劉社教，蔡 捷，張宏圖，張 向

（1.河南省陸渾水庫(kù)管理局，河南洛陽(yáng)471023；2.黃河水利委員會(huì)信息中心，河南鄭州450004；3.黃河水利科學(xué)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(dān)引水任務(wù),還有防止過(guò)多泥沙進(jìn)入渠道的重要作用。針對(duì)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(duì)于水閘長(zhǎng)期穩(wěn)定取水至關(guān)重要。為此,我國(guó)多沙河流引水閘閘型設(shè)計(jì)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(wú)壩單側(cè)引水,閘室一般為涵洞式或開(kāi)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(xì)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(shí)盡量減少縮窄天然河道,并采用寬閘低坎型式,以減少對(duì)河道的影響。

近年來(lái),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(dǎo)致引水條件與設(shè)計(jì)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(shí)期,黃河來(lái)水量小、水位低,部分河段引黃涵閘出現(xiàn)無(wú)法正常引水的情況,影響了農(nóng)業(yè)適時(shí)灌溉。為此,在多沙河流上修建引水渠渠首閘時(shí),采用何種布置型式及如何減少閘前淤積等問(wèn)題日益受到關(guān)注。

2 多沙河流河床調(diào)整對(duì)灌區(qū)引水能力的影響

我國(guó)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(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)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(dāng)河床發(fā)生劇烈演變時(shí),河道水位升降就會(huì)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(guó)多沙河流之冠,黃河下游河道的沖淤變化主要取決于來(lái)水來(lái)沙條件,呈現(xiàn)“多來(lái)、多淤、多排”的特點(diǎn)。三門(mén)峽水庫(kù)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(mén)峽水庫(kù)蓄水?dāng)r沙運(yùn)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(mén)峽水庫(kù)滯洪排沙運(yùn)用階段,下游年均淤積量達(dá)到4.39億t,主槽淤積量大于灘地的；三門(mén)峽水庫(kù)蓄清排渾運(yùn)用階段（1973—1986年),河道沖淤量不大；1986—1999年,黃河下游淤積嚴(yán)重,河槽和灘地均有明顯淤積,該時(shí)段為1949年以來(lái)河道淤積最嚴(yán)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(kù)運(yùn)用以來(lái),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(shè)計(jì)引水流量對(duì)應(yīng)大河水位。相較2000年,2018年引黃涵閘設(shè)計(jì)引水流量對(duì)應(yīng)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(dāng)前小浪底水庫(kù)運(yùn)用處于攔沙后期第一階段,水庫(kù)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(kù)運(yùn)用以來(lái)引黃涵閘設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)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(jì)50—70年代,70年代以后又逐步開(kāi)始改建；山東黃河引黃涵閘主要建于20世紀(jì)70年代至90年代初期。據(jù)統(tǒng)計(jì),河南沿黃修建引黃閘47座,山東修建引黃閘63座,主要結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式或涵洞式,均為單層。該結(jié)構(gòu)水閘受河道水位變化影響大,洪水期水位高時(shí),渠道引水的同時(shí)還會(huì)引入大量泥沙；枯水期大河水位較低時(shí),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(jì)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(yán)重的階段,相較于目前,設(shè)計(jì)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(fù)核成果,河南段引黃閘中現(xiàn)狀流量比（引水能力占原設(shè)計(jì)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(jiàn),黃河下游河床下切、同流量水位降低,直接導(dǎo)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(duì)變動(dòng)河床的適應(yīng)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?dāng)?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(wú)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(shè)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(shè)計(jì)引水位的情況。有壩引水樞紐通常由攔河閘、進(jìn)水閘、沖沙閘及各種防沙設(shè)施組成。有壩引水樞紐引水保證率高,但對(duì)河道自然狀態(tài)改變較大,且造價(jià)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(cè)修建人工彎道,在人工彎道末端左側(cè)（凹岸)修建沖沙閘,右側(cè)（凸岸)修建進(jìn)水閘,將泄洪水道與興利水道分開(kāi)。3個(gè)水閘在行洪期間相互制約,一般在3個(gè)閘門(mén)都運(yùn)行的情況下,泄洪閘分流比為3/4左右。引水時(shí),攔河閘阻水壅高上游水位,水流進(jìn)入一側(cè)人工彎道內(nèi)渠道,利用彎道環(huán)流,將上層清水引進(jìn)引水閘內(nèi),用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活,下層多沙水流進(jìn)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(yùn)行方式是：大水時(shí),開(kāi)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(duì)下游河道長(zhǎng)期存在的泥沙進(jìn)行沖刷；小水時(shí),水流平順進(jìn)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(wú)壩式引水渠首閘

無(wú)壩引水渠首閘不設(shè)攔河閘,從天然河道中直接引水。無(wú)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(shì)能滿足或基本滿足引水要求的情況。無(wú)壩引水樞紐工程簡(jiǎn)單、投資少,對(duì)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(shí),還會(huì)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(wú)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(guó)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(shè)初期,黃河主流靠北岸,灌區(qū)引水十分方便。20世紀(jì)60年代之后,黃河主流開(kāi)始南移,渠首靠一條長(zhǎng)2 km的引水渠與黃河主流相連,因有水位優(yōu)勢(shì),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(kù)建成運(yùn)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(dòng)式泵站,但規(guī)模小、運(yùn)行維護(hù)成本過(guò)高,只能作為應(yīng)急水源工程使用,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jiàn)圖2。

圖2 人民勝利渠渠首平面布置

3.2.2 山東濱州小開(kāi)河引黃閘

小浪底水庫(kù)運(yùn)用以前,小開(kāi)河引黃閘在大河流量為135 m3/s時(shí)設(shè)計(jì)引水位為14.83 m。小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái),受河床下切、河勢(shì)變化等因素影響,汛期小開(kāi)河引黃閘處大河流量為135 m3/s時(shí),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(kù)運(yùn)行至今,小流量下其引水能力已較設(shè)計(jì)值下降1/2～2/3。

近年來(lái),小開(kāi)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(shè)計(jì)引水流量的32.2%,引水量遠(yuǎn)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(kāi)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(shí)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(dǎo)致灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水受限,嚴(yán)重制約了灌區(qū)效益的發(fā)揮。

針對(duì)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(dǎo)致渠首閘乃至整個(gè)輸水渠系多次改建的問(wèn)題,設(shè)計(jì)采用一種分層渠首閘,使渠首閘能夠分層取水,應(yīng)對(duì)不同水沙情況,適應(yīng)河床調(diào)整,保證設(shè)計(jì)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(duì)多沙河流河床調(diào)整的適應(yīng)性分析

4.1 分層渠首閘設(shè)計(jì)背景

黃河下游引黃閘始建于20世紀(jì)50年代,目前共建有引黃閘110座。引黃閘的建設(shè)促進(jìn)了黃河兩岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,但引水閘運(yùn)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(jì)90年代,黃河河床持續(xù)淤積抬升,造成很多引水閘閘門(mén)被泥沙淤填,引水閘無(wú)法引水而被迫改建；近年來(lái),隨著小浪底水庫(kù)運(yùn)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(dòng)載體 （1）以“1+1”黨員教師進(jìn)班級(jí)為活動(dòng)載體，為掌握和引導(dǎo)學(xué)生思想政治情況、有效開(kāi)展課程思政等活動(dòng)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(shè)為活動(dòng)載體，集中發(fā)揮教工黨支部中優(yōu)勢(shì)專業(yè)黨員群體的模范帶頭作用，重點(diǎn)打造特色專業(yè)，結(jié)合現(xiàn)代學(xué)徒制試點(diǎn)，增強(qiáng)專業(yè)化、職業(yè)化程度，開(kāi)發(fā)一系列標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)課程模塊。（3）以對(duì)口扶貧為活動(dòng)載體，把對(duì)口扶貧作為一項(xiàng)重要的政治任務(wù)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和資源優(yōu)勢(shì)，制定詳細(xì)的扶貧計(jì)劃，力求技術(shù)/業(yè)務(wù)幫扶，為決勝脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)做出貢獻(xiàn)。

根據(jù)多泥沙河流特點(diǎn),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(guò)程一般10 a左右為一個(gè)周期,按照引水閘使用壽命30 a計(jì)算,引水閘的運(yùn)行需至少經(jīng)歷河床沖淤演變一個(gè)輪回。因此,設(shè)計(jì)一種適應(yīng)多沙河流沖淤演變的引水閘方案,對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分層渠首閘取水結(jié)構(gòu),是以現(xiàn)狀單層引水閘結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),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(mén)、啟閉設(shè)備和閘后豎井（見(jiàn)圖3),而其上游引水段和下游輸水段結(jié)構(gòu)布置與單層引水閘完全一致,高程滿足最底層閘門(mén)設(shè)計(jì)要求。渠首閘底層閘門(mén)（閘門(mén)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(lái)沖淤趨勢(shì)預(yù)測(cè)綜合確定。閘室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要考慮多層閘室的承重以及多個(gè)水泵質(zhì)量及結(jié)構(gòu)布置。為保證操作的靈活性,各層閘門(mén)自成體系,各有單獨(dú)的閘門(mén)和卷?yè)P(yáng)啟閉設(shè)備,互不影響。引水時(shí),根據(jù)水位變化,確定開(kāi)啟某對(duì)應(yīng)層閘門(mén),其他閘門(mén)則處于關(guān)閉擋水狀態(tài)。

圖3 分層渠首閘縱剖面

4.3 分層渠首閘運(yùn)行方式

引水閘運(yùn)行方式以渠首閘采用3層閘門(mén)組為例（見(jiàn)圖3),分析不同來(lái)水來(lái)沙條件時(shí)引水閘運(yùn)行情況及當(dāng)河床處于長(zhǎng)時(shí)期持續(xù)沖刷或淤積狀態(tài)時(shí)引水閘的運(yùn)行方式。

4.3.1 不同來(lái)水來(lái)沙條件時(shí)引水閘運(yùn)行方式

黃河下游水沙變化幅度較大,當(dāng)閘門(mén)引水遇清水或低含沙水流時(shí),如果水位較低,那么僅開(kāi)啟底層的閘門(mén)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(kāi)啟與水位對(duì)應(yīng)高程的閘門(mén)組,即僅開(kāi)啟閘門(mén)二組,其他閘門(mén)關(guān)閉；如果水位較高并且需要的引水流量較大,那么可以同時(shí)開(kāi)啟多層閘門(mén)組,即同時(shí)開(kāi)啟閘門(mén)組一組、二組和閘門(mén)三組,在引水的同時(shí)進(jìn)行排沙,利用多個(gè)閘門(mén)引水量大、水流動(dòng)能足的特點(diǎn)消除閘前引水渠內(nèi)的淤沙。當(dāng)閘前引水渠為高含沙水流時(shí),一般不開(kāi)閘引水,若恰遇干旱必須灌溉,則為了引水?dāng)r沙,可開(kāi)啟與表層水流的水位對(duì)應(yīng)高程的閘門(mén)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(shí),開(kāi)啟閘門(mén)二組或閘門(mén)三組,底層的閘門(mén)一組關(guān)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(kāi)啟底部一至二層閘門(mén)組,利用高含沙水流挾沙力強(qiáng)的特點(diǎn),引水排沙,減少閘前淤積。

4.3.2 河床長(zhǎng)期持續(xù)沖刷或淤積狀態(tài)時(shí)引水閘運(yùn)行方式

對(duì)于黃河下游河道,不同時(shí)段河床會(huì)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(mén)一組被淤積后已經(jīng)不能開(kāi)閘引水,如圖3中虛線即淤積后河床,此時(shí)可以關(guān)閉閘門(mén)一組,僅對(duì)閘門(mén)二組以上閘門(mén)引水運(yùn)用。這樣3層閘門(mén)水閘則變?yōu)?層閘門(mén)水閘,但是仍能維持水閘引水運(yùn)行。

通過(guò)以上分析可知,修建這種引水閘能夠應(yīng)對(duì)不同水沙情況,適應(yīng)河床調(diào)整,保證設(shè)計(jì)引水流量,適應(yīng)多沙河床沖淤變化時(shí)引水位波動(dòng)幅度大的情況,可以延長(zhǎng)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(jì)效益和社會(huì)效益。

4.4 分層渠首閘設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.4.1 分層渠首閘引水位變化幅度大

現(xiàn)狀小開(kāi)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(shè)計(jì)引水位16.2 m,設(shè)計(jì)引水流量60 m3/s。如果小開(kāi)河引水閘按照3層渠首閘設(shè)計(jì),還是按照6孔3 m×3 m涵閘,則引水位變化幅度達(dá)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(shí)開(kāi)啟上下多層閘門(mén)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(duì)黃河河道影響較小

多層渠首閘設(shè)計(jì)均是在垂直方向增加工程結(jié)構(gòu),不會(huì)增加對(duì)河道的影響。比如,現(xiàn)狀小開(kāi)河引水閘閘室總長(zhǎng)18 m,均為自流閘門(mén),如果在平面上增加泵室,那么根據(jù)設(shè)計(jì)要求,引水閘閘門(mén)將由6孔增至11孔,引黃閘閘室長(zhǎng)度增加近一倍,需向河道內(nèi)推進(jìn)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(chǔ)部分會(huì)有一定增加,對(duì)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(dāng)引水閘閘前引水渠為高含沙水流時(shí),引水灌溉不得不引入大量高含沙水流。目前小開(kāi)河閘后引渠內(nèi)泥沙清淤造成大量泥沙擠占耕地,也對(duì)引水渠兩岸環(huán)境造成了破壞。當(dāng)引水渠道內(nèi)為高含沙水流時(shí),分層渠首閘可以根據(jù)自身結(jié)構(gòu),按照泥沙沿垂線“上稀下濃,上細(xì)下粗”的分布規(guī)律引水?dāng)r沙,可以開(kāi)啟與表層水流的水位對(duì)應(yīng)高程的閘門(mén)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(jié) 語(yǔ)

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(duì)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(duì)不同渠首閘布置形式對(duì)變動(dòng)河床的適應(yīng)性進(jìn)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(cè)向引水,將泄洪水道與興利水道分開(kāi),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(shè)置2層以上的閘門(mén)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(yùn)用,開(kāi)啟不同層級(jí)的閘門(mén)引水,以達(dá)到分層取水?dāng)r沙的效果。這種渠首閘設(shè)置可以在黃河下游的引黃灌區(qū)推廣應(yīng)用,也可以適用于其他多泥沙河流的引水渠首,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)用靈活,可以大大延長(zhǎng)渠首閘的使用壽命,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。