河流取水工程

III型曲线为不对称机率分配曲线皮尔逊曲线由如下方程表达。式中yd为众值坐标，r=，d为偏差半径，a为众值与曲线左端的距离。经过积分换算得到频率p是Cv、Cs与X值的函数，即：式中：Cv、Cs均为统计参数，其中X为均值，是个统计系列的算术的平均数，流量统计中它代表着该河段的平均水量。Cv为变差系数，是均方差与均值的比值，表达着随机变量系列对均值的离散变化。流量统计中Cv表征着河段流量的稳定情况。Cv越大，表明历年变化的不均匀性越大，Cv的变化与流域大小和流量有关，一般河流上游Cv值大，下游Cv值小。内陆地区Cv值大，沿海则小。Cs为偏差系数，表达着系列中出现频率最高的众值对均值的偏差情况，我国大部分河流洪峰流量的Cs值在（2-4）Cv之间变化。下表是贵德（青海省）、兰州和河口镇洪峰流量Qm（m3/s）及15日（15d）洪水流量W15(亿m3)与Cv、Cs的变化情况。黄河上游洪水统计参数的沿程变化表站区流域面积项目均值CvCs/Cv贵德133650QmW15247026.20.360.3244兰州222551QmW15390040.80.340.3344河口镇367898QmW15279025.50.400.4132.5现将黄河上游兰州等地洪水频率特征值列表如下，以供分析计算和校验参考。表中亦将黄河中游的龙门站列入，原因是河口镇至龙门间已建成万家寨水库。万家寨水库建设在山西偏关和内蒙古准格尔间的黄河干流上，总库容9亿m，有效库容4.5亿m，最大坝高90m，正常蓄水位980m，库区距鄂尔多斯较近，可以考虑作为准格尔和鄂尔多斯的引水水源。5.0取水构筑物位置的合理选择在平原型，特别是多沙平原型河道上选择取水构筑物，常有河床变迁，主流脱流之虞。黄河上的许多取水口，都因对河床变迁预测不足而淤塞废弃。因此，在给水工程实践中，合理的选择取水构筑物位置，除遵循设计规范和设计手册所列的各项一般原则外，还要结合取水河段的泥沙运动规律和河道演变特点，从洪枯变化、河道走向，冲淤状况和地质地貌等方面进行综合分析判断，必要时，通过水工模型实验来最后确定。图5.0就是我院对包头取水口选择的方案汇总图。图5.0我院对包头取水口选择的方案汇总图5.1选择取水构筑物位置需收集的资料取水构筑物的位置选择，是建立在对河段水文状况，河势变化，河相条件及工程地质资料充分分析的基础之上。为此，必须在现场勘查的基础上，搜集和占有大量的相关资料。一般来说，需搜集的资料包括下列几个方面：水文资料历年洪、枯水位及相应流量，含沙量；、洪水、中水、枯水及p=1%，p=50%p=75%及p=99%保证率下的相关流量、水位及其水、沙过程资料；历年逐日平均含沙量及沙峰过程资料；泥沙颗粒分析和级配资料；水位流量的相关曲线；各种流量状态（高、中、低）的水面比降记载资料；河段附近的水利工程情况（已建在建和规划）；大型水利设施建设后对河道的运用影响；历年的水温变化及冰情；历年洪、枯水位时的水质分析资料。和相关资料；2）河相资料①水深、河宽、比降以及河道纵坡；②平滩流量，相应水深和河宽；③河床纵断和横断图；④历年河势变化图，中弘线变迁图；⑤历年河道平面图；⑥河床质中粒经及其变化；⑦河道冲淤变化的记载及相应流量、水位资料。3）地质资料①河道地质纵断面；②河道地质横断面；③取水点上下游1000m左右有无基岩露头或防冲控制点；4）其他资料①河段的水利工程规划，航运规划；②城市和河段的洪水设防标准及防洪工程运用情况；③河道险情及其工程应对措施；④附近的取水工程运用情况。5.2取水河段的冲淤变化分析河道的冲淤变化，即河道演变是极其复杂的水、沙过程，影响因素很多。实践中通常采用以下4种方法进行分析研究1）对天然河道的实测资料进行分析。2）运用泥沙运动理论和河道演变原理进行计算。3）通过河工模型试验，对河道演变和取水构筑物工作状况进行预测。4）用条件相似河段的实测资料进行类比分析。以上几种方法中，分析其天然河道资料，是最重要的方法。5.3天然河道实测资料分析河道冲淤变化是挟沙水流与河床相互作用的结果，影响河道演变的主要因素有来水来沙，河道比降，河床形态和地质情况等。要紧紧抓住以上因素，找出其互相联系的内在规律，并预测其冲淤发展趋势。1）河道平面变化：为找出其平面变化规律，应大量搜集、历年的河道地形图，河势图，根据坐标系统或控制点位置（如固定断面、永久性水准点、永久性的地形地标志等），分别加以套绘。除套绘平面图外，还可绘制横断图。这样就可分析了解河道纵、横断面形态及其冲淤变化情况。2）河道纵向变化：为了解河段的冲淤变化，可将河段历年测得的深泓线（或河床平均高程）绘制在同一坐标图上，便可得到其纵向冲淤变化情况。根据历年水位、流量实测资料，做同一流量的水位过程线，可以得到历年河床的冲淤变化。特别是对枯水期历年的水位变化分析。一般来说，枯水期河床是比较稳定的，如果在相同枯水流量下水位发生变化，说明河床必有所变化。3）来水来沙情况分析：来水来沙条件是影响河道变形演变的主要因素，应进行详细分析以寻求冲淤变化的原因和规律。4）河床地质资料分析：河床地质资料是影响冲淤变化的又一重要因素。当河床由松散沙质组成时，河床不太稳定，其变化会比较剧烈；当河床由较难冲刷的土质构成时，河道演变就比较缓慢，河床比较稳定。在分析河床地质情况时，要依据地质钻探资料绘制地质剖面图。在分析了以上4方面资料后，再根据河道演变的基本原理进行由此及彼的综合分析，便可基本预测出其演变的发展趋势，从而为取水构筑物的选择提供依据。5.4黄河取水位置选择的几个条件新版室外给水工程设计规范对取水构筑物的位置的选择做了比较详细的规定，除遵守这些规定外，鉴于黄河主流摆动，水、沙危害，河道冰情以及冲刷强烈的特点，取水工程建设还要重点考虑以下七项条件：1）取水河段应主流稳定，取水口位置要靠近主流。而且取水口水位的洪枯变化都不应对水质水量产生明显影响。2）河段有支流汇入时，取水口应选择在支流汇入的影响范围之外，黄河宁蒙河段的水、沙特点是水少沙多，汛期支流常有高含沙水洪水发生，挟带大量泥沙的支流洪水汇入黄河后，会因水面开阔，流速突然降低而发生泥沙的大量沉积，形成洪积扇形沙坝而堵塞取水口，甚至堵塞整个河道。1963年和1989年内蒙古包钢取水口附近，都有以上情况发生。1989年黄河支流的西柳沟的一次高含沙水流，在西柳沟河口的黄河河床上形成了1km长，4m高的沙坝，坝体堆积泥沙3000万吨，使昭君坟水位抬升2.18m，比1981年洪峰流量为5450m³/s时的水位还高出0.52m，回水影响70km，历时25天，沙坝才逐渐冲开。这次的沙坝使包钢水源地的两个取水口全部淤堵，严重影响了包钢生产和包头市供水。据记载，西柳沟在有资料记录的30年间已发生过7次类似沙坝，对取水构筑物危害严重。因此，在选择取水口必须避免支流汇入对取水口的影响。3）取水口应选在冰水分层且浮冰能顺流而下的河段。宁蒙河段均有流凌情况发生，取水口合理的选择，应是流冰能自行顺流而下，取水而不取冰的位置。在水流湍急的河段，大量冰花杂于水中，常在取水口栅栏上结成冰障，甚至阻塞取水窗口。给运行带来不利影响，为此，取水口应选在水流平稳，冰水可自然分层，浮冰可自行排除的河段。一般流速v>1.8m/s时，水花可在水层中上下跃移，当v<0.7m/s时则可游出水面下游。4）取水口应选在工程地质条件良好的河段：黄河含有大量泥沙，其冲刷能力很强，冲刷深度较大，在沙质和沙卵石河床上，一般冲刷深度约为15m~20m，如石嘴山电厂取水口附近，其冲刷深度为19.6m，郑州铝厂取水口，冲深为21m。如果取水口设在抗冲能力较强的基岩上，取水口的埋深就可大大降低。5）取水口可选在河道比较顺直没有分叉的河段。一般顺直而没有分叉的河段，其演变规律是宽——窄——宽，不致发生主流绕过取水点另辟新河的河势变化，因此，把取水构筑物设置在河宽较窄，流速较大，主流靠近岸边的一侧，其主流脱流一般不会发生。至于该河道是否相对稳定，则可根据河流稳定性指标ZW来判定，如前所述Zw值越小，河道越不稳定，当z>15时，河道则相对稳定。6）尽量选在弯曲河段凹岸的下游，河流在弯道处会形成明显的横向环流，在主导流行和横向环流作用下，水流将以螺旋流的形式向下游推进。从弯道起点开，在4~5倍于河宽的弯道下游螺旋流的强度最大，这里水流集中，水深也最大。由于环流的作用，含沙量较低的表层水向凹岸集中，而含沙量较大的深层水则流向凸岸，其分沙效果也十分明显，黄河上的许多取水构筑物，包扩下游的大型引水口，都充分利用了这一特点，收到较好的引水和防沙效果。如山东打渔张引水口。图5-5山东打渔张引水口河势图打渔张引水口闸位于博兴王旺庄。该处河宽400~500mm。引水闸建在弯道顶点下游的500~700m处，引水闸中线和低水位时的水流方向夹角（引水角）为40度，该闸自1956年建成以来，河势稳定，主流近岸。在洪、中、枯各种流量状况下，都能顺利引水。闸前也未曾发生严重淤积。弯道凹岸的顶冲点常随河水流量的减少增大而‘上提下挫’即落水上提，涨水下挫，选择取水口位置应对上提下挫的分布范围有一定计算了解。7）选在河势控制节点附近。河段内常因有基岩露头或耐冲刷的胶泥咀而形成河势控制的节点，在节点的一定范围内，河势稳定而无明显冲淤变形。特别是基岩露头之处，其主流稳定，距岸较近，常常是设置取水口的理想地点。在现场踏勘和资料分析时应予充分注意。6.0黄河已建取水构筑物的情况与示例黄河水系多数已建取水构筑物系根据多沙河道的特点，利用高沙水流运动的规律，按照不同工程的具体要求，因地制宜的建成了多种形式的取水构筑物，并成功地解决了泥沙淤积，河道冲刷，稳定主流，防冰、草之害和水泵磨蚀等诸多问题，经建成后运转证明运行情况良好，保证了黄河流域工、农业和城乡居民生活用水的要求，促进了国民经济的发展。无疑这些经验是十分可贵的。然而黄河水系也有不少取水构筑物，由于未对多沙河道的特点和高含沙水流运动型规律做认真地研究，不少因素是按清水河道的条件考虑的，因而造成了泥沙淤积，取水口脱流，泥沙堵塞取水头部和自流管道，河中管道被冲断、引桥基础被淘刷破坏，水泵和闸阀磨损严重，冰、草堵塞引水口或水泵叶轮。这些问题的存在影响了正常供水，有的取水构筑物由于无法运转和改建，不得被废弃重建。这些教训同样也是值得借鉴的。6.1合建岸边式取水构筑物合建岸边式取水构筑物，其特点是进水间与泵房合建在一起，在进水间内设有有检修、防寒和调节水位、水量用的闸板或闸阀、除草网格、除冰设备及进水闸沉积泥沙的冲洗设备等。泵房内多采用卧式水泵，也有采用立式水泵的；泵房所需的变配电和控制设备一般布置较为紧凑，占地面积小。进水闸容积较小，多是单泵单进水间布置，这样可在水泵吸水时，进水间内能保持一定的流速，泥沙不易落淤，在水泵停运时进水间内有少量泥沙落淤，这部分泥沙是用高压水冲起后，用排泥泵排出，或者待水大时再启动带走。合建式岸边取水构筑物管理方便，运行安全可靠。因此，合建岸边式是黄河上大、中型取水构筑物采用较多的一种形式。合建岸边式取水构筑物，要求具有稳定的河床和河岸，所在位置洪水和枯水期都有足够的水深，且在流冰期内冰水分层，易于排冰，以保证安全运行。从现有黄河取水构筑物的情况看，取水量2m³/s左右时，多采用圆形泵房，取水量大于2m3/s时为了水泵布置上的要求以及大型泵房设施上的方便，多采用矩形泵房。又根据泵房所处河段主流靠岸位置的不同，有些取水构筑物靠流情况好，无需修建栈桥即可通至堤岸、地面。有些取水构筑物位于河道内距堤岸稍远的地方。就需要修饯桥与岸上联络。我院设计的包头市画匠营子总水源取水泵站，即为岸边式取水构筑物。图6-1基础呈水平布置岸边式取水构筑物6.2合建河心式合建河心式取水构筑物是把进水间和提升泵房等全建在河流中间的一种取水形式。取水构筑物用栈桥和岸上联络。合建河心式取水构筑物适用于取水量较大的城市供水或工业用水工程；取水河段要求主流稳定。因主流不靠岸而岸坡平缓，枯水期岸边没有足够的水深，必须把取水构筑物修建在河心，方能保证取水的要求。合建河心式取水构筑物取水保证率高，管理方便，运行安全可靠，但合建河心式取水构筑物，需要栈桥长度较大，栈桥桥墩和合建式进水间泵房等基础，均需埋设在冲刷深度以下，施工时要在主流上修建围堰，基建投资较大。在有航运任务的河道上对航运也有一定的不利影响，因此，采用较少。宁夏石嘴山电厂取水构筑物为合建河心式，其平面形状为圆角马蹄形，侧面进水。泵房位置选在洪、枯水期间主流稳定，据黄河左岸约210m的河心处，有栈桥与岸边相连，桥宽4m，桥单跨20m，共5跨总长100m；设计取水量为8m³/s，泵房内设沅江36-23ⅡA型立式泵4台，3台工作，1台备用。泵房内还设有10t电动旋转桥式起重机1台，以供水泵电机等大型设备的安装与检修使用。泵房总深度为29m，分上下两层，上层高12m，下层高17m，在泵房下层底板以下，又埋下去12m以防冲刷，泵房的总高度为41m。平行于水流方向的平面长度为23.4m。垂直于水流方向的平面宽度为18.8m其结构为钢筋混凝土结构。（图6-2）该合建河心式取水构筑物，为了避免推移质卵石和粗砂跃入进水间，除充分利用了泵房本身的冲刷坑外，还在进水扣门处的底槛上增设了两块高为0.25m的活动叠梁闸板。同时设计中加深了进水间旋转格网底部的深度，使小石子沉于坑底，然后用水力提升器排除。水力提升器的计算是按可抽走20mm直径的石子设定的。泵房的进水间分为四格、每格进水间内均安装有格栅和旋转格网，并在格栅外装有挡草机。挡草机是一种可以水平转动30°夹角的水平格条做成的。格条截留下来的杂草靠人工转动挡草机，利用水流的冲刷力将草带走。在格栅前，设有可升降的电动活动平台，工作人员可站在平台上检修和清除格栅上存留下来的杂草。为避免草害，该取水构筑物内，共设置了挡草机—格栅—旋转格网—平板格网四道屏障，以保证将杂草清除干净。该合建河心式取水构筑物是利用电厂热废水回流到进水间格栅处的河水中，以提高进水间水温，防止冰害。在水泵选择上选用了n=485r/min的低转速水泵，并改进了水泵叶轮的平衡孔，采用清水密封，以减轻河流泥沙对水泵的磨蚀。该合建河心式取水构筑物，1979年10月投产以来运行情况良好。该河段黄河杂草严重，根据生产记录，汛期运行4h格栅有一半的面积为杂草所堵塞，其总量达245kg。在多草季节需要加强格栅的检查和杂草的清除工作。旋转格网除草效果显著，冬季还可以连续提升水中松散的冰花，随杂草一并清除。旋转格网底部的积泥坑，使用水压5kg/cm²的水力提升器，连续抽升30~40mim即可将坑内沙石带走，排水含沙量可达41kg/m³。进水间在废热水回流利用后，格栅前的水温维持在0~5°C之间，防止了冰害。经生产实践运行证明，在设计时采取的防草、防沙石淤堵、防冰害、水泵防磨蚀措施得当，效果显著。7.0包头画匠营子取水工程简介7.1河段的自然情况黄河由宁夏入内蒙，经临河由西向东而下，包头正位于著名的河套地区顶端。这里地势平坦，河岸宽阔，泛滥宽度甚大，河床比降约为万分之1~2，河床为粉细砂组成，主流流路在河床范围内摆动不定；枯水期河道狭窄，亦多弯曲，局部冲淤变形明显。图7-1为黄河包头段河势套绘图，图7-1-2为画匠营子河床横断套绘图。但因水流含沙量不大，从平均情况来看，河段输沙基本处于平衡状态。因此河床平均标高和河流的总体平面形态较为稳定，多年来无大的变化。此外，包头河段地处北纬40°，气候寒冷，冰冻期长，冬季冰凌和冰坝现象是整个黄河比较严重的地段。画匠营子位于包头市新区南部略偏东的位置，距新区约为12公里，在昭君坟和磴口之间（昭君坟水文站与磴口水文站相距约53公里）。1958年该处曾修建过一座农业取水站，取水量30m³/s。由于该处为岸边取水，且设施简单，缺乏经验，使用不久就被黄河泥沙於埋而被迫废弃。包钢采用离岸桥墩式取水头部，为减少构筑物尺寸，避免因压缩水流断面而引起严重冲刷或河势恶化，将泵站与取水口分建。取水构筑物为狭长椭圆形，两侧进水，以改善水利条件，减少对水流的阻力，改善冰块的堵塞冲击情况，两侧分别设高低水位两排取水口。几十年来，运转基本正常。由于大青山东西方向的正断层而陷落的黄河平原，经构造运动的影响，形成漫滩和三级阶地。画匠营子河段位于第一阶地和漫滩上，第一阶地为清水期更新统中上期；漫滩为板桥期更新统末期至现代。由于河道经常改变，堆积着很厚的第四纪洪积物。画匠营子河段是包头河段中河床最为稳定的一段，河道较为平顺。河段北岸为高滩，地表以下约12m为褐黄色软塑状砂黏土。但在河段上游四公里处南岸的何家营子，河岸为抗冲刷性较强的红黏土层，因此水流被挤向北岸，深泓多紧靠北侧高滩。图7-1黄河包头段河势套绘图图7-1-2画匠营子河床横断套绘图黄河包头段洪峰流量延续持续时间一般为10~15天（发生时间多在七、八、九三个月），枯水期大部分在五、六、七三个月，延续时间也较长，1966年小于100m³/s的持续时间近两个月，五十年代建设包钢水源地时，已由国家批准“为保证包钢取水，黄河水调部门应保证包头段黄河流量不低于100m³/s”的规定。7.2河工模型试验根据近期河道主流深泓线有逐渐向北移倾向，1931年河床地形实测资料表明该河段的主线已移到距北岸20m处故在原来三处控制方案的基础上，将靠近岸边的取水墩改为岸边合建式泵站。另外两个取水墩移位布置。岸边泵站按100%取水量设计，取水墩单墩按50%取水量设计。由于该取水站属于大、中型取水构筑物，且供水对象为城市生活及电厂用水，对取水保证率要求高（保证率为95-97%）。建拟通过河工模型试验对上述两方案进行验证，选择最优方案。我院与兰州铁道学院合作的黄河包头画匠营子河段《整体动床河工模型试验》及《局部模型试验》报告结论为：1、该河段即受上游两岸胶泥质抗层的约束，又受上下游路堤和桥头护岸的限制，而成单股微弯河道。深泓线在离北岸40-200m范围内摆动，梁桥附近，岸线有缓慢向北移动的趋势，取水墩拟设于距北岸200m范围内为宜。2、两桥间的河段床面冲淤基本平衡。考虑通航和防止形成冰坝，取水墩不宜多建。结合以上的结论。包头市和达拉特电厂合建取水泵站，最终选择设计方案为：岸边合建泵站+（自流管——河心取水墩）。一期先建设岸边取水泵站，二期根据取水量发展情况及河道深泓线的变化，再确定是否建河心取水墩。7.3取水泵站的设计特点1、适应主流游落摆动规律，选择“三点式”取水包头市和达拉特电厂联合取水泵站设计取水量，一期7m³/s（其中城市：4m³/s，电厂3m³/s），二期16m³/s（其中，城市供水10m³/s，电厂供水6m³/s）。总体设想为：一期建设岸边式取水站（设计水量16m³/s），位置设于包神铁路下游400m处。泵站进水间伸出北岸河堤。为适应主流摆动，保证安全取水，分别在距北岸80m，160m，在取水泵房中轴线。下游73.6m设2个自流式取水墩，二期视河流条件，再行建设。1#取水墩，2#取水墩及岸边泵站，在平面上形成“三点式”布置。取水墩设计取水量单墩8m³/s，每墩以2根φ1600自流管与取水泵站进水间连接。这样布置的优点，时可适当主流变化，保证安全取水，且有利分期建设。一期取水量占河水枯水流量比例小，脱流时用人工制导工程引导取水，二期取水量占枯水流量相对较大，可“拉动”主流靠近北岸。若主流摆动较大，以上措施难以奏效时，再视具体条件确定河心取水墩位置及建设顺序。2、合建式岸边取水泵站从昭君坟水文站推算画匠营子断面基本水文要素如下：流量：百年一遇洪峰流量6202.17m³/s，实测最高洪峰流量5450.00m³/s；最枯流量（P=1%）42.57m³/s,实测最小流量43.00m³/s，多年实测平均流量818.60m³/s。水位：百年一遇洪水位(P=1%)1007.72m，相应水深10-12m，最枯水位（0=43.00m³/s）1003.14m，相应水深1-3m。Q=100m³/s，水位1003.44米。平均水位1005.48m，相应水深7-9m。含砂量：实测最大含砂量62kg/m³，多年平均含砂量4.49kg/m³，出现频率（P=5%）含砂量为46.30kg/m³。冲刷：《局部模型试验研究报告》表明，取水河段河床最低处标高约为998-1000m。河床一般冲刷深度14.60m，相应高程993.13m，局部冲刷深度9.1m，相应高程984.02m.2.1泵站设计水量取水量包括城市和电厂两部分。城市供水需水量（77.69万m³/日）（8.99m³/s），净化厂自用水（1.1m³/s），调蓄水库补充水，排泥用水、蒸发、渗透等用水量。电厂用水6m³/s（包括净化水厂子自用水）。设计选用城市部分额定取水量（包括水库补充水）13.27m³/s。电厂取水量额定6m³/s，最大取水量6.22m³/s。2.2泵站设计参数总平面尺寸：长×宽=53.10×18.00m，其中进水间长×宽=53.1×12m，泵房长×宽=53.10×18.00m。为便于管理，取水泵站一分为二，其中城市部分28.50×18m，电厂部分：24.00×18.00m，相应进水间两家以孔2.0×7.0m连通。高程系统：泵房共分为三层，考虑冲刷、预留自流管管顶高程及设备安装要求，泵站设计基础顶面标高996.60m，底层泵进水流道及水泵层标高1000.30m。上层为电视屏，标高为1008.40m。中间层与底层之间以钢板平铺，中下层采用机械通风。进水窗标高，按照高浊水设计规范2.3.1条规定“进水口应防止推移质泥沙进入，进水口下缘与河床的高差不宜小于1.0-2.0m，在水深较浅的时候，高差不得小于0.5m”设计采用进水窗底标高1001.94m，低于最枯水位1.2m，高于河床0.94m，河床底标为1001.00m。由于实测岸边河床标高高于设计标高，在进水窗前施工时，需人工清淤至999.00m。并用二层铅丝笼块石衬彻，1.0m厚固定床面。取水窗顶标高1006.94m，低于（P=1%）洪水位0.78m，高于常水位（1005.48）1.46m，深入河床进水间，定标高考虑洪水位超高，水面浪高及冰坝塞淤等因素，确定其标高为1009.90m。2.3进水窗面积确定进水间面积及高程确定考虑以下因素，枯水位、常水位、洪水位及水位变幅频率，特征流量时河水流速，含砂量、冰情及漂浮杂草等。目的是要力求做到在最不利条件下，保证取水量及取水水质。进水窗的高程，经水文推算及河工模型试验验证，，该取水断面水位特点如下：洪水位随洪峰流量变化，河床的洪水位受自身变化影响较小，枯水位随流量及河床的变化而变化。枯水期取水河段，相同枯水流量时，相应枯水位略有不同，其原因是受洪水期河床冲淤变化影响而致。经水文推算，取水断面最枯水位平均标为1003.14m，按照黄委会规定，黄河包头段上游三盛公水利枢纽洪、枯水期调蓄，“要保证包头段最枯流量不小100m³/s。但实测资料表明，三盛水利枢纽建成后若干年，小于100m³/s流量出现的年份最长达3个月左右（集中在4、5、6月份），流量多集中于60-80m³/s之间，为此，进水窗设计标高选为：100%取水时最枯水位标高为1003.44m。低于此值不足水量部分由后续调蓄水库调配。为保证河道行洪期取水窗能取到较好水质，取水窗顶部高程确定考虑了分层取水的可能性。取水窗面积：确定的关键因素是：冰情、水面杂草及进水口过栅流速。按照《室外给水设计规范》GBJ13-86（1997版）第3.3.14条关于岸边式取水构筑物进水孔的过栅流速规定：有冰絮时为0.2-0.6m/s：无冰絮时为0.4-1.0m/s，格栅的阻塞面积占25%。黄河包头段冰情多发生在上年12月至来年3月份，冰絮发生在封冻前的11月底-12月中旬及开河期后三月下旬。冰的危害主要发生在这期间。据资料介绍：冰絮（水内冰）颗粒小，粒径一般为Φ1-Φ10mm，在河流水温低于0℃至0.01-0.05℃之间时，冰在水面或水流断面的任何深度形成冰晶，冰柱推移堆积，逐渐形成有浮力的薄冰，若取水口防冰措施不当，这种水内冰进入取水口遇到栅条或墙面则逐渐堆积变大，影响进水，严重者堵塞进水口。但是水内冰的密度小于水。（介乎于0.9167与0.9177之间），在一定流速条件下，可以形成冰水分层条件，调研资料介绍，在西北及东北的大部分河流上选择冰水分层取水：其一是选取河段的断面平均流速<1.2m/s，一般认为在0.7-1.0m³/s之间，可以保证冰珠上浮，其二是控制进水窗流速，据哈尔滨七水源及连城铝厂取水口，包钢取水口等经验值，一般认为进水窗流速在0.1-0.3m/s之间，最大流速不大于0.4/s时可以创造冰水分层条件，能有效防止冰絮进入，故要求冰情发生期进窗流速应控制在0.3m/s左右。另据资料介绍，河流水草比重约为1.015~1.13，直径一般为φ4-10mm，当河道垂直线平均流速小于0.5-0.8m/s时，水草沉于河底，当河道平均流速小于1.0-1.2mm/s时，水草大部分沿河底运动，该取水窗为侧向进水，不论在何种水位条件，要求进窗流速小于0.5,m/s，才能避免水草进入进水间。进窗前水草及漂浮物常年存在，春秋两季偏多，也就是说在枯水位时河道水流中仍有漂浮物。而冰絮则不同，一般冰絮多发生在上年11月下旬至12月上旬，来年3月下旬至4月上旬，河段枯水期多发生在4-6月之间，河流融冰洪峰期发生在开河期，也就是说3月下旬及4月下旬发生冰絮及冰坝时，枯水位与冰絮发生期不同步。因此进水窗的设计进窗流速以100m³/s流量时的水位为前提条件确定。其流速不大于0.5m/s，以平均流量时水位控制进窗流速不大于0.3m/s。设计采用进水窗面积为3×5m，共九孔。在1003.44m水位时，V=0.395-0.52m/s(格栅堵塞系数按0-0.25计)，1005.00m水位时（常水位）V=0.1936-0.258m/s（格栅堵塞系数内按0-0.25计）。设计考虑后序工况调蓄水库容量及水泵磨损情况，确定泵站取水含砂量P≤30Kg/m³，大于P=30Kg/m³时，泵站停止取水。因此，在进水窗头部设置叠梁闸调节进水位以避砂峰。值得注意的是，黄河水系洪峰及砂峰过程有两个。即融冰雪沙峰和降雨沙峰，其特点与洪峰类同。一般情况降雨洪峰和沙峰不同步。而融冰雪砂峰和洪峰是同步的，设计及日常运转要关注这一特点。进水窗采平板格栅人工清淤。并在格栅背面设热蒸汽排管，以消除冰害。2.4设备选型黄河高浊水取水泵选择，除按常规考虑水量、扬程、大小泵搭配及正常备用台数外。还应结合黄河水系特点，选择有较强耐磨材料的合适工作水泵。水泵流量：黄河水泥沙含量高，净化厂自用于排泥水量较一般水源水质的耗水量大，若流程中有调蓄设施时，还应考虑其补充水量。同时，还应考虑因叶轮磨损引起的提升水量减少部分。扬程：黄河高浊度水系水位变幅大，按照国标《泵站设计规范》（GB/T50265-97）9.1.1.2条规定：在平均扬程时，水泵应在高效区运行，在最高与最低扬程时，水泵应能安全，稳定运行。所以，要求所选水泵Q-N曲线相对平缓，力求平均变幅水位条件下，水泵处于高效区运行，最不利条件下能接近高效区运行。同时，因水泵叶轮的磨损，对水泵的扬程也影响较大。所以在水头选择上要有余地。另外，如果用离心泵采用非自灌式起泵时，还应考虑泥沙对允许吸上高度的影响。据资料介绍，室内试验证明：泥沙含量5-10kg/m³时，水泵的允许吸上真空高度降低0.5-0.8m，含砂量100kg/m³时，允许吸上真空高度降低1.2-2.6，水泵功率：一般水泵的配用功率是按清水条件下通过实验配置，其配用电机功率是水泵轴功率1.05-1.1kw左右，高浊水含砂量高，水比重大，提升功率高，叶轮磨损机会多，水泵自身功率耗损大，工作效率一般低于清水条件10-28%左右，所以在高浊水取水泵电机工配用上一般按下式计算确定：NP=KN·NONO：疏松清水时的功率KN：为高浊水修正系数NP：输送高浊水时功率KN：一般取水1.15-1.3设备备用率：取水泵的备用台数：《室外给水设计规范》GBT13-86（1887）这样规定：一般宜备用一台至二台，备用泵的型号应与工作水泵中的大泵一致，《泵站设计规范》GB/T50268-97规定：主泵台数宜为3-9台，工作泵3台及3台以下时，应增设1台备用台，多于三台时应有两台备用机组。高浊水给水设计规范，考虑水泵的磨损及检修频率高等特点，第2.3.9条规定：高浊水砂峰期工作的水泵，其备用能力应提高30-50%综上所述，在黄河高浊度水系取水时选择水泵的原则是：水泵特性N-Q曲线高效曲要宽，尽量用叶轮可切削，叶片可调的水泵，以适应水位变化。配用电机功率要高于同类清水泵，水泵机组备用度高，城市50-100%，农灌30-50%，所选水泵材质具备耐磨性能，水泵转速低，H.n/1000≤45，（H水泵扬程（m），n为水泵转速（r/min）。在画匠营子取水站设计中选用上海水泵厂生产的混流泵，材质为外壳铸铁，叶片不锈钢，涂抗磨涂层，其中城市部分选泵为：远期五台，三台工作泵，两台备用，备用泵兼有调蓄水库补水任务。型号为1200HLB-16型混流泵，Q=3.78m³/s，H=16-21m，额定19m，叶片可调角±2°，n=468r/min，N=1000KW/台。近期：三台，其中一台工作两台备用。电厂部分：进泵四台，两台工作，两台备用。近期选用：900HLQ-16型水泵2台，Q=3.11m³/s，H=16-24m额定21m，n=468r/min，N=860KW，两台600HLQ-12，叶片调节范围—4°~+4°，Q=1.5m³/s。远期视情况可将两台600HQL-12改为900HLQ16型，备用率为100%，不更换泵时备用率为50%，水泵采用水冷却润滑系统。2.5其他进水间：按照高浊度水给水设计规范要求，大型取水工程的每台进水泵东必须设置单独的进水间。中型取水工程最多也只能两台进水泵合用同一间进水间，包头取水泵站设计采用取水泵九台，合用一个进水间，其主要原因是：设有河心取水墩，岸边泵站的进水间，在由取水墩取水时兼有集水间的作用。其工况如下：主流靠近北岸时，由进水窗进水，关闭取水墩自流管阀门成为水泵进水间。当由取水墩取水时，关闭进水间进水窗的闸板形成集水间。进水窗设钢闸板一道，平板格栅一道，叠梁闸一道。水泵采用混流泵单台单道进水。进水廊道上设检修闸板两道（3.0×2.0m）钢闸板与进水间联通。另在泵进水流道入口前3.60m处设旋转格网一道网孔5×7mm，同时设平板检修格网一道。水泵采用单管出水。出水管上设拍门及检修闸门。起吊设备：进水闸上部采用排架粱，设两道环形电动葫芦t=10t，泵房内采用T=16T桥吊，设备检修可在站内完成。7.4取水墩、自流管取水墩设计的重点在于确定其平面位置及与岸边的连接方式，其次是考虑取水方式。取水墩结构形式受河运主流的影响。经过《河工局部模型试验》取水墩的形态为平面长×宽：33.3×12.0米的矩形半园头取水墩，取水量单墩8m³/s，进水窗控制流速0.3m/s。为保证枯水位，洪水位均满荷取水，设16个2×1.5m侧进水窗口上、下双层布设，上层窗低标高1001.94m，水墩冲刷深度由《桥涵水文》提供的64-1.64-2公式推算，并经局部河工实验验证。确定设计洪水（P=1%），1007.72m时总冲刷深度23.7m，再按建筑物级别因素加安全深埋△h=3.5m。这样取水头部的基底标高确定为980.51m。并建议采用沉井法施工。取水墩设计时，除考虑冲刷以外，还应注意冰块的冲击对取水墩的影响，同时在结构上，迎水面要有导冰措施（半圆形或菱形）自流管每墩采用2φ1600钢管，设计波度1=0.01，每根自流管的最小过水流量2.7m³，管内流速1.34m/s，最大秒流量4.8m³/s，流速2.387m/s，为防止自流管的淤积，在取水墩上设有空压机以备冲洗，压力4.81g/cm2，空气量m³/min。在岸边泵房进水间的接入口，设DN400的压力冲洗管，及高压空气冲供管路。据包钢自流管运行经验，自流管内淤塞时先用高压空气管冲洗。出现小股通气孔后，用高压水冲洗。自流管可顺利恢复正常运行，故设计采用高压气冲水系统。自流管的埋设深度，有两种方案可选择，及深埋或浅埋，深埋方案自流管埋于一般冲刷深度一下（993.12m）埋深大，泵房深，对日常运行不利，设计采用浅埋顶标高998.60m，加防护措施方案，及自取水墩开始每10m一排桩基承台，在承台上预埋铆钉环，固定自流管，在自流管上，百年一遇洪水位与河床以下，用两端绕丝的石笼护彻保护。7.5解决施工及运转中几个难点问题的措施1、取水泵站的自动化操作管理取水泵站大部分远离城市，取水、净化设施相隔较远，从几公里到几十公里甚至几百公里。这对泵站的运行管理，特别是取泵站与净化厂的运行衔接带来了很大困难。过去的老供水系统，因受设备性能及经济条件所限，一般取水部分设置为一个独立管理系统，工艺衔接用电话或中途设置溢流井等办法解决。日常运转中给生产带来许多不便。随着我测捡议表质量及自动化控制技术的提高。进入80年代，我国城镇供水系统的自动检测及控制水平也有相应提高。但国内一般供水系统设计只重视净化系统的自动化，忽视了取水部分的自动化。黄河高浊度水系取水设施日常运行管理遇到的突出问题是，水位变幅大、泥沙含量变幅大、进水格栅（网）易堵、进水间淤积。为此，包头取水头部设计考虑了自动化检测及控制系统。检测的参数有：进水含砂量，水文，栅（网）前后的水位差，进水间的水位、泥位、控制参数为，由含砂值确定是否取水。由进水间的水位控制泵扬程及调节叶片角度。由泥位控制气、水冲洗系统的开停。由栅（网）前后水位差控制栅（网）冲洗系统开启，同时取水泵的开、停状况由泵站PLC工作站汇总，传给供水系统中控室。同时，通过泵站plc。将中控室上微机的命令传递给每个工作单元。使取水站基本实现了自动化。2进水间清淤黄河水浊度高，水中含砂量大，进水空间大流速小，水中许多大颗粒的泥沙将会沉积下来，日积月累在进水间中形成很厚的积泥层，直接影响水泵吸水条件，甚至堵塞吸水管，这层泥粘度很大，易板结，较难冲洗干净，为此，设计时可采取底板面设斜坡，并用高压水冲洗或水力提升等办法解决。水力提升器排除泥沙，可以抽走50mm以下粒径石子，排泥水含砂量可达40-60kg/m³，冲洗所用水压≥5Kg/cm³。包头取水站设计采用水旋式冲洗器，即在同一平面上，利用水射