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1055m。水庫總庫容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,進水口距離壩底部僅有7.6m。電站采用壩后式廠房,5臺機組初期裝機容量539MW,引水量500m2沙斯塔水溫控制結(jié)構(gòu)自20世紀70年代以來,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下游河道、凱斯維克(Keswick)水庫,以及更下游的紅崖(RedBluff)水庫。20世紀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、三一水庫的庫水位降低,下泄低溫水減少;另一方面,下游河道水溫升高,水庫下泄水與河道暖水混合,使凱斯維克水庫和紅崖水庫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點的水溫不得高于56°F。較高的水溫不僅使產(chǎn)卵率降低,同時對魚卵孵化和幼魚生長也有致命的影響。例如,1992年三一水庫和沙斯塔水庫低水位運行時,1993~1994年觀測到鮭魚的數(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魚類的繁殖、生長也不利。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源。切努克鮭魚是美國聯(lián)邦瀕危物種法所列的瀕臨滅絕物種?；谏鲜鰡栴},墾務(wù)局曾先后提出三種措施以減免下泄高溫水對切努克鮭魚和虹鱒的影響。墾務(wù)局首先提出較為激進的措施,修改三一和薩斯塔水庫的運行方式,改變進水口高程和結(jié)構(gòu),增加下泄低溫水。由于兩個樞紐的電站進水口高程均高于下泄低溫水要求的最低高程,從1987年開始,通過增加三一壩和薩斯塔壩泄水底孔的泄量和停機來保護鮭魚的產(chǎn)卵地。然而,這樣的運行方式使兩個電站的發(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170d和11d,該年發(fā)電損失約1000萬美元。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,簡稱“TCD”)。在薩克拉曼多河上游設(shè)計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。但由于沙斯塔水庫水位深、變幅大,對水幕尺寸結(jié)構(gòu)、運行靈活性要求高,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)由一系列獨特的分層取水設(shè)備組成,允許在水庫的不同深度取水,而且方便電站運行和管理。該系統(tǒng)由墾務(wù)局設(shè)計和建造,于1994年10月開工建設(shè),1997年4月完工。3tcd設(shè)計進出水口TCD的設(shè)計非常巧妙。墾務(wù)局的工程師將TCD設(shè)計成寬76.2m、高91.44m類似百頁窗的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)耗用8500t的鋼材,由超過325個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,面積如一個足球場,是目前世界上最大的用于保護魚類的人工鋼結(jié)構(gòu),僅水下部分就可容納28層樓。對應(yīng)于5條壓力鋼管,TCD也由5個進水單元組成。每個單元由巨型鋼筋混凝土螺栓固定在大壩上游面相應(yīng)的進水口區(qū)域,并向上游延伸15.2m。單元之間連通,允許經(jīng)過似百頁窗結(jié)構(gòu)的水流橫向流動。每個單元前緣設(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個高程分別為312.42、281.94m和248.41m的進水口取水,低位進水口最低高程219.46m,從而達到分層取水的目的。此外,在百頁窗結(jié)構(gòu)的左側(cè)冷水區(qū)域布置有低位進水口,低位進水口結(jié)構(gòu)尺寸為38.1m×51.8m(寬×高),同樣向水庫延伸15.2m,作為引取水庫底部冷水的管道。低位進水口也由3個獨立的進水單元組成,每個進水單元獨立地固定在上游壩面。低位進水口安裝有兩套滑動閘門,最低高程220m。TCD設(shè)計流量是550mTCD在設(shè)計中主要研究解決以下3個問題:(1)TCD滲漏量對下泄水溫和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)性破壞以及防護措施;(3)大型漂浮物對TCD結(jié)構(gòu)的影響,防止漂浮物纏繞啟閉機纜繩。TCD和引水發(fā)電建筑物內(nèi)布置有完善的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。TCD結(jié)構(gòu)中和進水口內(nèi)部布設(shè)溫度監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測庫水溫度和典型斷面的溫度。此外,在水輪機上游側(cè)也布設(shè)溫度監(jiān)測系統(tǒng)直接測量下泄水溫。運行操作人員可以根據(jù)水輪機水溫確定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試驗與材料協(xié)會的標準,聯(lián)邦標準以及墾務(wù)局標準。TCD還設(shè)計有腐蝕和裂縫監(jiān)測體系。陰極保護裝置防止TCD腐蝕、剝落。為了達到有效保護的目的,保證整個鋼結(jié)構(gòu)電流的連通,在各個構(gòu)件結(jié)構(gòu)部位都布設(shè)了細致的電流連接件。沙斯塔TCD設(shè)計、建造總費用8000萬美元。費用分配為:(1)水、電用戶分攤37.5%;(2)加州州政府25%;(3)無須償還37.5%。4分層廢水處理效果評價4.1減少損失及損失在TCD運行前的1987~1996年期間,沙斯塔電站發(fā)電量減少2709GW·h,經(jīng)濟損失6500萬美元。采用TCD后,1997年發(fā)電量增加74%,收益增加4810萬美元;1998年發(fā)電量增加105%,收益增加6830萬美元。4.2tcd運行情況經(jīng)TCD下泄的水流幾乎在所有時間都能滿足河道水溫要求。TCD使用前,在夏末秋初超過鮭魚產(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運行之前,超過允許水溫32次,1997年TCD運行后,超過允許水溫17次,降低47%。此外,TCD的運行對水庫的水溫分層結(jié)構(gòu)改善也很大(見圖1)。4.3tcd運行效果根據(jù)觀測數(shù)據(jù),推測的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)量見圖2。TCD運行前后切努克鮭魚數(shù)量的增加非常明顯。從TCD運行后在紅崖水庫上游的最新觀測數(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年是個例外。通過對下游河道水質(zhì)的監(jiān)測,TCD運行后,河道的混濁度降低,溶解氧增加,對所有鮭魚的生長都有益。2002年,美國國家水力發(fā)電協(xié)會授予墾務(wù)局水電杰出成就獎,稱沙斯塔水電站的TCD為藝術(shù)級的技術(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國家級獎。5tcd運行管理和監(jiān)測資料TCD的設(shè)計初衷有3個方面:(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)局十分重視運行管理和監(jiān)測資料分析。在運行過程中,任何溫度異常都會迅速匯報給主管部門。監(jiān)測資料包括TCD水溫、水庫水溫、機組流量、機組內(nèi)水溫、TCD閘門位置的流量和水溫。監(jiān)測數(shù)據(jù)一方面指導(dǎo)運行管理,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)點是將低溫水存貯,在第二年夏天需要的時候泄放。數(shù)理模型推薦在TCD運行的前5年,每年檢查一次。年檢安排在每年最低水位的時候進行。除了年檢,還制定了7、15年和25年大檢計劃。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)置與下游所保護魚類的生活習(xí)性密切相關(guān),一味地強調(diào)下泄水庫表層水,不一定對下游魚類有利;(2)可以從泄水建筑物布置上考慮對下泄水溫的控制,如設(shè)置多層