夹岩水利枢纽工程分层取水口操作方案研究

侯业楹

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

0 引 言

贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程以供水和灌溉为主，兼顾发电等综合利用，为Ⅰ等大(1)型工程。夹岩水库正常蓄水位1323m，总库容13.25亿m3，城乡供水4.581亿m3/a，毛灌溉供水量为2.35亿m3/a，由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3部分组成。夹岩水库蓄水后将出现水温分层现象，为减缓低温水对下游水生生态环境、灌溉造成不利影响，对分层取水口操作方案进行研究[1]。

1 坝前垂向水温预测结果

采用平水年来水条件下夹岩水库调度运行作为预测方案，对夹岩水库进行三维水温模拟预测。

图1 夹岩水库水温模拟范围

根据水库各月垂向水温模拟结果，选取坝前水温垂向分布结果作为库水温垂向分布情况及取水水温分析。各月库区的表层、底层水温变化与天然水温关系如图2所示，坝前水温垂向分布如图3所示。与天然水温相比，水库的热量调蓄作用比较明显，4-8月水库水温比起天然水温低，但11月—次年1月，水库水温比天然水温稍高。从模拟分析结果可知，夹岩水库库区水温处于常年分层状态，属于典型的水温分层型水库。1-2月为低温期，受库区气温和太阳辐射较低影响，温度垂向分布出现轻微逆温现象；3-5月份为升温期，随着库区气温和太阳辐射大幅度上升，水体温度逐渐攀升，表层水温增速更为明显，从3月的12.87℃升至8月份的19.16℃；由于水库的调蓄作用，水库表层年最高水温出现在9月份，10-12月为降温期，随着入流水温、气温和太阳辐射的逐渐下降，水体向大气散失热量而开始降温，温度跃层现象减缓。总体上，库区表底层温差随着季节的变化呈现出由春季、夏季、秋季至冬季的由小到大再到小的过程。

2 分层取水口设计

2.1 灌溉取水口

根据水温预测成果，灌溉双层取水方案对于水稻等对水温敏感的农作物生长期3-9月的升温作用不明显，灌溉供水进入附廓水库后将与水体进行混合，经过3天以上的滞留后水温可基本恢复天然水温，主干渠进入附廓水库前的织纳、理化、林锦灌区主要种植旱作作物，对水温要求不高，灌溉取水推荐单层取水方案。

图2 坝前垂向断面不同水深水温年内过程线 图3 夹岩水库坝前断面水温垂向分布

2.2 发电取水口

为减轻低温水下泄对坝下水生生物及鱼类资源的影响，推荐两层取水口方案。经研究，进水口采用岸塔式，进水口下层底板高程综合考虑水库淤沙高程、死水位和淹没深度控制确定为1294.5m，上层底板高程 1303m[2]。

图4 分层取水口结构设计图

3 分层取水口操作方案研究

3.1 分层取水口操作运行要求

灌溉取水口采用单层取水方案，发电取水口采用两层取水方案。

表1 发电取水口两层取水操作运行要求

当水库水位在1315-1323m(正常蓄水位)之间时，采用上层取水口。

当水库水位在1305m(死水位)-1315m之间时，采用下层取水口。

3.2 不同典型年取水口运行方案研究

采用夹岩水库库区水温预测成果为依据，从工程安全运行(保证淹没水深)、可操作和保护生态环境(保证鱼类繁殖期的需求和改善部分季节低温水下泄的状况)的角度出发，对丰平枯水年的分层取水口运行进行调度研究。

根据丰平枯水年库区水位运行成果，得到夹岩水库各典型年取水口运行方案如下。丰水年、平水年库水位全年均在1315m以上，均采用上层取水口。枯水年3月下旬-7月上旬，水库水位在1309.3-1314.97m之间，采用下层取水口；7月中旬-次年3月中旬，水库水位在1315m以上，采用上层取水口[3]。

表2 各典型年取水口运行方案研究

续表2 各典型年取水口运行方案研究

3.3 闸门操作运行方式研究

水库取水时根据水库水位情况依次开启或关闭各层隔水闸门以实现分层取水，即取水库的表层温水来满足下游生态用水的要求，同时确保金属结构设备良好、稳定运行，综合确定闸门操作运行方式如下[4-5]。

1)拦污栅功能及调度方案

在坝后电站取水口进口处设置有2套拦污栅，拦污栅的孔口尺寸均为5.4m×37m(宽×高)，拦污栅的型式采用露顶平面直立活动式拦污栅，拦污栅的底槛高程均为1292.00m，设计水位差均为4m，拦污栅运行方式为静水启闭，启闭过程中上、下游水位差≤3m。当取水口正在引水发电或下放生态水时，拦污栅应处于拦污状态，严禁启吊拦污栅。当下游不需要取水时可进行拦污栅的启吊。

2)上层(1#)隔水闸门功能及调度方案

上层(1#)隔水闸门底槛高程为1303.00m，孔口尺寸为6.8m×6.8m(宽×高)，运行方式为动闭静启。主要用于能取水库的表层温水来满足下游生态用水的要求，同时兼作事故闸门，当下游需要维护检修或出现事故时动水闭门。

调度方案：上层(1#)隔水闸门最高运行水位为1323.00m，即正常蓄水位，最低运行水位1315.00m，最高挡水水位考虑为上游校核洪水位为1326.01m。为满足取表层温水的取水需要，在水库取水时段，当水库库水位在1315.00m以上时，打开上层(1#)隔水闸门取水，此时下层(2#)隔水闸门处于关闭挡水状态，只有当下游需要维护检修或出现事故时动水关闭上层(1#)隔水闸门，在维护检修或事故处理完毕后，闸门先充水平压后静水启门。

3)下层(2#)隔水闸门功能及调度方案

下层(2#)隔水闸门底槛高程为1292.00m，闸门的孔口尺寸为6.8m×6.8m(宽×高)，运行方式为动闭静启。

调度方案：下层(2#)隔水闸门最高运行水位为1315.00m，最低运行水位1305.00m，最高挡水水位考虑为上游校核洪水位为1326.01m。为满足取表层温水的取水需要，在水库取水时段，当水库库水位在1315.00m-1305.00m时，打开下层隔水闸门取水，此时上层(1#)隔水闸门处于关闭挡水状态。

2套隔水闸门均设置有1套水位差仪，便于监测隔水闸门开启时的水位及流量等，方便隔水闸门的调度运行。

4 水温在线监测系统

仅根据水温预测成果进行，运行期与实际水温分布可能存在一定差距。因此，运行期设置水温在线监测系统，在库区和坝下建立水温监测点，通过观测水库来水天然水温与下泄水温及其对比情况，分析分层取水措施对提升下泄水温的效果，从而为优化分层取水方案及运行方式提供基础数据。

表3 分层取水口水温恢复效果观测计划表

4.1 坝前水温在线观测

坝前垂向温度链沿面板表面布置，底部位于水平趾板上。高程1265-1323m段，每隔2m高程布置一个温度传感器，高程1220-1265m，每隔5m高程布置一个温度传感器，共布置39个温度传感器，测点的数据采集为实时数据采集。

4.2 发电取水口水温在线观测

发电取水口前温度链沿取水口建筑物垂直布置，底部位于取水口底板高程。从取水口底板高程1292m至正常蓄水位1323m，每隔1m高程布置一个温度传感器，共布置32个温度传感器，测点的数据采集为实时数据采集。

4.3 尾水渠、总干渠入口在线水温监测点

在发电厂房的尾水渠挡墙、总干渠入口侧墙上，各布设一个在线水温监测点，监测点高程1207.50m，测点的数据采集为实时数据采集。

4.4 水温在线监测软件系统

温链数据需包括温度链点位分布图、纵切面温度分布图和单链实时温度数据，进行数据分析并形成分析图，水深/温度关系图、高程/温度关系图、等温线高程变化图、水文气象/温度关系图、不同季节水温与水深关系图、取水口水温与厂房尾水水温对比图、水温与气温关系图等。

5 结 论

夹岩水利枢纽工程水温分层结构研究，在三维预测库区水温分层的前提下，结合工程实际情况，提出水温分层结构设计。结合环保、水文、水工、金属结构等多专业研究结果提出分层取水口操作运行方案，根据取水口闸门特性制定闸门调度操作方案。为研究分层取水口实施效果，运行期设置水温在线监测系统，为优化分层取水方案及运行方式提供基础数据。文章对夹岩水利枢纽工程分层取水口操作方案进行全过程研究，以期对其他水利工程提供参考。