叠梁门分层取水对下泄水温的改善效果

傅菁菁，李 嘉，芮建良，汤优敏

(1. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；

2. 中国电建华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014)

叠梁门分层取水对下泄水温的改善效果

傅菁菁1,2，李 嘉1，芮建良2，汤优敏2

(1. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；

2. 中国电建华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014)

水库升温期泄放低温水现象是大中型水电工程普遍面临的环境问题．叠梁门分层取水是提高水库下泄水温的有效工程措施，也是水电工程生态环境保护尤其是水生态保护的重要手段．以滩坑水电站叠梁门分层取水设施投入运行前后的水温观测为基础，从水库调度过程和不同取水口形式等方面分析了叠梁门运行对下泄水温的改善效果．针对库区坝前水温和发电下泄水温对分层取水措施的响应规律，探讨了通过调整门顶水深进一步改善下泄水温的可行性．认为滩坑水库较大的垂向温差是形成下泄低温水的主要原因，叠梁门门顶水深对下泄水温具有决定性影响，应尽可能降低门顶水深以提高下泄水温．提出了优化叠梁门设计及运行管理的建议．

叠梁门；分层取水；低温水；水库；叠梁门门顶水深

水温是影响河流水质的关键因素[1]．水电站建成运行后，水库调蓄改变了原有河流的径流过程，由于水体在库内滞留时间延长，在重力和浮力共同作用下，垂向水温呈现出分层现象．特别是多年调节水库或年调节水库，有可能形成稳定的水温分层结构．库表水体由于流动缓慢及受气象等条件作用，表层水温增加、营养物质富集，导致水质变差，严重时发生“水华”现象[2-3]．水库中底部水体常年处于低温状态[4-5]，水库在春夏之交的升温期向下游泄放低温水，在流域水电梯级开发情况下低温水还将产生累积效应[6-7]，加剧对下游水生环境的影响．水电站引水发电进水口高程通常在水库死水位以下，进水口淹没水深较大，春夏季节电站下泄水温较天然水温有所降低，下游低温水恢复距离长约100,km以上，从而带来一系列低温水影响，将影响河道鱼类的产卵繁殖、生长发育甚至导致物种的消失[8-9]，造成灌溉农业物减产等．

随着环境保护意识的加强和对低温水危害认识的提高，越来越多的水温分层水库都需要采取措施以避免或减少低温水的影响，其中最有效也是最直接的工程措施是对水库实施分层取水，以取用水库表层温水[10]．早期分层取水大多应用于一些中小型工程，尤其是以灌溉为主要功能的水库，取水流量较小，取水方式有利用水力控制分层取水设施、机控分层取水设施等．水力控制分层取水设施有浮式板型、浮式管型和多层水力自动翻板型．机控分层取水设施有塔(井)式、斜卧式和圆筒式等．近年来，随着大型水电工程的大量兴建，分层取水向大流量、大结构方向发展，主要型式为多层取水口与叠梁门取水口结构．国外对电站的分层取水效果进行了研究，如美国沙斯塔大坝经分层取水改建后，下泄的水流几乎在所有时间都能满足切努克鲑鱼的水温要求．我国已建成的叠梁门分层取水水电工程有浙江滩坑水电站、贵州光照水电站、云南糯扎渡水电站等，但具有系统水温观测和生态观测的工程实例很少．

目前我国正在进行一大批大型水利水电工程建设并在工程设计中考虑了分层取水措施，以减缓电站下泄低温水对生态环境的影响．高学平等[11]对糯扎渡水电站多层进水口的下泄水温进行了三维数值模拟，认为进水口叠梁门分层取水方案对提高下泄水温有较为明显的作用．章晋雄等[12]和高学平等[13-14]分别结合锦屏一级、糯扎渡的叠梁门分层取水进水口布置开展了水工模型试验，提出了基于热通量守恒的模型相似理论．但目前关于大型水库分层取水水温改善效果的原型观测研究仍鲜见报道．开展分层取水措施工程运行对水温影响的观测研究，对优化分层取水工程设计及管理具有非常重要的参考价值．

本文根据滩坑水电站叠梁门分层取水设施运行水温观测成果，分析研究了大型电站分层取水设施的运行对改善下泄低温水的效果，并进一步探讨了提高分层取水效果的途径与方法．

1 滩坑水电站概况

滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪中游河段．工程应用以发电为主，兼顾防洪并有其他综合利用效益．坝址以上控制流域面积为3,300,km2，坝址多年平均径流量为37.8×108,m3；水库正常蓄水位160.0,m，相应回水长度80.0,km，死水位120.0,m，正常运行水位变幅为40.0,m；总库容41.90×108,m3，调节库容21.26×108,m3，具有多年调节性能．工程拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程171.0,m，最大坝高162.0,m，坝顶长度507.0,m．

根据经验法判断水库水温结构，滩坑水库库水年内替换0.9次，为稳定分层型水库，可能存在下泄低温水现象并对下游水生生物的生存、繁殖等造成影响．鉴于此，提出了采用叠梁门实现分层取水以尽量减少下泄低温水影响的工程措施．叠梁门槽布置于进水口前缘，每个进水口各2孔，相邻进水口间再布置1孔，共8孔，孔口宽5.5,m；共布置有6孔叠梁门，每孔叠梁门由8节组成，每节5.0,m．根据取水深度要求和进口流速，叠梁门设置高程为95.0～135.0,m；水库水位在150.0,m以下时，确保叠梁门顶的取水厚度为10.0～15.0,m；水库水位在150.0,m及以上时，确保叠梁门顶取水厚度在15.0～25.0,m之间．滩坑水电站叠梁门进水口分层取水方案剖面布置如图1所示．

图1 分层取水进水口叠梁门控制方案剖面Fig.1 Profile of stoplog gate in the water-level-selection intake

电站于2004年10月开工建设，2008年5月下闸蓄水，2009年7月3台机组全部发电，2010年叠梁门分层取水设施开始正常运行．

2 原型观测方案

2.1 观测时间及布点

坝前垂向水温观测位于坝前1,km断面深泓线，观测时段为叠梁门正常运行期间的2010年8月1日、8月15日、9月15日、10月15日以及2011年1月15日、3月15日、4月15日和5月15日．

对表层水温的观测主要布置了水库库尾、坝前和电站尾水3处点位．水库蓄水初期(叠梁门不运行)的观测时段为2008年、2009年全年及2010年1月—4月．水库正常运行(叠梁门运行)的观测时段为2010年7月16日—10月、2011年1月及3月—5月.

2.2 观测方法

采用自容式HY1200B声速剖面仪进行垂向水温的观测，深度测量范围为0～200.0,m，深度精度为±0.4,m，温度测量范围为0～40.0,℃，温度精度为±0.1,℃．

表层水温观测使用内标式玻璃水温计，温度精度±0.1,℃，水温计放置水面以下0.5,m处停留5,min以上再进行读数，每日8时、14时和20时定时观测．

3 观测结果分析

3.1 坝前垂向水温分布特性

图2为2010年—2011年滩坑水库叠梁门运行后坝前1,km的坝前垂向水温分布．可以看出，水库的水温分层现象主要发生在升温期和高温期，春季(2011年4月—5月)温跃层较薄且温差较小，夏秋季(2010年8月—9月)温跃层厚度有所增加且温差变大；进入降温期10月以后，水库水体受气象条件影响发生垂向密度对流掺混，逐渐在库表形成同温层，至冬季出现垂向同温现象．由于叠梁门运行后，叠梁门的最大取水范围为表层至水下25.0,m，水体表层流动抑制了热量向库底传递，水温分层时期的垂向温差主要集中在库表以下水深30.0,m以上区域，表层最高水温达到31.9,℃，而库底部水温仅为12.3,℃，表层温跃层的温度梯度最高达到0.6,℃/m(2010年8月15日)；水下30,m至库底，受水库流动和气象条件影响较小，垂向基本同温，且年内变化较小，在10.8～12.3,℃间变化．

图2 水库坝前1,km各月实测垂向水温分布Fig.2Water temperature distribution (vertical) of the section which 1,km away from the dam of the reservoir，month to month

3.2 蓄水期电站下泄水温变化

滩坑水库于2008年5月开始下闸蓄水，2008年7月底首台机组发电，2008年6月底水库水位达到110.0,m，2009年2月1日以前水库水位控制在110.0～111.5,m之间．2009年2月1日以后开始逐渐抬高水库水位．蓄水期间，出库流量变化过程较大，最高下泄流量为550,m3/s，且有较长时间不下泄流量．蓄水期具体调度过程见图3．蓄水期叠梁门未运行．

图3 2008年5月—2010年4月水库调度过程Fig.3 Water depth changes from May，2008 to April，2010

根据蓄水期的电站尾水水温观测数据(见表1)，2008年由于水库处于蓄水初期，水库水位较低，电站发电取用表层水体而春夏季无下泄低温水现象．2009年，水库运行水位在110.3～147.8,m之间，入库水体在库区的停留时间增加，且电站取水口前的水深逐渐增大，水库对下泄水温的影响明显加强，5月—8月电站下泄水温较坝址天然水温平均降低5.1,℃，最大降低幅度为8.3,℃(8月)；电站下泄低温水影响一直推迟到9月，5月—11月的下泄水温比较稳定，在19.1～22.5,℃之间变化；12月电站泄水水温较坝址天然水温升高6.0,℃，凸显出冬季高温水现象．考虑到蓄水期存在明显的间歇性停机现象，停机时电站尾水水体温度受气象条件作用将有所升温，则月均下泄水温较实测水温应有所降低．由此可见，蓄水期水库水位虽未达到正常运行情况，但升温期间和高温期间(2009年4月—8月)的进水口底板高程距水面达27.6～52.8,m，坝前水深较大，电站不能取用表层温水，其下泄水温已具有明显的低温水影响．滩坑水库正常运行后，坝前水深进一步增加，电站下泄低温水的现象将更为突出，应根据水库水位变化情况启用叠梁门以提高电站的下泄水温．

表1 滩坑水库坝址处蓄水期下泄水温Tab.1 Discharge water temperature of Tankeng reservoir in the impound period ℃

3.3 叠梁门对下泄水温的改善效果分析

滩坑水电站蓄水期尚未启用叠梁门，为减缓电站下泄低温水影响，2010年春季后开始启用叠梁门实施分层取水．运行期间水库的水位变化较小，变化范围147.0～156.2,m，平均运行水位151.3,m，8层叠梁门均投入运行．

图4给出了叠梁门运行后电站尾水实测月均水温与坝址天然水温的比较．

图4 叠梁门运行前后尾水水温比较Fig.4 Comparison of tail water temperature before and after running the stoplog gate

与坝址天然水温相比，2011年3月—5月及2010年7月—9月电站下泄水温均有所降低，2010年7月降低幅度达8.0,℃，8月降低6.0,℃，2011年5月降低5.5,℃，即使叠梁门运行后仍存在明显的下泄低温水现象．水库进入降温期后，水库垂向水体逐渐形成同温现象，叠梁门运行对下泄水温影响较小，但水库的蓄热作用开始体现，表现出下泄水温较坝址天然水温有所升高的现象．

表2 坝前垂向观测水温特征值与电站尾水实测值比较Tab.2 Comparison between the observational water temperature distribution (vertical) characteristic value of the dam and measured tail water temperature ℃

表2给出了2010年8月—2011年5月叠梁门运行期间滩坑水库坝前垂向观测水温特征值与对应时段的电站尾水监测水温．叠梁门运行后，叠梁门顶高程以上的水体为流动层，水体的水平流动抑制了热量向下传递，表层1.0,m处与叠梁门顶处水温差异明显，5月15日、8月15日、9月15日的温差高达6.0,℃、13.1,℃、11.4,℃，而此时段电站尾水水温较叠梁门顶处仅分别提升了0,℃、2.7,℃和2.7,℃．由于叠梁门顶水深较大，叠梁门取得的水体主要是门顶附近一定区域内的水体，对表层温水水体的取用有限．取水口中心线处坝前水体温度由于叠梁门的挡墙作用，温度稳定且较低，变化范围为11.4～13.0,℃，5月15日、8月15日、9月15日取水口中心线温度与表层水温相比降幅达10.1,℃、19.8,℃、18.2,℃，较叠梁门顶处水温偏低幅度分别为4.1,℃、6.7,℃、6.8,℃．

为进一步分析叠梁门较单层取水口改善电站下泄水温的效果，采用垂向一维水温数学模型(模型及参数参见文献[15])对2010年8月—2011年5月期间电站采用单层取水的坝前垂向水温及下泄水温过程进行了模拟．入流水温采用对应时段的库尾实测过程，对于缺测月份(2010年11月、12月，2011年2月)，采用2008年与2009年对应时间的实测均值．气象条件采用对应时段的库周丽水县气象站资料．调度资料采用水库的实际调度过程．坝前垂向水温初始场采用2010年8月1日的实测结果．

根据滩坑水库单层取水条件下(表3)的模拟成果，电站的下泄低温水影响较为显著．与坝址多年平均天然水温相比，电站单层取水的下泄水温在3月—5月平均降低幅度为6.5,℃，最大降低幅度达到10.5,℃(5月)；8月—10月平均降低幅度为11.2,℃，最大降低幅度达到15.3,℃(8月)．电站单层取水口由于取水深度较大，取水口底板位于水面以下52.0～60.0,m，电站长期取用坝前中下层水体，加之水库调节性能较强，电站下泄水温年内变化幅度较小(变化幅度约为4.7,℃)且温度较低(平均温度约为13.0,℃)．

叠梁门的运行将电站取水深度较单层取水口提高了近40.0,m，升温期电站下泄水温平均提高了5.7,℃，与坝址天然水温的最大降幅仅为6.0,℃，比运行前的15.3,℃降幅缩小9.3,℃，说明叠梁门对于提高下泄水温是较为有效的．

表3 叠梁门分层取水的温升效果Tab.3 Effect of rising discharge water temperature by using water-level-selection with stoplog gate ℃

4 进一步改善叠梁门运行条件提高下泄水温的可行性分析

叠梁门分层取水的基本原理是根据水库水位变化而调整进水口门顶水深，从而尽可能取用水库表层水发电而提高下泄水温．根据滩坑水库坝前水温分布(见图2)，在春夏季节，库表形成了温跃层，温度梯度高达0.6,℃/m，如能采取相应措施使电站取得叠梁门顶上方更上层温水，则可以进一步提高电站下泄水温．结合水库调度资料，本文研究了降低叠梁门顶水深提高下泄水温的可能性．

图5给出了滩坑水库2010年7月—9月(夏秋季节)和2011年4月—5月(春季)的逐日下泄水温、库表水温及叠梁门顶水深的变化过程．

图5 叠梁门顶水深与库表水温及下泄水温的关系Fig.5Relationship between the water depth of the top of stoplog gate and surface water temperature and discharge water temperature

2010年7月中旬至8月底，水库表层水温较高，水库分层明显，温跃层位置较高，水库水温垂向上下降很快，尽管实施了分层取水，但下泄水温仍较库表水温平均下降9.3,℃；同时叠梁门顶水深不断下降，下泄水温则呈上升趋势，表明这段时期门顶水深会影响到下泄水温的高低；9月，库表水温开始下降，水库逐渐蓄水抬高水位，导致门顶水深增加，但下泄水温并没有因此呈现下降趋势，这主要是由于9月后温跃层趋深，水库表层逐渐形成同温层．2011年4月—5月，水库水温进入升温期，随着水库水位的变化，均有门顶水深下降下泄水温升高、门顶水深增加下泄水温下降的趋势；但下泄水温升高的趋势要比库表水温升高趋势明显缓慢，导致下泄水温与库表水温的温差不断加大，4月平均低5.0,℃，而5月平均低7.3,℃，表明这段时间水库温跃层正快速形成，门顶水深与下泄水温关系更为密切，特别是进入5月，门顶水深一般在15.0,m以上，下泄水温与库表水温差一般在6.0～10.0,℃，水温下降较明显，因此在升温期仍有进一步减少门顶水深以提高下泄水温的必要性与可能性．

滩坑水库运行的叠梁门单节高5.0,m，要求控制门顶水深不小于10.0,m，水库运行水位在147.0～156.2,m之间，因此在现有条件下这一区间水位运行难以有效降低门顶水深．如能降低水库运行水位或增加一层叠梁门，则可进一步降低门顶水深，有利于提高下泄水温．

5 结 论

(1) 根据坝前垂向水温实测数据，滩坑水电站为典型的稳定分层结构，其温跃层一般在水深30.0,m以上，春夏季上下层温差较大，易导致出现下泄低温水现象．

(2) 水库蓄水期，水库的运行水位相对较低，但春夏季节电站下泄水温较坝址天然河道水温明显下降，表现出明显的低温水影响；至秋冬季节，下泄水温较坝址天然多年平均水温有所升高，开始凸显高温水效应．

(3) 电站实施叠梁门分层取水后，由于叠梁门顶距离水库表层约12.0～21.2,m，门顶上方的表层温跃层内温度梯度较大，电站发电主要取得门顶附近水体而非完全的表层水体，使得下泄水温较坝址天然水温仍有所降低，2010年7月降低幅度达8.0,℃，8月降低6.0,℃，2011年5月降低5.5,℃．而秋冬季节分层取水作用较小，水库的蓄热作用使得下泄水温较坝址天然水温有所升高．

(4) 与单层取水口下泄水温相比，叠梁门取水的下泄水温平均升高了5.7,℃，与坝址天然水温的最大降幅从单层取水的15.3,℃缩小至6.0,℃，说明实施叠梁门分层取水后温升效果良好．

(5) 叠梁门门顶水深与下泄水温具有密切的关系，特别是在升温期，门顶水深对下泄水温影响很大，应尽可能降低门顶水深以提高下泄水温．滩坑水库如能降低水库运行水位或增加一层叠梁门，将有利于提高电站下泄水温，较好发挥叠梁门取用表层温水的作用．因此，对于我国正将实施叠梁门分层取水设施的大型水电项目，应特别对叠梁门顶水深以及叠梁门高对下泄水温改善效果进行研究，在满足叠梁门运行灵活性的同时，使得叠梁门在工程实际运行中取得较好的分层取水效果．

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(责任编辑：金顺爱)

Raising Discharge Water Temperature by Using Water-Level-Selection with Stoplog Gate

Fu Jingjing1,2，Li Jia1，Rui Jianliang2，Tang Youmin2
(1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2. Power China Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 310014，China)

The discharging of low temperature water during the air temperature rising period becomes a general environmental problem that the large and middle hydropower works are facing. Taking water from different layers with stoplog gate is effectively applied to warming up the discharged water and protecting the environment，especially the aquatic environment of the hydropower works. Based on the observed water temperature data before and after the use of stoplog gate in Tankeng hydropower station，the rise in the discharged water temperature was analyzed by using the stoplog gate，from the aspects of the reservoir operation process and different water intake types. Furthermore，considering the temperature's feedback to the use of taking water from different layers with stoplog gate，we discussed the feasibility of rising discharged water temperature by adjusting water depth above the top of stoplog gate. Results suggest that the vertical temperature difference of Tankeng hydropower station is mainly influenced by the discharging of low temperature water. The water depth above the top of stoplog gate has a decisive influence on the discharge water temperature. So we should decrease water depth above the top of stoplog gate as much as possible to raise the discharge water temperature. Some further suggestions about design and operation management of the stoplog gate are also proposed in this research.

stoplog gate；taking water from different layers；low temperature water；reservoir；water depth above the top of stoplog gate

TV211

A

0493-2137(2014)07-0589-07

10.11784/tdxbz201305038

2013-05-06；

2013-06-05.

国家自然科学基金资助项目(50679094).

傅菁菁（1976— ），女，博士，高级工程师，fu_jj@ecidi.com.

李 嘉，lijia6202@gmail.com.

时间：2013-06-13.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20130613.1718.001.html.