淺析我國水閘工程建設(shè)發(fā)展成就、現(xiàn)狀與展望

摘 要 水閘工程是修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的低水頭水工建筑物。在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物，應(yīng)用廣泛。本文將對水閘工程的起源和發(fā)展進(jìn)行綜述，并對其未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 水閘工程;組成及作用;發(fā)展歷程及現(xiàn)狀;發(fā)展探索

QIN Ping1，2，3

1.Lab/Center，Institute of Intelligent Machines ，Chinese Academy of Sciences Hefei 230031，China/P.R.China;

2.University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China/P.R.China;

3.Chaohu Administration Bureau Yuxi Gate Management Office Wuhu 241000， China/P.R.China

Abstract Sluice project is a low head hydraulic structure built on the river channel and channel to control the flow and adjust the water level by using the sluice gate.? In water conservancy projects， the sluice is widely used as a block， discharge or water intake building. The following will be an overview of the origin and development of sluice engineering and a study of its future development.

Key words Sluice engineering; Composition and function; Development process and current situation; Development of exploration

前言

水閘工程等水利設(shè)施在國民生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著巨大的經(jīng)濟(jì)作用和社會作用，目前在各閘站、泵站、排灌站等水利設(shè)施的日常運(yùn)行過程中已經(jīng)使用了信息管理技術(shù)，結(jié)合自動化控制設(shè)備，在人力、財(cái)力、物力上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較大的便利，但是在整個(gè)流域內(nèi)的綜合管理上，信息管理還存在一些欠缺，在具體的工作過程中更多的是需要依靠經(jīng)驗(yàn)對實(shí)際情況進(jìn)行處理，且流域內(nèi)的整體運(yùn)營調(diào)度的能力不足。伴隨技術(shù)發(fā)展，可積極探索一條智慧水利的發(fā)展道路。

1水閘的組成及作用

1.1 水閘類型

（1）水閘按其所承擔(dān)的任務(wù)分為進(jìn)水閘、節(jié)制閘、泄水閘、排水閘、擋潮閘等。

（2）水閘按閘室結(jié)構(gòu)形式分為開敞式水閘和涵洞式水閘。①開敞式水閘：閘室上面沒有填土。當(dāng)引（泄）水流量較大、渠堤不高時(shí)，常采用開敞式水閘。②涵洞式水閘：主要建在渠堤較高、引水流量較小的渠堤之下，閘室后有洞身段，洞身上面填土。根據(jù)水力條件的不同，涵洞式可分為有壓和無壓兩種。

（3）按過閘流量大小可分為大、中和小型三種形式。過閘流量在1000立方米每秒以上的為大型水閘;100～1000立方米每秒（不含）的為中型水閘;小于100立方米每秒（不含）的為小型水閘。

1.2 水閘的組成部分及作用

水閘由上游連接段，閘室，下游連接段三部分組成。

（1）上游連接段

上游連接段由鋪蓋、護(hù)底、護(hù)坡及上游翼墻組成。

①鋪蓋：主要作用是延長滲徑長度以達(dá)到防滲目的，兼有防沖功能。②護(hù)底：主要作用是防止河水沖刷河底，以致危及上游鋪蓋及閘室。③護(hù)坡及上游翼墻：防沖消能、保護(hù)兩岸或土壩不受過閘水流的沖刷。

（2）閘室

閘室是水閘的主體，起擋水和調(diào)節(jié)水流的作用。它包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋和交通橋等。

其中閘室底板可分為整體式平底板和分離式底板。

①整體式平底板：每段底板與閘墩連成整體，抗震性能較好。中等密實(shí)以下的地基或地震區(qū)適宜采用整體式底板。②分離式底板：底板與閘墩下的底板用沉降縫分開，基底壓力較大，適用于地質(zhì)條件較好、地基承載力較大的地基。

（3）下游連接段

下游連接段通常包括護(hù)坦（消力池）、海漫、下游防沖槽以及下游翼墻與護(hù)坡等。

①護(hù)坦（消力池）：主要起消除水能的作用。與兩側(cè)翼墻底板及閘室底板之間，均應(yīng)設(shè)置沉陷縫。縫的位置如在閘基防滲范圍內(nèi)，縫中應(yīng)設(shè)止水。②海漫：其作用是繼續(xù)消除水流余能。海漫材料一般采用漿砌或干砌塊石。在海漫末端設(shè)置防沖槽與下游河床相連，以保護(hù)海漫末端不受沖刷破壞。③下游防沖槽：進(jìn)一步消除多余的能量，使流速分布接近于河床水流的正常速度。④護(hù)坡及下游翼墻：防沖消能、保護(hù)兩岸或土壩不受過閘水流的沖刷[1]。

2水利工程發(fā)展歷程

中國水利歷史悠久，水利在中國是極為重要的公共事務(wù)，自古即有“善為國者必先治水”之說。作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性、公共性、戰(zhàn)略性支撐行業(yè)，水利發(fā)展戰(zhàn)略尤為重要。根據(jù)中國水利工程發(fā)展歷程可以將其分為七個(gè)時(shí)期：

2.1 初步發(fā)展時(shí)期

約自公元前21世紀(jì)夏朝建立以前至前256年秦滅周，是中國水利初步發(fā)展時(shí)期。主要水利設(shè)施有：

（1）灌溉工程：商代已經(jīng)有了明確的引水灌田記載。南方陂塘灌溉，如春秋時(shí)有期思陂和芍陂;北方有渠系，如戰(zhàn)國初期有渠首建壩引水的智伯渠。

（2）人工運(yùn)渠：自春秋后期起，有太湖和長江之間的運(yùn)渠，有江淮之間的邗溝，黃淮之間的鴻溝，濟(jì)泗之間的菏水及江漢之間、濟(jì)淄之間的運(yùn)渠等。

2.2 以黃河流域?yàn)橹鞯臅r(shí)期

自秦滅周（公元前256）至東漢中平六年（公元189）的四百多年里，是黃河流域?yàn)橹鞯乃l(fā)展期，也是中國水利事業(yè)發(fā)展的第一個(gè)高潮。

其他流域也有幾處重要工程：如鄭國渠、都江堰、靈渠等。

2.3 向南發(fā)展時(shí)期

自東漢初平元年（190）至隋政權(quán)建立（581）的392年間，由于北方戰(zhàn)亂多，人口大量南遷，江南形成六朝的政治中心，開始南方水利開發(fā)。南方江湖水域多，雨量大，水利門類和開發(fā)技術(shù)和前一時(shí)期有較大發(fā)展。

2.4 洪水及堤防時(shí)期

這一時(shí)期突出特點(diǎn)是黃河很少有洪災(zāi)及修防的記載，成為水利史上亟須研究的問題。長江和漢水有局部修堤記錄。另一特點(diǎn)是以江河為戰(zhàn)爭工具，形成大量人為水災(zāi)。

2.5 排澇及灌溉時(shí)期

南方多雨，農(nóng)田水利出現(xiàn)排澇問題。西晉進(jìn)行淮河水利開發(fā)、南朝宋梁進(jìn)行太湖流域開發(fā)、北方進(jìn)行海河水利開發(fā)。

2.6 運(yùn)河的發(fā)展時(shí)期

最早的南北大運(yùn)河是因?yàn)檐娛滦枰醪叫纬?早期河道渠化是攔河建筑一系列堰埭，三國時(shí)期已有記載，晉以后大量修建。

2.7 水利發(fā)展鼎盛時(shí)期

自隋初（581年）至北宋末（1127年）547年間是中國古代水利最發(fā)達(dá)時(shí)期。在政治經(jīng)濟(jì)中的地位都十分重要，水利普及全國，水利門類齊全，水利技術(shù)達(dá)到中國古代的最高水平，如出現(xiàn)運(yùn)河上的復(fù)閘等[2]。

3水閘工程發(fā)展現(xiàn)狀

我國水閘等水利設(shè)施大多地處偏僻且較為分散，加之技術(shù)及觀念等的制約，我國大部分水利工程，對閘門等金屬結(jié)構(gòu)的運(yùn)行監(jiān)測，仍停留在人工目測階段，自動化運(yùn)行控制技術(shù)較為落后，水閘工程管路存在薄弱環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)有：

（1）全國水閘、堤防基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫尚未建立，水利工程底數(shù)不清、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完整。

（2）水利工程安全監(jiān)管和運(yùn)行管理手段落后，信息化水平低、水雨情監(jiān)測和工程安全監(jiān)測設(shè)施不健全、監(jiān)測預(yù)警能力不足。

（3）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及更多類數(shù)據(jù)采集和關(guān)聯(lián)并未進(jìn)行。已有的信息化各類信息難以整合和數(shù)據(jù)共享。缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，使得各子系統(tǒng)整合難度大;缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各子系統(tǒng)兼容性差，易造成信息孤立。

（4）水資源綜合調(diào)度效果及調(diào)度機(jī)制待完善。調(diào)度工作還存在局部調(diào)度死角，流域和區(qū)域的水情和工情處于動態(tài)變化之中，水資源調(diào)度方案也需進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，調(diào)度的方向、頻次、控制條件、控制指標(biāo)以及調(diào)度的效果分析還有待進(jìn)一步研究 。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以及水利事業(yè)的不斷發(fā)展，低集成性的自動化控制技術(shù)，各自獨(dú)立運(yùn)行的運(yùn)行管理模式，陳舊的管理運(yùn)行方式越來越不能滿足實(shí)際工作需求，亟須改變[3]。

4水閘工程發(fā)展的探索

對水閘等水利工程進(jìn)行信息化管理，高度整合水利信息資源，通過物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)模擬分析和智能優(yōu)選能力的水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水利信息資源共享的智慧管理和智能管理。構(gòu)建思路如下：

（1）一個(gè)平臺：流域內(nèi)的各個(gè)水利設(shè)施的水雨情、墑情、工情、管理、視頻、會商集成在GIS系統(tǒng)上展示。該平臺更具集成性和整合性，可以在一個(gè)平臺上查找多種數(shù)據(jù)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間形成較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（2）一張網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）：借助與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和即將到來的5G時(shí)代，推動水利工程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)開展。

該數(shù)據(jù)傳輸通道可以是有線網(wǎng)也可以是無線網(wǎng)絡(luò)（如GPRS、基站、微波等），各類數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，這也對網(wǎng)絡(luò)有較高的要求，需要其具備安全穩(wěn)定、容量大、快速等特征。

（3）一張地圖：在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的支持下，對整個(gè)流域或者整個(gè)區(qū)域地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

主要針對地理信息管理，如河流、坐標(biāo)、地形地貌、交通信息等;水利信息展示（如水閘、水庫、大壩等分類別，分圖層展示）;GIS系統(tǒng)與各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互等系統(tǒng)集成處理（如水雨情、視頻系統(tǒng)、決策系統(tǒng)的集成）等。

（4）一個(gè)中心（大數(shù)據(jù)技術(shù)）：可以建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心，更便捷的是云中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)管理和決策支持等。同時(shí)保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、高效利用。具體表現(xiàn)為：

數(shù)據(jù)入庫：對于通過網(wǎng)絡(luò)傳輸來的三類數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，讓這些不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存放數(shù)據(jù)庫中;

建模、決策、發(fā)布：建立各類模型，如洪水預(yù)報(bào)模型，節(jié)水灌溉模型，三維模型，BIM建模等等為管理者提供決策，如：防汛抗旱決策，洪水預(yù)報(bào)決策，水資源水環(huán)境決策，綜合會商，工程管理決策，水土保持決策并通過多種方式發(fā)布（電腦，手機(jī)）[4]。

5結(jié)束語

隨著水利單位的改革，未來機(jī)構(gòu)人員的精簡，勢必會對現(xiàn)有的水利建設(shè)和發(fā)展提出更高的要求;借助信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及各項(xiàng)人工智能技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)水利工程智慧化、智能化，是未來水利工程的發(fā)展的必然趨勢，最終會實(shí)現(xiàn)“無人值班”、“少人值守”的狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛井俊，高蕭，周開欣，等.大型水利樞紐工程綜合發(fā)布系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用[J].水利信息化，2019，（01）：55-59.

[2] 孫國慶，陳天江，張文劍，等.智慧水利水閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，（10）：97-98，101.

[3] 于創(chuàng)宇，江南.水工機(jī)械智能遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式[J].水電與新能源，2019，（01）：51-54.

[4] 阮利民.水利工程運(yùn)行管理工作現(xiàn)狀與展望[J].水利建設(shè)與管理，2019，（04）：10-13.

作者簡介

秦萍（1990-），女，學(xué)歷：本科，助理工程師，研究方向：水利工程管理。