黑龙江省拦河灌溉渠首工程研究回顾与展望

耿贺松，李 昂，郑 健

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 研究背景

黑龙江省是农业大省，截至2016年，黑龙江省水田灌溉面积已达到400.73万hm2，其中各类灌区工程作为农业主要基础设施发挥了重要的作用。全省设计灌溉面积2万hm2以上大型灌区25处，0.067万～2万hm2中型灌区361处，3.33～0.067万hm2小型灌区14.51万处[1]。虽然黑龙江省近五年灌溉面积发展较快，但耕地灌溉率、节水灌溉率、高效节水灌溉率不高。大中型水田灌区的水利基础设施老化失修严重，田间灌排渠沟工程配套建设滞后，不能全面发挥作用[2]；灌区的灌水保证率、排水标准以及涝区的除涝标准均远低于国家高标准基本农田建设规范的要求[3]。

截至2013年，黑龙江省有重点渠首348座，其中运行良好的渠首有58座，占17%，大部分为“十一五”“十二五”期间建成或投入资金进行改建的渠首。基本完好的渠首约有62座，占18%。需要部分改建的约有140座，占40%。完全损坏的约88座，占25%，其余的需要重新建设[4]。

渠首工程是灌区的“咽喉”，也是整个灌区工程发挥效益好坏的关键。灌区灌溉水源大部分来自于江河，如何有效的利用江河可利用水资源满足灌区灌溉需求，又可以实现江河生态健康发展，灌区渠首工程研究成为必然。相关渠首形式研究和设计成为渠首工程研究的重要内容。同时越来越多的学者意识到生态渠首工程建设的重要性，从不同角度对渠首工程形式开展了卓有成效的研究。本文从灌区渠首工程发展历史与发展趋势出发，归纳、分析了黑龙江省拦河灌溉渠首工程形式的演变过程，针对代表性渠首工程形式和相关技术手段进行了介绍和阐释。最后，对黑龙江省拦河灌溉渠首工程形式的发展趋势进行探讨和展望。

2 拦河灌溉渠首工程形式回顾

2.1 渠首的概念与发展状况

渠首工程的作用是把河流或水库中的水引入渠道，以满足农田灌溉、水力发电、工业及生活用水等水利事业的需要，并要求防止粗颗粒泥沙进入渠道，以免引起渠道的淤积和对水轮机或水泵叶片的磨损，保证渠道及水电站正常运行。为了达到此目的，常在渠道首部的河段附近修建几种建筑物的综合体，这种建筑物的综合体称为渠首工程[5]。

渠首工程的建设历史悠久，春秋后期于晋阳(在今山西太原西南三十里)所建智伯渠，公元前246年开始兴建的郑国渠，均为有坝引水[6]。公元前256～前251年在岷江上修建了规模宏大、举世闻名的都江堰(位于今四川省灌县)无坝引水工程[7]。中华人民共和国成立后，兴建了大量灌溉渠首工程，以满足农业迅速发展的要求。如宝鸡峡引渭工程、新疆喀什河渠首引水灌溉工程、引黄济卫工程，以及南水北调工程等。世界著名大型灌区的渠首工程有：苏联卡拉达里亚河上的卡姆贝尔-拉瓦特引水枢纽，美国科罗拉多河上的因皮里尔坝引水工程，印度戈西河上的戈西堰等，其引水流量均达每秒数百立方米以上。前两个工程及戈西堰东干渠渠首，分别利用人工弯道、沉沙池及冲沙廊道等防沙、排沙设施，较成功地解决了泥沙入渠问题[5]。

2.2 黑龙江省拦河灌溉渠首工程形式回顾

渠首工程形式按照河道水位和流量的变化情况分为四类：无坝渠首、有坝渠首、水库取水、提水渠首。黑龙江省拦河渠首工程主要为有坝渠首，黑龙江省最早拦河渠首工程可追溯至20世纪30—40年代的日伪时期[8]，随着生产能力和需求的提高，拦河渠首工程也在不断进化，从渠首形式的发展历史过程看可将其分为三大类：

第一类拦河渠首形式主要为简易的堆石坝[9]、柳石坝等，即全坝方案。由于标准低，淤积问题等，几乎年年需对其进行修复。早期这种形式的渠首工程适用于中小型灌区，例如始建于1939年的中和灌区，修建了三处柳石坝和一条总干渠，灌溉方式是临时扒口和堵口；始建于1945年的桃山灌区，拦河坝为柳条结构。直到20世纪80—90年代黑龙江省开始对灌区渠首工程进行改造，新形式的拦河渠首工程开始出现。

第二类拦河渠首形式主要为闸、坝结合，该形式为经典式，至今仍在采用，如图1所示。闸坝结合渠首形式[10]主要由一道溢流坝和N孔冲砂闸等组成。对于一个确定的拦河工程，平槽情况下阻水面积比与坝闸宽比存在着函数关系[11]，一般闸坝结合渠首工程较为理想的闸坝比例为1/10～1/5[12-13]。溢流坝结构分为两种形式：一种为堆石坝+钢筋面网或钢筋混凝土的堰体；一种为橡胶坝。冲砂闸的闸门形式主要为平板闸门。例如：

朝阳灌区位于蚂蚁河中游右岸，延寿县西南25 km处，始建于1933年伪满时期，渠首拦河坝原是柳条堆石坝后改造成混凝面板阶梯坝；94特大洪水原坝南侧决口宽98 m，深1.2 m，国家投入以工代赈资金采用钢筋面网修复，坝长达到100 m，钢筋面网40 m，混凝土面板60 m。2013年延寿县遭遇强降雨袭击，渠首水毁严重，后经除险加固后，在工程右岸新建3 m×10 m冲砂闸，左岸新建L=35 m实用堰拦河坝。加信灌区天台渠首建于2002年，形式为橡胶坝，坝长60 m。

(a)

(b)图1 闸坝结合拦河渠首

同时随着技术不断的进步，对于闸坝结合形式的拦河渠首工程基础进行了深入细部研究，在黑龙江省尚志市的东二干渠首、东三干渠、东五干渠首进行了应用,见表1。

表1 三座试验工程闸坝基础结构形式

第三类拦河渠首形式主要为全闸，自21世纪初开始，随着经济的不断发展，全闸形式的渠首工程开始大规模的修建。全闸方案在悬移质较多的河道相对于有溢流坝的渠首而言大大减少了上游淤积，降低上游雍水水位对两岸淹没的影响，与以往的全断面拦截和部分断面拦截河道相比，基本上恢复了天然河道、增大了行洪断面，如图2所示。同时闸门结构形式亦有较大的变化，从闸门门叶运动方式上看，闸门由以往的单一垂直升降式发展到转动式、横拉式、滚动式和升卧式等多种启动方式；从闸门启闭形式上有手电两用螺杆启闭、卷扬启闭、液压启闭[14]。例如：双兴灌区的小河里渠首工程重建于2011年，渠首工程采用为3 m×12 m 的全闸形式，闸门形式为垂直升降平板钢闸门，启闭机为卷扬机。坐落于鸡西市穆棱河上的鸡冠山渠首工程重建于2014年，鸡冠山渠首工程担负任务为蓄水灌溉和满足上游景观湿地对水位的需求，渠首工程采用3 m×30 m全闸，闸门形式为底轴翻板闸门(亦称钢坝闸)，启闭机采用集成液压启闭系统[15]，闸门为水技推〔2014〕1号文中推介技术的一项，闸门设计理念按纵向悬臂结构进行设计，使计算断面与跨度大小无关，单孔跨度达到了10～100 m，可以极大的恢复天然河道的过流能力，闸门可进行多角度限位孔，闸门顶部在满足蓄水水位和景观湿地水位要求时，多余来水量从坝顶溢流，形成一定景观瀑布效果[16-17]。值得一提的是黑龙江省河流存在春季凌汛排冰问题，在渠首工程的闸孔净宽较大的情况下，上游的流冰可以顺利地通过闸孔下排，从而不会对渠首造成冰推破坏。

综上所述，拦河渠首工程在形式发展上主要为全坝、闸坝、全闸三种，由于渠首工程在实际应用时的边界约束条件很多，故拦河渠首工程形式并没有绝对固定模式，它的应用形式应考虑河道的特点、功能需求、投资控制等因素。

(a)底轴翻板闸门

(b)直升式平板闸门图2 全闸渠首

3 拦河渠首工程形式发展趋势

拦河渠首工程形式从生态意义上决定了河道的生态景观需要，从管理上决定了管理难易度，从投资造价上决定了工程的投资；而拦河渠首工程形式发展方向又始终决定于社会需求，当前拦河渠首工程形式的发展趋势主要表现为以下几个方面。

(1)提高建筑物的结构可靠性、拦蓄水能力、过流能力、排冰能力等是拦河渠首工程形式研究的前提条件。结构可靠性是指结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力，它包括了结构的安全性、适用性、耐久性。拦河渠首工程形式的发展趋势必然不会离开这一基本要求，根据灌区的不同功能需求，以最经济的手段，赋予结构适当的可靠度，使拦河渠首工程在设计标准的使用期限内，完成其重要拦蓄水灌溉、泄洪、排涝等功能要求。黑龙江省地处欧亚大陆东部、太平洋西岸、中国最东北部，温带大陆性季风气候，每年的春季流冰期无疑对渠首工程是个大的考验，特别是在武开河时，流冰在风和水流作用下遇到渠首工程的阻拦，不断撞击，破碎后继续顺流而下。上述因素均促使了拦河渠首工程形式的发展和提升。

(2)自动化监控的不断应用与发展是拦河渠首工程形式研究的重要环节。进入21世纪以后，工程安全监测自动化已成为工程上的主流，它与数据库紧密的联系在一起构成了一套完整的安全监测体系。随着工程安全监测手段硬件和软件的不断发展，监测范围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系统，以及安全警报系统也在不断的完善，尤其是近几年来云平台的建设，使得对渠首工程的自动化监控更为方便[18]。渠首工程形式发展应与自动化监控结合，例如目前已建并正在运行的延寿县山河渠首工程，该渠首工程的形式为全闸式，闸门采用的是底轴翻板闸门，应用自动化操作系统，控制闸门的启闭和开启度，既能使得灌溉得到保证，又能降低管理难度；同时该渠首工程还安装了安全监测系统，可监控渠首工程结构的运行状态[19]。

(3)更加深入地探索拦河渠首工程对河道生态保护的作用是拦河渠首工程形式研究的必经之路。“十九大”报告提出“像对待生命一样对待生态环境，统筹山水林田湖草系统治理，实行最严格的生态环境保护制度，形成绿色发展方式和生活方式，坚定走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路，建设美丽中国，为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。”[20]拦河渠首工程形式对河道生态具有一定影响，以往修建的渠首工程形式注重于灌溉功能需求(保证设计引水位)，忽视了对河道生态功能需求，在今后的渠首工程形式设计发展中应融入生态绿色的理念，从拦河蓄水形式、建筑材料、河道中动物植物的保护等出发，作为重点研究对象。

4 结 语

无论在黑龙江省还是国内其他省份乃至国外，拦河灌溉渠首工程的不断进步为国民经济的可持续发展提供了坚实的基础和可靠的保障，拦河灌溉渠首工程是水利工程中的重要组成部分，是保证农田灌溉和粮食生产安全的重要要素，尤其是拦河灌溉渠首工程担负着的地方灌溉、调水和供水的任务。拦河灌溉渠首工程的建设对灌区农业的发展不可或缺。拦河渠首工程形式的研究对农业、河道生态、环境改善等都有着十分重要的现实意义。