隔水幕水温分层取水研究概述

黎卡希，黄 卫，黄国兵，黄明海

(长江科学院水力学所，湖北 武汉 430010)

1 分层取水研究背景

截至2012年，中国共有水库9万余座，总库容8 255亿m3，其中大型水库683座，总库容6 493亿m3[1]，是世界上拥有水库大坝最多的国家，同时也是世界上拥有200 m及以上高坝最多的国家。水库建成后，大坝的蓄水使得河流天然径流过程发生了改变，进而改变了下游河道的水温分布规律。水库拦蓄的夏秋季高温水体热量保持至冬季，使得库区秋冬季水温升高，反之，水库在春夏季下泄冬季存储的低温水使得下游河道水温降低[2]。大型水库建成后，库区水体体积变大、水深增加、流速减缓，蓄水时间延长，表面水体接收太阳辐射时长增加，使得水库表面水温较天然河道升高，而库底由于接收不到太阳辐射而长期处于低温状态，这使得库区水体水温呈现出明显的沿深度分层分布的特征。在夏季随着气温的持续上升，水体表面温度也随着升高，表层水温和底层水温相差很大，有时表层水温可超出底部水温20℃[3]，水库库区水体水温出现分层现象。

水库深层水呈厌氧状态，溶解氧(DO)含量较低，且水温较低。采用底层取水，下泄低温水会对下游流域内的农作物灌溉、水生生物、水环境等带来不同程度的影响。

1)对农作物灌溉的影响。如水稻、棉花等，具有喜温怕寒的特性,其产量是随水温变化而不同的。水稻不同稻谷品种以及稻株所处不同生长期对水温的要求也不同，一般在28～38℃比较合适[4]。在水温过高环境下，稻株难以积累营养物质，且易导致田间杂草增加，引起病虫害；在水温过低环境下，稻株难以吸收肥料，从而导致稻根的生长发育不良，植株矮，进而稻谷产量降低。棉花在整个生育期内的适宜温度范围在25～30℃[5]，温度过高时，棉花生长速度减慢，甚至停止生长；温度过低时，光合作用效率降低，棉花生长较慢。

2)对水生生物的影响。水库底层取水下泄，低温水会对下游流域水生生物的生长繁殖带来一定的影响，例如鱼类是生长繁殖与温度有着密切关系的变温动物，一般是水温低则发育慢，水温高则发育快。在室内培养的条件下,水温超过31℃则胚胎容易出现畸形[6]。在我国，常见养殖的鱼类大多数属于温水鱼类，适宜生存水温为15～32℃；热带、亚热带鱼类如罗非鱼适宜生存水温为20～32℃[7]，并且大多数鱼类在一定温度下才能进行产卵繁殖。水库上层水体水温较高，溶解氧含量也较高，为水生生物生长提供了有利环境；下层水体水温较低，溶解氧含量也较低，不利于水生生物的生长。

3)对水环境的影响。当发生洪水时，采用底层取水将延长下游河道出现浊水的时间，一般延长时间为1～2个月，有的甚至长达4～5个月。河道放流浊水长期化给下游人民的生产生活带来一定的影响，并且河道水流浊度的增大，会使得水中生物群落的光合作用率降低，影响水体的自净能力和透光吸热的性能，进而间接地对农作物的生长发育和鱼类的生长繁殖产生影响[8]。

4)对水量的影响。水库采用底层取水时，表层温度较高的水流没有得到有效的利用，且表层水体热能持续积蓄，水温不断提高，使得库面蒸发加剧，进而造成一定的水库水量损失。

综上所述，为改善水库水温分层下泄低温水造成的不利影响，分层取水作为调控下泄水温、改善河流下游生态环境的有效手段之一，已被国内外广泛研究与应用。

2 分层取水型式及利弊

2.1 常见分层取水型式

采用适宜的分层取水措施来取得水库不同高程的水体是分层取水的重要研究内容之一，且不同的分层取水措施的类型、设置型式及运用方式都对取水效果有着不同程度的影响。

分层取水建筑物按外形分，有斜卧式分层、塔(井)式分层、套筒型、管状等；按水力学特性，可以分为堰流和孔流两种流态；按启闭方式和动作原理，可分为人工启闭、电气自动、浮式和多层自动翻板等几种；按取水口设置方式又可分为活动式、固定式和复式3种[9]。

常见的分层取水型式有4种：多层取水建筑物、叠梁门式分层取水、浮式管型取水口和控制幕分层取水。其中多层取水建筑物和叠梁门式分层取水多应用于取水流量较大的大型水利工程；浮式管型取水口和控制幕分层取水多应用于中小型水利工程，对取水流量较小的情况具有较好的效果。

2.2 常见分层取水型式利弊分析

目前国内大型水电站多数采用的是叠梁门式分层取水，可根据水库水位的变化及下泄水温要求，开启或关闭相应高程的闸门，达到控制取水、控制下泄水温的目的。它具有操作方便、安全、水温改善效果好、稳定性高等特点，现已广泛应用于国内大型水库工程中。

叠梁门分层取水型式也存在着以下不足：①大型深水水库的叠梁门式分层取水中均存在闸门多、规模大，闸门启闭、门库调度复杂等现象，增加了许多不确定因素，对电站运行、检修和安全提出了更高的要求；②电站运行时，如果闸门不对称开启，竖向流道内水流可能出现环流、漩涡等有害流态，引起结构震动[10]；③造价相对其他分层取水型式较高；④在运行过程中会造成一定的水头损失，如光照水电站运行叠梁门会造成1～2 m的水头损失和约为总发电量1%左右的电量损失[11-12]。

针对叠梁门分层取水型式仍存在不足，需要提出并研究新的分层取水措施。隔水幕分层取水原理是通过阻断底层低温水体的下泄通道，从而下泄表层高温水体，达到分层取水的目的。相比之下，隔水幕分层取水方案有以下优点：①水头损失小，基本不影响电站发电效益；②工程量小，造价低；③施工方便，蓄水、无水环境均能施工；④施工周期短，建设成本低；⑤运行维护方便，便于更换，灵活性强；⑥对下泄水温控制效果好。

3 隔水幕水温分层取水研究

相较于传统的刚性结构水工建筑物，隔水幕布采用的是柔性体材料，主要由高强度不透水柔性PP系列高韧聚丙烯有纺土工布组成，有较强的结构强度和抗冲击性能[13]。

3.1 国外研究进展

国外分层取水研究大体经历了三个发展时期。20世纪50年代以前，仅美国、日本等极少数国家针对水库下泄低温水问题建造了分层取水建筑物，当时工程设计中很少考虑水温分层作用，广泛采用深层取水；20世纪60年代，工程界认识到水库水温的分层问题，开展了水库分层取水设计和研究工作，当时主要采用两种处理方法：一种是打破分层，一种是利用分层特性取表层温水或底层冷水[14-15]。20世纪70年代以后，开始出现表层取水、底层取水及分层取水工程。60年代至70年代美国修建了大量的分层取水结构，并采用数学模型开展了大量的水库水温研究工作。日本在上世纪40年代开始，就针对水库下泄低温水问题建造了分层取水建筑物，至80年代中期，约40%的水库设置了表层取水设备，约30%的水库设置了分层取水设备。

20世纪90年代，国外就提出了采用隔水幕帘分层取水方案来控制水库下泄水温或改善下泄水质。Vermeyen[16]提出了采用水流温度控制幕来控制下泄水温的方案，并描述了Lewsiton水库(最大水深为20 m)水流温度控制幕的工程设计、原型观测和运行性能，其中水库温度控制幕型式如图1所示。Takashi Asaeda等[17-18]提出了可以运用两道竖直隔水幕布来缓解日本 Terauchi 水库库区富营养化的方案，并对水库设立竖直隔水幕布后坝前水体的流场及水质的变化进行了分析。Marcela[19]利用三维水动力水温模型研究了水流温度控制幕设置在McNary水库进水口前对下泄水温及坝前水体水温分布的影响。Shammaa[20]等采用试验分析了隔水控制幕对取水水质、分层界面变化和流场的影响。Gray Rachel (2016)[21]提出采用取水塔控制幕来减缓低温水下泄的方案，并叙述了Burrendong水库取水塔控制幕的工程设计、运行优点，其中取水塔隔水幕型式如图2所示。

图1 Lewsiton水库温度控制幕型式图

图2 Burrendong水库取水塔隔水幕型式图

3.2 国内研究进展

从上世纪60年代开始，我国分层取水措施主要是运用于规模较小、对水温有要求的灌溉型水库，水库坝高大多低于40 m，分层取水建筑物主要为竖井式和斜涵卧管式两大类。近年来国内高坝水库不断增多，需重点研究和设计大中型水库的水温分层取水措施。目前，国内大中型水电站分层取水建筑物设计多采用的是叠梁门或多层取水口分层取水模式，仍缺乏相关的指导性标准及规范。隔水幕研究依旧还处于起步阶段，目前仅贵州三板溪水电站正在研究和设计隔水幕水温分层取水方案，尚未达到工程实践要求。因此，我国还需进一步研究并开发隔水幕分层取水技术，进而推动我国水电站建设领域环保事业的发展。

练继建等(2016)[22]采用概化水槽试验和数值模拟(ce-qual-w2、三维水动力水温模型)研究了隔水控制幕对下泄水温的影响因素及下泄水温改善效果，提出了隔水幕布分层取水方案的下泄水温预测公式,并针对贵州三板溪水库，研究得出了隔水幕布分层取水方案改善下泄低温水效果良好，且全封式隔水幕布效果更好的结论，图3为拟定的三种隔水幕布布置形式示意图，分别为全封式和半封式隔水幕布。吴登将(2015)[23]采用水槽试验和数值模拟(EFDC水温模型)研究隔水控制幕作用下的下泄水温效果及影响因素，得出当水库水温分布不变时，控制幕运用方式是影响下泄水温的主导因素，且原坝体底部出流的出水口在滞温层时，提高下泄水温的有效方式为表层过流方式；原坝体溢洪道泄流时，降低下泄水温的有效方式是底层过流方式，图4为6种隔水幕布的不同运用方式示意图。贺蔚(2017)[24]采用水槽试验和数值模拟(ce-qual-w2、三维水动力水温模型)研究顶部和底部隔水控制幕作用下的流场及水温分布，并就隔水控制幕的受力分布情况进行研究分析，提出了受力情况计算公式。

图3 不同隔水幕布设置型式示意图

图4 隔水幕布不同运用方式示意图

4 结 语

随着我国近年来大型水库的建设以及对生态环境

的日益重视，分层取水研究尤其是隔水幕水温分层取水研究无疑将会在满足下游生态用水需求、提高水资源综合利用效率等方面发挥巨大的作用。

国外如美国、日本、澳大利亚对于隔水幕布分层取水已有一定的研究成果和运用经验，但国外所研究的隔水幕分层取水运用条件与国内不同。目前我国对隔水幕分层取水的机理认识、体型选择、模型试验及数值模拟等方面的研究还不能满足分层取水工程的实际需要，仍需加强对隔水幕水温分层取水的基础研究，并开发适用于我国大型水库的隔水幕水温分层取水技术。