多沙河流引水渠渠首閘引水能力改善方法初探

劉社教，蔡 捷，張宏圖，張 向

（1.河南省陸渾水庫管理局，河南洛陽471023；2.黃河水利委員會信息中心，河南鄭州450004；3.黃河水利科學研究院，河南鄭州450003）

1 引 言

渠首閘是水利樞紐中的重要建筑物之一,在多沙河流上修建的渠首閘不僅承擔引水任務,還有防止過多泥沙進入渠道的重要作用。針對多沙河流河床沖淤調(diào)整幅度大,且沖淤經(jīng)常交替發(fā)生的狀況,渠首閘的布置型式對于水閘長期穩(wěn)定取水至關重要。為此,我國多沙河流引水閘閘型設計有多種形式。黃河下游河道較寬,引水比（引水流量與大河流量之比)較小,一般為無壩單側引水,閘室一般為涵洞式或開敞式,閘底坎高程根據(jù)大河引水水位確定；而在新疆平原的多沙河流,引水工程建在細沙河床上,因河道寬度不大,故一般采用攔河閘型式,在攔河工程修建時盡量減少縮窄天然河道,并采用寬閘低坎型式,以減少對河道的影響。

近年來,黃河下游河段修建的引水閘因河床下切以及引黃渠道淤積等,導致引水條件與設計情況相比發(fā)生變化,從而造成引水閘引水能力下降、部分河段引黃涵閘引水困難,特別是每年3—4月的春灌時期,黃河來水量小、水位低,部分河段引黃涵閘出現(xiàn)無法正常引水的情況,影響了農(nóng)業(yè)適時灌溉。為此,在多沙河流上修建引水渠渠首閘時,采用何種布置型式及如何減少閘前淤積等問題日益受到關注。

2 多沙河流河床調(diào)整對灌區(qū)引水能力的影響

我國北方河流大多屬于多沙河流,且多位于干旱半干旱地區(qū),灌溉對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展起到舉足輕重的作用。但是,這些河流的泥沙含量高,河床沖淤調(diào)整變化劇烈,當河床發(fā)生劇烈演變時,河道水位升降就會影響渠首工程的引水保證率。以著名的多沙河流黃河為例,其泥沙含量居我國多沙河流之冠,黃河下游河道的沖淤變化主要取決于來水來沙條件,呈現(xiàn)“多來、多淤、多排”的特點。三門峽水庫修建前的1950—1960年,黃河下游河道年平均淤積量為3.61億t,灘槽同步淤積抬高；三門峽水庫蓄水攔沙運用階段,下游河道年均沖刷泥沙5.78億t,沖刷主要集中在主河槽；三門峽水庫滯洪排沙運用階段,下游年均淤積量達到4.39億t,主槽淤積量大于灘地的；三門峽水庫蓄清排渾運用階段（1973—1986年),河道沖淤量不大；1986—1999年,黃河下游淤積嚴重,河槽和灘地均有明顯淤積,該時段為1949年以來河道淤積最嚴重的階段,下游河道主河槽平灘流量不到2 000 m3/s。小浪底水庫運用以來,黃河下游河道主河槽展寬、沖深明顯,下游河道最小平灘流量由2002年汛前的1 800 m3/s增加至4 200 m3/s。表1為下游主要水文站設計引水流量對應大河水位。相較2000年,2018年引黃涵閘設計引水流量對應的水位,高村以上河段下降了3.4 m以上,高村以下河段下降了1.25～3.46 m。當前小浪底水庫運用處于攔沙后期第一階段,水庫仍將繼續(xù)發(fā)揮攔沙作用,下游河道仍將繼續(xù)沖刷下切。

表1 小浪底水庫運用以來引黃涵閘設計流量對應各水文站水位變化（大沽高程）

河南黃河引黃涵閘大多數(shù)修建于20世紀50—70年代,70年代以后又逐步開始改建；山東黃河引黃涵閘主要建于20世紀70年代至90年代初期。據(jù)統(tǒng)計,河南沿黃修建引黃閘47座,山東修建引黃閘63座,主要結構形式為開敞式或涵洞式,均為單層。該結構水閘受河道水位變化影響大,洪水期水位高時,渠道引水的同時還會引入大量泥沙；枯水期大河水位較低時,渠首水閘引水保證率較低。河南、山東引黃涵閘主要修建于20世紀河道正處于淤積抬升的階段,尤其是山東段引水閘的修建,基本處于黃河河道淤積最為嚴重的階段,相較于目前,設計的引黃閘低坎高程普遍偏高。根據(jù)引黃涵閘現(xiàn)狀引水能力復核成果,河南段引黃閘中現(xiàn)狀流量比（引水能力占原設計流量的比例)小于10%的涵閘約占20%,流量比為10%～30%的涵閘約占20%,流量比為30%～50%的涵閘約占20%；山東段引黃涵閘現(xiàn)狀流量比小于10%的涵閘約占17%,流量比為10%～30%的涵閘約占6%,流量比為30%～50%的涵閘約占22%。由此可見,黃河下游河床下切、同流量水位降低,直接導致引黃涵閘引水能力下降,不能滿足引黃灌區(qū)引水需求。

3 不同渠首閘型式對變動河床的適應性分析

隨著灌溉農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展以及城市用水的劇增,在引水數(shù)量和質(zhì)量方面的要求都與日俱增,引水工程由單一的灌溉用水逐步向綜合利用發(fā)展。因此,在有條件的河流上不斷修建引水工程,并直接從河道引水,以提高引水保證率。目前在多沙河流上修建的引水工程的渠首閘型式主要分為有壩式引水渠首閘和無壩式引水渠首閘。

3.1 有壩式引水渠首閘

有壩式引水渠首閘是設置壅水壩或攔河閘控制河道水流、抬高水位、保證引水的取水樞紐。有壩引水一般適用于河道流路能保證引水量要求而水位低于設計引水位的情況。有壩引水樞紐通常由攔河閘、進水閘、沖沙閘及各種防沙設施組成。有壩引水樞紐引水保證率高,但對河道自然狀態(tài)改變較大,且造價高。新疆平原地區(qū)河流絕大部分是多沙河流,因河道較窄,泥沙較粗,故一般采用有壩彎道式渠首布置形式［1］,利用彎道水流特性處理泥沙,效果較好。

首先,引水樞紐從平面上選擇在河道穩(wěn)定、河寬較窄的順直河道上修建攔河閘。圖1為新疆阿克蘇河西大橋引水樞紐平面布置,該樞紐為單向引水工程,在攔河閘一側修建人工彎道,在人工彎道末端左側（凹岸)修建沖沙閘,右側（凸岸)修建進水閘,將泄洪水道與興利水道分開。3個水閘在行洪期間相互制約,一般在3個閘門都運行的情況下,泄洪閘分流比為3/4左右。引水時,攔河閘阻水壅高上游水位,水流進入一側人工彎道內(nèi)渠道,利用彎道環(huán)流,將上層清水引進引水閘內(nèi),用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活,下層多沙水流進入沖沙閘內(nèi),被水流重新帶入主河道內(nèi)。

該種引水工程的運行方式是：大水時,開啟泄洪閘,洪水從主河道下泄并沖刷下游河道,攔河閘閘底檻高程較低,減少了上游整治段范圍內(nèi)泥沙的淤積［2］,并對下游河道長期存在的泥沙進行沖刷；小水時,水流平順進入人工彎道,引水防沙效果較好。

圖1 新疆阿克蘇河西大橋引水樞紐平面布置

3.2 無壩式引水渠首閘

無壩引水渠首閘不設攔河閘,從天然河道中直接引水。無壩取水一般適用于河流水量豐富、引水比（引水流量與河流流量之比)不大、水位及河勢能滿足或基本滿足引水要求的情況。無壩引水樞紐工程簡單、投資少,對河道自然狀態(tài)影響較小,但受河道水位變化影響大,從多沙河流引水時,還會引入大量泥沙,使渠道發(fā)生淤積,影響渠道正常工作。在黃河下游,受河道及邊界因素影響,多采用無壩式引水渠首。

3.2.1 河南新鄉(xiāng)人民勝利渠

人民勝利渠是中華人民共和國成立后在黃河下游興建的第一座大型引黃灌溉工程。人民勝利渠建設初期,黃河主流靠北岸,灌區(qū)引水十分方便。20世紀60年代之后,黃河主流開始南移,渠首靠一條長2 km的引水渠與黃河主流相連,因有水位優(yōu)勢,引水渠比降大（1/800),引水流量基本能夠滿足灌區(qū)工農(nóng)業(yè)用水需求。1999年黃河小浪底水庫建成運用后,黃河下游主河槽下切明顯,造成渠首閘閘前水位逐年下降,出現(xiàn)引水困難的局面。為此,取水口處建了一座移動式泵站,但規(guī)模小、運行維護成本過高,只能作為應急水源工程使用,遠遠不能滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的供水要求。人民勝利渠渠首平面布置見圖2。

圖2 人民勝利渠渠首平面布置

3.2.2 山東濱州小開河引黃閘

小浪底水庫運用以前,小開河引黃閘在大河流量為135 m3/s時設計引水位為14.83 m。小浪底水庫運用以來,受河床下切、河勢變化等因素影響,汛期小開河引黃閘處大河流量為135 m3/s時,閘址處的大河水位僅為13.67 m（2016—2018年3 a平均),水位下降1.16 m。自2002年小浪底水庫運行至今,小流量下其引水能力已較設計值下降1/2～2/3。

近年來,小開河引黃閘在引水量和引水保證率方面均明顯降低。2014—2018年灌區(qū)年均引水量為2.69億m3,平均引水流量為19.3 m3/s,僅為設計引水流量的32.2%,引水量遠小于灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和濱州市的城市供水需求。另外,1—6月為小開河灌區(qū)春灌用水高峰期,引水量占全年引水量的66.82%,此時黃河處于100～500 m3/s的小流量區(qū)間,一定程度上影響了引黃閘的引水保障率,導致灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水受限,嚴重制約了灌區(qū)效益的發(fā)揮。

針對黃河下游河床沖淤調(diào)整幅度較大,直接影響引黃渠首取水能力,導致渠首閘乃至整個輸水渠系多次改建的問題,設計采用一種分層渠首閘,使渠首閘能夠分層取水,應對不同水沙情況,適應河床調(diào)整,保證設計引水流量,使灌區(qū)工程效益得到有效發(fā)揮。

4 多層渠首閘對多沙河流河床調(diào)整的適應性分析

4.1 分層渠首閘設計背景

黃河下游引黃閘始建于20世紀50年代,目前共建有引黃閘110座。引黃閘的建設促進了黃河兩岸社會經(jīng)濟發(fā)展,改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,但引水閘運行也受到河道沖淤演變的影響。據(jù)調(diào)查,引黃水閘經(jīng)歷兩次大規(guī)模改建：20世紀90年代,黃河河床持續(xù)淤積抬升,造成很多引水閘閘門被泥沙淤填,引水閘無法引水而被迫改建；近年來,隨著小浪底水庫運用,下游河道發(fā)生了持續(xù)沖刷下切,使黃河下游多座引水閘的引水能力與引水保證率降低,第二次大規(guī)模引水閘改建正處于審查階段［3］。

1.活動載體 （1）以“1+1”黨員教師進班級為活動載體，為掌握和引導學生思想政治情況、有效開展課程思政等活動提供了一種新的方法和工作載體；（2）以示范特色專業(yè)建設為活動載體，集中發(fā)揮教工黨支部中優(yōu)勢專業(yè)黨員群體的模范帶頭作用，重點打造特色專業(yè)，結合現(xiàn)代學徒制試點，增強專業(yè)化、職業(yè)化程度，開發(fā)一系列標準化專業(yè)課程模塊。（3）以對口扶貧為活動載體，把對口扶貧作為一項重要的政治任務，結合專業(yè)特點和資源優(yōu)勢，制定詳細的扶貧計劃，力求技術/業(yè)務幫扶，為決勝脫貧攻堅戰(zhàn)做出貢獻。

根據(jù)多泥沙河流特點,河床淤積抬升及河床沖刷下降不可避免。黃河下游持續(xù)沖刷或持續(xù)淤積過程一般10 a左右為一個周期,按照引水閘使用壽命30 a計算,引水閘的運行需至少經(jīng)歷河床沖淤演變一個輪回。因此,設計一種適應多沙河流沖淤演變的引水閘方案,對于改變引水閘頻繁改建的局面是必要的。

4.2 分層渠首閘結構設計

分層渠首閘取水結構,是以現(xiàn)狀單層引水閘結構為基礎,把引水閘閘室垂直改建成多層,具體包括分層閘室、分層閘門、啟閉設備和閘后豎井（見圖3),而其上游引水段和下游輸水段結構布置與單層引水閘完全一致,高程滿足最底層閘門設計要求。渠首閘底層閘門（閘門一組)閘底坎高程依據(jù)引水閘河段歷史水位變化情況及該河段未來沖淤趨勢預測綜合確定。閘室基礎設計要考慮多層閘室的承重以及多個水泵質(zhì)量及結構布置。為保證操作的靈活性,各層閘門自成體系,各有單獨的閘門和卷揚啟閉設備,互不影響。引水時,根據(jù)水位變化,確定開啟某對應層閘門,其他閘門則處于關閉擋水狀態(tài)。

圖3 分層渠首閘縱剖面

4.3 分層渠首閘運行方式

引水閘運行方式以渠首閘采用3層閘門組為例（見圖3),分析不同來水來沙條件時引水閘運行情況及當河床處于長時期持續(xù)沖刷或淤積狀態(tài)時引水閘的運行方式。

4.3.1 不同來水來沙條件時引水閘運行方式

黃河下游水沙變化幅度較大,當閘門引水遇清水或低含沙水流時,如果水位較低,那么僅開啟底層的閘門一組,引水流入閘后豎井底部的輸水洞中；如果水位較高而需要的引水流量不大,那么可以只開啟與水位對應高程的閘門組,即僅開啟閘門二組,其他閘門關閉；如果水位較高并且需要的引水流量較大,那么可以同時開啟多層閘門組,即同時開啟閘門組一組、二組和閘門三組,在引水的同時進行排沙,利用多個閘門引水量大、水流動能足的特點消除閘前引水渠內(nèi)的淤沙。當閘前引水渠為高含沙水流時,一般不開閘引水,若恰遇干旱必須灌溉,則為了引水攔沙,可開啟與表層水流的水位對應高程的閘門組,引取表層低含沙水流,將底層高含沙水流攔在引水閘外。例如,表層水流的水位較高時,開啟閘門二組或閘門三組,底層的閘門一組關閉,攔住含沙量高、含粗泥沙的底層水流,減少下游渠道淤積；或者開啟底部一至二層閘門組,利用高含沙水流挾沙力強的特點,引水排沙,減少閘前淤積。

4.3.2 河床長期持續(xù)沖刷或淤積狀態(tài)時引水閘運行方式

對于黃河下游河道,不同時段河床會發(fā)生持續(xù)的沖刷或者淤積。例如前述1986—1999年,河床發(fā)生持續(xù)淤積,河床高程升高,引水位抬升,閘門一組被淤積后已經(jīng)不能開閘引水,如圖3中虛線即淤積后河床,此時可以關閉閘門一組,僅對閘門二組以上閘門引水運用。這樣3層閘門水閘則變?yōu)?層閘門水閘,但是仍能維持水閘引水運行。

通過以上分析可知,修建這種引水閘能夠應對不同水沙情況,適應河床調(diào)整,保證設計引水流量,適應多沙河床沖淤變化時引水位波動幅度大的情況,可以延長渠首閘的使用壽命,使灌區(qū)工程效益得到有效發(fā)揮,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

4.4 分層渠首閘設計特點

4.4.1 分層渠首閘引水位變化幅度大

現(xiàn)狀小開河引水閘閘底高程14 m（大沽高程),為6孔3 m×3 m箱涵閘,設計引水位16.2 m,設計引水流量60 m3/s。如果小開河引水閘按照3層渠首閘設計,還是按照6孔3 m×3 m涵閘,則引水位變化幅度達8.2 m（現(xiàn)狀引水位變化幅度為2.2 m),如遇大流量洪水時開啟上下多層閘門引水,則引水量可以有很大的提升。

4.4.2 分層渠首閘占地少，對黃河河道影響較小

多層渠首閘設計均是在垂直方向增加工程結構,不會增加對河道的影響。比如,現(xiàn)狀小開河引水閘閘室總長18 m,均為自流閘門,如果在平面上增加泵室,那么根據(jù)設計要求,引水閘閘門將由6孔增至11孔,引黃閘閘室長度增加近一倍,需向河道內(nèi)推進約30 m。如果采用分層渠首閘布置,則現(xiàn)狀引黃閘位置不變,涉水工程僅在基礎部分會有一定增加,對河道及水流影響較小。

4.4.3 分層渠首閘可減少泥沙輸入

多沙河流引水閘閘后輸水渠泥沙淤積是灌區(qū)面臨的難題之一。當引水閘閘前引水渠為高含沙水流時,引水灌溉不得不引入大量高含沙水流。目前小開河閘后引渠內(nèi)泥沙清淤造成大量泥沙擠占耕地,也對引水渠兩岸環(huán)境造成了破壞。當引水渠道內(nèi)為高含沙水流時,分層渠首閘可以根據(jù)自身結構,按照泥沙沿垂線“上稀下濃,上細下粗”的分布規(guī)律引水攔沙,可以開啟與表層水流的水位對應高程的閘門組,引取表層低含沙水流,將底層高含沙水流攔在引水閘外,也將減少輸水渠泥沙淤積。

5 結 語

多沙河流水沙變化大,河床松軟,抗沖能力弱,河床沖淤變化較大,河流形態(tài)對邊界條件較為敏感,直接影響引水渠首取水能力。本文論證了在新疆平原河流和黃河下游河道上修建引水閘的不同布置型式,并對不同渠首閘布置形式對變動河床的適應性進行分析。

新疆平原河流宜采用有壩式取水樞紐,采用人工彎道側向引水,將泄洪水道與興利水道分開,能夠有效減輕引水閘附近河道淤積,引水效果較好。黃河下游可修建分層渠首閘,設置2層以上的閘門組,根據(jù)閘前水流流量、含沙量的大小和水位的高低,靈活運用,開啟不同層級的閘門引水,以達到分層取水攔沙的效果。這種渠首閘設置可以在黃河下游的引黃灌區(qū)推廣應用,也可以適用于其他多泥沙河流的引水渠首,結構簡單,運用靈活,可以大大延長渠首閘的使用壽命,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。