济南市乔店水库取水方案比选

刘雪芹，魏永强，陈 峰

（济南市水利工程服务中心，山东 济南 271108）

1 工程概况

济南市乔店水库位于济南市钢城区辛庄街道办事处乔店村东，大汶河支流牟汶河上游，总流域面积85 km2，是一座集防洪除涝、城市供水、农业灌溉等于一体的综合利用的中型水库。水库于1965 年开工建设，1967 年建成并投入使用，初建时兴利库容1 400 万m3，2003—2005 年经工程除险加固，在原开敞式溢洪道溢流堰顶新建四孔4 m×10 m 平板钢闸门，增加兴利库容600 万m3。于1993 年开发建设乔店水库城市供水工程，并于1993 年底投入使用，供水能力为700 万m3/年，2007 年该供水工程进行升级改造后供水能力达到1 200 万m3/年，近五年该水库实际城市供水量平均为1 100 万m3/年。供水面积覆盖供水管路沿途及整个莱芜主城区, 供水人口达20 万，为莱芜区经济社会的发展及各企事业的整体提升提供了可靠的水资源与水环境保障，确保了本区域内防洪安全、供水安全及水生态安全。2016 年列入国家重要饮用水水源地名录，发挥了突出的防洪和兴利作用。

乔店水库设计洪水标准与校核洪水标准分别为50 年一遇与1 000 年一遇。枢纽工程由主坝、副坝、南放水洞、北放水洞及溢洪道（闸）等部分组成，主、副坝及溢洪道控制建筑物设计级别为3 级，其他为4 级。

主坝、副坝均为黏土心墙砂壳坝，主坝与副坝坝顶长度分别为810 m、160 m，坝顶宽为7 m，坝顶高程与防浪墙顶高程分别为286.27 m、287.27 m，最大坝高26.2 m。上游为干砌石护坡，下游为草皮护坡。

溢洪道型式为实用堰，设在大坝右端，堰顶高程为279.32 m，堰顶宽44 m，消能型式为挑流和消力池两级消能，最大泄量为1 052.4 m3/s。

北放水洞位于主坝的右端，钢筋混凝土压力涵管内衬钢管，管内径1.3 m，最大流量13.67 m3/s，进口底高程265.02 m，坝前竖井式钢板闸门控制。

南放水洞位于主坝左端，钢筋混凝土压力涵管内衬钢管，管内径0.8 m，最大流量4.35 m3/s，进口底高程271.27 m，坝前竖井式钢板闸门和坝后蝶阀双门控制。

2 分层取水的必要性与可行性

近年来由于本区域内降雨时空分布不均匀，降水年际变化大，造成水库水源各分层水质差异较大。并且每年的汛期，有效降雨导致水面快速上涨，周围有枯枝、垃圾、漂浮物等淤积杂物冲入水库，造成水库各分层的水质发生明显变化，加上夏季气温高，日照时间长，水温上升，容易滋生藻类等水生植物，甚至有轻微的蓝藻生成，根据水资源环境分析及水库每年汛期表象，水库浅表水多有枯枝、树叶等淤积杂物，从上层取水容易堵塞取水拦污栅，致使时间一长形成黑臭淤泥甚至是黑臭水，进而增加水处理难度。而水库底层水由于汛期大雨，上游河道源短流急，容易扰动水库底部泥沙、淤泥等，造成水体浑浊，甚至存在“异重流现象”，出现最难处理的低温低浊水，这种低温低浊水质层便来自于水库底层水。而水库底层水中由于水生物耗氧、库中有机物及植物腐烂等，导致溶解氧变低，甚至从底部沉积物分解出锰铁等物质；随着有机物质残渣沉淀，底层水比表层水具有更高浓度的硫化氢、氨、磷酸盐等；故从水库浅表水取水与水库底层取水的水质均较差，不仅水中的异味消除困难，新生有害物质现时增加了水处理的难度和成本。因此从原水水源地取其优质水源层是目前地表水水源地优化配置的有力保障措施之一[1]。

随着城市建成区面积的扩涨与经济建设的快速发展，居民生活、城市服务业、工业及三产等用水的质与量标准要求逐步提高，同时水厂对原水的要求相应提高。充分利用现有优质水源不仅在水处理措施投资及水处理剂的使用上相应减少，节约水处理成本，降低水处理剂的副作用，并且能减少水处理时长，进而保证生活及城市日常用水的时效性[2]。

鹏山净水厂从乔店水库北放水洞取水，现有取水口只能向水厂输送水库底层水，有时会有藻类、淤泥夹在水体中，造成原水杂质明显异味较大，水处理设施压力较大，偶而会出现水质超标等问题，为保障饮用水的安全，降低处理成本，实现优质水层取水，对乔店水库水源地城市供水取水口实行分层取水是十分必要的。

通过相关资料查阅，结合乔店水库现有的南北放水洞取水口底高程控制及坝前竖井式钢板闸门位置，经省、市水利专家实地踏勘研究讨论，一致认为实现水库表层取水，保证城市居民供水安全，提供优质水资源，优化乔店水库取水工程方案是合理可行的。

3 分层取水方案的比选

3.1 一般分层取水构筑物选择

一般情况下水库分层取水构筑物分为固定式取水和活动式取水两种[3]。固定式取水构筑物取水相对灵活，一般采用竖井式，在取水范围内分别设置多个空口位置于不同标高，且分别有闸门控制每个孔口开关，其坚固耐用，但施工时需要将水库放空，建设周期长，投资大，不能连续取用表层水，闸门控制操作频繁。活动式取水构筑物主要的方式为浮船式。利用浮船随水库水位升降，可连续取用表层水，构筑物施工简便、工期短、投资省等优点，然而却需要水下完成进水管道与放水洞进口铰接管道连接，工程施工中存在一定难度。

乔店水库为济南市重要地表水饮用水水源地，不仅需要保证现存水量不允许放空水库再进行项目施工，且取水口所在的北放水洞进口距离竖井较远，无法改造现有竖井，因此取水构筑物固定式和活动式两者间应选择采用浮船取水构筑物较为合理。

3.2 浮船式取水构筑物设计方案

经实测，水面以下1.5 m 水质较好。乔店水库坝顶高程286.27 m，兴利水位282.82 m，死水位265.02 m。坝顶至死水位高差为21.25 m。坝顶至死水位的水平距离为74.05 m 。兴利水位至死水位高差为17.8 m。兴利水位至死水位的水平距离为66 m 。

根据以上数据并参考其他成功经验，拟制定浮船建造及设备配置方案如下：

设计采用浮船长15 m，宽12 m，高1.5 m，吃水深1.0 m，用4 个密封钢板箱体拼接而成，重60 t，安装在距坝顶150 m 处；采用管道与现放水洞进口涵洞连接，金属软管与浮船连接；配交通船1 艘；为免破坏坝体，浮船固定于副坝附近山体。

浮船式取水构筑物与放水洞进口连接方式为通过大口径金属软管、法兰式球形补偿接头、大口径伸缩节方式连接浮船与放水洞进口。

该方案系采用活动式取水构筑物，可解决改造现有的利用竖井分层取水的困难。

3.3 浮船式取水构筑物优缺点分析

浮船取水指运用置于水体中的浮船来从地表水源地内取水。取水设备固定于船舱中，利用金属软管与输水洞连接。其特点为建设周期短，施工简便，且能随水位升降而自动调节取用优质水源层。但因水位涨落需要有移动锚链、输电线路、接头拆换、收放缆绳等，特别是汛期洪水多发时，造成劳功环境条件差，取水浮船漂浮于水体中，受库水面骤升、风浪等因素影响较大，操作上有一定困难。

3.4 结合工程实际取水方案

结合乔店水库工程实际，利用水库枢纽工程南放水洞高于北放水洞6 m 的地势，将南放水洞与坝后城市供水管线连接，在库水位高于南放水洞进口底高程（271.27 m）1.5 m，相应库容大于530 万m3时，关闭北放水洞取水口，打开南放水洞取水口，一次性实现分层取水。同时，改造、更新南北放水洞闸阀两处，实现全自动化操作。

该分层取水方案易于施工，并且易于交换操作。乔店水库近年来水位一直维持有水位275.00 m 以上，近5 年相应库容平均在800 万m3以上，该取水方案不仅避免了取水库底层水，同时也避免了取用正常蓄水情况下浅层水，实现取用乔店水库优质水源层用于城市生活供水，并且该分层取水方案与浮船式分层取水相比较在施工与操作方面占很大优势。

4 取水工程方案投资比较

4.1 浮船式分层取水工程方案

该方案工程总投资约有265 万元。其中浮船（含固定支架及其他配件）投资95 万元、大口径金属软管投资54 万元、法兰式球形补偿接头投资16 万元、大口径伸缩节投资4.1 万元、交通船投资17 万元、水下作业施工费投资25 万元、土石方及混凝土工程投资25 万元；临时建筑工程投资4.622 万元；独立费用投资24.279 万元。

4.2 利用南放水洞分层取水工程方案

该方案工程总投资约有170.61 万元。其中取水口改造工程投资143.86 万元，包括DN800 钢管购买及安装、开挖及回填、DN800 电动闸阀购买及安装、远程式流量计、排气阀等其余设备购置等；独立费用总投资26.7 万元。

通过对比分析可知：利用南放水洞取水工程方案投资低于浮船式分层取水工程方案。

5 结 语

水库分层取水工程一般情况下采用固定式和活动式浮船取水两种方式，但在实际应用中应结合工程实际。乔店水库水利用南放水洞与坝后城市供水管线连接的取水方案总投资较少，且施工不受库水位高低的影响，工程实施后操作简便。浮船式分层取水工程方案投资较高，有水下施工，虽能适应多水位分层取水，但工程建成后操作繁琐且易出现故障，甚至影响正常供水时间，综合考虑乔店水库采用利用南放水洞与坝后城市供水管线连接这一取水方案更为合理。