高壩庫內磁性翻板液位計表層取水系統的設計研究

【摘 要】 本文對紅谷田水庫庫內磁性翻板液位計表層取水系統進行了設計研究，闡述了在水庫不同高程分別布置 22 級取水口，以及拍門、不銹鋼插閥和自動浮球式取水的設計方案。該方案投資小，操作穩定性高，且制造、安裝及施工工藝簡單，可解決高壩庫內供水磁性翻板液位計多級表層取水的難題，經濟和社會效益顯著。

水利工程建成蓄水后，隨著蓄水水位的上升，水庫上游將會形成較大的蓄水面積。受淹沒區地表、氣象等條件的影響，汛期入庫洪水徑流攜帶氨氮、地表雜質等有機物進入庫內，導致水庫內水質渾濁度大、水溫呈現垂向分層現象: 表層水體溫度高于深層水體溫度，死水位以下水溫zui低［1］ 。同時，通過輸水建筑物閘門泄水的水溫與原自然河道的水溫明顯偏低。通常，每年的 3—10 月下泄水溫低于自然河道水溫，每年的 11月—次年 2 月下泄水溫高于自然河道水溫。根據庫內水溫、濁度的垂向分層規律，庫內水體溫度隨著庫水位的加深而降低，當達到一定的庫水位時，水溫常年不變，且濁度隨庫水位的加深而加大［2］ 。對于承擔城市或農村人畜供水任務的水庫來說，深層水位供水在居民飲水的過程中會有輕微的土霉味［3］ 。針對表層取水和深層取水的影響，國內外開展了部分研究，通過取水工程措施和非工程措施進行調節或減少水庫水體溫度變化，降低水庫下泄水溫對自然環境和生態的影響，從而解決城市或農村人畜供水異味［4］ 。而水庫分層取水利用了水庫表層水溫高于深層水溫的特征，通過工程措施從水庫內取得所需水溫，以達到合理開發利用水資源并改善水質的目的。本文對紅谷田水庫高壩磁性翻板液位計表層取水系統進行了設計和研究。

1 工程概況

紅谷田水庫屬怒江流域，壩址位于施甸河一級支流官市河中游，壩址高程 1593. 8m，水庫壩高 85. 7m，總庫容1190. 3 萬 m 3 。水庫規模為中型，工程等級為Ⅲ等。水庫主要功能為解決農村人畜飲水供水和農業灌溉用水，供水人口 4. 79 萬、牲畜 6. 46 萬頭，灌溉面積2. 68 萬畝。水庫樞紐工程由攔河大壩、輸水隧洞、溢洪道組成。輸水隧洞全長 751. 1m，輸水流量 3. 0m 3 /s，泄流量 50. 6m 3 /s。農村人畜供水量為 0. 065m 3 /s，生態流 量 0. 077m 3 /s。初 步 設 計 在 輸 水 隧 洞 內 布 置DN300、壁厚 δ =8mm 的 Q235 無縫鋼管作為農村人畜供水及生態用水供水管，供水管進口位于輸水隧洞進口底板處( 高程 1628. 04m) 。閘門控制段緊靠洞壁外側埋置于鋼筋混凝土內，其余沿輸水隧洞內側平行于軸線布置，在輸水隧洞出口與下游供水管連接。因受投資及高壩表層取水缺乏可供借鑒經驗的限制，初步設計在隧洞進口底板處采用了深層取水方案。目前，施甸縣 1 座中型水庫、5 座小( 1) 型水庫、15 座小( 2)型水庫農村人畜供水均采取了隧洞內埋設供水管，取庫內表層水供水。在多年的運行中，發現表層水質要優于深層水質。但現有的水庫壩高均未超過 30. 0m，而紅谷田水庫壩高 85. 7m，對于如何解決高壩庫內表層取水的問題，國內可供借鑒的經驗不多。為解決紅谷田水庫高壩庫內表層取水的問題，紅田水庫管理局成立了“紅谷田水庫庫內磁性翻板液位計取水技術應用與研究課題組”，成員由紅谷田水庫管理局、云南省水利水電勘測設計研究院、保山學院、自貢九天水利機械有限公司、河北鑫能重工機械有限公司、施甸縣自來水公司、云南滇池水務集團施甸第二自來水廠、施甸灌區管理所等單位的工程技術專家組成，通過歷時近半年的時間完成了水庫庫內磁性翻板液位計表層取水系統的設計。

2 庫內分層或表層取水類型

通過查閱國內外相關文獻，按取水建筑物分類，分層或表層取水主要有豎井式、斜涵臥管貼坡式、虹吸式、懸臂浮子式、伸縮套筒式五類［5］ 。

a. 豎井式分級取水。使用進水塔或閘門井，沿垂直方向在不同高程分別布置閘門，通過啟閉機啟閉閘門控制流量，閘門的型式分為平板閘門、疊梁門、碟閥，啟閉設備采用卷揚機、螺桿啟閉機等。該方式的缺點是垂直分級數量少，跑漏水隱患多，投資大; 優點是取水量大，可靠性及穩定性較好，并可實現遠程自動控制。

b. 斜涵臥管貼坡式分級取水。即在水庫大壩上游壩面或岸坡修建管涵或鋪設磁性翻板液位計，底部與輸水隧洞或洞內供水管連接，在水庫蓄水位以下，垂向不同高程分級布置進水孔。運行中，先開啟靠水庫表面一級進水閘門，隨著庫內蓄水位的下降，逐級向下開啟閘門，利用垂向各級孔口高差，實現取用表層水的目的。該方式的缺點是閘門布置數量較多，取水量受管徑所限;優點是可靠性、操作性、穩定性好，投資少。

c. 虹吸式表層取水。在水庫大壩上設置虹吸管，利用虹吸作用取用庫內表層水。該方式的缺點是頻繁調整虹吸管進水管口操作不便，伸縮及預埋裝置維護困難; 優點是布置方便，投資小。

d. 懸臂浮子式分層取水。采用鋼管或柔性軟管將放水水管與浮子相連，浮子取水口隨水位變化而升降，始終浮沉于庫水表面之下，以滿流狀態工作。缺點是鋼管結構較復雜，工藝過程要求高，若采用柔性軟管則使用壽命短，更換頻繁，可靠性、穩定性差; 該方式的優點是能夠獲取表層庫水，水溫較高。

e. 伸縮套筒式取水。伸縮套筒類似收音機上的伸縮天線，由鋼管做成，其頂部與浮箱相連，隨庫水位變化伸縮。缺點是為防風浪沖擊，套筒四周建有鋼架或塔井以固定其位置，由于伸縮套筒相互連接，拉伸長，從上至下須設多個檢修臺架，檢修極不方便; 優點是布置方便，投資小。

3 表層取水的運行情況分析

1995 年施甸縣首次在蔣家寨水庫推廣了供水磁性翻板液位計表層取水技術，取用水庫表層水，2010 年進行了技術改造。目前全縣 1 座中型水庫、5 座小( 1) 型水庫、15 座小( 2) 型水庫農村人畜供水均采取了庫內表層水供水。

魚洞水庫壩高32. 9m，總庫容 1278 萬 m 3 ，水庫規模為中型，工程等別為Ⅲ等，2006 年建成運行。正常蓄水位至死水位變幅 15. 3m，水庫zui大變幅 17. 4m。在輸水隧洞內布置供水管，采用懸臂浮子式表層取水，一端采用柔性 PE 軟管與無縫鋼管連接、懸臂固定于岸坡，另一端采用柔性 PE 軟管與方形浮箱連接浮于水庫表面。蔣家寨水庫壩高 32. 5m，總庫容 807 萬 m 3 ，水庫規模為小( 1) 型，工程等別為Ⅳ等。正常蓄水位至死水位變幅 19. 5m，水庫zui大變幅 20. 0m。在輸水隧洞內布置供水管，采用懸臂浮子式表層取水，一端采用柔性 PE 軟管與無縫鋼管連接，另一端采用柔性 PE 軟管與方形浮箱連接浮于水庫表面，1995 年建成投入使用。1995—2010 年先后更換柔性 PE 軟管 4 次，柔性PE 軟管運行中因內外水壓力變化較大，變形嚴重，不能保障供水量。2010 年進行了技術改造，為降低內外水壓力，在輸水涵洞出口新建減壓池。在 2011 ～ 2018年的 6 年運行中，更換柔性 PE 軟管 2 次。全縣其他的小( 1) 型、小( 2) 型水庫農村人畜供水均采取了隧洞或涵洞內埋設供水管，取庫內表層水供水，采用懸臂浮子式分層取水的方式。運行中主要存在以下問題:

a. 為防止雜物進入供水管，柔性 PE 軟管進水口設置攔污網，在汛期時常發生農作物秸稈、樹根、雜草等雜物堵塞供水管進口的情況，嚴重影響了供水。

b. 柔性 PE 軟管因內外水壓變化較大，易發生變形，影響正常供水。

c. 在運行管理的過程中，檢修、維護困難。因浮箱離岸邊 60 ～100m，須停止供水方可進行檢修、維護。同時水庫中的浮箱浮動，檢修、維護存在安全隱患。

4 分層取水系統設計

紅谷田水庫校核洪水位 1679. 00m，設計洪水位1677. 50m，正常蓄水位 1676. 50m，死水位 1631. 34m，正常蓄水位至死水位變幅 45. 16m，水庫zui大變幅47. 7m。水庫年供水量 1505. 9 萬 m 3 ，其中農村人畜供水量 204. 9 萬 m 3 ，下游河道生態放水量為 244 萬 m 3 ，農業灌溉供水量 1301. 0 萬 m 3 ，損失水量 94. 3 萬 m 3 。為取得濁度低、水質好的表層水，須采用多級分層取水的方式，即隨著庫水位的升降，開啟某一級閘門，實現表層取水。

結合紅谷田水庫壩高 85. 7m、水位變幅 47. 7m 的實際，分層取水系統的設計原則如下: zui大限度地取表層水; 運行管理方便; 結合閘門的制作、運輸、安裝及運行操作; 結構布置合理，技術xianjin，節省投資?；谝陨显瓌t，課題組提出了 3 個方案。

4. 1 拍門

根據水庫的具體情況，供水磁性翻板液位計按照每2. 0m 高差設置一道拍門，在拍門前端設置拉桿，每個拍門沿磁性翻板液位計上端設置滾筒和操作輪，然后用不銹鋼鋼絲連接拍門前的拉杠，通過拉桿來操作拍門的關閉。本方案投資小，操作的穩定性高，但須要水庫管理人員根據庫水位來控制，管理操作不便。拍門式分層取水的布置如圖1 所示。

4. 2 不銹鋼插閥

根據水庫的具體情況，在主磁性翻板液位計( 直徑 325mm、壁厚 8mm) 按照每 2. 0m 高差設置一個 300mm 的接管及閘閥，閘閥的本體采用球墨鑄鐵，閥板以及閥桿采用不銹鋼，閥桿根據現場需要采用特殊的加長型，閥桿長度為 2 ～3m。本方案操作的穩定性高，但須布置操作平臺、運行管理通道，且需要管理人員根據水位來控制。不銹鋼插閥式分層取水布置如圖 2 所示。

4. 3 自動浮球式

本方案在主磁性翻板液位計上按需要的高程差設置自動浮球，并根據預設的水位自動開啟閥門?？砂凑彰? 高程差) 2. 0m 設置控制閥門。該方案可實現無人員或少人員值守，節能環保。期間，利用水位差實現自動控制。當水位降低時，浮球的開關將自動斷開，磁性翻板液位計正常通水。當到達設定水位后，開關自動閉合，磁性翻板液位計口自動關閉停止供水。該方案須開展水力模型試驗，以論證該方案的可行性和穩定性。自動浮球式分層取水布置如圖 3 所示。水利工程的建設重在管理，管理的核心在于提升信息化管理水平。因此，在后期運行的過程中，針對本方案采集的相關歷史數據，可使用計算機管理系統進行維護管理。推薦方案如下:前臺編程環境: Microsoft Visual Studio 2016，后臺數據庫: Microsoft SQL SEＲVEＲ 2012，核心語言采用C sharp?？刂婆c監測部分可由 I/O 端口、PLC 和上位機構成。上位機通過工業以太網與下位機進行通信，期間由 PLC 通過尋址將所采集的數據( 庫水位、水溫等) 讀入上位機界面，并存儲至后臺數據庫中。如圖 4 所示，管理系統的功能可分為數據導入與導出、數據查詢與統計、用戶與權限管理、系統管理。其中，用戶與權限管理模塊可分別調整不同級別的用戶角色，使其具有不同的管理權限。系統參與的用戶角色包括值班人員、管理局人員、管理局負責人、局領導等。數據查詢與統計模塊既可根據輸入的相關字段查詢到對應的結果，也可按需要生成統計圖表。數據導入與導出模塊可將相關的 Excel 表格數據導入至數據庫中，也可將查詢到的結果導出為 Excel 格式的文件。同時，還可以將其打印成日報表或月報表。

5 結 語

紅谷田水庫庫內表層取水系統的設計借鑒了國內外xianjin技術和經驗。經綜合比選，推薦采用斜涵臥管貼坡式分級取水，垂向分級高差不超過 2. 0m，分 22 級取水。閘門推薦選用不銹鋼插閥。該表層取水系統的優勢如下: 可以解決高水位磁性翻板液位計分層取水的技術難題，為高壩高水位磁性翻板液位計分層取水提供借鑒; 投資少、操作性和穩定性高; 既改善了農村人畜飲水的供水水質，也減小了上下游河道的水溫差，而且還降低了因供水對生態環境帶來的不利影響; 有效提高了水庫后期運行的信息化管理水平。