隔水幕水溫分層取水研究概述

黎卡希，黃 衛，黃國兵，黃明海

(長江科學院水力學所，湖北 武漢 430010)

1 分層取水研究背景

截至2012年，中國共有水庫9萬余座，總庫容8 255億m3，其中大型水庫683座，總庫容6 493億m3[1]，是世界上擁有水庫大壩最多的國家，同時也是世界上擁有200 m及以上高壩最多的國家。水庫建成后，大壩的蓄水使得河流天然徑流過程發生了改變，進而改變了下游河道的水溫分布規律。水庫攔蓄的夏秋季高溫水體熱量保持至冬季，使得庫區秋冬季水溫升高，反之，水庫在春夏季下泄冬季存儲的低溫水使得下游河道水溫降低[2]。大型水庫建成后，庫區水體體積變大、水深增加、流速減緩，蓄水時間延長，表面水體接收太陽輻射時長增加，使得水庫表面水溫較天然河道升高，而庫底由于接收不到太陽輻射而長期處于低溫狀態，這使得庫區水體水溫呈現出明顯的沿深度分層分布的特征。在夏季隨著氣溫的持續上升，水體表面溫度也隨著升高，表層水溫和底層水溫相差很大，有時表層水溫可超出底部水溫20℃[3]，水庫庫區水體水溫出現分層現象。

水庫深層水呈厭氧狀態，溶解氧(DO)含量較低，且水溫較低。采用底層取水，下泄低溫水會對下游流域內的農作物灌溉、水生生物、水環境等帶來不同程度的影響。

1)對農作物灌溉的影響。如水稻、棉花等，具有喜溫怕寒的特性,其產量是隨水溫變化而不同的。水稻不同稻谷品種以及稻株所處不同生長期對水溫的要求也不同，一般在28～38℃比較合適[4]。在水溫過高環境下，稻株難以積累營養物質，且易導致田間雜草增加，引起病蟲害；在水溫過低環境下，稻株難以吸收肥料，從而導致稻根的生長發育不良，植株矮，進而稻谷產量降低。棉花在整個生育期內的適宜溫度范圍在25～30℃[5]，溫度過高時，棉花生長速度減慢，甚至停止生長；溫度過低時，光合作用效率降低，棉花生長較慢。

2)對水生生物的影響。水庫底層取水下泄，低溫水會對下游流域水生生物的生長繁殖帶來一定的影響，例如魚類是生長繁殖與溫度有著密切關系的變溫動物，一般是水溫低則發育慢，水溫高則發育快。在室內培養的條件下,水溫超過31℃則胚胎容易出現畸形[6]。在我國，常見養殖的魚類大多數屬于溫水魚類，適宜生存水溫為15～32℃；熱帶、亞熱帶魚類如羅非魚適宜生存水溫為20～32℃[7]，并且大多數魚類在一定溫度下才能進行產卵繁殖。水庫上層水體水溫較高，溶解氧含量也較高，為水生生物生長提供了有利環境；下層水體水溫較低，溶解氧含量也較低，不利于水生生物的生長。

3)對水環境的影響。當發生洪水時，采用底層取水將延長下游河道出現濁水的時間，一般延長時間為1～2個月，有的甚至長達4～5個月。河道放流濁水長期化給下游人民的生產生活帶來一定的影響，并且河道水流濁度的增大，會使得水中生物群落的光合作用率降低，影響水體的自凈能力和透光吸熱的性能，進而間接地對農作物的生長發育和魚類的生長繁殖產生影響[8]。

4)對水量的影響。水庫采用底層取水時，表層溫度較高的水流沒有得到有效的利用，且表層水體熱能持續積蓄，水溫不斷提高，使得庫面蒸發加劇，進而造成一定的水庫水量損失。

綜上所述，為改善水庫水溫分層下泄低溫水造成的不利影響，分層取水作為調控下泄水溫、改善河流下游生態環境的有效手段之一，已被國內外廣泛研究與應用。

2 分層取水型式及利弊

2.1 常見分層取水型式

采用適宜的分層取水措施來取得水庫不同高程的水體是分層取水的重要研究內容之一，且不同的分層取水措施的類型、設置型式及運用方式都對取水效果有著不同程度的影響。

分層取水建筑物按外形分，有斜臥式分層、塔(井)式分層、套筒型、管狀等；按水力學特性，可以分為堰流和孔流兩種流態；按啟閉方式和動作原理，可分為人工啟閉、電氣自動、浮式和多層自動翻板等幾種；按取水口設置方式又可分為活動式、固定式和復式3種[9]。

常見的分層取水型式有4種：多層取水建筑物、疊梁門式分層取水、浮式管型取水口和控制幕分層取水。其中多層取水建筑物和疊梁門式分層取水多應用于取水流量較大的大型水利工程；浮式管型取水口和控制幕分層取水多應用于中小型水利工程，對取水流量較小的情況具有較好的效果。

2.2 常見分層取水型式利弊分析

目前國內大型水電站多數采用的是疊梁門式分層取水，可根據水庫水位的變化及下泄水溫要求，開啟或關閉相應高程的閘門，達到控制取水、控制下泄水溫的目的。它具有操作方便、安全、水溫改善效果好、穩定性高等特點，現已廣泛應用于國內大型水庫工程中。

疊梁門分層取水型式也存在著以下不足：①大型深水水庫的疊梁門式分層取水中均存在閘門多、規模大，閘門啟閉、門庫調度復雜等現象，增加了許多不確定因素，對電站運行、檢修和安全提出了更高的要求；②電站運行時，如果閘門不對稱開啟，豎向流道內水流可能出現環流、漩渦等有害流態，引起結構震動[10]；③造價相對其他分層取水型式較高；④在運行過程中會造成一定的水頭損失，如光照水電站運行疊梁門會造成1～2 m的水頭損失和約為總發電量1%左右的電量損失[11-12]。

針對疊梁門分層取水型式仍存在不足，需要提出并研究新的分層取水措施。隔水幕分層取水原理是通過阻斷底層低溫水體的下泄通道，從而下泄表層高溫水體，達到分層取水的目的。相比之下，隔水幕分層取水方案有以下優點：①水頭損失小，基本不影響電站發電效益；②工程量小，造價低；③施工方便，蓄水、無水環境均能施工；④施工周期短，建設成本低；⑤運行維護方便，便于更換，靈活性強；⑥對下泄水溫控制效果好。

3 隔水幕水溫分層取水研究

相較于傳統的剛性結構水工建筑物，隔水幕布采用的是柔性體材料，主要由高強度不透水柔性PP系列高韌聚丙烯有紡土工布組成，有較強的結構強度和抗沖擊性能[13]。

3.1 國外研究進展

國外分層取水研究大體經歷了三個發展時期。20世紀50年代以前，僅美國、日本等極少數國家針對水庫下泄低溫水問題建造了分層取水建筑物，當時工程設計中很少考慮水溫分層作用，廣泛采用深層取水；20世紀60年代，工程界認識到水庫水溫的分層問題，開展了水庫分層取水設計和研究工作，當時主要采用兩種處理方法：一種是打破分層，一種是利用分層特性取表層溫水或底層冷水[14-15]。20世紀70年代以后，開始出現表層取水、底層取水及分層取水工程。60年代至70年代美國修建了大量的分層取水結構，并采用數學模型開展了大量的水庫水溫研究工作。日本在上世紀40年代開始，就針對水庫下泄低溫水問題建造了分層取水建筑物，至80年代中期，約40%的水庫設置了表層取水設備，約30%的水庫設置了分層取水設備。

20世紀90年代，國外就提出了采用隔水幕簾分層取水方案來控制水庫下泄水溫或改善下泄水質。Vermeyen[16]提出了采用水流溫度控制幕來控制下泄水溫的方案，并描述了Lewsiton水庫(最大水深為20 m)水流溫度控制幕的工程設計、原型觀測和運行性能，其中水庫溫度控制幕型式如圖1所示。Takashi Asaeda等[17-18]提出了可以運用兩道豎直隔水幕布來緩解日本 Terauchi 水庫庫區富營養化的方案，并對水庫設立豎直隔水幕布后壩前水體的流場及水質的變化進行了分析。Marcela[19]利用三維水動力水溫模型研究了水流溫度控制幕設置在McNary水庫進水口前對下泄水溫及壩前水體水溫分布的影響。Shammaa[20]等采用試驗分析了隔水控制幕對取水水質、分層界面變化和流場的影響。Gray Rachel (2016)[21]提出采用取水塔控制幕來減緩低溫水下泄的方案，并敘述了Burrendong水庫取水塔控制幕的工程設計、運行優點，其中取水塔隔水幕型式如圖2所示。

圖1 Lewsiton水庫溫度控制幕型式圖

圖2 Burrendong水庫取水塔隔水幕型式圖

3.2 國內研究進展

從上世紀60年代開始，我國分層取水措施主要是運用于規模較小、對水溫有要求的灌溉型水庫，水庫壩高大多低于40 m，分層取水建筑物主要為豎井式和斜涵臥管式兩大類。近年來國內高壩水庫不斷增多，需重點研究和設計大中型水庫的水溫分層取水措施。目前，國內大中型水電站分層取水建筑物設計多采用的是疊梁門或多層取水口分層取水模式，仍缺乏相關的指導性標準及規范。隔水幕研究依舊還處于起步階段，目前僅貴州三板溪水電站正在研究和設計隔水幕水溫分層取水方案，尚未達到工程實踐要求。因此，我國還需進一步研究并開發隔水幕分層取水技術，進而推動我國水電站建設領域環保事業的發展。

練繼建等(2016)[22]采用概化水槽試驗和數值模擬(ce-qual-w2、三維水動力水溫模型)研究了隔水控制幕對下泄水溫的影響因素及下泄水溫改善效果，提出了隔水幕布分層取水方案的下泄水溫預測公式,并針對貴州三板溪水庫，研究得出了隔水幕布分層取水方案改善下泄低溫水效果良好，且全封式隔水幕布效果更好的結論，圖3為擬定的三種隔水幕布布置形式示意圖，分別為全封式和半封式隔水幕布。吳登將(2015)[23]采用水槽試驗和數值模擬(EFDC水溫模型)研究隔水控制幕作用下的下泄水溫效果及影響因素，得出當水庫水溫分布不變時，控制幕運用方式是影響下泄水溫的主導因素，且原壩體底部出流的出水口在滯溫層時，提高下泄水溫的有效方式為表層過流方式；原壩體溢洪道泄流時，降低下泄水溫的有效方式是底層過流方式，圖4為6種隔水幕布的不同運用方式示意圖。賀蔚(2017)[24]采用水槽試驗和數值模擬(ce-qual-w2、三維水動力水溫模型)研究頂部和底部隔水控制幕作用下的流場及水溫分布，并就隔水控制幕的受力分布情況進行研究分析，提出了受力情況計算公式。

圖3 不同隔水幕布設置型式示意圖

圖4 隔水幕布不同運用方式示意圖

4 結 語

隨著我國近年來大型水庫的建設以及對生態環境

的日益重視，分層取水研究尤其是隔水幕水溫分層取水研究無疑將會在滿足下游生態用水需求、提高水資源綜合利用效率等方面發揮巨大的作用。

國外如美國、日本、澳大利亞對于隔水幕布分層取水已有一定的研究成果和運用經驗，但國外所研究的隔水幕分層取水運用條件與國內不同。目前我國對隔水幕分層取水的機理認識、體型選擇、模型試驗及數值模擬等方面的研究還不能滿足分層取水工程的實際需要，仍需加強對隔水幕水溫分層取水的基礎研究，并開發適用于我國大型水庫的隔水幕水溫分層取水技術。