貴州光照水電站疊梁門分層取水效果監測

陳棟為，陳國柱，趙再興，徐海洋，夏豪，郭艷娜，范欣柯

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽　550081)

?

貴州光照水電站疊梁門分層取水效果監測

陳棟為，陳國柱，趙再興，徐海洋，夏豪，郭艷娜，范欣柯

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

以國內最先建成疊梁門分層取水措施的貴州光照水電站為例，結合其運行特征制定分層取水效果監測方案并予以實踐，通過壩前不同高程監測、兩個引水洞疊梁門不同高程對比監測、下游尾水監測、發電進水鋼管水溫監測等方式與組合，探索分層取水措施效果監測技術方法，分析監測成果對光照水電站疊梁門運行效果的反映情況，初步總結目前監測手段存在的困難與不足，并提出后續優化建議。

疊梁門；分層取水；水溫監測；光照水電站

疊梁門取水作為常用的低溫水影響減緩工程措施，在國內外水利水電工程中均有大量應用實例和成熟經驗[1-7]。光照水電站疊梁門分層取水結構是目前國內最典型的分層取水措施之一。電站建成運行后，相關研究成果顯示，疊梁門有效地減緩了下泄低溫水對北盤江干流水溫的影響[8]。

根據目前光照水電站水溫監測情況，存在壩前、壩體、進水口以及尾水等水溫監測點，其監測數據不盡相同。本研究通過對不同監測方式的水溫監測結果以及不同高程的疊梁門運行組合進行對比[9-10]，探索分層取水措施效果監測技術方法，分析監測成果對光照水電站疊梁門運行效果的反映情況，總結目前監測手段及疊梁門運行調度存在的困難與不足，并提出后續優化建議。

1　光照水電站疊梁門分層取水措施概況

1.1光照水電站工程概況

光照水電站位于貴州省關嶺縣和晴隆縣交界處，地處紅水河上游左岸最大支流北盤江上，正常蓄水位745 m，庫容32.45×108m3，為不完全多年調節型水庫。水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，壩高195.5 m，壩頂高程750.5 m，壩頂長度410 m。溢洪道型式為壩身敞開式，堰頂高程745 m。

電站疊梁門取水設施主要由直立式攔污柵、疊梁閘門、喇叭口段、檢修閘門段等組成，為6孔疊梁門，進水口底板高程670 m，頂部高程750.5 m，分為1#和2#兩個相對獨立對稱的進水室，垂向分為6個取水口，每個取水口寬度7.5 m，門頂最低運行水深15 m。

1.2疊梁門運行調度概況

疊梁門操作采用2×320 kN門機，依據水庫水位漲落情況控制疊梁門啟閉。根據疊梁門設計要求，在魚類產卵繁殖期保證疊梁門門頂水深為15～18 m，當疊梁門門頂水深小于15 m時，則提起一節疊梁門；當門頂水深大于18 m時，則放下一節疊梁門。

根據光照水電站開展水溫監測的時間，選擇了2個疊梁門調度的典型代表時段，分別為2009—2010年試運行期間、2014年電站運行期水溫分層明顯且下游水生生態系統對水溫較敏感的時段。2009—2010年試運行期間，電站疊梁門雖已投入使用，但由于其運行管理尚存在一定困難，實際運行時平均取水水深約為37 m，未能保證取水深度在15～18 m，且兩個疊梁門高程不同，對應機組發電流量也有差別，使得廠房尾水為壩前不同高程的混合水，因此下泄水溫也為混合后的水溫。2014年運行期間，疊梁門調度主要集中在3—5月的魚類產卵期。考慮到疊梁門提起過程十分緩慢，單塊疊梁門提起過程近2 h，時值汛前水位下降較快，為防止門頂水深小于15 m進而影響結構設備安全，電站將疊梁門平均取水水深控制在21.52 m，盡量接近設計要求的保證取水深度。

2　分層取水效果監測方案

根據光照水電站試運行和運行期典型時段的疊梁門調度情況，以及同期開展的水溫監測狀況，同時利用樞紐結構及設備預先埋設的溫度探頭記錄資料，制訂了以下4種分層取水效果監測方案。

(1)壩前垂向+壩下尾水人工監測

人工檢測斷面設置在壩前1 km和電站尾水處，于2009年9月、2009年12月、2010年3月、2010年7月對壩前水溫共進行了4次監測。壩前中部位置布置1根垂線，在進水口附近布置3根垂線，監測范圍為庫表以下0.5 m至庫底，每隔5 m設置1個測點，當相鄰測點溫差超過0.5℃時，對測點進行加密。

(2)壩前垂向+壩下尾水在線監測

水溫在線自動監測斷面設置在壩前1 km，按高程645、662、668、675、680、685、690、707、715、721、730、735 m布設12個探頭。距離電站尾水1 km處，在適合安裝水溫傳感器和遙測儀的斷面上安裝水溫自動監測設備，進行水溫自動連續監測。

(3)壩體溫度計+發電進水鋼管水溫監測

壩體溫度計分3個壩段進行埋設，以14#壩段為例，共計埋設溫度計22個，高程范圍為630～747 m；進水口溫度計7個，高程范圍為690～744m。上述溫度計埋設位置距離壩前水體約0.5 m，實時監測所在位置的溫度。

(4)不同疊梁門高度對比監測

在試運行期間，為直觀了解光照水電站分層取水措施的效果，調節兩個進水口前疊梁門高度，分別單獨泄水發電，同時監測下游水溫。具體方式為：將1#引水洞疊梁門高程設置在709 m后，對其進行單獨泄水，其后將2#引水洞疊梁門高程維持在682 m后，再對其進行單獨泄水，當時壩前水位為728 m。

3　監測結果及適用性分析

3.1水溫人工監測

2009—2010年對貴州光照水電站壩前及尾水水溫進行了4次人工監測，各月平均水溫如表1所示。水溫人工監測較為靈活，可及時根據監測區環境變化調整監測方案，僅代表特定時間內的當次監測結果，并可能存在人工操作誤差，無法提供連續性監測數據，不能動態反映分層取水效果，適用于分層取水效果的水溫補充監測和應急監測。

表1　壩前及尾水水溫人工監測結果

3.2水溫在線監測

2013年壩前1 km及尾水水溫在線監測各月平均水溫情況如表2所示。水溫在線自動監測可以對壩前水溫進行長期連續監測，監測精度和頻率較高，可監測壩前和尾水逐時水溫，數據代表性較強。存在的問題是自動在線監測點高程固定，為全面監測壩前斷面垂向水溫分布，還需要進行人工加密監測。

3.3壩體溫度傳感器監測

統計分析2009—2010年不同高程壩體混凝土溫度及發電引水鋼管水溫情況，結果如表3所示。不同高程的壩體混凝土溫度監測點僅反映壩體混凝土溫度，無法直接監測壩前水體水溫，對相應高程處水溫值的反饋存在滯后與熱傳導干擾，與壩前實測水溫值差別較大，不宜采用其數據代表壩前垂向水溫。此外，發電機引水鋼管水溫監測結果與同期尾水監測結果基本相同，可在一定程度上代表下泄水溫值。

表2　2013年壩前及尾水水溫在線監測結果情況

表3　2009—2010年不同高程壩體混凝土溫度及發電引水鋼管水溫情況

3.4疊梁門不同高程對比監測

疊梁門不同高程對比監測可直觀地反映疊梁門分層取水措施的效果。考慮疊梁門啟閉耗時較長、運行期可操作性等問題，該方案不適宜長期連續監測疊梁門分層取水水溫減緩效果，可在工程試運行初期進行效果測試。

4　疊梁門分層取水效果分析

4.1分析指標及方案確認

(1)確定水溫恢復效果的評價指標

分層取水措施設計時往往將下泄水溫恢復至天然水溫作為影響減緩目標，但是水電站壩址處的天然水溫資料一般為歷史統計值，與工程運行后下泄水溫的監測周期不匹配，用兩者進行比較往往差別較大，難以反映疊梁門分層取水措施的實際效果。另外，也可根據監測期內水庫上游入庫水溫的實測值，利用河道水溫預測模型計算出壩址處的天然水溫推求值。采用這種方法并滿足一定的精度和準確度要求，需要建立適用于工程河段的一維水溫模型并進行驗證。由于工程建設前未開展此類工作，因此現階段進行水溫推求的難度較大，準確度也難以保證。

因此，以下泄水溫恢復至天然水溫的程度來分析疊梁門分層取水的減緩效果，存在較大局限性。在實際監測中，可采用采取措施前后的下泄水溫變化程度，來評價疊梁門措施的水溫減緩效果。

(2)確定不采取措施情況下的對比水溫

要確定采取措施前后的下泄水溫變化值，首先要取得未采取措施時的下泄水溫值，這需要將至少一個引水洞前的全部疊梁門提啟后進行測定。對于已投入運行的工程而言，操作工作量較大，且不能持續開展對比監測。而根據對目前部分分層型水庫壩前、尾水水溫監測結果的分析，在發電引用流量相對穩定的情況下，壩前進水口高程對應的壩前水溫與下泄水溫差異很小。對于已采取疊梁門措施的水電站，可考慮選擇引水洞口中心高程處的庫區水溫值代表無疊梁門時的下泄水溫。

(3)疊梁門運行工況條件

疊梁門運行時的工況條件對分層取水效果監測的影響也較為關鍵，宜在水庫水溫呈現出較明顯分層現象的時段，疊梁門正常運行且門頂水深盡可能接近設計淹沒水深的條件下實施監測。根據2014年3—5月疊梁門調度情況，該時段正值水溫分層相對明顯的階段，疊梁門隨水位變化而及時進行了調度，可以作為開展低溫水影響效果監測的典型工況條件。

(4)監測方案選擇

經過前述幾種方法優缺點比較，本次采用壩前垂向+壩下尾水在線監測方案，監測壩前及下游水溫日均變化情況。該方法可以對壩前水溫進行長期連續監測，監測精度和頻率較高，可監測壩前和尾水的逐時水溫，數據代表性較強，較適合作為水電站疊梁門分層取水措施效果分析的基礎監測數據。

4.2分層取水效果分析評價

根據壩前垂向+壩下尾水在線水溫監測結果，采用引水洞口中心高程處的水溫值代表無疊梁門時的下泄水溫，進而與下游實測值對比，分析光照疊梁門分層取水措施的效果，結果如表4所示。由表4比較結果可知，3—5月在采取疊梁門調度后，下泄水溫提高了0.7～3.4℃，且隨著庫表水溫的不斷提升，疊梁門分層取水措施效果越趨明顯，反映出在疊梁門攔擋作用下，更多的表層高溫水體被卷吸進入發電機組后到達下游河道。

表4　疊梁門取水措施效果比較

5　結論與建議

通過對光照水電站不同類型水溫監測結果進行總結分析，選取壩前垂向+壩下尾水在線監測作為分析分層取水效果的監測方案。該方案可以對壩前水溫進行長期連續監測，監測精度和頻率較高，可監測壩前和尾水逐時水溫，數據代表性較強，較適合作為水電站疊梁門分層取水措施效果分析的基礎監測數據。根據類比其他水電工程水溫監測經驗，壩前引水洞口中心高程的水溫與下泄實測水溫差異較小，可用于代表未采取措施時的下泄水溫值，并與采取疊梁門措施后的溫升值進行比較，以評價疊梁門分層取水措施的改善效果。

采用上述方法對光照水電站疊梁門分層取水效果的分析結果表明，在疊梁門正常穩定運行條件下，分層取水效果與庫區水溫分層狀態關聯較大，在庫表水溫較高時段，疊梁門分層取水措施的效果更加明顯。在監測研究中也發現，目前疊梁門的運行管理仍是一項煩瑣且耗時的工作，建議電站結合工程運行以來的水庫調度經驗，進一步優化疊梁門調度時段、調度方式，提高操作工作效率，確保此項生態保護措施持續有效地發揮效用。

[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]高學平, 陳弘, 王鰲然. 糯扎渡水電站多層進水口下泄水溫實驗研究[J]. 水力發電學報, 2010, 29(3): 126-131.

[3]王雅慧, 李蘭, 卞俊杰. 水庫水溫模擬研究綜述[J]. 環境影響評價, 2012(3): 29-26.

[4]杜效鵠, 喻衛奇, 芮建良. 水電生態實踐——分層取水結構[J]. 水力發電, 2008, 34(12): 28-32.

[5]薛聯芳. 基于下泄水溫控制考慮的水庫分層取水建筑物設計[J]. 中國水利, 2007(6): 45-46.

[6]陳秀銅. 改進低溫下泄水不利影響的水庫生態調度方法及影響研究[D]. 武漢: 武漢大學, 2010.

[7]吳莉莉, 王惠民, 吳時強. 水庫的水溫分層及其改善措施[J]. 水電站設計, 2007, 23(3): 97-100.

[8]常理. 光照水電站水庫水溫分析預測及分層取水措施[J]. 水電站設計, 2007, 23(3): 40-43.

[9]劉欣, 陳能平, 肖德序, 等. 光照水電站進水口分層取水設計[J]. 貴州水力發電, 2008, 22(5): 32-38.

[10]傅菁菁, 李嘉, 芮建良, 等. 疊梁門分層取水對下泄水溫的改善效果[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術版, 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

貴州省科學技術基金(黔科合J字[2013]2300號；黔科合J字[2013]2296號；黔科合J字[2013]2298號)

陳棟為(1982—)，男，山東莒縣人，高級工程師，博士，主要研究方向為水環境與水生態，E-mail：44344079@qq.com

陳國柱(1962—)，男，江西人，教授級高級工程師，學士，主要研究方向為水電工程環保，E-mail：2505180055@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.012

X143；TV697.25

A

2095-6444(2016)03-0045-04