新疆干旱地區水閘妨害因素及管理措施研究

黃振東

（新疆阿克蘇地區沙雅縣水利局，新疆 烏魯木齊 830001）

水閘設施的構成主要包括水閘及啟閉系統、水閘土工建筑和檢測、監控、電力設施等系統，水閘對防澇抗旱以及水資源的利用具有重要作用。新疆干旱地區水資源緊張，由于該地區河流水閘易受冰雪、少雨等惡劣氣候條件的影響，水閘妨害因素多。一旦麻痹大意而疏于防范，水閘本身極易受到破壞，導致巨大的財產損失，影響水利設施的功能正常發揮。因此，科學合理的水閘運行管理措施有利于農業生產。

1 干旱地區常見的水閘妨害因素

1.1 洪水因素

長江、松花江流域等河流水資源豐富，流域洪水災害頻發，但隨著大型水電站項目的實施，我國主要河流的洪澇災害頻率下降。相反，由于缺乏有效的水利建設投入以及河道侵蝕，一些干旱地區的支流和河溝時常遭遇洪水、泥石流等災害侵襲。在夏季干旱地區極易發生超常雨量引發的洪水，此外，春夏季冰雪消融，由此引發的洪澇災害同樣十分常見。例如發源于薩吾爾山脈，位于吉木乃縣境內的拉斯特河，全長僅67 km，河道寬度在100 m以下，日常流量在15 m3/s左右。但在氣溫升高的7～8月，當降雨和融雪疊加，產生的洪峰流量迅速升高，特殊時期洪峰流量甚至超過200 m3/s，是常規流量的十幾倍[1]。這種常規流量與洪水流量差距較大的流域，一旦發生洪水，水閘的抗壓和泄洪能力將遭遇嚴峻考驗。特別是在水利設施投入較少地區，水閘的防洪設計標準低，一旦遭遇超常規洪水，水閘將遭到嚴重破壞。

其中，洪水的主要危害是高水位產生的高水壓和高流速形成的能量水頭。平板式閘門底部承壓最大，底檻和導軌埋件均極易發生形變而滲漏。對于弧形閘而言，支鉸座牛腿承壓將遭遇考驗，另外弧形導軌上的側止水裝置也容易發生漏水。高水頭還造成閘門啟閉困難，泄洪時易產生水躍，沖刷護墻和河床，導致水閘基礎穩定性下降。因此，洪水對水閘的危害巨大。

1.2 冰雪因素

我國干旱地區多位于北緯高緯度帶或高原地帶，冬季十分嚴寒。例如額爾齊斯河流域的阿勒泰地區，1月的平均氣溫僅為-16℃，河流冰期漫長。首先，寒冷的天氣極易引起人工設施的凍脹損害，降低鋼筋混凝土結構的強度；另外，低溫還引起鋼鐵材質的閘門及橡膠材質的附件韌性降低，易脆折。不僅如此，冰封期閘門的啟閉困難，厚厚的冰層極易將閘門凍住。雖然冬季多為枯水季節，且農業灌溉需水量少，但一旦發生上游水量突增的緊急情況，若閘門不能正常啟閉，將引發漫壩等險情。因此，相比與冰封期的凍脹等危害，冰雪融冰對水閘的危害同樣不容忽視。

新疆地區的融冰厚度有時超過1m，巨大的冰塊可對閘門形成強烈的沖擊力。尤其是在春季雪融期，為調節水量需要頻繁啟閉閘門，因而融冰可引起閘門撞擊破壞以及堵塞閘門導軌，導致事故發生。融冰時間的不一致也容易導致水閘功能降低。如拉斯特河河流最早封凍日期為11月5日（1989年），最晚解凍日期為5月4日（1990年），位于低海拔的河流下游正是需水的灌溉期，而位于高海拔山區的水閘卻因為封凍而無法正常泄水。因此，冰雪氣候極易導致閘門管理困難。

1.3 泥沙因素

泥沙淤積會堵塞溢流口或封堵閘門。通過沖沙閘可以控制部分泥沙的淤積，但不能完全避免泥沙對水閘造成損害。泥沙的成因主要是上游的水土流失，干旱地區雨水少，土壤風化多較為嚴重，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、哈什河以及烏蘇境內的古爾圖河等河流。一些河道較窄的河流還極易被砂石堵塞河道，造成主河道短時期內改道。對于上開式平板閘和弧形閘，泥沙可通過定期的啟閉來消除。但對于水力自控翻板閘，上游泥沙的堵塞將會造成閘門難以翻轉，從而失去自動調節上下游水位的能力。因此，泥沙的淤積雖然緩慢，但其對水閘的影響同樣不容忽視。

1.4 人為因素

主河道上的水閘多為永久性建筑，往往需要在幾十年間不斷發揮水利設施的功用。但水閘設施通常遠離人群聚居區，如果疏于防范，也極容易遭到人為損害。此外，人為啟閉操作失誤也是損害水閘的主要因素。水閘自重大，多超過幾噸，在水壓和導軌摩擦作用下，啟閉的功率需求大，需要使用專業工具，如卷揚啟閉機、液壓啟閉機、螺桿啟閉機等。閘門啟閉時的水位、水速、啟閉的方式、提升速度等均影響水閘啟閉的穩定性，因而相應的電動啟閉機功率均較大，如不依照規范操作，易發生閘門及附件變形、啟閉裝置受損等事故。

疏于防范和管理是水閘受損的另一個主要人為因素。水閘由于長時間處于潮濕的水環境中，閘門極易腐蝕，橡膠密封圈、導軌、底檻等水閘的附件也容易破損。如不定期維護和更換受損的部件，閘門安全隱患增加。干旱地區溫差大，水閘土工建筑易發生剝落、裂紋和起坑等現象。若疏于維護，沒有及時修補，將會對水閘穩固性造成影響。不僅如此，水閘周邊居民破壞水閘土工建筑附件的植被、在水閘上下游邊墻旁取土也會損害水閘，杜絕此類行為也非常必要[2]。

2 干旱地區水閘運行管理措施

干旱地區河道、溝渠枯水期長，通常一年只需有限的幾次閘門啟閉操作，水閘管理工作看似簡單，但由于上述多種因素的影響，干旱地區的閘門運行管理實際更需科學的管理措施。如果疏于防范，不僅水閘水利設施使用壽命下降，而且容易引發人為災害。為防患于未然，干旱地區的水閘運行管理應采取以下措施。

2.1 建立遠程監控系統

相對于人工巡查和管理，自動化監控和管理系統更適用于干旱地區。干旱地區大多人口密度小，地表徑流少，水閘的密度也較小。因此，管理人員巡查水利設施費時費力，大部分時間浪費在旅途中。利用全自動化管理系統，可做到“無人值班、少人值守”，通過一次性投入來彌補人員配備的不足。自動化水閘管理系統通過上位計控制下的PLC編程的計算機對水閘啟閉機實施控制。當下位機接收到流量計、水位計、流速儀等閘門上下游檢測儀器傳來的數據時，可以通過事先寫入的程序對水閘自動啟閉。當然，關鍵河道水閘的啟閉往往事關重要，需要上級水利部門下達命令，因此，在自動化控制的同時，上位機還可以通過互聯網或無線遙感技術來對下位機下達閘門啟閉指令，從而實現人工遠程操控。

當前，可用于水閘管理的軟件包括SKJ水利信息化系統軟件，山東鋒士信息技術公司的水閘監控與管理系統等。此類軟件系統具備數據采集與處理模塊，包括水閘上下游水位，流速和流量數據的采集，并通過對歷史數據的處理，生成線性趨勢圖，以方便操作者對數據的理解。其次，是啟閉電機等儀器的運行狀況監測模塊，包括啟閉電機的工作狀態、液壓系統的工況等。最后，是視頻監控模塊，主要是對閘門上下游漂浮物的監控、閘門啟閉狀況的監控，水閘周邊環境的監控等。監控系統還應實行預警，可以人工設定警戒水位數據，當閘門上下游水位超過警戒水位、設計水位時，系統可以自動報警。

通過無線遙測技術或直接的光纖連接，水閘監控系統可將多個監測點的信息通過無線網絡傳輸到中心管理所，由中心管理所對多個水閘監測點集中管控，從而實現“無人值班、少人值班”。中心管理所再對不同的水閘監控室內的上位機同時下達指令，控制閘門的啟閉。每個監控室內應配置兩臺上位機，一臺作為主控機，另一臺處于熱備狀態。處于熱備狀態的工控機隨時檢測主控機狀態，一旦有故障，立即接過主控權上升為主控機，雙機實現無擾切換，確保主控任務不丟失。監控點的設備可根據不同水閘功用的實際要求來設置，通常包括數據采集的各類儀表儀器、電機和閘門開度狀態監測儀器以及監控攝像頭等設備，見表1。當然，由于監控系統本身的設備故障以及難以完成所有監測和管理任務，水閘的管理仍舊需要人工和自動監測系統的相結合。

表1 監測點主要設備組成

2.2 結合歷史水文信息，制定應急預案

干旱地區極端天氣多，洪水、冰情和泥沙均會影響到閘門的啟閉以及穩定性。因此，應結合歷史水文信息，制定水閘管理應急預案。收集和研讀歷史水文信息，是水閘管理人員的必要工作。準確地了解水閘所處河道極端洪水的流量、水位，可以正確認知水閘應對極端環境的等級。而對一年中河道水位變化、融冰變化以及泥沙含量變化規律的解讀，有利于管理者提前采取相應措施，減少水閘遭遇險情的幾率。例如在雨季來臨之前減低河道水位?；蛟诒馄陂_始前，為水閘開鑿不凍槽，避免閘門被封凍。在泥沙高含量期到來之前，通過沖砂閘和閘底清淤操作，排空水閘附近區域的積沙。提前應對各種自然影響因素，可將突發災害幾率降到最低。

然而，隨著全球變暖以及人類經濟活動的加劇，極端的水閘災害仍舊難以避免，因此，應制定應對各種自然災害的應急預案。包括洪水期閘門不能啟閉緊急預案、冰雪和泥沙封堵閘門緊急預案等。緊急預案中，應分析事件危害等級，成立專門處理水閘突發事件應急處置工作專家小組。一旦發生應急情況，可在專家小組的帶領下，按照預案程序采取應對措施。

2.3 加強監督，開展精細化管理

干旱地區水閘設施遭遇極端氣候和極端危害的情況較為少見，實際主要損害來自于日積月累的材料疲勞效應和土工建筑的腐蝕。季節的溫差和早晚溫差變化、雨水的沖刷、冰雪的反復凍脹會逐漸損害水閘等水利設施，并從一些小腐蝕開始，逐漸造成水閘設施的嚴重破損。對于建筑腐蝕和材料變質等現象，單純依靠遠程監控是難以發現的，只有通過日常巡查，并嚴格按照水閘管理的日常工作規范來進行排查，才可以發現這些“小病小害”。常見的“小病小害”包括水閘主體上的小坑洞、裂縫以及護墻的滲漏和破損等。閘門的淤積、金屬閘門的銹蝕、螺桿絲紋的磨損、鋼絲繩的斷絲都會導軌和底檻的變形[3]。另外，機電設備上久積的灰塵和線路的老化，也是巡查工作需要注意的。在水閘土工建筑外圍不允許違章栽植，耕種取土。對于修建在沙漠邊緣的水閘，還應觀察流沙對河道的影響，防止河道淤積。

由于水利部門員工大多收入較低，工作積極性難以調動，因此應加強監督管理，要求員工嚴格按照水閘管理日常規范來開展精細化管理，對工作表現好的予以經濟獎勵，對不符合要求的應予以淘汰。水閘日常運行維護管理還可實行市場化操作，即將運行維護管理交給專業團隊來管理，水利部門只需要通過下達啟閉指令來保證水利設施正常運轉即可。這種市場化操作可確保水閘日常維護規范化，并具備一定的經濟性?？傊挥屑訌妼λl設施的日常巡查，防微杜漸，才能使工程處于良好工作狀態，發揮應有功效。

3 結語

新疆干旱地區水資源緊張，水閘對防澇抗旱以及水資源的利用具有重要作用。但是由于該地區河流水閘易受冰雪、少雨等惡劣氣候條件影響，水閘妨害因素多，包括洪水、冰雪、泥沙以及人為因素等。春夏季的冰雪消融和超強降雨極易引發洪澇災害，由此高水位產生的高水壓和高流速形成的能量水頭造成平板式閘門和弧形閘門變形、啟閉困難；冬季寒冷的天氣極易引起人工設施的凍脹損害，降低鋼筋混凝土結構的強度，引起鋼鐵材質的閘門及橡膠材質的附件韌性降低，易脆折。而由于上游河流的水體流失，下游河流較好的含沙量導致河道堵塞，造成閘門難以翻轉從而失去自動調節上下游水位能力，造成主河道短時期內改道。此外，人為的損害、不規范的操作以及疏于防范和管理等人為因素都會對水閘造成嚴重的影響。

因此，為防止上述因素對干旱地區水閘的損害，需要科學的運行管理措施，保證水閘水利設施的功能。首先，需建立遠程監控系統實時監控水閘的上下游水位、流速和流量數據，彌補人工巡查和管理的不足。其次，管理者需結合歷史水文信息，制定應急預案，包括洪水期閘門不能啟閉緊急預案、冰雪和泥沙封堵閘門緊急預案等，應對各種自然災害。此外，還需加強監督，開展精細化管理，通過日常巡查，嚴格按照水閘管理的日常工作規范排查水閘的“小病小害”。水閘日常運行維護管理交給專業團隊，通過市場化操作確保水閘日常維護規范化，并具備一定的經濟性?？傊?，只有加強對水閘設施的日常巡查，防微杜漸，才能使工程處于良好工作狀態，發揮其應有功效。