分层取水：以获取更优质原水水质为目标的水库取水创新方式

Hiroshi Yajima.分层取水:以获取更优质原水水质为目标的水库取水创新方式[J].净水技术，2018,37(3): 1-3,9.

Hiroshi Yajima. SWS: An innovation way to intake raw water of better quality from a reservoir[J].Water Purification Technology,2018,37(3): 1-3,9.

Hiroshi Yajima (岛根大学河口研究中心),1996年于京都大学环境工程系获得博士学位，后在鸟取大学市政工程系从事学术研究工作20年。目前是岛根大学河口研究中心的副院长。研究团队主要关注河口环境以及影响河口的湿地和水体等。

持久性高浊度、水温问题以及水体富营养化是日本水库水质面临的主要挑战。分层取水系统(selective withdrawal system,SWS)是一种广泛应用于水库水质控制的管理技术，通过在堤坝底部安设冲刷阀，将水质较差的原水冲走。SWS技术最早于20世纪初开始应用[1]，至20世纪70年代，日本大部分水坝均已采用该技术[2]。

2000年，日本水资源环境中心对SWS技术在日本的运行情况进行了一项小范围的调查。在调查的21座水坝中，采用连续表面取水(水下3 m取水)以避免冷水排放的水坝有16座，采用底部取水的有1座，根据季节或者水情灵活调整取水位置的有4座[3]。与之相对应的是在1970年，美国一项大规模调查也考察了SWS技术在美国100多座水坝中的运行状况[4]，并在2003年通过补充问卷的形式对40座水坝进行数据更新和内容扩增[5]。调查结果显示，32座水坝采用SWS技术主要需要解决水温问题，17座需要解决溶解氧问题，5座需要解决浊度问题；其中溶解氧问题在日本并不突出。此外，有8座水坝会同时运行两座以上的闸阀，通过混合不同水质的进水以满足达标要求。考虑到SWS技术在美国已有较长的应用历史，日本的水坝管理者在运行方面还有很大的提升空间。

多层取水塔(multi-level intake tower)是SWS技术的一种形式，有直线、半圆和圆形三种形态，通常应用于取水量较大的情况。垂直层叠虹吸架式分层取水系统是一种特殊的多级取水塔，其通过在倒U型的虹吸管闸顶部充入或释放空气而实现闸阀功能(图1)，因此无需再装设重钢闸阀或绞车系统，具有建设成本低的优点，近年来在日本得到广泛应用。2011年日本的Shizumi水坝最先开始采用该技术，共设有13座虹吸闸阀；2012年日本鸟取县东部的Tono水坝也采用了这一技术(图2)，共设有17座虹吸闸阀。

层叠虹吸式分层取水塔之所以能在日本得到广泛应用，一个重要优势是它的任意闸阀都可以同时开启，比如需要排放20 ℃的水，控制人员可以在20 ℃的水层开启一个闸阀，或同时在30 ℃和10 ℃的水层开启两个闸阀，甚至可以同时开启三个以上的闸阀排水。这种多闸阀排水的运行方式可使跃温层趋于更深层，从而确保温水层的水量，特别是在旱季水位下降的情况下可以避免冷水的排放[6]，在洪水发生后可以尽量排放而避免排放浑水，从而有效解决了水温问题和浊度问题。与此同时，该运行模式改变了水库的水温层结构，从而对蓝藻暴发等水库生物的生态行为具有一定的控制作用。虽然另外安置扬水系统(bubbler system)也能较方便地改善水华问题，但成本较高；而该分层取水塔仅需改变运行状态就可应对水库水质问题，且不会产生任何额外成本。此外，对于具备多功能的水利枢纽工程(multi-purpose dam)，SWS的最优化运行更有助于实现多项目标[7]。需要指出的是，相对于进水，SWS的排水水量需要足够大才能达到预期目标，否则改变系统的运行状态不会对水库水质产生影响。

当我和水坝工程管理人员讨论SWS的运行情况时，我建议他们不要盲目照搬以往传统的运行模式，要积极探索新的模式，实现水库更好的运行。工程管理人员通常会迫于股东们的压力而在水坝运行工作中趋于保守，不愿尝试；研究学者的参与能够助力新运行模式的建立，换而言之，当运行过程中发生意外时，研究人员可以帮助工程管理人员分担一部分运行责任，给工程管理人员以足够的退路。目前由于变化的气候以及有限的预算，SWS面对的需求越来越复杂，日常运行也正变得越来越困难；只有工程人员和研究人员共同携手，才能将更好的环境留给我们的下一代。

[1]Imberger J. Selective withdrawal:A review[C]. Norway:2nd International Symposium on Stratified Flows,IAHR,1980.

[2]Hideaki Kawasaki.Trends and issues of dam technique[J].The Dam Digest,2003(700):21-33.(in Japanese)

[3]Yoshida N,Nakamura T.About the application effects of selective water withdrawal equipment[R].Annual Report of Water Resources Environment Technology Center,2002:30-37.(in Japanese with English abstract)

[4]Nece R.Register of selective withdrawal works in United States[J].Journal of the Hydraulics Division,1970,96(9):1841-1872.

[5]Vermeyen T B,DeMoyer C,Delzer W,etal.A survey of selective withdrawal systems[R].Denver,Colorado:Bureau of Reclamation,Technical Service Center,2003.

[6]Yajima H,Kikkawa S,Ishiguro J.Effect of selective withdrawal system operation on the long-and short-term water conservation in a reservoir[J].Proceedings of Hydraulic Engineering,2006(50):1375-1380.(in Japanese with English abstract)

[7]Castelletti A,Yajima H,Giuliani M,etal.Planning the optimal operation of a multioutlet water reservoir with water quality and quantity targets[J].Journal of Water Resources Planning and Management,2013,140(4):496-510.