[德國 ]A.胡塔魯

美茵河上的生態(tài)友好型電站使魚類受益

[德國 ]A.胡塔魯

德國在建的科斯泰姆低水頭水電工程位于美茵河上,這是一座生態(tài)環(huán)境友好型的水電站,它能保證魚類及其他水中生物的安全、自由上溯及下行。對設計理念、設計方案、工程的設計特征以及魚類上溯和下行安全通道的設計原理、工程的安全監(jiān)測系統(tǒng)等作了介紹。

低水頭;水電站設計;環(huán)境;魚道設計;設計特征;科斯泰姆水電站;德國

德國科斯泰姆(Kostheim)船閘位于美茵河(Main)上,距美茵河流入萊茵(Rhine)河的河口2.5 km處,船閘運行水頭4.1m。科斯泰姆堰系統(tǒng)建于 1928年,是美茵河上的最后一座船閘。美茵河的水力資源一直沒有得到開發(fā)的原因主要是可用水頭低,以及受到萊茵河產(chǎn)生的回水影響等。

哈爾布萊赫克拉夫特韋爾克(Halblechkraftwerke)水電公司(HLK)最近確定了修建該工程的方案,并取得了建設和運行 5MW水電站的許可證,工程目前正在建設中。同時,還與當?shù)氐乃顾绿仨f爾克(Stadtwerke Ulm)能源供應公司合作,成立了WKW科斯泰姆美茵股份有限責任公司,從事水力發(fā)電工作。

該水電站的主要特性為:

(1)最大流量為 160m3/s;

(2)水頭4.1～0.8m(受萊茵河的影響);

(3)裝機容量為 2×2.5MW;

(4)規(guī)劃的發(fā)電量為18.5 GW·h/a。

由于政府層面上的迫切要求,加之受到電站波動的尾水狀況的挑戰(zhàn)以及交通繁忙的船閘的用水需求,因此建設生態(tài)友好型的水電站顯得尤為重要。

1 工程設計特征

咨詢工程公司簽訂了電站設計合同,合同內(nèi)容包括以下幾個方面:

(1)臥軸轉(zhuǎn)槳豎井貫流式水輪機,轉(zhuǎn)速 85～98 r/min;

(2)3葉片轉(zhuǎn)輪的可變速水輪機(轉(zhuǎn)輪直徑3.85 m),基于福伊特水力驅(qū)動(HydroDrive)技術和一個齒輪系統(tǒng),將轉(zhuǎn)輪的可變轉(zhuǎn)速設計為發(fā)電機的恒定轉(zhuǎn)速;

(3)一個可調(diào)節(jié) 26m3/s船閘用水需求的控制單元,且不會擾動水位;

(4)在滿發(fā)電條件下,篩網(wǎng)處的允許行近速度為 Vmax＞0.5m/s;

(5)攔污柵柵條之間的開口僅為 20 mm;

(6)在任何時候,水生動物都可自由地上溯和下行;

(7)不發(fā)生上下涌浪,以此維持美茵河的正常航運;

(8)高洪水位與水電站不沖突,因為高洪水位只比漫灘高1.2m;

(9)水電站不影響攔河壩墩的基礎。

從美茵河水面下 18m處、離陸上壩墩的現(xiàn)有基礎水平距離3.5～7m處進行開挖,面臨著很大的挑戰(zhàn)。但土壤條件(下覆粘土層,深度為 7～45m)可以使排水簡化。

發(fā)電廠房安裝一個適當?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng),以監(jiān)測 26 m×58m的機坑。監(jiān)測裝置包括:

(1)用于觀測延伸到地面 28 m以下的擋土墻狀況的測斜儀;

(2)至開挖高程以下 28 m的土壤引伸計;

(3)坑壁加強筋的在線壓力監(jiān)測系統(tǒng);

(4)布置在 18個鉆孔處的地表水位監(jiān)測系統(tǒng);

(5)測量上游與下游水位的水位計;

(6)采用基于傳感器的全球定位系統(tǒng)(GPS)對機坑與堰系統(tǒng)中可能的運動狀態(tài)進行觀測;

(7)堰系統(tǒng)中所有樁的測斜儀讀數(shù)計;

(8)監(jiān)測系統(tǒng)與傳感器之間的計算機連接;

(9)與工程總公司相連接的照相機在線視頻網(wǎng)絡系統(tǒng)。

水電站設計是在三維模型的基礎上完成的,同時還對未來電站的比例模型進行了模擬。作為副產(chǎn)品的三維設計,提交了數(shù)字計算的輸入,構(gòu)成了有助于設計出可能是最好的泄水進水口和尾水出口等高線的工具。對進水口段的水流條件是基于 IEC41計算出的。

在設計階段,還解決了許多細節(jié)方面的問題?？扑固┠冯娬镜囊话愎こ烫匦粤杏诒?1。

表1 科斯泰姆電站的一般特性

2 魚類的上溯

采用魚道幫助魚類上溯,是目前比較通用的手段。美茵河科斯泰姆船閘設置了一個較緩(1∶75)的斜坡魚道。斜坡河流中天然泥沙沉積是工程設計的重要因素。在長 210 m的魚道上鋪設了天然石頭。當寬度為2.5m、流量為 2 m3/s(最小流量)時,對應的水深為 50 cm。為證明魚道設計的有效性,需要對魚道進行仔細監(jiān)測,不僅需要計算通過的魚的數(shù)量,還要識別河中魚的種類。

對魚道采用緩坡來模擬水流流場是無庸置疑的。但是,從水面上方或下方來觀測魚,可能不足以獲得精確的結(jié)果。因此,需要尋求一個解決方案,從魚道的側(cè)面來觀測通過的魚類。在科斯泰姆工程的魚道中設計了一個小島形觀測窗,將其布置在魚道中部,并安裝有 2臺照相機,用于同時觀測附近區(qū)域的水流狀況。

數(shù)字技術可進行永久視頻觀測和/或建立由事件驅(qū)動的文件?？梢酝ㄟ^水中透明觀測窗進行觀測,也易于維護。通過過道的明亮色彩,使可視性得到加強。

該監(jiān)測系統(tǒng)安裝在靠近過道下面的管道內(nèi),利用一條不漏水的網(wǎng)絡電纜既可以檢測魚類的上溯或下行,也可以對魚的種類進行檢測。發(fā)電廠房與計算機監(jiān)測系統(tǒng)之間的距離很近。今天科學的技術和價格合理的硬件使得安裝這種監(jiān)測設施很方便。

3 魚類的下行

魚類的下行與河流的主流狀況息息相關。從理論上來講,魚類不受傷害地通過水輪機應該很簡單,而實際上并不簡單,因為水輪機葉片的旋轉(zhuǎn)運動會使魚在通過流道時造成危險。為了解決該問題,必須安裝一套能使魚類安全下行的裝置。

安裝了一個篩網(wǎng),同時為了防止有害的物體進入轉(zhuǎn)輪,必須在進水口前安裝一個攔污柵。攔污柵不但不會妨礙水流通過,還應能滿足生態(tài)要求。因此,攔污柵的開口大小和將水流輸入流道的管道就顯得非常重要。這種與上、下游水流連通的管道,也演變成了一個可輸送任何一種進入該系統(tǒng)的物質(zhì)的水力輸送系統(tǒng),無論是魚、樹葉或其他小物件都能從其中通過。

可以同時對 2個下行系統(tǒng)進行觀測。在設有觀測窗的管線的末端和在鰻魚過道的下端,安裝有一個魚柵,在任何情況下,該魚柵都不會對運行產(chǎn)生干擾。為了保證不會對水輪機產(chǎn)生任何負面影響,每個隔室都配備有 2個軌道,用于安裝大型監(jiān)測魚柵。因此,所有元件的效率可用專業(yè)方法監(jiān)測,這向環(huán)境友好型的水電站前進了一大步。

將管道末端的一個蛙形閥連接到間歇工作的攔污柵清污機上。當清污耙到達窗口時,傳感器就會接受一個釋放閥的信號,由水驅(qū)動該管道下泄接近窗口的任何東西。為了優(yōu)化魚類下行的通道,在設計科斯泰姆魚類下行通道時,設置了長 20～30 cm的窗口,排水管道直徑為 400 cm。

窗口可布置與裝設在不同的高程上。攔污柵的支持翼可使流向下游的生態(tài)水流受益。

科斯泰姆魚類下行通道包括一套二級永久操作裝置。在 2個水輪機室之間的墩中,埋設了直徑為800mm的管子,在水輪機進水口的兩側(cè),提供了 6 m2的開口。在該管道的進水口和尾水管之間的連接處,采用了一個帶自由溢流的固定堰,以便將水向下游轉(zhuǎn)送。轉(zhuǎn)送到該管道的水量基于正常的水力計算。

數(shù)字設計不僅有助于優(yōu)化水輪機設計,而且還可以形成平滑的轉(zhuǎn)輪輪廓和水流條件。

為使發(fā)電站成為生態(tài)友好型電站,在科斯泰姆電站安裝的臥式3葉片轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪和94 r/min的低轉(zhuǎn)速,即是做出了很大努力的最好證明。

事實上,美茵河科斯泰姆低水頭電站為魚類提供了包括 4個方面的生態(tài)友好型的布置方案。魚類上溯和下行的運動,受到水輪機泄水吸引的影響,增加了正在安裝的系統(tǒng)的效率。監(jiān)測裝置證實了已實施設計方案的有效性。

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第 4期

劉專雄 校

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1006-0081(2010)10-0034-03

2010-06-20

(編輯:趙秋云)