青弋江平原河网地区枯水期临时引水工程设计实践

李程，王敏

（1.芜湖市水利工程建设管理处，安徽 芜湖 241001；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；3.水利部长江治理与保护重点实验室，湖北 武汉 430010）

青弋江分洪道工程起始端位于芜湖市湾沚区红杨镇十甲任村，末端位于芜湖市三山区澛港上游，全长47.28km，是水阳江、青弋江、漳河流域防洪治理总布局中的重要骨干性工程，工程主要任务为减轻水阳江中游防洪压力，提高流域下游防洪标准，同时满足地区除涝及航运要求。因青弋江分洪道十甲任节制闸工程建设，需在闸址上下游修筑围堰，截断青弋江干流[1]。在丰水期，因该区域河网密集，围堰下游水位无较大影响，在枯水期，围堰下游来水减小和水位下降，导致湾沚区水厂无法正常取水。为确保湾沚水厂在枯水期取到保质保量的水源，在十甲任节制闸施工期新建临时引水工程，将十甲任节制闸上游来水引向围堰下游青弋江干流段，确保湾沚区供水安全。

1 引水规模分析

湾沚区临时引水工程主要目的是满足枯水期湾沚区用水需求，确定其引水规模主要需要考虑以下两个方面：一是保证湾沚水厂取水口处的水位不低于设计水位（高程2.4m，国家1985 高程，下同）；二是取水口处水体满足饮用水水质标准[2]。

要保证湾沚水厂取水口处的水位不低于设计水位，需采取两项工程措施：一是将青弋江来水引向围堰下游，使取水口有一定的水量补充；二是在取水口下游合适位置筑拦水堰抬高水位，确保枯水期正常取水。要保证取水口处水质满足饮用水水质标准，应保证取水口处的水体处在流动状态，且更换时间需控制在15 天以内。根据以上分析，必须合理确定引水工程规模，才能尽可能消除十甲任节制闸施工围堰造成的对湾沚水厂取水的不利影响。

根据湾沚水厂设计文件和实际运行情况，水厂的设计规模为10 万吨/日，枯水期的供水量约为6.0 万吨/日，从满足水量要求，引水工程设计流量应不小于1.0m3/s。从满足水质要求，荆山河口至取水口青弋江干流总长约4.5km，枯水期水体总体积约300 万m3，按每15 天对该水体更换一次计算，引水工程设计流量为2.3m3/s。综合以上两种因素，确定引水工程的输水流量为3.0m3/s。

2 引水方案选择

2.1 引水方案

根据工程区水系及地形条件可确定不同的引水线路，主要有以下两条可行线路，其平面示意图如图1 所示。

图1 引水方案布置示意图

图2 典型横断面示意图

线路1：埋管直通方案。在十甲任节制闸的西侧滩地埋设管道，通过管道将围堰上游水源引向下游。

线路2：东莞河-荆山河方案。充分利用现有河道，引水线路为：始于青弋江分洪道进口段，经拟建的马元闸，借道东莞河至与荆山河交界处（三汊河口），最后由荆山河汇入青弋江下游干流。

在线路2 中，枯水期荆山河在上游三汊河口的最低水位为4.5～5.0m，在下游汇入青弋江处的最低水位3.5～4.0m，上下游水位差0.8～1.0m，但荆山河现状河床高程为5.0～6.0m，荆山河段成为引水线路中的高地，无法自然引流，为确保枯水期引水线路的连通性，须在荆山河段采取工程措施将东莞河来水输入青弋江。线路2在荆山河段考虑的工程措施主要有以下三个方案。

方案一，东莞河筑坝方案，在荆山河与东莞河相交的东莞河夫子阙做一个临时坝，通过该临时坝抬高河道水位，将青弋江上游来水通过荆山河输送到青弋江下游，工程投资约180 万元。

方案二，在荆山河与东莞河交汇处荆山河口处做一个小挡水坝，架设6 台55Kw 的潜水泵，通过6 台泵向荆山河抽水入青弋江，工程投资约180 万元。

方案三，在东莞河与青弋江之间的荆山河现状河槽的基础上，开挖一条沟渠，通过自流将上游来水引向青弋江下游，工程投资约90 万元。

2.2 方案对比

线路1 的主要优点是工程安全可靠，不会因引水造成河道冲刷，但该线路的缺点是造价昂贵，为了满足引水流量要求，至少需要埋设2 根500m 长直径1.6m 的管道，投资估算约650 万元，另外，该线路对十甲任节制闸施工将会产生一定干扰。

线路2 的主要优点是工程造价低，根据荆山河段不用的输水方式，费用为90～180 万元不等，该线路的主要缺点是荆山河段无法自然引流，须采取措施将东莞河来水引入青弋江。

对比2.1 节荆山河段三种输水措施方案，其优缺点及工程投资估算对比如表1 所示。

表1 荆山河段输水方案对比表

方案一的优点是临时筑坝工程位置集中，方便施工及维护管理，但存在两个方面的问题，一是因上游有大流量来水可能，大流量来水对临时坝体带来冲刷，土坝被冲毁的概率较高，一旦冲毁则需重建，后期维护费较多，冲毁期间则无法保证输水；二是在十甲任节制闸工程施工期间如果上游来水量过大，临时坝减弱了导流河道的行洪能力，上游水位雍高，对十甲任节制闸工程基坑安全有较大影响。

方案二优点是不影响十甲任节制闸工程建设，对湾沚取水水质、水量有保证，缺点是供电困难，人员管理、后期维护复杂，造价偏高，且不可控风险因素较多。

方案三造价最低，对湾沚取水有保证，即使在枯水期水位很低时，也能通过其他工程措施配合该方案进行弥补，且不影响上游来水正常过流及十甲任节制闸工程基坑安全，缺点是工程线路较长，施工影响较大。

综合上述分析，推荐选择线路2 作为引水线路，对于荆山河段输水方式，从工程风险控制、运行成本和实施难度等方面综合考虑，推荐选用方案三明渠输水方式。

3 引水方案设计

3.1 荆山河段明渠线路

荆山河靠近青弋江进口处有一条乡村道路，道路路面高程约11m，因此引水明渠线路有直线和曲线两种方案。直线方案就是明渠不绕路直接穿过此路进入青弋江，明渠穿路时采用埋设钢筋混凝土管过流，渠道长度约2.2km。曲线方案是沿现状河道的深泓线开挖，可减小明渠开挖深度，但明渠总长度约3.2km，比直线方案长约1.0km。由于渠道长度延长，在同等断面情况下输水能力会下降；同时渠道要穿过一座桥梁，此桥桥墩埋深较浅，在桥下开挖风险较大。为保证引水明渠的输水效果，降低工程风险，推荐采用直线方案。

3.2 明渠横纵断面设计

明渠横断面按明渠均匀流公式计算

式中：Q 为输水流量，m3/s，据第1 节分析为3.0 m3/s；ω 为明渠过水断面面积，m2，梯形渠道时ω=(b+mh)h，b 为渠道底宽，m，h 为设计水深，m，m 为渠道边坡系数；R 为水力半径，m；C 为谢才系数，m0.5/s，按式（2）计算；n 为糙率，取0.025；i 为明渠纵坡，荆山河两侧水位差约0.8～1.0m，明渠长度2200m，为最大限度发挥输水明渠的输水潜能同时不增加土方开挖量，渠道纵坡确定为1/3000。

由于明渠主要沿荆山河原河道的深泓线开挖，土质大部分为淤泥质土和粉砂，根据河道现状地形高程确定渠道开挖深度2.2～3.5m，为保证边坡稳定，拟定的渠道边坡为1:3。

当渠道水深为1.2m，渠道底宽为2.0m 时，根据式（1），明渠的过水流量为3.4m3/s，满足设计引水流量要求，这时渠道流速为0.51m/s，粉砂不冲流速为0.7m/s～0.8m/s[3]，满足不冲不淤要求。

根据实地测量，荆山河在东莞河口处的水位4.5～5.0m，按最不利水位4.5m 设计，渠道进口处渠底高程为3.3m。

根据以上计算，拟定的引水明渠纵横断面为：明渠纵坡1/3000，渠道底宽2m，渠道边坡1:3，渠道进口处渠底高程度3.3m，出口处渠底高程度2.7m。

3.3 穿路涵设计

根据前面的分析比较，荆山河段明渠穿越乡村道路时需设钢筋混凝土涵管。穿路涵的孔径取决于设计流量和上下游的水位差。根据地形条件拟采用平涵方案，当采用平涵方案时，应将涵管尽可能低埋，使涵管满足有压出流条件，也就是其涵洞前水深超过涵洞高度的1.5倍，这样穿路涵在通过设计流量时，涵洞属有压淹没出流，其过流能力按下式计算[4]：

式中：m1为压力流时的流量系数，按式（4）计算；A 为涵洞过水断面积，m2；z 为涵洞上下游水位差，m；L 为涵洞长度，m。

涵洞的上下游水位差控制在0.1m，洞底高程1.5m，选用直径1.2m 的钢筋混凝土圆管，管顶高程2.7m，过路涵两侧填土边坡1:2，涵洞总长度为38m，根据式（3）计算，单根涵管过水流量为1.1m3/s，因此确定需要埋设3 根涵管。

4 结论

青弋江下游区域地形平坦，水系密布，水文条件复杂，一般情况下无水资源短缺问题，但因青弋江分洪道工程施工造成湾沚区枯水期临时性水资源短缺，本文从枯水期临时引水方案的角度出发，探讨了一种适合青弋江平原河网地区的引水方案。通过不同引水线路和不同输水方式对比分析，确定借道东莞河、荆山河的引水线路，考虑引水工程建设投资、工程影响和维护要求等因数，荆山河段推荐采用疏挖明渠输水方案。通过对引水河道的过流能力和抗冲能力进行复核分析和相关工程设计，为十甲任节制闸施工期湾沚区供水提供了安全保障，也为青弋江平原河网地区枯水期临时引水工程实践提供参考借鉴。