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

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 研究背景

黑龍江省是農業大省，截至2016年，黑龍江省水田灌溉面積已達到400.73萬hm2，其中各類灌區工程作為農業主要基礎設施發揮了重要的作用。全省設計灌溉面積2萬hm2以上大型灌區25處，0.067萬～2萬hm2中型灌區361處，3.33～0.067萬hm2小型灌區14.51萬處[1]。雖然黑龍江省近五年灌溉面積發展較快，但耕地灌溉率、節水灌溉率、高效節水灌溉率不高。大中型水田灌區的水利基礎設施老化失修嚴重，田間灌排渠溝工程配套建設滯后，不能全面發揮作用[2]；灌區的灌水保證率、排水標準以及澇區的除澇標準均遠低于國家高標準基本農田建設規范的要求[3]。

截至2013年，黑龍江省有重點渠首348座，其中運行良好的渠首有58座，占17%，大部分為“十一五”“十二五”期間建成或投入資金進行改建的渠首?；就旰玫那准s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[4]。

渠首工程是灌區的“咽喉”，也是整個灌區工程發揮效益好壞的關鍵。灌區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灌溉需求，又可以實現江河生態健康發展，灌區渠首工程研究成為必然。相關渠首形式研究和設計成為渠首工程研究的重要內容。同時越來越多的學者意識到生態渠首工程建設的重要性，從不同角度對渠首工程形式開展了卓有成效的研究。本文從灌區渠首工程發展歷史與發展趨勢出發，歸納、分析了黑龍江省攔河灌溉渠首工程形式的演變過程，針對代表性渠首工程形式和相關技術手段進行了介紹和闡釋。最后，對黑龍江省攔河灌溉渠首工程形式的發展趨勢進行探討和展望。

2 攔河灌溉渠首工程形式回顧

2.1 渠首的概念與發展狀況

渠首工程的作用是把河流或水庫中的水引入渠道，以滿足農田灌溉、水力發電、工業及生活用水等水利事業的需要，并要求防止粗顆粒泥沙進入渠道，以免引起渠道的淤積和對水輪機或水泵葉片的磨損，保證渠道及水電站正常運行。為了達到此目的，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年開始興建的鄭國渠，均為有壩引水[6]。公元前256～前251年在岷江上修建了規模宏大、舉世聞名的都江堰(位于今四川省灌縣)無壩引水工程[7]。中華人民共和國成立后，興建了大量灌溉渠首工程，以滿足農業迅速發展的要求。如寶雞峽引渭工程、新疆喀什河渠首引水灌溉工程、引黃濟衛工程，以及南水北調工程等。世界著名大型灌區的渠首工程有：蘇聯卡拉達里亞河上的卡姆貝爾-拉瓦特引水樞紐，美國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，其引水流量均達每秒數百立方米以上。前兩個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30—40年代的日偽時期[8]，隨著生產能力和需求的提高，攔河渠首工程也在不斷進化，從渠首形式的發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易的堆石壩[9]、柳石壩等，即全壩方案。由于標準低，淤積問題等，幾乎年年需對其進行修復。早期這種形式的渠首工程適用于中小型灌區，例如始建于1939年的中和灌區，修建了三處柳石壩和一條總干渠，灌溉方式是臨時扒口和堵口；始建于1945年的桃山灌區，攔河壩為柳條結構。直到20世紀80—90年代黑龍江省開始對灌區渠首工程進行改造，新形式的攔河渠首工程開始出現。

第二類攔河渠首形式主要為閘、壩結合，該形式為經典式，至今仍在采用，如圖1所示。閘壩結合渠首形式[10]主要由一道溢流壩和N孔沖砂閘等組成。對于一個確定的攔河工程，平槽情況下阻水面積比與壩閘寬比存在著函數關系[11]，一般閘壩結合渠首工程較為理想的閘壩比例為1/10～1/5[12-13]。溢流壩結構分為兩種形式：一種為堆石壩+鋼筋面網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特大洪水原壩南側決口寬98 m，深1.2 m，國家投入以工代賑資金采用鋼筋面網修復，壩長達到100 m，鋼筋面網40 m，混凝土面板60 m。2013年延壽縣遭遇強降雨襲擊，渠首水毀嚴重，后經除險加固后，在工程右岸新建3 m×10 m沖砂閘，左岸新建L=35 m實用堰攔河壩。加信灌區天臺渠首建于2002年，形式為橡膠壩，壩長60 m。

(a)

(b)圖1 閘壩結合攔河渠首

同時隨著技術不斷的進步，對于閘壩結合形式的攔河渠首工程基礎進行了深入細部研究，在黑龍江省尚志市的東二干渠首、東三干渠、東五干渠首進行了應用,見表1。

表1 三座試驗工程閘壩基礎結構形式

第三類攔河渠首形式主要為全閘，自21世紀初開始，隨著經濟的不斷發展，全閘形式的渠首工程開始大規模的修建。全閘方案在懸移質較多的河道相對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兩岸淹沒的影響，與以往的全斷面攔截和部分斷面攔截河道相比，基本上恢復了天然河道、增大了行洪斷面，如圖2所示。同時閘門結構形式亦有較大的變化，從閘門門葉運動方式上看，閘門由以往的單一垂直升降式發展到轉動式、橫拉式、滾動式和升臥式等多種啟動方式；從閘門啟閉形式上有手電兩用螺桿啟閉、卷揚啟閉、液壓啟閉[14]。例如：雙興灌區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，啟閉機為卷揚機。坐落于雞西市穆棱河上的雞冠山渠首工程重建于2014年，雞冠山渠首工程擔負任務為蓄水灌溉和滿足上游景觀濕地對水位的需求，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)，啟閉機采用集成液壓啟閉系統[15]，閘門為水技推〔2014〕1號文中推介技術的一項，閘門設計理念按縱向懸臂結構進行設計，使計算斷面與跨度大小無關，單孔跨度達到了10～100 m，可以極大的恢復天然河道的過流能力，閘門可進行多角度限位孔，閘門頂部在滿足蓄水水位和景觀濕地水位要求時，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，從而不會對渠首造成冰推破壞。

綜上所述，攔河渠首工程在形式發展上主要為全壩、閘壩、全閘三種，由于渠首工程在實際應用時的邊界約束條件很多，故攔河渠首工程形式并沒有絕對固定模式，它的應用形式應考慮河道的特點、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展趨勢

攔河渠首工程形式從生態意義上決定了河道的生態景觀需要，從管理上決定了管理難易度，從投資造價上決定了工程的投資；而攔河渠首工程形式發展方向又始終決定于社會需求，當前攔河渠首工程形式的發展趨勢主要表現為以下幾個方面。

(1)提高建筑物的結構可靠性、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。結構可靠性是指結構在規定時間內，在規定條件下，完成預定功能的能力，它包括了結構的安全性、適用性、耐久性。攔河渠首工程形式的發展趨勢必然不會離開這一基本要求，根據灌區的不同功能需求，以最經濟的手段，賦予結構適當的可靠度，使攔河渠首工程在設計標準的使用期限內，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、中國最東北部，溫帶大陸性季風氣候，每年的春季流冰期無疑對渠首工程是個大的考驗，特別是在武開河時，流冰在風和水流作用下遇到渠首工程的阻攔，不斷撞擊，破碎后繼續順流而下。上述因素均促使了攔河渠首工程形式的發展和提升。

(2)自動化監控的不斷應用與發展是攔河渠首工程形式研究的重要環節。進入21世紀以后，工程安全監測自動化已成為工程上的主流，它與數據庫緊密的聯系在一起構成了一套完整的安全監測體系。隨著工程安全監測手段硬件和軟件的不斷發展，監測范圍不斷擴大，監測自動化系統、數據處理和資料分析系統，以及安全警報系統也在不斷的完善，尤其是近幾年來云平臺的建設，使得對渠首工程的自動化監控更為方便[18]。渠首工程形式發展應與自動化監控結合，例如目前已建并正在運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，應用自動化操作系統，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；同時該渠首工程還安裝了安全監測系統，可監控渠首工程結構的運行狀態[19]。

(3)更加深入地探索攔河渠首工程對河道生態保護的作用是攔河渠首工程形式研究的必經之路?！笆糯蟆眻蟾嫣岢觥跋駥Υ粯訉Υ鷳B環境，統籌山水林田湖草系統治理，實行最嚴格的生態環境保護制度，形成綠色發展方式和生活方式，堅定走生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路，建設美麗中國，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻。”[20]攔河渠首工程形式對河道生態具有一定影響，以往修建的渠首工程形式注重于灌溉功能需求(保證設計引水位)，忽視了對河道生態功能需求，在今后的渠首工程形式設計發展中應融入生態綠色的理念，從攔河蓄水形式、建筑材料、河道中動物植物的保護等出發，作為重點研究對象。

4 結 語

無論在黑龍江省還是國內其他省份乃至國外，攔河灌溉渠首工程的不斷進步為國民經濟的可持續發展提供了堅實的基礎和可靠的保障，攔河灌溉渠首工程是水利工程中的重要組成部分，是保證農田灌溉和糧食生產安全的重要要素，尤其是攔河灌溉渠首工程擔負著的地方灌溉、調水和供水的任務。攔河灌溉渠首工程的建設對灌區農業的發展不可或缺。攔河渠首工程形式的研究對農業、河道生態、環境改善等都有著十分重要的現實意義。