Hiroshi Yajima.分層取水:以獲取更優(yōu)質(zhì)原水水質(zhì)為目標(biāo)的水庫取水創(chuàng)新方式[J].凈水技術(shù)，2018,37(3): 1-3,9.

Hiroshi Yajima. SWS: An innovation way to intake raw water of better quality from a reservoir[J].Water Purification Technology,2018,37(3): 1-3,9.

Hiroshi Yajima (島根大學(xué)河口研究中心),1996年于京都大學(xué)環(huán)境工程系獲得博士學(xué)位，后在鳥取大學(xué)市政工程系從事學(xué)術(shù)研究工作20年。目前是島根大學(xué)河口研究中心的副院長。研究團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注河口環(huán)境以及影響河口的濕地和水體等。

持久性高濁度、水溫問題以及水體富營養(yǎng)化是日本水庫水質(zhì)面臨的主要挑戰(zhàn)。分層取水系統(tǒng)(selective withdrawal system,SWS)是一種廣泛應(yīng)用于水庫水質(zhì)控制的管理技術(shù)，通過在堤壩底部安設(shè)沖刷閥，將水質(zhì)較差的原水沖走。SWS技術(shù)最早于20世紀(jì)初開始應(yīng)用[1]，至20世紀(jì)70年代，日本大部分水壩均已采用該技術(shù)[2]。

2000年，日本水資源環(huán)境中心對(duì)SWS技術(shù)在日本的運(yùn)行情況進(jìn)行了一項(xiàng)小范圍的調(diào)查。在調(diào)查的21座水壩中，采用連續(xù)表面取水(水下3 m取水)以避免冷水排放的水壩有16座，采用底部取水的有1座，根據(jù)季節(jié)或者水情靈活調(diào)整取水位置的有4座[3]。與之相對(duì)應(yīng)的是在1970年，美國一項(xiàng)大規(guī)模調(diào)查也考察了SWS技術(shù)在美國100多座水壩中的運(yùn)行狀況[4]，并在2003年通過補(bǔ)充問卷的形式對(duì)40座水壩進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和內(nèi)容擴(kuò)增[5]。調(diào)查結(jié)果顯示，32座水壩采用SWS技術(shù)主要需要解決水溫問題，17座需要解決溶解氧問題，5座需要解決濁度問題；其中溶解氧問題在日本并不突出。此外，有8座水壩會(huì)同時(shí)運(yùn)行兩座以上的閘閥，通過混合不同水質(zhì)的進(jìn)水以滿足達(dá)標(biāo)要求?？紤]到SWS技術(shù)在美國已有較長的應(yīng)用歷史，日本的水壩管理者在運(yùn)行方面還有很大的提升空間。

多層取水塔(multi-level intake tower)是SWS技術(shù)的一種形式，有直線、半圓和圓形三種形態(tài)，通常應(yīng)用于取水量較大的情況。垂直層疊虹吸架式分層取水系統(tǒng)是一種特殊的多級(jí)取水塔，其通過在倒U型的虹吸管閘頂部充入或釋放空氣而實(shí)現(xiàn)閘閥功能(圖1)，因此無需再裝設(shè)重鋼閘閥或絞車系統(tǒng)，具有建設(shè)成本低的優(yōu)點(diǎn)，近年來在日本得到廣泛應(yīng)用。2011年日本的Shizumi水壩最先開始采用該技術(shù)，共設(shè)有13座虹吸閘閥；2012年日本鳥取縣東部的Tono水壩也采用了這一技術(shù)(圖2)，共設(shè)有17座虹吸閘閥。

層疊虹吸式分層取水塔之所以能在日本得到廣泛應(yīng)用，一個(gè)重要優(yōu)勢是它的任意閘閥都可以同時(shí)開啟，比如需要排放20 ℃的水，控制人員可以在20 ℃的水層開啟一個(gè)閘閥，或同時(shí)在30 ℃和10 ℃的水層開啟兩個(gè)閘閥，甚至可以同時(shí)開啟三個(gè)以上的閘閥排水。這種多閘閥排水的運(yùn)行方式可使躍溫層趨于更深層，從而確保溫水層的水量，特別是在旱季水位下降的情況下可以避免冷水的排放[6]，在洪水發(fā)生后可以盡量排放而避免排放渾水，從而有效解決了水溫問題和濁度問題。與此同時(shí)，該運(yùn)行模式改變了水庫的水溫層結(jié)構(gòu)，從而對(duì)藍(lán)藻暴發(fā)等水庫生物的生態(tài)行為具有一定的控制作用。雖然另外安置揚(yáng)水系統(tǒng)(bubbler system)也能較方便地改善水華問題，但成本較高；而該分層取水塔僅需改變運(yùn)行狀態(tài)就可應(yīng)對(duì)水庫水質(zhì)問題，且不會(huì)產(chǎn)生任何額外成本。此外，對(duì)于具備多功能的水利樞紐工程(multi-purpose dam)，SWS的最優(yōu)化運(yùn)行更有助于實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目標(biāo)[7]。需要指出的是，相對(duì)于進(jìn)水，SWS的排水水量需要足夠大才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，否則改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)對(duì)水庫水質(zhì)產(chǎn)生影響。

當(dāng)我和水壩工程管理人員討論SWS的運(yùn)行情況時(shí)，我建議他們不要盲目照搬以往傳統(tǒng)的運(yùn)行模式，要積極探索新的模式，實(shí)現(xiàn)水庫更好的運(yùn)行。工程管理人員通常會(huì)迫于股東們的壓力而在水壩運(yùn)行工作中趨于保守，不愿嘗試；研究學(xué)者的參與能夠助力新運(yùn)行模式的建立，換而言之，當(dāng)運(yùn)行過程中發(fā)生意外時(shí)，研究人員可以幫助工程管理人員分擔(dān)一部分運(yùn)行責(zé)任，給工程管理人員以足夠的退路。目前由于變化的氣候以及有限的預(yù)算，SWS面對(duì)的需求越來越復(fù)雜，日常運(yùn)行也正變得越來越困難；只有工程人員和研究人員共同攜手，才能將更好的環(huán)境留給我們的下一代。

[1]Imberger J. Selective withdrawal:A review[C]. Norway:2nd International Symposium on Stratified Flows,IAHR,1980.

[2]Hideaki Kawasaki.Trends and issues of dam technique[J].The Dam Digest,2003(700):21-33.(in Japanese)

[3]Yoshida N,Nakamura T.About the application effects of selective water withdrawal equipment[R].Annual Report of Water Resources Environment Technology Center,2002:30-37.(in Japanese with English abstract)

[4]Nece R.Register of selective withdrawal works in United States[J].Journal of the Hydraulics Division,1970,96(9):1841-1872.

[5]Vermeyen T B,DeMoyer C,Delzer W,etal.A survey of selective withdrawal systems[R].Denver,Colorado:Bureau of Reclamation,Technical Service Center,2003.

[6]Yajima H,Kikkawa S,Ishiguro J.Effect of selective withdrawal system operation on the long-and short-term water conservation in a reservoir[J].Proceedings of Hydraulic Engineering,2006(50):1375-1380.(in Japanese with English abstract)

[7]Castelletti A,Yajima H,Giuliani M,etal.Planning the optimal operation of a multioutlet water reservoir with water quality and quantity targets[J].Journal of Water Resources Planning and Management,2013,140(4):496-510.