黑龍江省攔河灌溉渠首工程研究回顧與展望

耿賀松，李 昂，鄭 健

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究背景

黑龍江省是農(nóng)業(yè)大省，截至2016年，黑龍江省水田灌溉面積已達(dá)到400.73萬hm2，其中各類灌區(qū)工程作為農(nóng)業(yè)主要基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮了重要的作用。全省設(shè)計(jì)灌溉面積2萬hm2以上大型灌區(qū)25處，0.067萬～2萬hm2中型灌區(qū)361處，3.33～0.067萬hm2小型灌區(qū)14.51萬處[1]。雖然黑龍江省近五年灌溉面積發(fā)展較快，但耕地灌溉率、節(jié)水灌溉率、高效節(jié)水灌溉率不高。大中型水田灌區(qū)的水利基礎(chǔ)設(shè)施老化失修嚴(yán)重，田間灌排渠溝工程配套建設(shè)滯后，不能全面發(fā)揮作用[2]；灌區(qū)的灌水保證率、排水標(biāo)準(zhǔn)以及澇區(qū)的除澇標(biāo)準(zhǔn)均遠(yuǎn)低于國(guó)家高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)規(guī)范的要求[3]。

截至2013年，黑龍江省有重點(diǎn)渠首348座，其中運(yùn)行良好的渠首有58座，占17%，大部分為“十一五”“十二五”期間建成或投入資金進(jìn)行改建的渠首。基本完好的渠首約有62座，占18%。需要部分改建的約有140座，占40%。完全損壞的約88座，占25%，其余的需要重新建設(shè)[4]。

渠首工程是灌區(qū)的“咽喉”，也是整個(gè)灌區(qū)工程發(fā)揮效益好壞的關(guān)鍵。灌區(qū)灌溉水源大部分來自于江河，如何有效的利用江河可利用水資源滿足灌區(qū)灌溉需求，又可以實(shí)現(xiàn)江河生態(tài)健康發(fā)展，灌區(qū)渠首工程研究成為必然。相關(guān)渠首形式研究和設(shè)計(jì)成為渠首工程研究的重要內(nèi)容。同時(shí)越來越多的學(xué)者意識(shí)到生態(tài)渠首工程建設(shè)的重要性，從不同角度對(duì)渠首工程形式開展了卓有成效的研究。本文從灌區(qū)渠首工程發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，歸納、分析了黑龍江省攔河灌溉渠首工程形式的演變過程，針對(duì)代表性渠首工程形式和相關(guān)技術(shù)手段進(jìn)行了介紹和闡釋。最后，對(duì)黑龍江省攔河灌溉渠首工程形式的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討和展望。

2 攔河灌溉渠首工程形式回顧

2.1 渠首的概念與發(fā)展?fàn)顩r

渠首工程的作用是把河流或水庫中的水引入渠道，以滿足農(nóng)田灌溉、水力發(fā)電、工業(yè)及生活用水等水利事業(yè)的需要，并要求防止粗顆粒泥沙進(jìn)入渠道，以免引起渠道的淤積和對(duì)水輪機(jī)或水泵葉片的磨損，保證渠道及水電站正常運(yùn)行。為了達(dá)到此目的，常在渠道首部的河段附近修建幾種建筑物的綜合體，這種建筑物的綜合體稱為渠首工程[5]。

渠首工程的建設(shè)歷史悠久，春秋后期于晉陽(在今山西太原西南三十里)所建智伯渠，公元前246年開始興建的鄭國(guó)渠，均為有壩引水[6]。公元前256～前251年在岷江上修建了規(guī)模宏大、舉世聞名的都江堰(位于今四川省灌縣)無壩引水工程[7]。中華人民共和國(guó)成立后，興建了大量灌溉渠首工程，以滿足農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的要求。如寶雞峽引渭工程、新疆喀什河渠首引水灌溉工程、引黃濟(jì)衛(wèi)工程，以及南水北調(diào)工程等。世界著名大型灌區(qū)的渠首工程有：蘇聯(lián)卡拉達(dá)里亞河上的卡姆貝爾-拉瓦特引水樞紐，美國(guó)科羅拉多河上的因皮里爾壩引水工程，印度戈西河上的戈西堰等，其引水流量均達(dá)每秒數(shù)百立方米以上。前兩個(gè)工程及戈西堰東干渠渠首，分別利用人工彎道、沉沙池及沖沙廊道等防沙、排沙設(shè)施，較成功地解決了泥沙入渠問題[5]。

2.2 黑龍江省攔河灌溉渠首工程形式回顧

渠首工程形式按照河道水位和流量的變化情況分為四類：無壩渠首、有壩渠首、水庫取水、提水渠首。黑龍江省攔河渠首工程主要為有壩渠首，黑龍江省最早攔河渠首工程可追溯至20世紀(jì)30—40年代的日偽時(shí)期[8]，隨著生產(chǎn)能力和需求的提高，攔河渠首工程也在不斷進(jìn)化，從渠首形式的發(fā)展歷史過程看可將其分為三大類：

第一類攔河渠首形式主要為簡(jiǎn)易的堆石壩[9]、柳石壩等，即全壩方案。由于標(biāo)準(zhǔn)低，淤積問題等，幾乎年年需對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。早期這種形式的渠首工程適用于中小型灌區(qū)，例如始建于1939年的中和灌區(qū)，修建了三處柳石壩和一條總干渠，灌溉方式是臨時(shí)扒口和堵口；始建于1945年的桃山灌區(qū)，攔河壩為柳條結(jié)構(gòu)。直到20世紀(jì)80—90年代黑龍江省開始對(duì)灌區(qū)渠首工程進(jìn)行改造，新形式的攔河渠首工程開始出現(xiàn)。

第二類攔河渠首形式主要為閘、壩結(jié)合，該形式為經(jīng)典式，至今仍在采用，如圖1所示。閘壩結(jié)合渠首形式[10]主要由一道溢流壩和N孔沖砂閘等組成。對(duì)于一個(gè)確定的攔河工程，平槽情況下阻水面積比與壩閘寬比存在著函數(shù)關(guān)系[11]，一般閘壩結(jié)合渠首工程較為理想的閘壩比例為1/10～1/5[12-13]。溢流壩結(jié)構(gòu)分為兩種形式：一種為堆石壩+鋼筋面網(wǎng)或鋼筋混凝土的堰體；一種為橡膠壩。沖砂閘的閘門形式主要為平板閘門。例如：

朝陽灌區(qū)位于螞蟻河中游右岸，延壽縣西南25 km處，始建于1933年偽滿時(shí)期，渠首攔河壩原是柳條堆石壩后改造成混凝面板階梯壩；94特大洪水原壩南側(cè)決口寬98 m，深1.2 m，國(guó)家投入以工代賑資金采用鋼筋面網(wǎng)修復(fù)，壩長(zhǎng)達(dá)到100 m，鋼筋面網(wǎng)40 m，混凝土面板60 m。2013年延壽縣遭遇強(qiáng)降雨襲擊，渠首水毀嚴(yán)重，后經(jīng)除險(xiǎn)加固后，在工程右岸新建3 m×10 m沖砂閘，左岸新建L=35 m實(shí)用堰攔河壩。加信灌區(qū)天臺(tái)渠首建于2002年，形式為橡膠壩，壩長(zhǎng)60 m。

(a)

(b)圖1 閘壩結(jié)合攔河渠首

同時(shí)隨著技術(shù)不斷的進(jìn)步，對(duì)于閘壩結(jié)合形式的攔河渠首工程基礎(chǔ)進(jìn)行了深入細(xì)部研究，在黑龍江省尚志市的東二干渠首、東三干渠、東五干渠首進(jìn)行了應(yīng)用,見表1。

表1 三座試驗(yàn)工程閘壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

第三類攔河渠首形式主要為全閘，自21世紀(jì)初開始，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全閘形式的渠首工程開始大規(guī)模的修建。全閘方案在懸移質(zhì)較多的河道相對(duì)于有溢流壩的渠首而言大大減少了上游淤積，降低上游雍水水位對(duì)兩岸淹沒的影響，與以往的全斷面攔截和部分?jǐn)嗝鏀r截河道相比，基本上恢復(fù)了天然河道、增大了行洪斷面，如圖2所示。同時(shí)閘門結(jié)構(gòu)形式亦有較大的變化，從閘門門葉運(yùn)動(dòng)方式上看，閘門由以往的單一垂直升降式發(fā)展到轉(zhuǎn)動(dòng)式、橫拉式、滾動(dòng)式和升臥式等多種啟動(dòng)方式；從閘門啟閉形式上有手電兩用螺桿啟閉、卷揚(yáng)啟閉、液壓?jiǎn)㈤][14]。例如：雙興灌區(qū)的小河里渠首工程重建于2011年，渠首工程采用為3 m×12 m 的全閘形式，閘門形式為垂直升降平板鋼閘門，啟閉機(jī)為卷揚(yáng)機(jī)。坐落于雞西市穆棱河上的雞冠山渠首工程重建于2014年，雞冠山渠首工程擔(dān)負(fù)任務(wù)為蓄水灌溉和滿足上游景觀濕地對(duì)水位的需求，渠首工程采用3 m×30 m全閘，閘門形式為底軸翻板閘門(亦稱鋼壩閘)，啟閉機(jī)采用集成液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)[15]，閘門為水技推〔2014〕1號(hào)文中推介技術(shù)的一項(xiàng)，閘門設(shè)計(jì)理念按縱向懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使計(jì)算斷面與跨度大小無關(guān)，單孔跨度達(dá)到了10～100 m，可以極大的恢復(fù)天然河道的過流能力，閘門可進(jìn)行多角度限位孔，閘門頂部在滿足蓄水水位和景觀濕地水位要求時(shí)，多余來水量從壩頂溢流，形成一定景觀瀑布效果[16-17]。值得一提的是黑龍江省河流存在春季凌汛排冰問題，在渠首工程的閘孔凈寬較大的情況下，上游的流冰可以順利地通過閘孔下排，從而不會(huì)對(duì)渠首造成冰推破壞。

綜上所述，攔河渠首工程在形式發(fā)展上主要為全壩、閘壩、全閘三種，由于渠首工程在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的邊界約束條件很多，故攔河渠首工程形式并沒有絕對(duì)固定模式，它的應(yīng)用形式應(yīng)考慮河道的特點(diǎn)、功能需求、投資控制等因素。

(a)底軸翻板閘門

(b)直升式平板閘門圖2 全閘渠首

3 攔河渠首工程形式發(fā)展趨勢(shì)

攔河渠首工程形式從生態(tài)意義上決定了河道的生態(tài)景觀需要，從管理上決定了管理難易度，從投資造價(jià)上決定了工程的投資；而攔河渠首工程形式發(fā)展方向又始終決定于社會(huì)需求，當(dāng)前攔河渠首工程形式的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

(1)提高建筑物的結(jié)構(gòu)可靠性、攔蓄水能力、過流能力、排冰能力等是攔河渠首工程形式研究的前提條件。結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的能力，它包括了結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性。攔河渠首工程形式的發(fā)展趨勢(shì)必然不會(huì)離開這一基本要求，根據(jù)灌區(qū)的不同功能需求，以最經(jīng)濟(jì)的手段，賦予結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)目煽慷?，使攔河渠首工程在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的使用期限內(nèi)，完成其重要攔蓄水灌溉、泄洪、排澇等功能要求。黑龍江省地處歐亞大陸東部、太平洋西岸、中國(guó)最東北部，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，每年的春季流冰期無疑對(duì)渠首工程是個(gè)大的考驗(yàn)，特別是在武開河時(shí)，流冰在風(fēng)和水流作用下遇到渠首工程的阻攔，不斷撞擊，破碎后繼續(xù)順流而下。上述因素均促使了攔河渠首工程形式的發(fā)展和提升。

(2)自動(dòng)化監(jiān)控的不斷應(yīng)用與發(fā)展是攔河渠首工程形式研究的重要環(huán)節(jié)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已成為工程上的主流，它與數(shù)據(jù)庫緊密的聯(lián)系在一起構(gòu)成了一套完整的安全監(jiān)測(cè)體系。隨著工程安全監(jiān)測(cè)手段硬件和軟件的不斷發(fā)展，監(jiān)測(cè)范圍不斷擴(kuò)大，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和資料分析系統(tǒng)，以及安全警報(bào)系統(tǒng)也在不斷的完善，尤其是近幾年來云平臺(tái)的建設(shè)，使得對(duì)渠首工程的自動(dòng)化監(jiān)控更為方便[18]。渠首工程形式發(fā)展應(yīng)與自動(dòng)化監(jiān)控結(jié)合，例如目前已建并正在運(yùn)行的延壽縣山河渠首工程，該渠首工程的形式為全閘式，閘門采用的是底軸翻板閘門，應(yīng)用自動(dòng)化操作系統(tǒng)，控制閘門的啟閉和開啟度，既能使得灌溉得到保證，又能降低管理難度；同時(shí)該渠首工程還安裝了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可監(jiān)控渠首工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)[19]。

(3)更加深入地探索攔河渠首工程對(duì)河道生態(tài)保護(hù)的作用是攔河渠首工程形式研究的必經(jīng)之路?！笆糯蟆眻?bào)告提出“像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，形成綠色發(fā)展方式和生活方式，堅(jiān)定走生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路，建設(shè)美麗中國(guó)，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)?！盵20]攔河渠首工程形式對(duì)河道生態(tài)具有一定影響，以往修建的渠首工程形式注重于灌溉功能需求(保證設(shè)計(jì)引水位)，忽視了對(duì)河道生態(tài)功能需求，在今后的渠首工程形式設(shè)計(jì)發(fā)展中應(yīng)融入生態(tài)綠色的理念，從攔河蓄水形式、建筑材料、河道中動(dòng)物植物的保護(hù)等出發(fā)，作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

4 結(jié) 語

無論在黑龍江省還是國(guó)內(nèi)其他省份乃至國(guó)外，攔河灌溉渠首工程的不斷進(jìn)步為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和可靠的保障，攔河灌溉渠首工程是水利工程中的重要組成部分，是保證農(nóng)田灌溉和糧食生產(chǎn)安全的重要要素，尤其是攔河灌溉渠首工程擔(dān)負(fù)著的地方灌溉、調(diào)水和供水的任務(wù)。攔河灌溉渠首工程的建設(shè)對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展不可或缺。攔河渠首工程形式的研究對(duì)農(nóng)業(yè)、河道生態(tài)、環(huán)境改善等都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。