新疆干旱地區(qū)水閘妨害因素及管理措施研究

黃振東

（新疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣水利局，新疆 烏魯木齊 830001）

水閘設(shè)施的構(gòu)成主要包括水閘及啟閉系統(tǒng)、水閘土工建筑和檢測、監(jiān)控、電力設(shè)施等系統(tǒng)，水閘對防澇抗旱以及水資源的利用具有重要作用。新疆干旱地區(qū)水資源緊張，由于該地區(qū)河流水閘易受冰雪、少雨等惡劣氣候條件的影響，水閘妨害因素多。一旦麻痹大意而疏于防范，水閘本身極易受到破壞，導(dǎo)致巨大的財(cái)產(chǎn)損失，影響水利設(shè)施的功能正常發(fā)揮。因此，科學(xué)合理的水閘運(yùn)行管理措施有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 干旱地區(qū)常見的水閘妨害因素

1.1 洪水因素

長江、松花江流域等河流水資源豐富，流域洪水災(zāi)害頻發(fā)，但隨著大型水電站項(xiàng)目的實(shí)施，我國主要河流的洪澇災(zāi)害頻率下降。相反，由于缺乏有效的水利建設(shè)投入以及河道侵蝕，一些干旱地區(qū)的支流和河溝時(shí)常遭遇洪水、泥石流等災(zāi)害侵襲。在夏季干旱地區(qū)極易發(fā)生超常雨量引發(fā)的洪水，此外，春夏季冰雪消融，由此引發(fā)的洪澇災(zāi)害同樣十分常見。例如發(fā)源于薩吾爾山脈，位于吉木乃縣境內(nèi)的拉斯特河，全長僅67 km，河道寬度在100 m以下，日常流量在15 m3/s左右。但在氣溫升高的7～8月，當(dāng)降雨和融雪疊加，產(chǎn)生的洪峰流量迅速升高，特殊時(shí)期洪峰流量甚至超過200 m3/s，是常規(guī)流量的十幾倍[1]。這種常規(guī)流量與洪水流量差距較大的流域，一旦發(fā)生洪水，水閘的抗壓和泄洪能力將遭遇嚴(yán)峻考驗(yàn)。特別是在水利設(shè)施投入較少地區(qū)，水閘的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，一旦遭遇超常規(guī)洪水，水閘將遭到嚴(yán)重破壞。

其中，洪水的主要危害是高水位產(chǎn)生的高水壓和高流速形成的能量水頭。平板式閘門底部承壓最大，底檻和導(dǎo)軌埋件均極易發(fā)生形變而滲漏。對于弧形閘而言，支鉸座牛腿承壓將遭遇考驗(yàn)，另外弧形導(dǎo)軌上的側(cè)止水裝置也容易發(fā)生漏水。高水頭還造成閘門啟閉困難，泄洪時(shí)易產(chǎn)生水躍，沖刷護(hù)墻和河床，導(dǎo)致水閘基礎(chǔ)穩(wěn)定性下降。因此，洪水對水閘的危害巨大。

1.2 冰雪因素

我國干旱地區(qū)多位于北緯高緯度帶或高原地帶，冬季十分嚴(yán)寒。例如額爾齊斯河流域的阿勒泰地區(qū)，1月的平均氣溫僅為-16℃，河流冰期漫長。首先，寒冷的天氣極易引起人工設(shè)施的凍脹損害，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；另外，低溫還引起鋼鐵材質(zhì)的閘門及橡膠材質(zhì)的附件韌性降低，易脆折。不僅如此，冰封期閘門的啟閉困難，厚厚的冰層極易將閘門凍住。雖然冬季多為枯水季節(jié)，且農(nóng)業(yè)灌溉需水量少，但一旦發(fā)生上游水量突增的緊急情況，若閘門不能正常啟閉，將引發(fā)漫壩等險(xiǎn)情。因此，相比與冰封期的凍脹等危害，冰雪融冰對水閘的危害同樣不容忽視。

新疆地區(qū)的融冰厚度有時(shí)超過1m，巨大的冰塊可對閘門形成強(qiáng)烈的沖擊力。尤其是在春季雪融期，為調(diào)節(jié)水量需要頻繁啟閉閘門，因而融冰可引起閘門撞擊破壞以及堵塞閘門導(dǎo)軌，導(dǎo)致事故發(fā)生。融冰時(shí)間的不一致也容易導(dǎo)致水閘功能降低。如拉斯特河河流最早封凍日期為11月5日（1989年），最晚解凍日期為5月4日（1990年），位于低海拔的河流下游正是需水的灌溉期，而位于高海拔山區(qū)的水閘卻因?yàn)榉鈨龆鵁o法正常泄水。因此，冰雪氣候極易導(dǎo)致閘門管理困難。

1.3 泥沙因素

泥沙淤積會堵塞溢流口或封堵閘門。通過沖沙閘可以控制部分泥沙的淤積，但不能完全避免泥沙對水閘造成損害。泥沙的成因主要是上游的水土流失，干旱地區(qū)雨水少，土壤風(fēng)化多較為嚴(yán)重，因此河流的泥沙含量高。例如，新疆伊犁河的支流如拉斯特河、哈什河以及烏蘇境內(nèi)的古爾圖河等河流。一些河道較窄的河流還極易被砂石堵塞河道，造成主河道短時(shí)期內(nèi)改道。對于上開式平板閘和弧形閘，泥沙可通過定期的啟閉來消除。但對于水力自控翻板閘，上游泥沙的堵塞將會造成閘門難以翻轉(zhuǎn)，從而失去自動(dòng)調(diào)節(jié)上下游水位的能力。因此，泥沙的淤積雖然緩慢，但其對水閘的影響同樣不容忽視。

1.4 人為因素

主河道上的水閘多為永久性建筑，往往需要在幾十年間不斷發(fā)揮水利設(shè)施的功用。但水閘設(shè)施通常遠(yuǎn)離人群聚居區(qū)，如果疏于防范，也極容易遭到人為損害。此外，人為啟閉操作失誤也是損害水閘的主要因素。水閘自重大，多超過幾噸，在水壓和導(dǎo)軌摩擦作用下，啟閉的功率需求大，需要使用專業(yè)工具，如卷揚(yáng)啟閉機(jī)、液壓啟閉機(jī)、螺桿啟閉機(jī)等。閘門啟閉時(shí)的水位、水速、啟閉的方式、提升速度等均影響水閘啟閉的穩(wěn)定性，因而相應(yīng)的電動(dòng)啟閉機(jī)功率均較大，如不依照規(guī)范操作，易發(fā)生閘門及附件變形、啟閉裝置受損等事故。

疏于防范和管理是水閘受損的另一個(gè)主要人為因素。水閘由于長時(shí)間處于潮濕的水環(huán)境中，閘門極易腐蝕，橡膠密封圈、導(dǎo)軌、底檻等水閘的附件也容易破損。如不定期維護(hù)和更換受損的部件，閘門安全隱患增加。干旱地區(qū)溫差大，水閘土工建筑易發(fā)生剝落、裂紋和起坑等現(xiàn)象。若疏于維護(hù)，沒有及時(shí)修補(bǔ)，將會對水閘穩(wěn)固性造成影響。不僅如此，水閘周邊居民破壞水閘土工建筑附件的植被、在水閘上下游邊墻旁取土也會損害水閘，杜絕此類行為也非常必要[2]。

2 干旱地區(qū)水閘運(yùn)行管理措施

干旱地區(qū)河道、溝渠枯水期長，通常一年只需有限的幾次閘門啟閉操作，水閘管理工作看似簡單，但由于上述多種因素的影響，干旱地區(qū)的閘門運(yùn)行管理實(shí)際更需科學(xué)的管理措施。如果疏于防范，不僅水閘水利設(shè)施使用壽命下降，而且容易引發(fā)人為災(zāi)害。為防患于未然，干旱地區(qū)的水閘運(yùn)行管理應(yīng)采取以下措施。

2.1 建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

相對于人工巡查和管理，自動(dòng)化監(jiān)控和管理系統(tǒng)更適用于干旱地區(qū)。干旱地區(qū)大多人口密度小，地表徑流少，水閘的密度也較小。因此，管理人員巡查水利設(shè)施費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大部分時(shí)間浪費(fèi)在旅途中。利用全自動(dòng)化管理系統(tǒng)，可做到“無人值班、少人值守”，通過一次性投入來彌補(bǔ)人員配備的不足。自動(dòng)化水閘管理系統(tǒng)通過上位計(jì)控制下的PLC編程的計(jì)算機(jī)對水閘啟閉機(jī)實(shí)施控制。當(dāng)下位機(jī)接收到流量計(jì)、水位計(jì)、流速儀等閘門上下游檢測儀器傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過事先寫入的程序?qū)λl自動(dòng)啟閉。當(dāng)然，關(guān)鍵河道水閘的啟閉往往事關(guān)重要，需要上級水利部門下達(dá)命令，因此，在自動(dòng)化控制的同時(shí)，上位機(jī)還可以通過互聯(lián)網(wǎng)或無線遙感技術(shù)來對下位機(jī)下達(dá)閘門啟閉指令，從而實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)程操控。

當(dāng)前，可用于水閘管理的軟件包括SKJ水利信息化系統(tǒng)軟件，山東鋒士信息技術(shù)公司的水閘監(jiān)控與管理系統(tǒng)等。此類軟件系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集與處理模塊，包括水閘上下游水位，流速和流量數(shù)據(jù)的采集，并通過對歷史數(shù)據(jù)的處理，生成線性趨勢圖，以方便操作者對數(shù)據(jù)的理解。其次，是啟閉電機(jī)等儀器的運(yùn)行狀況監(jiān)測模塊，包括啟閉電機(jī)的工作狀態(tài)、液壓系統(tǒng)的工況等。最后，是視頻監(jiān)控模塊，主要是對閘門上下游漂浮物的監(jiān)控、閘門啟閉狀況的監(jiān)控，水閘周邊環(huán)境的監(jiān)控等。監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)行預(yù)警，可以人工設(shè)定警戒水位數(shù)據(jù)，當(dāng)閘門上下游水位超過警戒水位、設(shè)計(jì)水位時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)報(bào)警。

通過無線遙測技術(shù)或直接的光纖連接，水閘監(jiān)控系統(tǒng)可將多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行墓芾硭?，由中心管理所對多個(gè)水閘監(jiān)測點(diǎn)集中管控，從而實(shí)現(xiàn)“無人值班、少人值班”。中心管理所再對不同的水閘監(jiān)控室內(nèi)的上位機(jī)同時(shí)下達(dá)指令，控制閘門的啟閉。每個(gè)監(jiān)控室內(nèi)應(yīng)配置兩臺上位機(jī)，一臺作為主控機(jī)，另一臺處于熱備狀態(tài)。處于熱備狀態(tài)的工控機(jī)隨時(shí)檢測主控機(jī)狀態(tài)，一旦有故障，立即接過主控權(quán)上升為主控機(jī)，雙機(jī)實(shí)現(xiàn)無擾切換，確保主控任務(wù)不丟失。監(jiān)控點(diǎn)的設(shè)備可根據(jù)不同水閘功用的實(shí)際要求來設(shè)置，通常包括數(shù)據(jù)采集的各類儀表儀器、電機(jī)和閘門開度狀態(tài)監(jiān)測儀器以及監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備，見表1。當(dāng)然，由于監(jiān)控系統(tǒng)本身的設(shè)備故障以及難以完成所有監(jiān)測和管理任務(wù)，水閘的管理仍舊需要人工和自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的相結(jié)合。

表1 監(jiān)測點(diǎn)主要設(shè)備組成

2.2 結(jié)合歷史水文信息，制定應(yīng)急預(yù)案

干旱地區(qū)極端天氣多，洪水、冰情和泥沙均會影響到閘門的啟閉以及穩(wěn)定性。因此，應(yīng)結(jié)合歷史水文信息，制定水閘管理應(yīng)急預(yù)案。收集和研讀歷史水文信息，是水閘管理人員的必要工作。準(zhǔn)確地了解水閘所處河道極端洪水的流量、水位，可以正確認(rèn)知水閘應(yīng)對極端環(huán)境的等級。而對一年中河道水位變化、融冰變化以及泥沙含量變化規(guī)律的解讀，有利于管理者提前采取相應(yīng)措施，減少水閘遭遇險(xiǎn)情的幾率。例如在雨季來臨之前減低河道水位?；蛟诒馄陂_始前，為水閘開鑿不凍槽，避免閘門被封凍。在泥沙高含量期到來之前，通過沖砂閘和閘底清淤操作，排空水閘附近區(qū)域的積沙。提前應(yīng)對各種自然影響因素，可將突發(fā)災(zāi)害幾率降到最低。

然而，隨著全球變暖以及人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的加劇，極端的水閘災(zāi)害仍舊難以避免，因此，應(yīng)制定應(yīng)對各種自然災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案。包括洪水期閘門不能啟閉緊急預(yù)案、冰雪和泥沙封堵閘門緊急預(yù)案等。緊急預(yù)案中，應(yīng)分析事件危害等級，成立專門處理水閘突發(fā)事件應(yīng)急處置工作專家小組。一旦發(fā)生應(yīng)急情況，可在專家小組的帶領(lǐng)下，按照預(yù)案程序采取應(yīng)對措施。

2.3 加強(qiáng)監(jiān)督，開展精細(xì)化管理

干旱地區(qū)水閘設(shè)施遭遇極端氣候和極端危害的情況較為少見，實(shí)際主要損害來自于日積月累的材料疲勞效應(yīng)和土工建筑的腐蝕。季節(jié)的溫差和早晚溫差變化、雨水的沖刷、冰雪的反復(fù)凍脹會逐漸損害水閘等水利設(shè)施，并從一些小腐蝕開始，逐漸造成水閘設(shè)施的嚴(yán)重破損。對于建筑腐蝕和材料變質(zhì)等現(xiàn)象，單純依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控是難以發(fā)現(xiàn)的，只有通過日常巡查，并嚴(yán)格按照水閘管理的日常工作規(guī)范來進(jìn)行排查，才可以發(fā)現(xiàn)這些“小病小害”。常見的“小病小害”包括水閘主體上的小坑洞、裂縫以及護(hù)墻的滲漏和破損等。閘門的淤積、金屬閘門的銹蝕、螺桿絲紋的磨損、鋼絲繩的斷絲都會導(dǎo)軌和底檻的變形[3]。另外，機(jī)電設(shè)備上久積的灰塵和線路的老化，也是巡查工作需要注意的。在水閘土工建筑外圍不允許違章栽植，耕種取土。對于修建在沙漠邊緣的水閘，還應(yīng)觀察流沙對河道的影響，防止河道淤積。

由于水利部門員工大多收入較低，工作積極性難以調(diào)動(dòng)，因此應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督管理，要求員工嚴(yán)格按照水閘管理日常規(guī)范來開展精細(xì)化管理，對工作表現(xiàn)好的予以經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)，對不符合要求的應(yīng)予以淘汰。水閘日常運(yùn)行維護(hù)管理還可實(shí)行市場化操作，即將運(yùn)行維護(hù)管理交給專業(yè)團(tuán)隊(duì)來管理，水利部門只需要通過下達(dá)啟閉指令來保證水利設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)即可。這種市場化操作可確保水閘日常維護(hù)規(guī)范化，并具備一定的經(jīng)濟(jì)性?？傊挥屑訌?qiáng)對水閘設(shè)施的日常巡查，防微杜漸，才能使工程處于良好工作狀態(tài)，發(fā)揮應(yīng)有功效。

3 結(jié)語

新疆干旱地區(qū)水資源緊張，水閘對防澇抗旱以及水資源的利用具有重要作用。但是由于該地區(qū)河流水閘易受冰雪、少雨等惡劣氣候條件影響，水閘妨害因素多，包括洪水、冰雪、泥沙以及人為因素等。春夏季的冰雪消融和超強(qiáng)降雨極易引發(fā)洪澇災(zāi)害，由此高水位產(chǎn)生的高水壓和高流速形成的能量水頭造成平板式閘門和弧形閘門變形、啟閉困難；冬季寒冷的天氣極易引起人工設(shè)施的凍脹損害，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，引起鋼鐵材質(zhì)的閘門及橡膠材質(zhì)的附件韌性降低，易脆折。而由于上游河流的水體流失，下游河流較好的含沙量導(dǎo)致河道堵塞，造成閘門難以翻轉(zhuǎn)從而失去自動(dòng)調(diào)節(jié)上下游水位能力，造成主河道短時(shí)期內(nèi)改道。此外，人為的損害、不規(guī)范的操作以及疏于防范和管理等人為因素都會對水閘造成嚴(yán)重的影響。

因此，為防止上述因素對干旱地區(qū)水閘的損害，需要科學(xué)的運(yùn)行管理措施，保證水閘水利設(shè)施的功能。首先，需建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控水閘的上下游水位、流速和流量數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)人工巡查和管理的不足。其次，管理者需結(jié)合歷史水文信息，制定應(yīng)急預(yù)案，包括洪水期閘門不能啟閉緊急預(yù)案、冰雪和泥沙封堵閘門緊急預(yù)案等，應(yīng)對各種自然災(zāi)害。此外，還需加強(qiáng)監(jiān)督，開展精細(xì)化管理，通過日常巡查，嚴(yán)格按照水閘管理的日常工作規(guī)范排查水閘的“小病小害”。水閘日常運(yùn)行維護(hù)管理交給專業(yè)團(tuán)隊(duì)，通過市場化操作確保水閘日常維護(hù)規(guī)范化，并具備一定的經(jīng)濟(jì)性?？傊?，只有加強(qiáng)對水閘設(shè)施的日常巡查，防微杜漸，才能使工程處于良好工作狀態(tài)，發(fā)揮其應(yīng)有功效。