分層取水式水溫控制裝置的改建

分層取水式水溫控制裝置的改建

1m沙斯塔樞紐沙塔的樞紐工程位于美國(guó)加利福尼亞州的沙拉多河（sakamaoyo河流），控制范圍為182612.35公里。沙斯塔樞紐擋水建筑物為略帶彎曲的混凝土重力壩,壩高183.5m,壩頂長(zhǎng)1055m。水庫(kù)總庫(kù)容56.2億m沙斯塔樞紐布置有完備的泄水系統(tǒng)。在大壩高程316m布設(shè)有閘門的開敞式溢洪道,在高程287、257m和226m分別布設(shè)一泄水孔。引水發(fā)電建筑物布置在大壩右側(cè)。壓力鋼管中心線高程248m,距離古河床底部73m,進(jìn)水口距離壩底部?jī)H有7.6m。電站采用壩后式廠房,5臺(tái)機(jī)組初期裝機(jī)容量539MW,引水量500m2沙斯塔水溫控制結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)70年代以來(lái),溯河產(chǎn)卵魚類的數(shù)量急劇下降,尤其是切努克鮭魚和虹鱒鮭魚的下降數(shù)量最大。切努克鮭魚是冬季回游性魚類,最佳產(chǎn)卵季節(jié)在每年的7~8月份,產(chǎn)卵地分布于薩斯塔水庫(kù)下游河道、凱斯維克(Keswick)水庫(kù),以及更下游的紅崖(RedBluff)水庫(kù)。20世紀(jì)80年代后期至90年代初期,加利福尼亞北部持續(xù)干旱,三一河與薩克拉曼多河的河水水溫超過(guò)了三紋魚繁殖的極限溫度。一方面,持續(xù)干旱使得薩斯塔水庫(kù)、三一水庫(kù)的庫(kù)水位降低,下泄低溫水減少;另一方面,下游河道水溫升高,水庫(kù)下泄水與河道暖水混合,使凱斯維克水庫(kù)和紅崖水庫(kù)的水溫均高于切努克鮭魚產(chǎn)卵所要求的溫度。切努克鮭魚較為適宜的產(chǎn)卵溫度是56°F(13.3℃)。加利福尼亞州水資源管理局要求墾務(wù)局保持薩克拉曼多河的水溫在曲橋觀測(cè)點(diǎn)的水溫不得高于56°F。較高的水溫不僅使產(chǎn)卵率降低,同時(shí)對(duì)魚卵孵化和幼魚生長(zhǎng)也有致命的影響。例如,1992年三一水庫(kù)和沙斯塔水庫(kù)低水位運(yùn)行時(shí),1993~1994年觀測(cè)到鮭魚的數(shù)量明顯減少。因此,較高的水溫是引起鮭魚數(shù)量下降的主要原因之一。當(dāng)然,其他因素也將導(dǎo)致溯河產(chǎn)卵魚類的下降。例如水量,尤其是干旱年份的水量,溶解氧、水質(zhì)混濁度以及總氣體溶解量等對(duì)魚類的繁殖、生長(zhǎng)也不利。此外,在兩條河流中,不僅溯河魚類的數(shù)量在減少,其他種類也在減少。虹鱒是居住于三一河印第安人重要的食物來(lái)源。切努克鮭魚是美國(guó)聯(lián)邦瀕危物種法所列的瀕臨滅絕物種?；谏鲜鰡?wèn)題,墾務(wù)局曾先后提出三種措施以減免下泄高溫水對(duì)切努克鮭魚和虹鱒的影響。墾務(wù)局首先提出較為激進(jìn)的措施,修改三一和薩斯塔水庫(kù)的運(yùn)行方式,改變進(jìn)水口高程和結(jié)構(gòu),增加下泄低溫水。由于兩個(gè)樞紐的電站進(jìn)水口高程均高于下泄低溫水要求的最低高程,從1987年開始,通過(guò)增加三一壩和薩斯塔壩泄水底孔的泄量和停機(jī)來(lái)保護(hù)鮭魚的產(chǎn)卵地。然而,這樣的運(yùn)行方式使兩個(gè)電站的發(fā)電量顯著減少。以1992年為例,薩斯塔和三一水電站分別停機(jī)170d和11d,該年發(fā)電損失約1000萬(wàn)美元。1992年,作為CVPIA的一部分,墾務(wù)局被授權(quán)在沙斯塔山水壩的上游增加水溫控制設(shè)施(TemperatureControlDevice,簡(jiǎn)稱“TCD”)。在薩克拉曼多河上游設(shè)計(jì)TCD,一方面控制水溫以減小鮭魚的死亡率,另一方面是減少發(fā)電量損失。墾務(wù)局提出在沙斯塔修建水溫控制幕作為分層取水的一種比選方案。水溫控制幕造價(jià)是常規(guī)分層取水結(jié)構(gòu)的1/3~1/4,因此具有較大的比選優(yōu)勢(shì)。但由于沙斯塔水庫(kù)水位深、變幅大,對(duì)水幕尺寸結(jié)構(gòu)、運(yùn)行靈活性要求高,水溫控制幕在列維斯頓大壩和維斯給城大壩率先使用,沙斯塔水壩采用常規(guī)分層取水結(jié)構(gòu)。沙斯塔水溫控制結(jié)構(gòu)由一系列獨(dú)特的分層取水設(shè)備組成,允許在水庫(kù)的不同深度取水,而且方便電站運(yùn)行和管理。該系統(tǒng)由墾務(wù)局設(shè)計(jì)和建造,于1994年10月開工建設(shè),1997年4月完工。3tcd設(shè)計(jì)進(jìn)出水口TCD的設(shè)計(jì)非常巧妙。墾務(wù)局的工程師將TCD設(shè)計(jì)成寬76.2m、高91.44m類似百頁(yè)窗的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)耗用8500t的鋼材,由超過(guò)325個(gè)巨型鋼筋混凝土螺栓固定在大壩的上游表面。高度如自由女神,面積如一個(gè)足球場(chǎng),是目前世界上最大的用于保護(hù)魚類的人工鋼結(jié)構(gòu),僅水下部分就可容納28層樓。對(duì)應(yīng)于5條壓力鋼管,TCD也由5個(gè)進(jìn)水單元組成。每個(gè)單元由巨型鋼筋混凝土螺栓固定在大壩上游面相應(yīng)的進(jìn)水口區(qū)域,并向上游延伸15.2m。單元之間連通,允許經(jīng)過(guò)似百頁(yè)窗結(jié)構(gòu)的水流橫向流動(dòng)。每個(gè)單元前緣設(shè)置3套啟閉設(shè)備和攔污柵,允許5條壓力管道從高、中、低3個(gè)高程分別為312.42、281.94m和248.41m的進(jìn)水口取水,低位進(jìn)水口最低高程219.46m,從而達(dá)到分層取水的目的。此外,在百頁(yè)窗結(jié)構(gòu)的左側(cè)冷水區(qū)域布置有低位進(jìn)水口,低位進(jìn)水口結(jié)構(gòu)尺寸為38.1m×51.8m(寬×高),同樣向水庫(kù)延伸15.2m,作為引取水庫(kù)底部冷水的管道。低位進(jìn)水口也由3個(gè)獨(dú)立的進(jìn)水單元組成,每個(gè)進(jìn)水單元獨(dú)立地固定在上游壩面。低位進(jìn)水口安裝有兩套滑動(dòng)閘門,最低高程220m。TCD設(shè)計(jì)流量是550mTCD在設(shè)計(jì)中主要研究解決以下3個(gè)問(wèn)題:(1)TCD滲漏量對(duì)下泄水溫和TCD取水效果的影響;(2)在地震條件下,TCD可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞以及防護(hù)措施;(3)大型漂浮物對(duì)TCD結(jié)構(gòu)的影響,防止漂浮物纏繞啟閉機(jī)纜繩。TCD和引水發(fā)電建筑物內(nèi)布置有完善的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。TCD結(jié)構(gòu)中和進(jìn)水口內(nèi)部布設(shè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)庫(kù)水溫度和典型斷面的溫度。此外,在水輪機(jī)上游側(cè)也布設(shè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接測(cè)量下泄水溫。運(yùn)行操作人員可以根據(jù)水輪機(jī)水溫確定TCD中需要開啟或者關(guān)閉的閘門高度。所有結(jié)構(gòu)的材料都必須符合美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn),聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)以及墾務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)。TCD還設(shè)計(jì)有腐蝕和裂縫監(jiān)測(cè)體系。陰極保護(hù)裝置防止TCD腐蝕、剝落。為了達(dá)到有效保護(hù)的目的,保證整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)電流的連通,在各個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)部位都布設(shè)了細(xì)致的電流連接件。沙斯塔TCD設(shè)計(jì)、建造總費(fèi)用8000萬(wàn)美元。費(fèi)用分配為:(1)水、電用戶分?jǐn)?7.5%;(2)加州州政府25%;(3)無(wú)須償還37.5%。4分層廢水處理效果評(píng)價(jià)4.1減少損失及損失在TCD運(yùn)行前的1987~1996年期間,沙斯塔電站發(fā)電量減少2709GW·h,經(jīng)濟(jì)損失6500萬(wàn)美元。采用TCD后,1997年發(fā)電量增加74%,收益增加4810萬(wàn)美元;1998年發(fā)電量增加105%,收益增加6830萬(wàn)美元。4.2tcd運(yùn)行情況經(jīng)TCD下泄的水流幾乎在所有時(shí)間都能滿足河道水溫要求。TCD使用前,在夏末秋初超過(guò)鮭魚產(chǎn)卵允許水溫的有30~45d。TCD分層取水后,可以幫助CVP運(yùn)行管理人員減輕下游河道水溫和發(fā)電的雙重壓力。1997年2月TCD開始運(yùn)行,4~10月期間,在凱斯維克大壩和紅崖大壩之間河道的日平均水溫小于要求的13.3℃(56°F)。1996年TCD運(yùn)行之前,超過(guò)允許水溫32次,1997年TCD運(yùn)行后,超過(guò)允許水溫17次,降低47%。此外,TCD的運(yùn)行對(duì)水庫(kù)的水溫分層結(jié)構(gòu)改善也很大(見(jiàn)圖1)。4.3tcd運(yùn)行效果根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),推測(cè)的1987年~1998年在凱斯維克大壩道上游河道產(chǎn)卵的切努克鮭魚數(shù)量見(jiàn)圖2。TCD運(yùn)行前后切努克鮭魚數(shù)量的增加非常明顯。從TCD運(yùn)行后在紅崖水庫(kù)上游的最新觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖3)可以看出,在1997~2002年期間,切努克鮭魚的數(shù)量是不斷增加的,只有2000年是個(gè)例外。通過(guò)對(duì)下游河道水質(zhì)的監(jiān)測(cè),TCD運(yùn)行后,河道的混濁度降低,溶解氧增加,對(duì)所有鮭魚的生長(zhǎng)都有益。2002年,美國(guó)國(guó)家水力發(fā)電協(xié)會(huì)授予墾務(wù)局水電杰出成就獎(jiǎng),稱沙斯塔水電站的TCD為藝術(shù)級(jí)的技術(shù)解決方案。墾務(wù)局的水力學(xué)工程師TracyVermeyen在TCD中的一系列研究成果獲得美國(guó)國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)。5tcd運(yùn)行管理和監(jiān)測(cè)資料TCD的設(shè)計(jì)初衷有3個(gè)方面:(1)改善河道水溫;(2)鮭魚生境恢復(fù);(3)最大限度地優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)與發(fā)電量間的關(guān)系。作為一種新型的分層取水結(jié)構(gòu),墾務(wù)局十分重視運(yùn)行管理和監(jiān)測(cè)資料分析。在運(yùn)行過(guò)程中,任何溫度異常都會(huì)迅速匯報(bào)給主管部門。監(jiān)測(cè)資料包括TCD水溫、水庫(kù)水溫、機(jī)組流量、機(jī)組內(nèi)水溫、TCD閘門位置的流量和水溫。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一方面指導(dǎo)運(yùn)行管理,另一方面為數(shù)學(xué)、物理模型提供反演參數(shù)。數(shù)理模型研究結(jié)果表明,TCD最大的優(yōu)點(diǎn)是將低溫水存貯,在第二年夏天需要的時(shí)候泄放。數(shù)理模型推薦在TCD運(yùn)行的前5年,每年檢查一次。年檢安排在每年最低水位的時(shí)候進(jìn)行。除了年檢,還制定了7、15年和25年大檢計(jì)劃。6考慮下游、在一定范圍內(nèi)泄水的控制從沙斯塔大壩布置和下泄水流溫度控制措施的改建,可得到以下啟示:(1)下泄水流溫度控制措施的設(shè)置與下游所保護(hù)魚類的生活習(xí)性密切相關(guān),一味地強(qiáng)調(diào)下泄水庫(kù)表層水,不一定對(duì)下游魚類有利;(2)可以從泄水建筑物布置上考慮對(duì)下泄水溫的控制,如設(shè)置多層