高坝库内磁性翻板液位计表层取水系统的设计研究

【摘 要】 本文对红谷田水库库内磁性翻板液位计表层取水系统进行了设计研究，阐述了在水库不同高程分别布置 22 级取水口，以及拍门、不锈钢插阀和自动浮球式取水的设计方案。该方案投资小，操作稳定性高，且制造、安装及施工工艺简单，可解决高坝库内供水磁性翻板液位计多级表层取水的难题，经济和社会效益显著。

水利工程建成蓄水后，随着蓄水水位的上升，水库上游将会形成较大的蓄水面积。受淹没区地表、气象等条件的影响，汛期入库洪水径流携带氨氮、地表杂质等有机物进入库内，导致水库内水质浑浊度大、水温呈现垂向分层现象: 表层水体温度高于深层水体温度，死水位以下水温zui低［1］ 。同时，通过输水建筑物闸门泄水的水温与原自然河道的水温明显偏低。通常，每年的 3—10 月下泄水温低于自然河道水温，每年的 11月—次年 2 月下泄水温高于自然河道水温。根据库内水温、浊度的垂向分层规律，库内水体温度随着库水位的加深而降低，当达到一定的库水位时，水温常年不变，且浊度随库水位的加深而加大［2］ 。对于承担城市或农村人畜供水任务的水库来说，深层水位供水在居民饮水的过程中会有轻微的土霉味［3］ 。针对表层取水和深层取水的影响，国内外开展了部分研究，通过取水工程措施和非工程措施进行调节或减少水库水体温度变化，降低水库下泄水温对自然环境和生态的影响，从而解决城市或农村人畜供水异味［4］ 。而水库分层取水利用了水库表层水温高于深层水温的特征，通过工程措施从水库内取得所需水温，以达到合理开发利用水资源并改善水质的目的。本文对红谷田水库高坝磁性翻板液位计表层取水系统进行了设计和研究。

1 工程概况

红谷田水库属怒江流域，坝址位于施甸河一级支流官市河中游，坝址高程 1593. 8m，水库坝高 85. 7m，总库容1190. 3 万 m 3 。水库规模为中型，工程等级为Ⅲ等。水库主要功能为解决农村人畜饮水供水和农业灌溉用水，供水人口 4. 79 万、牲畜 6. 46 万头，灌溉面积2. 68 万亩。水库枢纽工程由拦河大坝、输水隧洞、溢洪道组成。输水隧洞全长 751. 1m，输水流量 3. 0m 3 /s，泄流量 50. 6m 3 /s。农村人畜供水量为 0. 065m 3 /s，生态流 量 0. 077m 3 /s。初 步 设 计 在 输 水 隧 洞 内 布 置DN300、壁厚 δ =8mm 的 Q235 无缝钢管作为农村人畜供水及生态用水供水管，供水管进口位于输水隧洞进口底板处( 高程 1628. 04m) 。闸门控制段紧靠洞壁外侧埋置于钢筋混凝土内，其余沿输水隧洞内侧平行于轴线布置，在输水隧洞出口与下游供水管连接。因受投资及高坝表层取水缺乏可供借鉴经验的限制，初步设计在隧洞进口底板处采用了深层取水方案。目前，施甸县 1 座中型水库、5 座小( 1) 型水库、15 座小( 2)型水库农村人畜供水均采取了隧洞内埋设供水管，取库内表层水供水。在多年的运行中，发现表层水质要优于深层水质。但现有的水库坝高均未超过 30. 0m，而红谷田水库坝高 85. 7m，对于如何解决高坝库内表层取水的问题，国内可供借鉴的经验不多。为解决红谷田水库高坝库内表层取水的问题，红田水库管理局成立了“红谷田水库库内磁性翻板液位计取水技术应用与研究课题组”，成员由红谷田水库管理局、云南省水利水电勘测设计研究院、保山学院、自贡九天水利机械有限公司、河北鑫能重工机械有限公司、施甸县自来水公司、云南滇池水务集团施甸第二自来水厂、施甸灌区管理所等单位的工程技术专家组成，通过历时近半年的时间完成了水库库内磁性翻板液位计表层取水系统的设计。

2 库内分层或表层取水类型

通过查阅国内外相关文献，按取水建筑物分类，分层或表层取水主要有竖井式、斜涵卧管贴坡式、虹吸式、悬臂浮子式、伸缩套筒式五类［5］ 。

a. 竖井式分级取水。使用进水塔或闸门井，沿垂直方向在不同高程分别布置闸门，通过启闭机启闭闸门控制流量，闸门的型式分为平板闸门、叠梁门、碟阀，启闭设备采用卷扬机、螺杆启闭机等。该方式的缺点是垂直分级数量少，跑漏水隐患多，投资大; 优点是取水量大，可靠性及稳定性较好，并可实现远程自动控制。

b. 斜涵卧管贴坡式分级取水。即在水库大坝上游坝面或岸坡修建管涵或铺设磁性翻板液位计，底部与输水隧洞或洞内供水管连接，在水库蓄水位以下，垂向不同高程分级布置进水孔。运行中，先开启靠水库表面一级进水闸门，随着库内蓄水位的下降，逐级向下开启闸门，利用垂向各级孔口高差，实现取用表层水的目的。该方式的缺点是闸门布置数量较多，取水量受管径所限;优点是可靠性、操作性、稳定性好，投资少。

c. 虹吸式表层取水。在水库大坝上设置虹吸管，利用虹吸作用取用库内表层水。该方式的缺点是频繁调整虹吸管进水管口操作不便，伸缩及预埋装置维护困难; 优点是布置方便，投资小。

d. 悬臂浮子式分层取水。采用钢管或柔性软管将放水水管与浮子相连，浮子取水口随水位变化而升降，始终浮沉于库水表面之下，以满流状态工作。缺点是钢管结构较复杂，工艺过程要求高，若采用柔性软管则使用寿命短，更换频繁，可靠性、稳定性差; 该方式的优点是能够获取表层库水，水温较高。

e. 伸缩套筒式取水。伸缩套筒类似收音机上的伸缩天线，由钢管做成，其顶部与浮箱相连，随库水位变化伸缩。缺点是为防风浪冲击，套筒四周建有钢架或塔井以固定其位置，由于伸缩套筒相互连接，拉伸长，从上至下须设多个检修台架，检修极不方便; 优点是布置方便，投资小。

3 表层取水的运行情况分析

1995 年施甸县首次在蒋家寨水库推广了供水磁性翻板液位计表层取水技术，取用水库表层水，2010 年进行了技术改造。目前全县 1 座中型水库、5 座小( 1) 型水库、15 座小( 2) 型水库农村人畜供水均采取了库内表层水供水。

鱼洞水库坝高32. 9m，总库容 1278 万 m 3 ，水库规模为中型，工程等别为Ⅲ等，2006 年建成运行。正常蓄水位至死水位变幅 15. 3m，水库zui大变幅 17. 4m。在输水隧洞内布置供水管，采用悬臂浮子式表层取水，一端采用柔性 PE 软管与无缝钢管连接、悬臂固定于岸坡，另一端采用柔性 PE 软管与方形浮箱连接浮于水库表面。蒋家寨水库坝高 32. 5m，总库容 807 万 m 3 ，水库规模为小( 1) 型，工程等别为Ⅳ等。正常蓄水位至死水位变幅 19. 5m，水库zui大变幅 20. 0m。在输水隧洞内布置供水管，采用悬臂浮子式表层取水，一端采用柔性 PE 软管与无缝钢管连接，另一端采用柔性 PE 软管与方形浮箱连接浮于水库表面，1995 年建成投入使用。1995—2010 年先后更换柔性 PE 软管 4 次，柔性PE 软管运行中因内外水压力变化较大，变形严重，不能保障供水量。2010 年进行了技术改造，为降低内外水压力，在输水涵洞出口新建减压池。在 2011 ～ 2018年的 6 年运行中，更换柔性 PE 软管 2 次。全县其他的小( 1) 型、小( 2) 型水库农村人畜供水均采取了隧洞或涵洞内埋设供水管，取库内表层水供水，采用悬臂浮子式分层取水的方式。运行中主要存在以下问题:

a. 为防止杂物进入供水管，柔性 PE 软管进水口设置拦污网，在汛期时常发生农作物秸秆、树根、杂草等杂物堵塞供水管进口的情况，严重影响了供水。

b. 柔性 PE 软管因内外水压变化较大，易发生变形，影响正常供水。

c. 在运行管理的过程中，检修、维护困难。因浮箱离岸边 60 ～100m，须停止供水方可进行检修、维护。同时水库中的浮箱浮动，检修、维护存在安全隐患。

4 分层取水系统设计

红谷田水库校核洪水位 1679. 00m，设计洪水位1677. 50m，正常蓄水位 1676. 50m，死水位 1631. 34m，正常蓄水位至死水位变幅 45. 16m，水库zui大变幅47. 7m。水库年供水量 1505. 9 万 m 3 ，其中农村人畜供水量 204. 9 万 m 3 ，下游河道生态放水量为 244 万 m 3 ，农业灌溉供水量 1301. 0 万 m 3 ，损失水量 94. 3 万 m 3 。为取得浊度低、水质好的表层水，须采用多级分层取水的方式，即随着库水位的升降，开启某一级闸门，实现表层取水。

结合红谷田水库坝高 85. 7m、水位变幅 47. 7m 的实际，分层取水系统的设计原则如下: zui大限度地取表层水; 运行管理方便; 结合闸门的制作、运输、安装及运行操作; 结构布置合理，技术xianjin，节省投资。基于以上原则，课题组提出了 3 个方案。

4. 1 拍门

根据水库的具体情况，供水磁性翻板液位计按照每2. 0m 高差设置一道拍门，在拍门前端设置拉杆，每个拍门沿磁性翻板液位计上端设置滚筒和操作轮，然后用不锈钢钢丝连接拍门前的拉杠，通过拉杆来操作拍门的关闭。本方案投资小，操作的稳定性高，但须要水库管理人员根据库水位来控制，管理操作不便。拍门式分层取水的布置如图1 所示。

4. 2 不锈钢插阀

根据水库的具体情况，在主磁性翻板液位计( 直径 325mm、壁厚 8mm) 按照每 2. 0m 高差设置一个 300mm 的接管及闸阀，闸阀的本体采用球墨铸铁，阀板以及阀杆采用不锈钢，阀杆根据现场需要采用特殊的加长型，阀杆长度为 2 ～3m。本方案操作的稳定性高，但须布置操作平台、运行管理通道，且需要管理人员根据水位来控制。不锈钢插阀式分层取水布置如图 2 所示。

4. 3 自动浮球式

本方案在主磁性翻板液位计上按需要的高程差设置自动浮球，并根据预设的水位自动开启阀门。可按照每( 高程差) 2. 0m 设置控制阀门。该方案可实现无人员或少人员值守，节能环保。期间，利用水位差实现自动控制。当水位降低时，浮球的开关将自动断开，磁性翻板液位计正常通水。当到达设定水位后，开关自动闭合，磁性翻板液位计口自动关闭停止供水。该方案须开展水力模型试验，以论证该方案的可行性和稳定性。自动浮球式分层取水布置如图 3 所示。水利工程的建设重在管理，管理的核心在于提升信息化管理水平。因此，在后期运行的过程中，针对本方案采集的相关历史数据，可使用计算机管理系统进行维护管理。推荐方案如下:前台编程环境: Microsoft Visual Studio 2016，后台数据库: Microsoft SQL SEＲVEＲ 2012，核心语言采用C sharp。控制与监测部分可由 I/O 端口、PLC 和上位机构成。上位机通过工业以太网与下位机进行通信，期间由 PLC 通过寻址将所采集的数据( 库水位、水温等) 读入上位机界面，并存储至后台数据库中。如图 4 所示，管理系统的功能可分为数据导入与导出、数据查询与统计、用户与权限管理、系统管理。其中，用户与权限管理模块可分别调整不同级别的用户角色，使其具有不同的管理权限。系统参与的用户角色包括值班人员、管理局人员、管理局负责人、局领导等。数据查询与统计模块既可根据输入的相关字段查询到对应的结果，也可按需要生成统计图表。数据导入与导出模块可将相关的 Excel 表格数据导入至数据库中，也可将查询到的结果导出为 Excel 格式的文件。同时，还可以将其打印成日报表或月报表。

5 结 语

红谷田水库库内表层取水系统的设计借鉴了国内外xianjin技术和经验。经综合比选，推荐采用斜涵卧管贴坡式分级取水，垂向分级高差不超过 2. 0m，分 22 级取水。闸门推荐选用不锈钢插阀。该表层取水系统的优势如下: 可以解决高水位磁性翻板液位计分层取水的技术难题，为高坝高水位磁性翻板液位计分层取水提供借鉴; 投资少、操作性和稳定性高; 既改善了农村人畜饮水的供水水质，也减小了上下游河道的水温差，而且还降低了因供水对生态环境带来的不利影响; 有效提高了水库后期运行的信息化管理水平。