高坝库内管道表层取水系统的设计研究*

(1.保山学院信息学院,云南 保山 678000；2.云南省施甸县水务局,云南 保山 678200；3.云南省施甸县应急管理局，云南 保山 678200)

水利工程建成蓄水后，随着蓄水水位的上升，水库上游将会形成较大的蓄水面积。受淹没区地表、气象等条件的影响，汛期入库洪水径流携带氨氮、地表杂质等有机物进入库内,导致水库内水质浑浊度大、水温呈现垂向分层现象：表层水体温度高于深层水体温度,死水位以下水温最低[1]。同时，通过输水建筑物闸门泄水的水温与原自然河道的水温明显偏低。通常，每年的3—10月下泄水温低于自然河道水温，每年的11月—次年2月下泄水温高于自然河道水温。根据库内水温、浊度的垂向分层规律,库内水体温度随着库水位的加深而降低,当达到一定的库水位时,水温常年不变,且浊度随库水位的加深而加大[2]。对于承担城市或农村人畜供水任务的水库来说,深层水位供水在居民饮水的过程中会有轻微的土霉味[3]。针对表层取水和深层取水的影响,国内外开展了部分研究，通过取水工程措施和非工程措施进行调节或减少水库水体温度变化,降低水库下泄水温对自然环境和生态的影响，从而解决城市或农村人畜供水异味[4]。而水库分层取水利用了水库表层水温高于深层水温的特征,通过工程措施从水库内取得所需水温,以达到合理开发利用水资源并改善水质的目的。本文对红谷田水库高坝管道表层取水系统进行了设计和研究。

1 工程概况

红谷田水库属怒江流域,坝址位于施甸河一级支流官市河中游,坝址高程1593.8m,水库坝高85.7m,总库容1190.3万m3。水库规模为中型,工程等级为Ⅲ等。水库主要功能为解决农村人畜饮水供水和农业灌溉用水,供水人口4.79万、牲畜6.46万头,灌溉面积2.68万亩。水库枢纽工程由拦河大坝、输水隧洞、溢洪道组成。输水隧洞全长751.1m,输水流量3.0m3/s，泄流量50.6m3/s。农村人畜供水量为0.065m3/s，生态流量0.077m3/s。初步设计在输水隧洞内布置DN300、壁厚δ=8mm的Q235无缝钢管作为农村人畜供水及生态用水供水管,供水管进口位于输水隧洞进口底板处(高程1628.04m)。闸门控制段紧靠洞壁外侧埋置于钢筋混凝土内，其余沿输水隧洞内侧平行于轴线布置,在输水隧洞出口与下游供水管连接。因受投资及高坝表层取水缺乏可供借鉴经验的限制,初步设计在隧洞进口底板处采用了深层取水方案。目前，施甸县1座中型水库、5座小(1)型水库、15座小(2)型水库农村人畜供水均采取了隧洞内埋设供水管,取库内表层水供水。在多年的运行中，发现表层水质要优于深层水质。但现有的水库坝高均未超过30.0m，而红谷田水库坝高85.7m,对于如何解决高坝库内表层取水的问题，国内可供借鉴的经验不多。为解决红谷田水库高坝库内表层取水的问题，红田水库管理局成立了“红谷田水库库内管道取水技术应用与研究课题组”，成员由红谷田水库管理局、云南省水利水电勘测设计研究院、保山学院、自贡九天水利机械有限公司、河北鑫能重工机械有限公司、施甸县自来水公司、云南滇池水务集团施甸第二自来水厂、施甸灌区管理所等单位的工程技术专家组成，通过历时近半年的时间完成了水库库内管道表层取水系统的设计。

2 库内分层或表层取水类型

通过查阅国内外相关文献,按取水建筑物分类,分层或表层取水主要有竖井式、斜涵卧管贴坡式、虹吸式、悬臂浮子式、伸缩套筒式五类[5]。

a.竖井式分级取水。使用进水塔或闸门井,沿垂直方向在不同高程分别布置闸门, 通过启闭机启闭闸门控制流量,闸门的型式分为平板闸门、叠梁门、碟阀,启闭设备采用卷扬机、螺杆启闭机等。该方式的缺点是垂直分级数量少,跑漏水隐患多，投资大；优点是取水量大,可靠性及稳定性较好,并可实现远程自动控制。

b.斜涵卧管贴坡式分级取水。即在水库大坝上游坝面或岸坡修建管涵或铺设管道,底部与输水隧洞或洞内供水管连接,在水库蓄水位以下,垂向不同高程分级布置进水孔。运行中,先开启靠水库表面一级进水闸门, 随着库内蓄水位的下降,逐级向下开启闸门,利用垂向各级孔口高差,实现取用表层水的目的。该方式的缺点是闸门布置数量较多,取水量受管径所限；优点是可靠性、操作性、稳定性好,投资少。

c.虹吸式表层取水。在水库大坝上设置虹吸管，利用虹吸作用取用库内表层水。该方式的缺点是频繁调整虹吸管进水管口操作不便,伸缩及预埋装置维护困难；优点是布置方便,投资小。

d.悬臂浮子式分层取水。采用钢管或柔性软管将放水水管与浮子相连，浮子取水口随水位变化而升降，始终浮沉于库水表面之下,以满流状态工作。缺点是钢管结构较复杂,工艺过程要求高，若采用柔性软管则使用寿命短，更换频繁，可靠性、稳定性差；该方式的优点是能够获取表层库水,水温较高。

e.伸缩套筒式取水。伸缩套筒类似收音机上的伸缩天线，由钢管做成,其顶部与浮箱相连，随库水位变化伸缩。缺点是为防风浪冲击,套筒四周建有钢架或塔井以固定其位置，由于伸缩套筒相互连接,拉伸长，从上至下须设多个检修台架，检修极不方便；优点是布置方便,投资小。

3 表层取水的运行情况分析

1995年施甸县首次在蒋家寨水库推广了供水管道表层取水技术,取用水库表层水,2010年进行了技术改造。目前全县1座中型水库、5座小(1)型水库、15座小(2)型水库农村人畜供水均采取了库内表层水供水。

鱼洞水库坝高32.9m，总库容1278万m3，水库规模为中型,工程等别为Ⅲ等,2006年建成运行。正常蓄水位至死水位变幅15.3m,水库最大变幅17.4m。在输水隧洞内布置供水管，采用悬臂浮子式表层取水,一端采用柔性PE软管与无缝钢管连接、悬臂固定于岸坡,另一端采用柔性PE软管与方形浮箱连接浮于水库表面。

蒋家寨水库坝高32.5m，总库容807 万m3, 水库规模为小(1)型,工程等别为Ⅳ等。正常蓄水位至死水位变幅19.5m,水库最大变幅20.0m。在输水隧洞内布置供水管,采用悬臂浮子式表层取水,一端采用柔性PE软管与无缝钢管连接,另一端采用柔性PE软管与方形浮箱连接浮于水库表面, 1995年建成投入使用。1995—2010年先后更换柔性PE软管4次, 柔性PE软管运行中因内外水压力变化较大,变形严重,不能保障供水量。2010年进行了技术改造,为降低内外水压力,在输水涵洞出口新建减压池。在2011～2018年的6年运行中,更换柔性PE软管2次。

全县其他的小(1)型、小(2)型水库农村人畜供水均采取了隧洞或涵洞内埋设供水管,取库内表层水供水，采用悬臂浮子式分层取水的方式。运行中主要存在以下问题：

a.为防止杂物进入供水管,柔性PE软管进水口设置拦污网,在汛期时常发生农作物秸秆、树根、杂草等杂物堵塞供水管进口的情况，严重影响了供水。

b.柔性PE软管因内外水压变化较大,易发生变形,影响正常供水。

c.在运行管理的过程中,检修、维护困难。因浮箱离岸边60～100m，须停止供水方可进行检修、维护。同时水库中的浮箱浮动,检修、维护存在安全隐患。

4 分层取水系统设计

红谷田水库校核洪水位1679.00m，设计洪水位1677.50m，正常蓄水位1676.50m，死水位1631.34m，正常蓄水位至死水位变幅45.16m,水库最大变幅47.7m。水库年供水量1505.9万m3，其中农村人畜供水量204.9万m3，下游河道生态放水量为244万m3，农业灌溉供水量1301.0万m3,损失水量94.3万m3。为取得浊度低、水质好的表层水,须采用多级分层取水的方式,即随着库水位的升降,开启某一级闸门,实现表层取水。

结合红谷田水库坝高85.7m、水位变幅47.7m的实际,分层取水系统的设计原则如下：ⓐ最大限度地取表层水；ⓑ运行管理方便；ⓒ结合闸门的制作、运输、安装及运行操作；ⓓ结构布置合理,技术先进,节省投资。基于以上原则，课题组提出了3个方案。

4.1 拍门

根据水库的具体情况，供水管道按照每2.0m高差设置一道拍门，在拍门前端设置拉杆，每个拍门沿管道上端设置滚筒和操作轮，然后用不锈钢钢丝连接拍门前的拉杠，通过拉杆来操作拍门的关闭。本方案投资小，操作的稳定性高，但须要水库管理人员根据库水位来控制，管理操作不便。拍门式分层取水的布置如图1所示。

图1 拍门式分层取水布置示意图

4.2 不锈钢插阀

根据水库的具体情况，在主管道(直径325mm、壁厚8mm)按照每2.0m高差设置一个300mm的接管及闸阀，闸阀的本体采用球墨铸铁，阀板以及阀杆采用不锈钢，阀杆根据现场需要采用特殊的加长型，阀杆长度为2～3m。本方案操作的稳定性高，但须布置操作平台、运行管理通道，且需要管理人员根据水位来控制。不锈钢插阀式分层取水布置如图2所示。

图2 不锈钢插阀式分层取水布置示意图

4.3 自动浮球式

本方案在主管道上按需要的高程差设置自动浮球，并根据预设的水位自动开启阀门。可按照每(高程差)2.0m设置控制阀门。该方案可实现无人员或少人员值守，节能环保。期间，利用水位差实现自动控制。当水位降低时，浮球的开关将自动断开，管道正常通水。当到达设定水位后，开关自动闭合，管道口自动关闭停止供水。该方案须开展水力模型试验，以论证该方案的可行性和稳定性。自动浮球式分层取水布置如图3所示。

图3 自动浮球式分层取水布置示意图(单位：mm)

水利工程的建设重在管理，管理的核心在于提升信息化管理水平。因此，在后期运行的过程中，针对本方案采集的相关历史数据，可使用计算机管理系统进行维护管理。推荐方案如下：

前台编程环境：Microsoft Visual Studio 2016，后台数据库:Microsoft SQL SERVER 2012，核心语言采用C sharp。控制与监测部分可由I/O端口、PLC和上位机构成。上位机通过工业以太网与下位机进行通信，期间由PLC通过寻址将所采集的数据(库水位、水温等)读入上位机界面，并存储至后台数据库中。

如图4所示，管理系统的功能可分为数据导入与导出、数据查询与统计、用户与权限管理、系统管理。其中，用户与权限管理模块可分别调整不同级别的用户角色，使其具有不同的管理权限。系统参与的用户角色包括值班人员、管理局人员、管理局负责人、局领导等。数据查询与统计模块既可根据输入的相关字段查询到对应的结果，也可按需要生成统计图表。数据导入与导出模块可将相关的Excel表格数据导入至数据库中，也可将查询到的结果导出为Excel格式的文件。同时，还可以将其打印成日报表或月报表。

图4 信息化管理系统

5 结 语

红谷田水库库内表层取水系统的设计借鉴了国内外先进技术和经验。经综合比选，推荐采用斜涵卧管贴坡式分级取水，垂向分级高差不超过2.0m,分22级取水。闸门推荐选用不锈钢插阀。该表层取水系统的优势如下：ⓐ可以解决高水位管道分层取水的技术难题，为高坝高水位管道分层取水提供借鉴；ⓑ投资少、操作性和稳定性高；ⓒ既改善了农村人畜饮水的供水水质，也减小了上下游河道的水温差，而且还降低了因供水对生态环境带来的不利影响；ⓓ有效提高了水库后期运行的信息化管理水平。