位全年均在1315m以上，均采用上層取水口。枯水年3月下旬-7月上旬，水庫水位在1309.3-1314.97m之間，采用下層取水口；7月中旬-次年3月中旬，水庫水位在1315m以上，采用上層取水口[3]。

表2 各典型年取水口運行方案研究

續(xù)表2 各典型年取水口運行方案研究

3.3 閘門操作運行方式研究

水庫取水時根據(jù)水庫水位情況依次開啟或關閉各層隔水閘門以實現(xiàn)分層取水，即取水庫的表層溫水來滿足下游生態(tài)用水的要求，同時確保金屬結構設備良好、穩(wěn)定運行，綜合確定閘門操作運行方式如下[4-5]。

1)攔污柵功能及調(diào)度方案

在壩后電站取水口進口處設置有2套攔污柵，攔污柵的孔口尺寸均為5.4m×37m(寬×高)，攔污柵的型式采用露頂平面直立活動式攔污柵，攔污柵的底檻高程均為1292.00m，設計水位差均為4m，攔污柵運行方式為靜水啟閉，啟閉過程中上、下游水位差≤3m。當取水口正在引水發(fā)電或下放生態(tài)水時，攔污柵應處于攔污狀態(tài)，嚴禁啟吊攔污柵。當下游不需要取水時可進行攔污柵的啟吊。

2)上層(1#)隔水閘門功能及調(diào)度方案

上層(1#)隔水閘門底檻高程為1303.00m，孔口尺寸為6.8m×6.8m(寬×高)，運行方式為動閉靜啟。主要用于能取水庫的表層溫水來滿足下游生態(tài)用水的要求，同時兼作事故閘門，當下游需要維護檢修或出現(xiàn)事故時動水閉門。

調(diào)度方案：上層(1#)隔水閘門最高運行水位為1323.00m，即正常蓄水位，最低運行水位1315.00m，最高擋水水位考慮為上游校核洪水位為1326.01m。為滿足取表層溫水的取水需要，在水庫取水時段，當水庫庫水位在1315.00m以上時，打開上層(1#)隔水閘門取水，此時下層(2#)隔水閘門處于關閉擋水狀態(tài)，只有當下游需要維護檢修或出現(xiàn)事故時動水關閉上層(1#)隔水閘門，在維護檢修或事故處理完畢后，閘門先充水平壓后靜水啟門。

3)下層(2#)隔水閘門功能及調(diào)度方案

下層(2#)隔水閘門底檻高程為1292.00m，閘門的孔口尺寸為6.8m×6.8m(寬×高)，運行方式為動閉靜啟。

調(diào)度方案：下層(2#)隔水閘門最高運行水位為1315.00m，最低運行水位1305.00m，最高擋水水位考慮為上游校核洪水位為1326.01m。為滿足取表層溫水的取水需要，在水庫取水時段，當水庫庫水位在1315.00m-1305.00m時，打開下層隔水閘門取水，此時上層(1#)隔水閘門處于關閉擋水狀態(tài)。

2套隔水閘門均設置有1套水位差儀，便于監(jiān)測隔水閘門開啟時的水位及流量等，方便隔水閘門的調(diào)度運行。

4 水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)

僅根據(jù)水溫預測成果進行，運行期與實際水溫分布可能存在一定差距。因此，運行期設置水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)，在庫區(qū)和壩下建立水溫監(jiān)測點，通過觀測水庫來水天然水溫與下泄水溫及其對比情況，分析分層取水措施對提升下泄水溫的效果，從而為優(yōu)化分層取水方案及運行方式提供基礎數(shù)據(jù)。

表3 分層取水口水溫恢復效果觀測計劃表

4.1 壩前水溫在線觀測

壩前垂向溫度鏈沿面板表面布置，底部位于水平趾板上。高程1265-1323m段，每隔2m高程布置一個溫度傳感器，高程1220-1265m，每隔5m高程布置一個溫度傳感器，共布置39個溫度傳感器，測點的數(shù)據(jù)采集為實時數(shù)據(jù)采集。

4.2 發(fā)電取水口水溫在線觀測

發(fā)電取水口前溫度鏈沿取水口建筑物垂直布置，底部位于取水口底板高程。從取水口底板高程1292m至正常蓄水位1323m，每隔1m高程布置一個溫度傳感器，共布置32個溫度傳感器，測點的數(shù)據(jù)采集為實時數(shù)據(jù)采集。

4.3 尾水渠、總干渠入口在線水溫監(jiān)測點

在發(fā)電廠房的尾水渠擋墻、總干渠入口側(cè)墻上，各布設一個在線水溫監(jiān)測點，監(jiān)測點高程1207.50m，測點的數(shù)據(jù)采集為實時數(shù)據(jù)采集。

4.4 水溫在線監(jiān)測軟件系統(tǒng)

溫鏈數(shù)據(jù)需包括溫度鏈點位分布圖、縱切面溫度分布圖和單鏈實時溫度數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析并形成分析圖，水深/溫度關系圖、高程/溫度關系圖、等溫線高程變化圖、水文氣象/溫度關系圖、不同季節(jié)水溫與水深關系圖、取水口水溫與廠房尾水水溫對比圖、水溫與氣溫關系圖等。

5 結 論

夾巖水利樞紐工程水溫分層結構研究，在三維預測庫區(qū)水溫分層的前提下，結合工程實際情況，提出水溫分層結構設計。結合環(huán)保、水文、水工、金屬結構等多專業(yè)研究結果提出分層取水口操作運行方案，根據(jù)取水口閘門特性制定閘門調(diào)度操作方案。為研究分層取水口實施效果，運行期設置水溫在線監(jiān)測系統(tǒng)，為優(yōu)化分層取水方案及運行方式提供基礎數(shù)據(jù)。文章對夾巖水利樞紐工程分層取水口操作方案進行全過程研究，以期對其他水利工程提供參考。