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《環(huán)境影響評(píng)價(jià)雜志》2016年第6期

摘要:已建調(diào)節(jié)性能好的水庫(kù)普遍存在下泄低溫水問題，影響下游生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)治理措施需大幅降低水庫(kù)水位或放空水庫(kù)以修建分層取水建筑物，影響電站正常發(fā)電。隔水幕墻取水是改善電站下泄低溫水的新措施，不僅適用于已建水庫(kù)工程，也適用于擬建水庫(kù)工程。通過介紹其工作原理，并對(duì)隔水幕墻的工程應(yīng)用效果進(jìn)行數(shù)值分析，證明隔水幕墻取水技術(shù)能夠有效改善下泄水溫，可為我國(guó)今后類似水電工程低溫水治理提供借鑒。

關(guān)鍵詞:隔水幕墻;分層取水;下泄水溫;數(shù)值模擬

調(diào)節(jié)性能好的水庫(kù)會(huì)形成巨大的停滯水域，改變水體和大氣之間原有的能量交換規(guī)律，導(dǎo)致水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)水溫具有明顯的沿深度變化的特點(diǎn)，表層水溫和底層水溫相差很大。常規(guī)電站大多采用傳統(tǒng)底層取水方式，下泄水溫較低，容易對(duì)下游河道的生態(tài)環(huán)境、兩岸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生物多樣性造成不利影響。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)高壩大庫(kù)不斷增多，水庫(kù)下泄水溫低問題得到普遍重視，減緩下泄低溫水的影響成為調(diào)節(jié)性能好的水電工程亟待解決的主要環(huán)保問題。目前，工程上對(duì)水電站下泄低溫水的防治主要采取多層取水口取水、浮式管型取水口取水、溢流式(疊梁門)分層取水等措施。這些措施僅局限于在建或未建工程，對(duì)已運(yùn)行的水庫(kù)，由于需要大幅降低水庫(kù)水位或放空水庫(kù)而不適用。針對(duì)已運(yùn)行水庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)既提高下泄水溫又不損失電站發(fā)電量的目標(biāo)，本文在水電站進(jìn)水口分層取水研究的基礎(chǔ)上，借鑒海岸圩田淤泥阻隔及漁網(wǎng)漁具的設(shè)計(jì)原理和方法，提出了一種新穎的改善下泄低溫水的取水技術(shù)，并通過數(shù)值模擬研究驗(yàn)證了其實(shí)施效果。

1隔水幕墻取水方案

1.1隔水幕墻原理

調(diào)節(jié)性能好的水庫(kù)運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)水溫形成顯著的穩(wěn)定分層，沿水深方向分為表層、溫躍層和底層。表層水與空氣直接接觸，水溫隨氣溫變化明顯，層內(nèi)水溫互相摻混，初夏季節(jié)水溫相對(duì)較高;溫躍層介于表層和底層之間，溫度自上到下呈梯度變化;底層全年基本處于較低溫度。根據(jù)水庫(kù)水溫垂向分層分布特點(diǎn)，在壩前某一位置一定深度以下建設(shè)不透水柔性隔水幕墻，有效隔斷部分溫躍層和底層的水體流向進(jìn)水口，將溫躍層和底層低溫水隔擋在隔水幕墻前，表層溫度較高水體則加速流向進(jìn)水口，達(dá)到選擇性分層取水的目的。同時(shí)，在電站進(jìn)水口泄流的帶動(dòng)下，隔水幕墻下游水體在垂向擴(kuò)散，加速熱交換，打破原有水溫垂向分層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)提高下泄水溫的目的。

1.2隔水幕墻整體結(jié)構(gòu)

隔水幕墻整體結(jié)構(gòu)采用底部錨固、頂部懸浮、兩端固定的結(jié)構(gòu)形式，由固定裝置、浮力系統(tǒng)和墻體結(jié)構(gòu)組成。

(1)固定裝置。隔水幕墻固定裝置包括底部錨固基礎(chǔ)和兩岸控制塔。固定裝置的作用主要是防止水流沖擊時(shí)，隔水幕墻發(fā)生任何整體位移，對(duì)隔水幕墻工程的安全至關(guān)重要。底部錨固基礎(chǔ)采用沉箱形式，由鋼筋混凝土澆制而成，錨固于庫(kù)底作為支點(diǎn)。控制塔建設(shè)于兩岸，是隔水幕墻工程主要的受力支柱，承受著整個(gè)幕墻上的總荷載。

(2)浮力系統(tǒng)。浮力系統(tǒng)由一系列聚苯乙烯、聚亞安酯或其他類型泡沫材料制成的球形或圓柱形結(jié)構(gòu)組成。浮力系統(tǒng)可根據(jù)水位變化自動(dòng)調(diào)整隔水幕墻高程位置，避免了人工升降隔水幕墻的繁雜操作。

(3)墻體結(jié)構(gòu)。隔水幕墻墻體結(jié)構(gòu)主要包括幕布、上綱、下綱、拉索和沉子。幕布采用聚酯、聚丙酯等不透水合成材料制作，作為主要隔水體，承受水壓力荷載。上綱采用迪尼瑪繩，兩端張拉于兩岸控制塔，與幕布頂部固定連接，將作用于幕布上的荷載傳遞至兩岸控制塔。下綱采用鋼纜繩，兩端固定于兩岸控制塔，與幕布底部搭接，沉于水底，起配重鏈作用，防止底部幕布浮起。錨固基礎(chǔ)與浮力系統(tǒng)之間通過拉索張拉，形成隔水幕墻的基本骨架，幕布固定于拉索上，幕墻墻體以拋物面形式懸浮于水中。此外，在上綱懸掛一系列分布均勻、重量合適的沉子，從而防止幕布漂起。

2隔水幕墻工程應(yīng)用研究

2.1水庫(kù)概況

以國(guó)內(nèi)某水庫(kù)為例，該水庫(kù)最大壩高185.5m，壩址控制流域面積11051km2，年徑流量75.69億m3，水庫(kù)正常蓄水位475m，相應(yīng)庫(kù)容37.48億m3，總庫(kù)容40.94億m3，死水位425m，有效庫(kù)容26.16億m3，引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口底板高程408m，具有多年調(diào)節(jié)性能，屬于典型的高壩大庫(kù)。經(jīng)過多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地水溫監(jiān)測(cè)，獲得該水庫(kù)全年水溫垂向分布。由圖1可知，水庫(kù)水溫垂向分布呈現(xiàn)明顯的穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)。表層，水深5m以上，水溫隨季節(jié)變化明顯，層內(nèi)水溫基本相同;溫躍層，水深5～80m，自上到下水溫連續(xù)變化;底層，水深80m以下，水溫全年基本恒定在8～10℃。

2.2隔水幕墻整體布置

(1)斷面位置選擇。隔水幕墻斷面位置的選擇主要考慮地形地質(zhì)條件、改善水溫效果和工程施工難度等因素:為方便隔水幕墻的安裝，盡量選擇跨度狹小的斷面;避開養(yǎng)殖區(qū)域、碼頭及船只運(yùn)輸密集區(qū);為更好地發(fā)揮隔水幕墻改善下泄水溫的效果，隔水幕墻與進(jìn)水口的距離盡量近;兩岸地形地質(zhì)條件滿足修建施工進(jìn)場(chǎng)道路、施工平臺(tái)和控制塔的要求。現(xiàn)場(chǎng)查勘后，擬在壩前1.15km位置建設(shè)隔水幕墻，該斷面地形處于喇叭口位置，跨度最為狹小，距離進(jìn)水口近，水下無漁網(wǎng)等障礙，兩岸地質(zhì)條件較好，是建設(shè)隔水幕墻的最優(yōu)位置。

(2)隔水幕墻高程布置。隔水幕墻高程是決定擋水面積的主要依據(jù)，隔水幕墻擋水面積既要滿足有效提高水溫的要求，還要滿足電站發(fā)電過流的能力。根據(jù)水庫(kù)正常蓄水位和水溫垂向分布規(guī)律，擬定隔水幕墻頂部高程位于水下30m，攔截部分溫躍層和底層低溫水，即隔水幕墻頂部高程為445m，跨度308m;底部沉于庫(kù)底，隔水幕墻高度為124m;隔水幕墻隔水面積2.1萬m2。

(3)隔水幕墻結(jié)構(gòu)形式。隔水幕墻結(jié)構(gòu)如圖2所示，上綱和下綱兩端固定于兩岸控制塔，浮力系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)之間張拉拉索構(gòu)成基本骨架，上綱、下綱以及拉索間縫合幕布形成墻面。

2.3隔水幕墻效果分析

(1)模型建立。利用Flow-3D軟件建立水庫(kù)壩前長(zhǎng)1.53km、寬1.26km水域三維水流和水溫分層模型。模擬水位采用水庫(kù)正常蓄水位475m，下泄流量按電站發(fā)電滿發(fā)流量870m3/s控制，隔水幕墻設(shè)置在壩前1.15km，頂部上綱位于水下30m，對(duì)應(yīng)高程為445m。溫度場(chǎng)采用電站下游魚類產(chǎn)卵集中的5月份的水溫場(chǎng)。

(2)模擬結(jié)果。表層和底層水體溫度變化不大，模型壩前水域垂向水溫分布與實(shí)際情況匹配良好。由于隔水幕墻的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了分層取水，表層高溫水體流向進(jìn)水口。同時(shí)，隔水幕墻實(shí)施后，過流斷面減小，表層水體流速增大，加快了幕墻下游水體的混合擴(kuò)散和熱交換作用。隨著時(shí)間的積累，壩前水溫結(jié)構(gòu)變?yōu)楹袃蓚€(gè)溫躍層的五層穩(wěn)定分布結(jié)構(gòu)。底層365～390m高程分裂出一個(gè)下溫躍層，實(shí)現(xiàn)了水溫的一次躍遷;395～435m高程變?yōu)楹銣貙樱疁剌^幕墻實(shí)施前得到一定提高。取水口底板高程408m附近水體溫度顯著提高，隔水幕墻實(shí)施前下泄水溫為15.8℃，實(shí)施后下泄模擬水溫為18.7℃，提高了2.9℃，說明隔水幕墻能夠有效改善水溫分層導(dǎo)致的下泄低溫水情況。

3工程應(yīng)用前景

水溫是水庫(kù)水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是生態(tài)環(huán)境的重要影響因素。水電站的建設(shè)在一定程度上改變了天然河流的水溫分布，對(duì)水生生態(tài)尤其是魚類產(chǎn)生不利影響。出于環(huán)保要求，有必要采用適當(dāng)措施提高下泄水溫，降低對(duì)水生生物的不利影響。目前，隔水幕墻取水措施在國(guó)內(nèi)外尚無工程參考。作為針對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)底層取水的已建電站下泄低溫水問題提出的一種全新治理思路，隔水幕墻取水措施能夠有效提高下泄水溫，具有投資少、施工方便和不損失電量的優(yōu)點(diǎn)。若能成功實(shí)施，將打破傳統(tǒng)的低溫水防治思路，促進(jìn)水電開發(fā)與水生生態(tài)環(huán)境保護(hù)的和諧共進(jìn)，有助于水電工程的可持續(xù)健康發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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［3］薛聯(lián)芳，顧洪賓，馮云海．減緩水電工程水溫影響的調(diào)控措施與建議［J］．環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2016，38(3):5-8

作者：薛聯(lián)芳1，孫平玉2，馮云海2，顏劍波2 單位：1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司