多沙河流引水渠渠首闸引水能力改善方法初探

刘社教，蔡 捷，张宏图，张 向

（1.河南省陆浑水库管理局，河南洛阳471023；2.黄河水利委员会信息中心，河南郑州450004；3.黄河水利科学研究院，河南郑州450003）

1 引 言

渠首闸是水利枢纽中的重要建筑物之一,在多沙河流上修建的渠首闸不仅承担引水任务,还有防止过多泥沙进入渠道的重要作用。针对多沙河流河床冲淤调整幅度大,且冲淤经常交替发生的状况,渠首闸的布置型式对于水闸长期稳定取水至关重要。为此,我国多沙河流引水闸闸型设计有多种形式。黄河下游河道较宽,引水比（引水流量与大河流量之比)较小,一般为无坝单侧引水,闸室一般为涵洞式或开敞式,闸底坎高程根据大河引水水位确定；而在新疆平原的多沙河流,引水工程建在细沙河床上,因河道宽度不大,故一般采用拦河闸型式,在拦河工程修建时尽量减少缩窄天然河道,并采用宽闸低坎型式,以减少对河道的影响。

近年来,黄河下游河段修建的引水闸因河床下切以及引黄渠道淤积等,导致引水条件与设计情况相比发生变化,从而造成引水闸引水能力下降、部分河段引黄涵闸引水困难,特别是每年3—4月的春灌时期,黄河来水量小、水位低,部分河段引黄涵闸出现无法正常引水的情况,影响了农业适时灌溉。为此,在多沙河流上修建引水渠渠首闸时,采用何种布置型式及如何减少闸前淤积等问题日益受到关注。

2 多沙河流河床调整对灌区引水能力的影响

我国北方河流大多属于多沙河流,且多位于干旱半干旱地区,灌溉对当地社会经济发展起到举足轻重的作用。但是,这些河流的泥沙含量高,河床冲淤调整变化剧烈,当河床发生剧烈演变时,河道水位升降就会影响渠首工程的引水保证率。以著名的多沙河流黄河为例,其泥沙含量居我国多沙河流之冠,黄河下游河道的冲淤变化主要取决于来水来沙条件,呈现“多来、多淤、多排”的特点。三门峡水库修建前的1950—1960年,黄河下游河道年平均淤积量为3.61亿t,滩槽同步淤积抬高；三门峡水库蓄水拦沙运用阶段,下游河道年均冲刷泥沙5.78亿t,冲刷主要集中在主河槽；三门峡水库滞洪排沙运用阶段,下游年均淤积量达到4.39亿t,主槽淤积量大于滩地的；三门峡水库蓄清排浑运用阶段（1973—1986年),河道冲淤量不大；1986—1999年,黄河下游淤积严重,河槽和滩地均有明显淤积,该时段为1949年以来河道淤积最严重的阶段,下游河道主河槽平滩流量不到2 000 m3/s。小浪底水库运用以来,黄河下游河道主河槽展宽、冲深明显,下游河道最小平滩流量由2002年汛前的1 800 m3/s增加至4 200 m3/s。表1为下游主要水文站设计引水流量对应大河水位。相较2000年,2018年引黄涵闸设计引水流量对应的水位,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。当前小浪底水库运用处于拦沙后期第一阶段,水库仍将继续发挥拦沙作用,下游河道仍将继续冲刷下切。

表1 小浪底水库运用以来引黄涵闸设计流量对应各水文站水位变化（大沽高程）

河南黄河引黄涵闸大多数修建于20世纪50—70年代,70年代以后又逐步开始改建；山东黄河引黄涵闸主要建于20世纪70年代至90年代初期。据统计,河南沿黄修建引黄闸47座,山东修建引黄闸63座,主要结构形式为开敞式或涵洞式,均为单层。该结构水闸受河道水位变化影响大,洪水期水位高时,渠道引水的同时还会引入大量泥沙；枯水期大河水位较低时,渠首水闸引水保证率较低。河南、山东引黄涵闸主要修建于20世纪河道正处于淤积抬升的阶段,尤其是山东段引水闸的修建,基本处于黄河河道淤积最为严重的阶段,相较于目前,设计的引黄闸低坎高程普遍偏高。根据引黄涵闸现状引水能力复核成果,河南段引黄闸中现状流量比（引水能力占原设计流量的比例)小于10%的涵闸约占20%,流量比为10%～30%的涵闸约占20%,流量比为30%～50%的涵闸约占20%；山东段引黄涵闸现状流量比小于10%的涵闸约占17%,流量比为10%～30%的涵闸约占6%,流量比为30%～50%的涵闸约占22%。由此可见,黄河下游河床下切、同流量水位降低,直接导致引黄涵闸引水能力下降,不能满足引黄灌区引水需求。

3 不同渠首闸型式对变动河床的适应性分析

随着灌溉农业迅速发展以及城市用水的剧增,在引水数量和质量方面的要求都与日俱增,引水工程由单一的灌溉用水逐步向综合利用发展。因此,在有条件的河流上不断修建引水工程,并直接从河道引水,以提高引水保证率。目前在多沙河流上修建的引水工程的渠首闸型式主要分为有坝式引水渠首闸和无坝式引水渠首闸。

3.1 有坝式引水渠首闸

有坝式引水渠首闸是设置壅水坝或拦河闸控制河道水流、抬高水位、保证引水的取水枢纽。有坝引水一般适用于河道流路能保证引水量要求而水位低于设计引水位的情况。有坝引水枢纽通常由拦河闸、进水闸、冲沙闸及各种防沙设施组成。有坝引水枢纽引水保证率高,但对河道自然状态改变较大,且造价高。新疆平原地区河流绝大部分是多沙河流,因河道较窄,泥沙较粗,故一般采用有坝弯道式渠首布置形式［1］,利用弯道水流特性处理泥沙,效果较好。

首先,引水枢纽从平面上选择在河道稳定、河宽较窄的顺直河道上修建拦河闸。图1为新疆阿克苏河西大桥引水枢纽平面布置,该枢纽为单向引水工程,在拦河闸一侧修建人工弯道,在人工弯道末端左侧（凹岸)修建冲沙闸,右侧（凸岸)修建进水闸,将泄洪水道与兴利水道分开。3个水闸在行洪期间相互制约,一般在3个闸门都运行的情况下,泄洪闸分流比为3/4左右。引水时,拦河闸阻水壅高上游水位,水流进入一侧人工弯道内渠道,利用弯道环流,将上层清水引进引水闸内,用于工农业生产、生活,下层多沙水流进入冲沙闸内,被水流重新带入主河道内。

该种引水工程的运行方式是：大水时,开启泄洪闸,洪水从主河道下泄并冲刷下游河道,拦河闸闸底槛高程较低,减少了上游整治段范围内泥沙的淤积［2］,并对下游河道长期存在的泥沙进行冲刷；小水时,水流平顺进入人工弯道,引水防沙效果较好。

图1 新疆阿克苏河西大桥引水枢纽平面布置

3.2 无坝式引水渠首闸

无坝引水渠首闸不设拦河闸,从天然河道中直接引水。无坝取水一般适用于河流水量丰富、引水比（引水流量与河流流量之比)不大、水位及河势能满足或基本满足引水要求的情况。无坝引水枢纽工程简单、投资少,对河道自然状态影响较小,但受河道水位变化影响大,从多沙河流引水时,还会引入大量泥沙,使渠道发生淤积,影响渠道正常工作。在黄河下游,受河道及边界因素影响,多采用无坝式引水渠首。

3.2.1 河南新乡人民胜利渠

人民胜利渠是中华人民共和国成立后在黄河下游兴建的第一座大型引黄灌溉工程。人民胜利渠建设初期,黄河主流靠北岸,灌区引水十分方便。20世纪60年代之后,黄河主流开始南移,渠首靠一条长2 km的引水渠与黄河主流相连,因有水位优势,引水渠比降大（1/800),引水流量基本能够满足灌区工农业用水需求。1999年黄河小浪底水库建成运用后,黄河下游主河槽下切明显,造成渠首闸闸前水位逐年下降,出现引水困难的局面。为此,取水口处建了一座移动式泵站,但规模小、运行维护成本过高,只能作为应急水源工程使用,远远不能满足灌区农业灌溉的供水要求。人民胜利渠渠首平面布置见图2。

图2 人民胜利渠渠首平面布置

3.2.2 山东滨州小开河引黄闸

小浪底水库运用以前,小开河引黄闸在大河流量为135 m3/s时设计引水位为14.83 m。小浪底水库运用以来,受河床下切、河势变化等因素影响,汛期小开河引黄闸处大河流量为135 m3/s时,闸址处的大河水位仅为13.67 m（2016—2018年3 a平均),水位下降1.16 m。自2002年小浪底水库运行至今,小流量下其引水能力已较设计值下降1/2～2/3。

近年来,小开河引黄闸在引水量和引水保证率方面均明显降低。2014—2018年灌区年均引水量为2.69亿m3,平均引水流量为19.3 m3/s,仅为设计引水流量的32.2%,引水量远小于灌区的农业生产和滨州市的城市供水需求。另外,1—6月为小开河灌区春灌用水高峰期,引水量占全年引水量的66.82%,此时黄河处于100～500 m3/s的小流量区间,一定程度上影响了引黄闸的引水保障率,导致灌区工农业生产生活用水受限,严重制约了灌区效益的发挥。

针对黄河下游河床冲淤调整幅度较大,直接影响引黄渠首取水能力,导致渠首闸乃至整个输水渠系多次改建的问题,设计采用一种分层渠首闸,使渠首闸能够分层取水,应对不同水沙情况,适应河床调整,保证设计引水流量,使灌区工程效益得到有效发挥。

4 多层渠首闸对多沙河流河床调整的适应性分析

4.1 分层渠首闸设计背景

黄河下游引黄闸始建于20世纪50年代,目前共建有引黄闸110座。引黄闸的建设促进了黄河两岸社会经济发展,改善了当地生态环境,但引水闸运行也受到河道冲淤演变的影响。据调查,引黄水闸经历两次大规模改建：20世纪90年代,黄河河床持续淤积抬升,造成很多引水闸闸门被泥沙淤填,引水闸无法引水而被迫改建；近年来,随着小浪底水库运用,下游河道发生了持续冲刷下切,使黄河下游多座引水闸的引水能力与引水保证率降低,第二次大规模引水闸改建正处于审查阶段［3］。

1.活动载体 （1）以“1+1”党员教师进班级为活动载体，为掌握和引导学生思想政治情况、有效开展课程思政等活动提供了一种新的方法和工作载体；（2）以示范特色专业建设为活动载体，集中发挥教工党支部中优势专业党员群体的模范带头作用，重点打造特色专业，结合现代学徒制试点，增强专业化、职业化程度，开发一系列标准化专业课程模块。（3）以对口扶贫为活动载体，把对口扶贫作为一项重要的政治任务，结合专业特点和资源优势，制定详细的扶贫计划，力求技术/业务帮扶，为决胜脱贫攻坚战做出贡献。

根据多泥沙河流特点,河床淤积抬升及河床冲刷下降不可避免。黄河下游持续冲刷或持续淤积过程一般10 a左右为一个周期,按照引水闸使用寿命30 a计算,引水闸的运行需至少经历河床冲淤演变一个轮回。因此,设计一种适应多沙河流冲淤演变的引水闸方案,对于改变引水闸频繁改建的局面是必要的。

4.2 分层渠首闸结构设计

分层渠首闸取水结构,是以现状单层引水闸结构为基础,把引水闸闸室垂直改建成多层,具体包括分层闸室、分层闸门、启闭设备和闸后竖井（见图3),而其上游引水段和下游输水段结构布置与单层引水闸完全一致,高程满足最底层闸门设计要求。渠首闸底层闸门（闸门一组)闸底坎高程依据引水闸河段历史水位变化情况及该河段未来冲淤趋势预测综合确定。闸室基础设计要考虑多层闸室的承重以及多个水泵质量及结构布置。为保证操作的灵活性,各层闸门自成体系,各有单独的闸门和卷扬启闭设备,互不影响。引水时,根据水位变化,确定开启某对应层闸门,其他闸门则处于关闭挡水状态。

图3 分层渠首闸纵剖面

4.3 分层渠首闸运行方式

引水闸运行方式以渠首闸采用3层闸门组为例（见图3),分析不同来水来沙条件时引水闸运行情况及当河床处于长时期持续冲刷或淤积状态时引水闸的运行方式。

4.3.1 不同来水来沙条件时引水闸运行方式

黄河下游水沙变化幅度较大,当闸门引水遇清水或低含沙水流时,如果水位较低,那么仅开启底层的闸门一组,引水流入闸后竖井底部的输水洞中；如果水位较高而需要的引水流量不大,那么可以只开启与水位对应高程的闸门组,即仅开启闸门二组,其他闸门关闭；如果水位较高并且需要的引水流量较大,那么可以同时开启多层闸门组,即同时开启闸门组一组、二组和闸门三组,在引水的同时进行排沙,利用多个闸门引水量大、水流动能足的特点消除闸前引水渠内的淤沙。当闸前引水渠为高含沙水流时,一般不开闸引水,若恰遇干旱必须灌溉,则为了引水拦沙,可开启与表层水流的水位对应高程的闸门组,引取表层低含沙水流,将底层高含沙水流拦在引水闸外。例如,表层水流的水位较高时,开启闸门二组或闸门三组,底层的闸门一组关闭,拦住含沙量高、含粗泥沙的底层水流,减少下游渠道淤积；或者开启底部一至二层闸门组,利用高含沙水流挟沙力强的特点,引水排沙,减少闸前淤积。

4.3.2 河床长期持续冲刷或淤积状态时引水闸运行方式

对于黄河下游河道,不同时段河床会发生持续的冲刷或者淤积。例如前述1986—1999年,河床发生持续淤积,河床高程升高,引水位抬升,闸门一组被淤积后已经不能开闸引水,如图3中虚线即淤积后河床,此时可以关闭闸门一组,仅对闸门二组以上闸门引水运用。这样3层闸门水闸则变为2层闸门水闸,但是仍能维持水闸引水运行。

通过以上分析可知,修建这种引水闸能够应对不同水沙情况,适应河床调整,保证设计引水流量,适应多沙河床冲淤变化时引水位波动幅度大的情况,可以延长渠首闸的使用寿命,使灌区工程效益得到有效发挥,具有显著的经济效益和社会效益。

4.4 分层渠首闸设计特点

4.4.1 分层渠首闸引水位变化幅度大

现状小开河引水闸闸底高程14 m（大沽高程),为6孔3 m×3 m箱涵闸,设计引水位16.2 m,设计引水流量60 m3/s。如果小开河引水闸按照3层渠首闸设计,还是按照6孔3 m×3 m涵闸,则引水位变化幅度达8.2 m（现状引水位变化幅度为2.2 m),如遇大流量洪水时开启上下多层闸门引水,则引水量可以有很大的提升。

4.4.2 分层渠首闸占地少，对黄河河道影响较小

多层渠首闸设计均是在垂直方向增加工程结构,不会增加对河道的影响。比如,现状小开河引水闸闸室总长18 m,均为自流闸门,如果在平面上增加泵室,那么根据设计要求,引水闸闸门将由6孔增至11孔,引黄闸闸室长度增加近一倍,需向河道内推进约30 m。如果采用分层渠首闸布置,则现状引黄闸位置不变,涉水工程仅在基础部分会有一定增加,对河道及水流影响较小。

4.4.3 分层渠首闸可减少泥沙输入

多沙河流引水闸闸后输水渠泥沙淤积是灌区面临的难题之一。当引水闸闸前引水渠为高含沙水流时,引水灌溉不得不引入大量高含沙水流。目前小开河闸后引渠内泥沙清淤造成大量泥沙挤占耕地,也对引水渠两岸环境造成了破坏。当引水渠道内为高含沙水流时,分层渠首闸可以根据自身结构,按照泥沙沿垂线“上稀下浓,上细下粗”的分布规律引水拦沙,可以开启与表层水流的水位对应高程的闸门组,引取表层低含沙水流,将底层高含沙水流拦在引水闸外,也将减少输水渠泥沙淤积。

5 结 语

多沙河流水沙变化大,河床松软,抗冲能力弱,河床冲淤变化较大,河流形态对边界条件较为敏感,直接影响引水渠首取水能力。本文论证了在新疆平原河流和黄河下游河道上修建引水闸的不同布置型式,并对不同渠首闸布置形式对变动河床的适应性进行分析。

新疆平原河流宜采用有坝式取水枢纽,采用人工弯道侧向引水,将泄洪水道与兴利水道分开,能够有效减轻引水闸附近河道淤积,引水效果较好。黄河下游可修建分层渠首闸,设置2层以上的闸门组,根据闸前水流流量、含沙量的大小和水位的高低,灵活运用,开启不同层级的闸门引水,以达到分层取水拦沙的效果。这种渠首闸设置可以在黄河下游的引黄灌区推广应用,也可以适用于其他多泥沙河流的引水渠首,结构简单,运用灵活,可以大大延长渠首闸的使用寿命,具有显著的经济效益和社会效益。