寒区沿河湿地灌区渠首改造工程方案

郑 健，耿贺松，李 昂，李 蕾

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 工程概况

1.1 工程现状

延寿县山河灌区位于蚂蜒河中下游两岸冲积与洪积平原地带，距离延寿县城西南3.5 km，是一处有坝引水自流万亩老灌区。西起延河镇兴安屯，东至关门山水库下游六团镇六团村，北至县城境内张广才岭丘陵岗地，南邻蚂蜒河。东西长27 km，南北宽2.5 km。设计灌溉面积1600 hm2，实灌面积1000 hm2。山河灌区渠首工程始建于1956年，由拦河工程、引水工程和固滩工程等三部分组成。

现状拦河主坝重建于1998年，采用钢筋面网穿带堆石坝设计。由于当时资金不足，第一条穿带和第二条穿带之间为新建钢筋面网堆石结构，第二条穿带以下仍利用旧堆石坝体。拦河主坝经多年运行，饱受春汛冰凌及夏汛洪水破坏，中间部分坝段坍塌，已不能满足灌区灌溉引水要求；坝下砌石消力池出现3 m宽深冲沟，基本丧失消能作用。拦河主坝损毁严重，修复重建势在必行。

1.2 建设背景

2012年，国家林业局正式批准建立黑龙江蚂蜒河国家湿地公园。要求遵循“保护优先，科学修复，合理利用，持续发展”的基本原则，通过河岸改造、退耕还湿等措施恢复原有沿河湿地风貌，保护性开发蜿蜒河流风光和河心沙洲群景观。把湿地公园打造成以保护松花江支流湿地，保障区域生态安全为目的，集湿地保育、水源涵养、科研监测、科普宣教和生态休闲等多功能于一体的特色鲜明的生态修复示范性工程[1]。根据总体规划，山河灌区渠首改造工程位于湿地公园西南起始端，隶属于五大主体功能区之一的科普宣教园之内，规划项目位于哈尔滨市延寿县境内，为蚂蜒河流经延寿镇镇区段蚂蜒河湿地公园区域。东至原污水处理厂氧化渠，南至规划环路(长胜小福屯，沿河村村民点建设用地北侧)，西至规划纵路，北至山河大道、延寿公园、共涉及延寿镇、延河镇、玉河乡三个乡镇，占地面积736.1 hm2,见图1。

党的十八大以来，习近平总书记在不同场合多次强调“绿色青山就是金山银山”“把生态修复摆在压倒性位置”。在湿地公园内对渠首工程进行升级改造，无疑对设计方案的质量提出了更高要求。如何突破传统渠首工程设计思维壁垒，在满足灌溉引水要求、兼顾防洪安全的前提下，实现水利工程灰色钢筋混凝土结构与沿河湿地绿色自然景观相协调，实现渠首调蓄功能与湿地生态需水、水源涵养的有机统一，是沿河湿地灌区渠首改造设计工作中的重要一环。

图1 黑龙江蚂蜒河国家湿地公园主体功能区规划

2 河流及沿河湿地特征分析

山河灌区渠首工程位于蚂蜒河下游，蚂蜒河作为一条寒区河流，具有典型的北方山区季节性河流特征。河道在枯水期水流小甚至断流，在丰水期水量充沛甚至形成洪水，洪水陡涨陡落，推移质输沙量大[2]。冬季封河期严寒漫长，春季开河期容易发生凌汛。城镇傍河而建，随人类活动区域扩张，两岸耕地逐渐挤占河道，河道生态环境逐步退化。

2.1 气候特点

蚂蜒河流域属于中温带大陆性季风气候区，受西伯利亚副高压影响，夏季高温多雨，冬季严寒而漫长。多年平均气温3.6 ℃，最高气温出现在7、8月份，极端最高气温36 ℃；最低气温出现在1月份，极端最低气温-39 ℃。多年平均降水量661 mm，主要集中在汛期6—9月份，占全年降水量70%，其中7、8月份降水占45%。蚂蜒河封冻期一般在11月中旬，解冻期在4月上旬，最大冰厚1.15 m，多年最大冰厚平均为0.89 m。

2.2 洪水特性

蚂蜒河是洪水多发性河流，洪涝灾害是该流域的主要自然灾害。蚂蜒河流域洪水主要分为春汛和夏汛，春汛洪水主要由融冰融雪形成，洪水大小取决于冬季降雪量和春季气温回升速度，一般发生在4月中下旬—5月上旬；夏汛洪水主要来源于集中降雨，一般发生在7、8月之间。该地区是蚂蜒河流域夏汛暴雨中心，降雨量大，24 h降雨量有时超过100 mm，是洪水的主要发源地。从洪水过程分析，大水年洪水过程以单峰为主，峰高量大、洪量集中、传播时间短，一次洪水历时在7 d左右。

2.3 湿地生态

蚂蜒河国家湿地公园位于延寿县城南部蚂蜒河沿岸，属于河流型湿地。整个公园以蚂蜒河河床、两岸滩地为核心，平面上呈沿河条带状，东西长6.5 km，南北宽2.3 km，规划总面积736.1 hm2。湿地资源包括永久性河流湿地、洪泛平原湿地、河心沙洲湿地、人工湿地、草本沼泽湿地和灌丛沼泽湿地等，分布有野生植物226种，湿地总面积242.2 hm2，湿地率64.29%。

3 设计需求分析

进行设计需求分析，首先要分析建设单位需求，明确建设目的、设计目标和相应的衡量指标；其次，对影响目标达成的关键性因素进行逐级分解，得到初步解决方案；最后，重新归纳设计需求，确定哪些问题可以通过设计解决，哪些问题需要通过其他方式沟通解决，从而建立目标和设计之间的关联。通过设计需求分析，明确山河灌区渠首改造工程需着力解决以下问题：

(1)保障灌区灌溉用水安全，提高灌溉保证率。

(2)完善城市防洪体系，提高防洪减灾能力。

(3)强化工程抗冰冻设计，减少冰凌破坏损失。

(4)改善河道泥沙淤积问题，实现水流畅通。

(5)整治河流水环境，增强生态水利调控能力。

4 总体方案设计

4.1 拦河工程轴线位置选择

山河灌区干渠进水闸位于现状拦河坝左岸上游60 m处，经2011年除险加固，目前运行状态稳定。受干渠引水口位置约束，拦河工程布置轴线上移空间有限，只能在其原址附近及其下游作适当调整。原址下游100 m处河道进入弯曲环道，滩地突然开阔，无高岗可倚靠。滩地河汊交织，

河道沙洲密布，历史上曾多次发生主流游荡。原址处河道天然顺直，宽窄适宜，主流稳定，左右岸坝肩稳固。距离干渠引水口仅60 m，无需刻意加高拦河工程挡水高度，利用回水影响壅高引水口位置水位。可见，原址重建方案具有明显优势。

4.2 拦河工程布置方案比选

在选定拦河工程布置轴线，以现状全坝方案为参照，设钢坝、全闸和闸坝结合、全坝等四组布置方案，对拦河工程结构布置型式进行全面方案比较，见表1。

方案一：钢坝方案。在原坝址处，拆除现状拦河主坝，新建3孔×25 m钢坝闸。边墩厚4.3 m，中墩厚5.5 m，钢坝拦河总宽度86.0 m。闸底高程149.6 m，墩顶高程155.6 m。工作门采用3孔底轴驱动翻板钢闸门(钢坝闸)，动水启闭，YJQ-2×630 kN型液压启闭机控制。闸墩顶部设5 m宽人行廊道桥。

表1 拦河工程布置方案比选

续表1

方案二：全闸方案。在原坝址处，拆除现状拦河主坝，新建7孔×10 m拦河闸。边墩厚1.3 m，中墩厚2.5 m，全闸拦河总宽度85.0 m。闸底高程149.6 m，墩顶高程155.6 m。工作门采用7孔平板钢闸门，动水启闭，QP-2×160 kN型卷扬启闭机控制。闸墩顶部设1.5 m宽人行交通桥。

方案三：闸坝结合方案。在原坝址处，拆除现状拦河主坝，左岸新建3孔×12 m冲沙闸，右岸新建45 m实用堰式溢流坝。边墩厚1.3 m，中墩厚2.5 m，闸坝拦河总宽度87.3 m。闸底高程149.6 m，墩顶高程155.6 m，坝顶高程152.3 m。冲沙闸工作门采用3孔平板钢闸门，动水启闭，QP-2×160 kN卷扬启闭机控制。闸墩顶部设1.5 m宽人行交通桥。

方案四：全坝方案。现状拦河工程由拦河主坝与滩地副坝两部分构成。主坝为钢筋面网穿带堆石坝，坝长80.0 m，设计坝顶高程152.3 m，设计河底高程149.6 m。副坝为浆砌石坝，坝长80.0 m，坝顶高程152.6～153.0 m。

现状拦河工程右岸上游800 m处有两条叉河，洪水可通过叉河分流进入黄泥河，黄泥河在拦河工程下游300 m处重新汇入蚂蜒河。黄泥河与蚂蜒河洪水同频率遭遇时，下游回水将壅高拦河工程上游水位，造成防洪不利局面；不同频率遭遇时，下游低水位不利于形成淹没水跃，导致消能效果不佳。根据以上分析，分别计算干支流洪水同频率遭遇和不同频率遭遇两种工况下拦河工程过流能力及分流比。由于篇幅所限，只列出不同频率遭遇工况计算成果，见表2。

表2 拦河工程比较方案分流计算成果表(不同频率遭遇)

续表2

按照技术可行、经济合理和解决当前需求三个主要原则[3]，适当兼顾湿地公园建设对渠首改造工程设计的景观要求，综合权衡后推荐钢坝方案，见图2。

图2 钢坝方案闸室段总体设计图

5 结 语

钢坝是一种新型可调控溢流坝，从其工作方式和结构材料分类仍属于自动翻板钢闸门，它具有跨度大、外形隐蔽、无级可调、反应快速和无障碍防汛的特点。钢坝方案是在河道生态修复大背景下衍生出来的新型全闸方案，它既吸收全闸方案过流能力强、调度灵活的优点，又能很好地兼顾湿地公园景观要求，为北方河流安全度汛提供了新解决方案。通过技术经济论证，钢坝方案满足既定各项设计需求和目标，从比较方案中脱颖而出。目前，该方案已正式应用于山河灌区渠首改造工程，运行效果良好，可为今后同类工程规划设计提供技术参考。