新疆干旱地区水闸妨害因素及管理措施研究

黄振东

（新疆阿克苏地区沙雅县水利局，新疆 乌鲁木齐 830001）

水闸设施的构成主要包括水闸及启闭系统、水闸土工建筑和检测、监控、电力设施等系统，水闸对防涝抗旱以及水资源的利用具有重要作用。新疆干旱地区水资源紧张，由于该地区河流水闸易受冰雪、少雨等恶劣气候条件的影响，水闸妨害因素多。一旦麻痹大意而疏于防范，水闸本身极易受到破坏，导致巨大的财产损失，影响水利设施的功能正常发挥。因此，科学合理的水闸运行管理措施有利于农业生产。

1 干旱地区常见的水闸妨害因素

1.1 洪水因素

长江、松花江流域等河流水资源丰富，流域洪水灾害频发，但随着大型水电站项目的实施，我国主要河流的洪涝灾害频率下降。相反，由于缺乏有效的水利建设投入以及河道侵蚀，一些干旱地区的支流和河沟时常遭遇洪水、泥石流等灾害侵袭。在夏季干旱地区极易发生超常雨量引发的洪水，此外，春夏季冰雪消融，由此引发的洪涝灾害同样十分常见。例如发源于萨吾尔山脉，位于吉木乃县境内的拉斯特河，全长仅67 km，河道宽度在100 m以下，日常流量在15 m3/s左右。但在气温升高的7～8月，当降雨和融雪叠加，产生的洪峰流量迅速升高，特殊时期洪峰流量甚至超过200 m3/s，是常规流量的十几倍[1]。这种常规流量与洪水流量差距较大的流域，一旦发生洪水，水闸的抗压和泄洪能力将遭遇严峻考验。特别是在水利设施投入较少地区，水闸的防洪设计标准低，一旦遭遇超常规洪水，水闸将遭到严重破坏。

其中，洪水的主要危害是高水位产生的高水压和高流速形成的能量水头。平板式闸门底部承压最大，底槛和导轨埋件均极易发生形变而渗漏。对于弧形闸而言，支铰座牛腿承压将遭遇考验，另外弧形导轨上的侧止水装置也容易发生漏水。高水头还造成闸门启闭困难，泄洪时易产生水跃，冲刷护墙和河床，导致水闸基础稳定性下降。因此，洪水对水闸的危害巨大。

1.2 冰雪因素

我国干旱地区多位于北纬高纬度带或高原地带，冬季十分严寒。例如额尔齐斯河流域的阿勒泰地区，1月的平均气温仅为-16℃，河流冰期漫长。首先，寒冷的天气极易引起人工设施的冻胀损害，降低钢筋混凝土结构的强度；另外，低温还引起钢铁材质的闸门及橡胶材质的附件韧性降低，易脆折。不仅如此，冰封期闸门的启闭困难，厚厚的冰层极易将闸门冻住。虽然冬季多为枯水季节，且农业灌溉需水量少，但一旦发生上游水量突增的紧急情况，若闸门不能正常启闭，将引发漫坝等险情。因此，相比与冰封期的冻胀等危害，冰雪融冰对水闸的危害同样不容忽视。

新疆地区的融冰厚度有时超过1m，巨大的冰块可对闸门形成强烈的冲击力。尤其是在春季雪融期，为调节水量需要频繁启闭闸门，因而融冰可引起闸门撞击破坏以及堵塞闸门导轨，导致事故发生。融冰时间的不一致也容易导致水闸功能降低。如拉斯特河河流最早封冻日期为11月5日（1989年），最晚解冻日期为5月4日（1990年），位于低海拔的河流下游正是需水的灌溉期，而位于高海拔山区的水闸却因为封冻而无法正常泄水。因此，冰雪气候极易导致闸门管理困难。

1.3 泥沙因素

泥沙淤积会堵塞溢流口或封堵闸门。通过冲沙闸可以控制部分泥沙的淤积，但不能完全避免泥沙对水闸造成损害。泥沙的成因主要是上游的水土流失，干旱地区雨水少，土壤风化多较为严重，因此河流的泥沙含量高。例如，新疆伊犁河的支流如拉斯特河、哈什河以及乌苏境内的古尔图河等河流。一些河道较窄的河流还极易被砂石堵塞河道，造成主河道短时期内改道。对于上开式平板闸和弧形闸，泥沙可通过定期的启闭来消除。但对于水力自控翻板闸，上游泥沙的堵塞将会造成闸门难以翻转，从而失去自动调节上下游水位的能力。因此，泥沙的淤积虽然缓慢，但其对水闸的影响同样不容忽视。

1.4 人为因素

主河道上的水闸多为永久性建筑，往往需要在几十年间不断发挥水利设施的功用。但水闸设施通常远离人群聚居区，如果疏于防范，也极容易遭到人为损害。此外，人为启闭操作失误也是损害水闸的主要因素。水闸自重大，多超过几吨，在水压和导轨摩擦作用下，启闭的功率需求大，需要使用专业工具，如卷扬启闭机、液压启闭机、螺杆启闭机等。闸门启闭时的水位、水速、启闭的方式、提升速度等均影响水闸启闭的稳定性，因而相应的电动启闭机功率均较大，如不依照规范操作，易发生闸门及附件变形、启闭装置受损等事故。

疏于防范和管理是水闸受损的另一个主要人为因素。水闸由于长时间处于潮湿的水环境中，闸门极易腐蚀，橡胶密封圈、导轨、底槛等水闸的附件也容易破损。如不定期维护和更换受损的部件，闸门安全隐患增加。干旱地区温差大，水闸土工建筑易发生剥落、裂纹和起坑等现象。若疏于维护，没有及时修补，将会对水闸稳固性造成影响。不仅如此，水闸周边居民破坏水闸土工建筑附件的植被、在水闸上下游边墙旁取土也会损害水闸，杜绝此类行为也非常必要[2]。

2 干旱地区水闸运行管理措施

干旱地区河道、沟渠枯水期长，通常一年只需有限的几次闸门启闭操作，水闸管理工作看似简单，但由于上述多种因素的影响，干旱地区的闸门运行管理实际更需科学的管理措施。如果疏于防范，不仅水闸水利设施使用寿命下降，而且容易引发人为灾害。为防患于未然，干旱地区的水闸运行管理应采取以下措施。

2.1 建立远程监控系统

相对于人工巡查和管理，自动化监控和管理系统更适用于干旱地区。干旱地区大多人口密度小，地表径流少，水闸的密度也较小。因此，管理人员巡查水利设施费时费力，大部分时间浪费在旅途中。利用全自动化管理系统，可做到“无人值班、少人值守”，通过一次性投入来弥补人员配备的不足。自动化水闸管理系统通过上位计控制下的PLC编程的计算机对水闸启闭机实施控制。当下位机接收到流量计、水位计、流速仪等闸门上下游检测仪器传来的数据时，可以通过事先写入的程序对水闸自动启闭。当然，关键河道水闸的启闭往往事关重要，需要上级水利部门下达命令，因此，在自动化控制的同时，上位机还可以通过互联网或无线遥感技术来对下位机下达闸门启闭指令，从而实现人工远程操控。

当前，可用于水闸管理的软件包括SKJ水利信息化系统软件，山东锋士信息技术公司的水闸监控与管理系统等。此类软件系统具备数据采集与处理模块，包括水闸上下游水位，流速和流量数据的采集，并通过对历史数据的处理，生成线性趋势图，以方便操作者对数据的理解。其次，是启闭电机等仪器的运行状况监测模块，包括启闭电机的工作状态、液压系统的工况等。最后，是视频监控模块，主要是对闸门上下游漂浮物的监控、闸门启闭状况的监控，水闸周边环境的监控等。监控系统还应实行预警，可以人工设定警戒水位数据，当闸门上下游水位超过警戒水位、设计水位时，系统可以自动报警。

通过无线遥测技术或直接的光纤连接，水闸监控系统可将多个监测点的信息通过无线网络传输到中心管理所，由中心管理所对多个水闸监测点集中管控，从而实现“无人值班、少人值班”。中心管理所再对不同的水闸监控室内的上位机同时下达指令，控制闸门的启闭。每个监控室内应配置两台上位机，一台作为主控机，另一台处于热备状态。处于热备状态的工控机随时检测主控机状态，一旦有故障，立即接过主控权上升为主控机，双机实现无扰切换，确保主控任务不丢失。监控点的设备可根据不同水闸功用的实际要求来设置，通常包括数据采集的各类仪表仪器、电机和闸门开度状态监测仪器以及监控摄像头等设备，见表1。当然，由于监控系统本身的设备故障以及难以完成所有监测和管理任务，水闸的管理仍旧需要人工和自动监测系统的相结合。

表1 监测点主要设备组成

2.2 结合历史水文信息，制定应急预案

干旱地区极端天气多，洪水、冰情和泥沙均会影响到闸门的启闭以及稳定性。因此，应结合历史水文信息，制定水闸管理应急预案。收集和研读历史水文信息，是水闸管理人员的必要工作。准确地了解水闸所处河道极端洪水的流量、水位，可以正确认知水闸应对极端环境的等级。而对一年中河道水位变化、融冰变化以及泥沙含量变化规律的解读，有利于管理者提前采取相应措施，减少水闸遭遇险情的几率。例如在雨季来临之前减低河道水位。或在冰封期开始前，为水闸开凿不冻槽，避免闸门被封冻。在泥沙高含量期到来之前，通过冲砂闸和闸底清淤操作，排空水闸附近区域的积沙。提前应对各种自然影响因素，可将突发灾害几率降到最低。

然而，随着全球变暖以及人类经济活动的加剧，极端的水闸灾害仍旧难以避免，因此，应制定应对各种自然灾害的应急预案。包括洪水期闸门不能启闭紧急预案、冰雪和泥沙封堵闸门紧急预案等。紧急预案中，应分析事件危害等级，成立专门处理水闸突发事件应急处置工作专家小组。一旦发生应急情况，可在专家小组的带领下，按照预案程序采取应对措施。

2.3 加强监督，开展精细化管理

干旱地区水闸设施遭遇极端气候和极端危害的情况较为少见，实际主要损害来自于日积月累的材料疲劳效应和土工建筑的腐蚀。季节的温差和早晚温差变化、雨水的冲刷、冰雪的反复冻胀会逐渐损害水闸等水利设施，并从一些小腐蚀开始，逐渐造成水闸设施的严重破损。对于建筑腐蚀和材料变质等现象，单纯依靠远程监控是难以发现的，只有通过日常巡查，并严格按照水闸管理的日常工作规范来进行排查，才可以发现这些“小病小害”。常见的“小病小害”包括水闸主体上的小坑洞、裂缝以及护墙的渗漏和破损等。闸门的淤积、金属闸门的锈蚀、螺杆丝纹的磨损、钢丝绳的断丝都会导轨和底槛的变形[3]。另外，机电设备上久积的灰尘和线路的老化，也是巡查工作需要注意的。在水闸土工建筑外围不允许违章栽植，耕种取土。对于修建在沙漠边缘的水闸，还应观察流沙对河道的影响，防止河道淤积。

由于水利部门员工大多收入较低，工作积极性难以调动，因此应加强监督管理，要求员工严格按照水闸管理日常规范来开展精细化管理，对工作表现好的予以经济奖励，对不符合要求的应予以淘汰。水闸日常运行维护管理还可实行市场化操作，即将运行维护管理交给专业团队来管理，水利部门只需要通过下达启闭指令来保证水利设施正常运转即可。这种市场化操作可确保水闸日常维护规范化，并具备一定的经济性。总之，只有加强对水闸设施的日常巡查，防微杜渐，才能使工程处于良好工作状态，发挥应有功效。

3 结语

新疆干旱地区水资源紧张，水闸对防涝抗旱以及水资源的利用具有重要作用。但是由于该地区河流水闸易受冰雪、少雨等恶劣气候条件影响，水闸妨害因素多，包括洪水、冰雪、泥沙以及人为因素等。春夏季的冰雪消融和超强降雨极易引发洪涝灾害，由此高水位产生的高水压和高流速形成的能量水头造成平板式闸门和弧形闸门变形、启闭困难；冬季寒冷的天气极易引起人工设施的冻胀损害，降低钢筋混凝土结构的强度，引起钢铁材质的闸门及橡胶材质的附件韧性降低，易脆折。而由于上游河流的水体流失，下游河流较好的含沙量导致河道堵塞，造成闸门难以翻转从而失去自动调节上下游水位能力，造成主河道短时期内改道。此外，人为的损害、不规范的操作以及疏于防范和管理等人为因素都会对水闸造成严重的影响。

因此，为防止上述因素对干旱地区水闸的损害，需要科学的运行管理措施，保证水闸水利设施的功能。首先，需建立远程监控系统实时监控水闸的上下游水位、流速和流量数据，弥补人工巡查和管理的不足。其次，管理者需结合历史水文信息，制定应急预案，包括洪水期闸门不能启闭紧急预案、冰雪和泥沙封堵闸门紧急预案等，应对各种自然灾害。此外，还需加强监督，开展精细化管理，通过日常巡查，严格按照水闸管理的日常工作规范排查水闸的“小病小害”。水闸日常运行维护管理交给专业团队，通过市场化操作确保水闸日常维护规范化，并具备一定的经济性。总之，只有加强对水闸设施的日常巡查，防微杜渐，才能使工程处于良好工作状态，发挥其应有功效。