贵州光照水电站叠梁门分层取水效果监测

陈栋为，陈国柱，赵再兴，徐海洋，夏豪，郭艳娜，范欣柯

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳　550081)



贵州光照水电站叠梁门分层取水效果监测

陈栋为，陈国柱，赵再兴，徐海洋，夏豪，郭艳娜，范欣柯

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

以国内最先建成叠梁门分层取水措施的贵州光照水电站为例，结合其运行特征制定分层取水效果监测方案并予以实践，通过坝前不同高程监测、两个引水洞叠梁门不同高程对比监测、下游尾水监测、发电进水钢管水温监测等方式与组合，探索分层取水措施效果监测技术方法，分析监测成果对光照水电站叠梁门运行效果的反映情况，初步总结目前监测手段存在的困难与不足，并提出后续优化建议。

叠梁门；分层取水；水温监测；光照水电站

叠梁门取水作为常用的低温水影响减缓工程措施，在国内外水利水电工程中均有大量应用实例和成熟经验[1-7]。光照水电站叠梁门分层取水结构是目前国内最典型的分层取水措施之一。电站建成运行后，相关研究成果显示，叠梁门有效地减缓了下泄低温水对北盘江干流水温的影响[8]。

根据目前光照水电站水温监测情况，存在坝前、坝体、进水口以及尾水等水温监测点，其监测数据不尽相同。本研究通过对不同监测方式的水温监测结果以及不同高程的叠梁门运行组合进行对比[9-10]，探索分层取水措施效果监测技术方法，分析监测成果对光照水电站叠梁门运行效果的反映情况，总结目前监测手段及叠梁门运行调度存在的困难与不足，并提出后续优化建议。

1　光照水电站叠梁门分层取水措施概况

1.1光照水电站工程概况

光照水电站位于贵州省关岭县和晴隆县交界处，地处红水河上游左岸最大支流北盘江上，正常蓄水位745 m，库容32.45×108m3，为不完全多年调节型水库。水库大坝为碾压混凝土重力坝，坝高195.5 m，坝顶高程750.5 m，坝顶长度410 m。溢洪道型式为坝身敞开式，堰顶高程745 m。

电站叠梁门取水设施主要由直立式拦污栅、叠梁闸门、喇叭口段、检修闸门段等组成，为6孔叠梁门，进水口底板高程670 m，顶部高程750.5 m，分为1#和2#两个相对独立对称的进水室，垂向分为6个取水口，每个取水口宽度7.5 m，门顶最低运行水深15 m。

1.2叠梁门运行调度概况

叠梁门操作采用2×320 kN门机，依据水库水位涨落情况控制叠梁门启闭。根据叠梁门设计要求，在鱼类产卵繁殖期保证叠梁门门顶水深为15～18 m，当叠梁门门顶水深小于15 m时，则提起一节叠梁门；当门顶水深大于18 m时，则放下一节叠梁门。

根据光照水电站开展水温监测的时间，选择了2个叠梁门调度的典型代表时段，分别为2009—2010年试运行期间、2014年电站运行期水温分层明显且下游水生生态系统对水温较敏感的时段。2009—2010年试运行期间，电站叠梁门虽已投入使用，但由于其运行管理尚存在一定困难，实际运行时平均取水水深约为37 m，未能保证取水深度在15～18 m，且两个叠梁门高程不同，对应机组发电流量也有差别，使得厂房尾水为坝前不同高程的混合水，因此下泄水温也为混合后的水温。2014年运行期间，叠梁门调度主要集中在3—5月的鱼类产卵期。考虑到叠梁门提起过程十分缓慢，单块叠梁门提起过程近2 h，时值汛前水位下降较快，为防止门顶水深小于15 m进而影响结构设备安全，电站将叠梁门平均取水水深控制在21.52 m，尽量接近设计要求的保证取水深度。

2　分层取水效果监测方案

根据光照水电站试运行和运行期典型时段的叠梁门调度情况，以及同期开展的水温监测状况，同时利用枢纽结构及设备预先埋设的温度探头记录资料，制订了以下4种分层取水效果监测方案。

(1)坝前垂向+坝下尾水人工监测

人工检测断面设置在坝前1 km和电站尾水处，于2009年9月、2009年12月、2010年3月、2010年7月对坝前水温共进行了4次监测。坝前中部位置布置1根垂线，在进水口附近布置3根垂线，监测范围为库表以下0.5 m至库底，每隔5 m设置1个测点，当相邻测点温差超过0.5℃时，对测点进行加密。

(2)坝前垂向+坝下尾水在线监测

水温在线自动监测断面设置在坝前1 km，按高程645、662、668、675、680、685、690、707、715、721、730、735 m布设12个探头。距离电站尾水1 km处，在适合安装水温传感器和遥测仪的断面上安装水温自动监测设备，进行水温自动连续监测。

(3)坝体温度计+发电进水钢管水温监测

坝体温度计分3个坝段进行埋设，以14#坝段为例，共计埋设温度计22个，高程范围为630～747 m；进水口温度计7个，高程范围为690～744m。上述温度计埋设位置距离坝前水体约0.5 m，实时监测所在位置的温度。

(4)不同叠梁门高度对比监测

在试运行期间，为直观了解光照水电站分层取水措施的效果，调节两个进水口前叠梁门高度，分别单独泄水发电，同时监测下游水温。具体方式为：将1#引水洞叠梁门高程设置在709 m后，对其进行单独泄水，其后将2#引水洞叠梁门高程维持在682 m后，再对其进行单独泄水，当时坝前水位为728 m。

3　监测结果及适用性分析

3.1水温人工监测

2009—2010年对贵州光照水电站坝前及尾水水温进行了4次人工监测，各月平均水温如表1所示。水温人工监测较为灵活，可及时根据监测区环境变化调整监测方案，仅代表特定时间内的当次监测结果，并可能存在人工操作误差，无法提供连续性监测数据，不能动态反映分层取水效果，适用于分层取水效果的水温补充监测和应急监测。

表1　坝前及尾水水温人工监测结果

3.2水温在线监测

2013年坝前1 km及尾水水温在线监测各月平均水温情况如表2所示。水温在线自动监测可以对坝前水温进行长期连续监测，监测精度和频率较高，可监测坝前和尾水逐时水温，数据代表性较强。存在的问题是自动在线监测点高程固定，为全面监测坝前断面垂向水温分布，还需要进行人工加密监测。

3.3坝体温度传感器监测

统计分析2009—2010年不同高程坝体混凝土温度及发电引水钢管水温情况，结果如表3所示。不同高程的坝体混凝土温度监测点仅反映坝体混凝土温度，无法直接监测坝前水体水温，对相应高程处水温值的反馈存在滞后与热传导干扰，与坝前实测水温值差别较大，不宜采用其数据代表坝前垂向水温。此外，发电机引水钢管水温监测结果与同期尾水监测结果基本相同，可在一定程度上代表下泄水温值。

表2　2013年坝前及尾水水温在线监测结果情况

表3　2009—2010年不同高程坝体混凝土温度及发电引水钢管水温情况

3.4叠梁门不同高程对比监测

叠梁门不同高程对比监测可直观地反映叠梁门分层取水措施的效果。考虑叠梁门启闭耗时较长、运行期可操作性等问题，该方案不适宜长期连续监测叠梁门分层取水水温减缓效果，可在工程试运行初期进行效果测试。

4　叠梁门分层取水效果分析

4.1分析指标及方案确认

(1)确定水温恢复效果的评价指标

分层取水措施设计时往往将下泄水温恢复至天然水温作为影响减缓目标，但是水电站坝址处的天然水温资料一般为历史统计值，与工程运行后下泄水温的监测周期不匹配，用两者进行比较往往差别较大，难以反映叠梁门分层取水措施的实际效果。另外，也可根据监测期内水库上游入库水温的实测值，利用河道水温预测模型计算出坝址处的天然水温推求值。采用这种方法并满足一定的精度和准确度要求，需要建立适用于工程河段的一维水温模型并进行验证。由于工程建设前未开展此类工作，因此现阶段进行水温推求的难度较大，准确度也难以保证。

因此，以下泄水温恢复至天然水温的程度来分析叠梁门分层取水的减缓效果，存在较大局限性。在实际监测中，可采用采取措施前后的下泄水温变化程度，来评价叠梁门措施的水温减缓效果。

(2)确定不采取措施情况下的对比水温

要确定采取措施前后的下泄水温变化值，首先要取得未采取措施时的下泄水温值，这需要将至少一个引水洞前的全部叠梁门提启后进行测定。对于已投入运行的工程而言，操作工作量较大，且不能持续开展对比监测。而根据对目前部分分层型水库坝前、尾水水温监测结果的分析，在发电引用流量相对稳定的情况下，坝前进水口高程对应的坝前水温与下泄水温差异很小。对于已采取叠梁门措施的水电站，可考虑选择引水洞口中心高程处的库区水温值代表无叠梁门时的下泄水温。

(3)叠梁门运行工况条件

叠梁门运行时的工况条件对分层取水效果监测的影响也较为关键，宜在水库水温呈现出较明显分层现象的时段，叠梁门正常运行且门顶水深尽可能接近设计淹没水深的条件下实施监测。根据2014年3—5月叠梁门调度情况，该时段正值水温分层相对明显的阶段，叠梁门随水位变化而及时进行了调度，可以作为开展低温水影响效果监测的典型工况条件。

(4)监测方案选择

经过前述几种方法优缺点比较，本次采用坝前垂向+坝下尾水在线监测方案，监测坝前及下游水温日均变化情况。该方法可以对坝前水温进行长期连续监测，监测精度和频率较高，可监测坝前和尾水的逐时水温，数据代表性较强，较适合作为水电站叠梁门分层取水措施效果分析的基础监测数据。

4.2分层取水效果分析评价

根据坝前垂向+坝下尾水在线水温监测结果，采用引水洞口中心高程处的水温值代表无叠梁门时的下泄水温，进而与下游实测值对比，分析光照叠梁门分层取水措施的效果，结果如表4所示。由表4比较结果可知，3—5月在采取叠梁门调度后，下泄水温提高了0.7～3.4℃，且随着库表水温的不断提升，叠梁门分层取水措施效果越趋明显，反映出在叠梁门拦挡作用下，更多的表层高温水体被卷吸进入发电机组后到达下游河道。

表4　叠梁门取水措施效果比较

5　结论与建议

通过对光照水电站不同类型水温监测结果进行总结分析，选取坝前垂向+坝下尾水在线监测作为分析分层取水效果的监测方案。该方案可以对坝前水温进行长期连续监测，监测精度和频率较高，可监测坝前和尾水逐时水温，数据代表性较强，较适合作为水电站叠梁门分层取水措施效果分析的基础监测数据。根据类比其他水电工程水温监测经验，坝前引水洞口中心高程的水温与下泄实测水温差异较小，可用于代表未采取措施时的下泄水温值，并与采取叠梁门措施后的温升值进行比较，以评价叠梁门分层取水措施的改善效果。

采用上述方法对光照水电站叠梁门分层取水效果的分析结果表明，在叠梁门正常稳定运行条件下，分层取水效果与库区水温分层状态关联较大，在库表水温较高时段，叠梁门分层取水措施的效果更加明显。在监测研究中也发现，目前叠梁门的运行管理仍是一项烦琐且耗时的工作，建议电站结合工程运行以来的水库调度经验，进一步优化叠梁门调度时段、调度方式，提高操作工作效率，确保此项生态保护措施持续有效地发挥效用。

[1]Bednarek A T, Hart D D . Modifying dam operations to restore rivers：ecological reponses to tennessee river dammitigation[J]. Ecological Application, 2005, 15(3): 997-1008.

[2]高学平, 陈弘, 王鳌然. 糯扎渡水电站多层进水口下泄水温实验研究[J]. 水力发电学报, 2010, 29(3): 126-131.

[3]王雅慧, 李兰, 卞俊杰. 水库水温模拟研究综述[J]. 环境影响评价, 2012(3): 29-26.

[4]杜效鹄, 喻卫奇, 芮建良. 水电生态实践——分层取水结构[J]. 水力发电, 2008, 34(12): 28-32.

[5]薛联芳. 基于下泄水温控制考虑的水库分层取水建筑物设计[J]. 中国水利, 2007(6): 45-46.

[6]陈秀铜. 改进低温下泄水不利影响的水库生态调度方法及影响研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2010.

[7]吴莉莉, 王惠民, 吴时强. 水库的水温分层及其改善措施[J]. 水电站设计, 2007, 23(3): 97-100.

[8]常理. 光照水电站水库水温分析预测及分层取水措施[J]. 水电站设计, 2007, 23(3): 40-43.

[9]刘欣, 陈能平, 肖德序, 等. 光照水电站进水口分层取水设计[J]. 贵州水力发电, 2008, 22(5): 32-38.

[10]傅菁菁, 李嘉, 芮建良, 等. 叠梁门分层取水对下泄水温的改善效果[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版, 2014, 47(7): 589-596.

Effect Examination of Stoplog Stratified Intake Structure in Guangzhao Hydropower Station in Guizhou—A Case Study of the Pearl River Basin Guangzhao Hydropower Station

CHEN Dong-wei, CHEN Guo-zhu, ZHAO Zai-xing, XU Hai-yang, XIA Hao, GUO Yan-na, FAN Xin-ke

(PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, China)

Taking Guangzhao Hydropower Station, which was the first to use stoplog stratified intake structure in China, as an example, based on its operational characteristics, an effect examination scheme for stratified intake structure was designed and applied. Through different elevation observations, contrast observation between two water diversion tunnels, downstream tail water observation and water temperature observation of inflow pipe, this paper explored the technology and methods for effect examination of stoplog stratified intake structure, analyzed the results of observations of Guangzhao Hydropower Station’s stoplog operation, summarized the current preliminary observations difficulties and inadequate means, and proposed subsequent optimization recommendations.

stoplog; stratified intake structure; water temperature observation; Guangzhao Hydropower Station

2016-02-27

贵州省科学技术基金(黔科合J字[2013]2300号；黔科合J字[2013]2296号；黔科合J字[2013]2298号)

陈栋为(1982—)，男，山东莒县人，高级工程师，博士，主要研究方向为水环境与水生态，E-mail：44344079@qq.com

陈国柱(1962—)，男，江西人，教授级高级工程师，学士，主要研究方向为水电工程环保，E-mail：2505180055@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.012

X143；TV697.25

A

2095-6444(2016)03-0045-04