寒區沿河濕地灌區渠首改造工程方案

鄭 健，耿賀松，李 昂，李 蕾

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

1.1 工程現狀

延壽縣山河灌區位于螞蜒河中下游兩岸沖積與洪積平原地帶，距離延壽縣城西南3.5 km，是一處有壩引水自流萬畝老灌區。西起延河鎮興安屯，東至關門山水庫下游六團鎮六團村，北至縣城境內張廣才嶺丘陵崗地，南鄰螞蜒河。東西長27 km，南北寬2.5 km。設計灌溉面積1600 hm2，實灌面積1000 hm2。山河灌區渠首工程始建于1956年，由攔河工程、引水工程和固灘工程等三部分組成。

現狀攔河主壩重建于1998年，采用鋼筋面網穿帶堆石壩設計。由于當時資金不足，第一條穿帶和第二條穿帶之間為新建鋼筋面網堆石結構，第二條穿帶以下仍利用舊堆石壩體。攔河主壩經多年運行，飽受春汛冰凌及夏汛洪水破壞，中間部分壩段坍塌，已不能滿足灌區灌溉引水要求；壩下砌石消力池出現3 m寬深沖溝，基本喪失消能作用。攔河主壩損毀嚴重，修復重建勢在必行。

1.2 建設背景

2012年，國家林業局正式批準建立黑龍江螞蜒河國家濕地公園。要求遵循“保護優先，科學修復，合理利用，持續發展”的基本原則，通過河岸改造、退耕還濕等措施恢復原有沿河濕地風貌，保護性開發蜿蜒河流風光和河心沙洲群景觀。把濕地公園打造成以保護松花江支流濕地，保障區域生態安全為目的，集濕地保育、水源涵養、科研監測、科普宣教和生態休閑等多功能于一體的特色鮮明的生態修復示范性工程[1]。根據總體規劃，山河灌區渠首改造工程位于濕地公園西南起始端，隸屬于五大主體功能區之一的科普宣教園之內，規劃項目位于哈爾濱市延壽縣境內，為螞蜒河流經延壽鎮鎮區段螞蜒河濕地公園區域。東至原污水處理廠氧化渠，南至規劃環路(長勝小福屯，沿河村村民點建設用地北側)，西至規劃縱路，北至山河大道、延壽公園、共涉及延壽鎮、延河鎮、玉河鄉三個鄉鎮，占地面積736.1 hm2,見圖1。

黨的十八大以來，習近平總書記在不同場合多次強調“綠色青山就是金山銀山”“把生態修復擺在壓倒性位置”。在濕地公園內對渠首工程進行升級改造，無疑對設計方案的質量提出了更高要求。如何突破傳統渠首工程設計思維壁壘，在滿足灌溉引水要求、兼顧防洪安全的前提下，實現水利工程灰色鋼筋混凝土結構與沿河濕地綠色自然景觀相協調，實現渠首調蓄功能與濕地生態需水、水源涵養的有機統一，是沿河濕地灌區渠首改造設計工作中的重要一環。

圖1 黑龍江螞蜒河國家濕地公園主體功能區規劃

2 河流及沿河濕地特征分析

山河灌區渠首工程位于螞蜒河下游，螞蜒河作為一條寒區河流，具有典型的北方山區季節性河流特征。河道在枯水期水流小甚至斷流，在豐水期水量充沛甚至形成洪水，洪水陡漲陡落，推移質輸沙量大[2]。冬季封河期嚴寒漫長，春季開河期容易發生凌汛。城鎮傍河而建，隨人類活動區域擴張，兩岸耕地逐漸擠占河道，河道生態環境逐步退化。

2.1 氣候特點

螞蜒河流域屬于中溫帶大陸性季風氣候區，受西伯利亞副高壓影響，夏季高溫多雨，冬季嚴寒而漫長。多年平均氣溫3.6 ℃，最高氣溫出現在7、8月份，極端最高氣溫36 ℃；最低氣溫出現在1月份，極端最低氣溫-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%。螞蜒河封凍期一般在11月中旬，解凍期在4月上旬，最大冰厚1.15 m，多年最大冰厚平均為0.89 m。

2.2 洪水特性

螞蜒河是洪水多發性河流，洪澇災害是該流域的主要自然災害。螞蜒河流域洪水主要分為春汛和夏汛，春汛洪水主要由融冰融雪形成，洪水大小取決于冬季降雪量和春季氣溫回升速度，一般發生在4月中下旬—5月上旬；夏汛洪水主要來源于集中降雨，一般發生在7、8月之間。該地區是螞蜒河流域夏汛暴雨中心，降雨量大，24 h降雨量有時超過100 mm，是洪水的主要發源地。從洪水過程分析，大水年洪水過程以單峰為主，峰高量大、洪量集中、傳播時間短，一次洪水歷時在7 d左右。

2.3 濕地生態

螞蜒河國家濕地公園位于延壽縣城南部螞蜒河沿岸，屬于河流型濕地。整個公園以螞蜒河河床、兩岸灘地為核心，平面上呈沿河條帶狀，東西長6.5 km，南北寬2.3 km，規劃總面積736.1 hm2。濕地資源包括永久性河流濕地、洪泛平原濕地、河心沙洲濕地、人工濕地、草本沼澤濕地和灌叢沼澤濕地等，分布有野生植物226種，濕地總面積242.2 hm2，濕地率64.29%。

3 設計需求分析

進行設計需求分析，首先要分析建設單位需求，明確建設目的、設計目標和相應的衡量指標；其次，對影響目標達成的關鍵性因素進行逐級分解，得到初步解決方案；最后，重新歸納設計需求，確定哪些問題可以通過設計解決，哪些問題需要通過其他方式溝通解決，從而建立目標和設計之間的關聯。通過設計需求分析，明確山河灌區渠首改造工程需著力解決以下問題：

(1)保障灌區灌溉用水安全，提高灌溉保證率。

(2)完善城市防洪體系，提高防洪減災能力。

(3)強化工程抗冰凍設計，減少冰凌破壞損失。

(4)改善河道泥沙淤積問題，實現水流暢通。

(5)整治河流水環境，增強生態水利調控能力。

4 總體方案設計

4.1 攔河工程軸線位置選擇

山河灌區干渠進水閘位于現狀攔河壩左岸上游60 m處，經2011年除險加固，目前運行狀態穩定。受干渠引水口位置約束，攔河工程布置軸線上移空間有限，只能在其原址附近及其下游作適當調整。原址下游100 m處河道進入彎曲環道，灘地突然開闊，無高崗可倚靠。灘地河汊交織，

河道沙洲密布，歷史上曾多次發生主流游蕩。原址處河道天然順直，寬窄適宜，主流穩定，左右岸壩肩穩固。距離干渠引水口僅60 m，無需刻意加高攔河工程擋水高度，利用回水影響壅高引水口位置水位。可見，原址重建方案具有明顯優勢。

4.2 攔河工程布置方案比選

在選定攔河工程布置軸線，以現狀全壩方案為參照，設鋼壩、全閘和閘壩結合、全壩等四組布置方案，對攔河工程結構布置型式進行全面方案比較，見表1。

方案一：鋼壩方案。在原壩址處，拆除現狀攔河主壩，新建3孔×25 m鋼壩閘。邊墩厚4.3 m，中墩厚5.5 m，鋼壩攔河總寬度86.0 m。閘底高程149.6 m，墩頂高程155.6 m。工作門采用3孔底軸驅動翻板鋼閘門(鋼壩閘)，動水啟閉，YJQ-2×630 kN型液壓啟閉機控制。閘墩頂部設5 m寬人行廊道橋。

表1 攔河工程布置方案比選

續表1

方案二：全閘方案。在原壩址處，拆除現狀攔河主壩，新建7孔×10 m攔河閘。邊墩厚1.3 m，中墩厚2.5 m，全閘攔河總寬度85.0 m。閘底高程149.6 m，墩頂高程155.6 m。工作門采用7孔平板鋼閘門，動水啟閉，QP-2×160 kN型卷揚啟閉機控制。閘墩頂部設1.5 m寬人行交通橋。

方案三：閘壩結合方案。在原壩址處，拆除現狀攔河主壩，左岸新建3孔×12 m沖沙閘，右岸新建45 m實用堰式溢流壩。邊墩厚1.3 m，中墩厚2.5 m，閘壩攔河總寬度87.3 m。閘底高程149.6 m，墩頂高程155.6 m，壩頂高程152.3 m。沖沙閘工作門采用3孔平板鋼閘門，動水啟閉，QP-2×160 kN卷揚啟閉機控制。閘墩頂部設1.5 m寬人行交通橋。

方案四：全壩方案。現狀攔河工程由攔河主壩與灘地副壩兩部分構成。主壩為鋼筋面網穿帶堆石壩，壩長80.0 m，設計壩頂高程152.3 m，設計河底高程149.6 m。副壩為漿砌石壩，壩長80.0 m，壩頂高程152.6～153.0 m。

現狀攔河工程右岸上游800 m處有兩條叉河，洪水可通過叉河分流進入黃泥河，黃泥河在攔河工程下游300 m處重新匯入螞蜒河。黃泥河與螞蜒河洪水同頻率遭遇時，下游回水將壅高攔河工程上游水位，造成防洪不利局面；不同頻率遭遇時，下游低水位不利于形成淹沒水躍，導致消能效果不佳。根據以上分析，分別計算干支流洪水同頻率遭遇和不同頻率遭遇兩種工況下攔河工程過流能力及分流比。由于篇幅所限，只列出不同頻率遭遇工況計算成果，見表2。

表2 攔河工程比較方案分流計算成果表(不同頻率遭遇)

續表2

按照技術可行、經濟合理和解決當前需求三個主要原則[3]，適當兼顧濕地公園建設對渠首改造工程設計的景觀要求，綜合權衡后推薦鋼壩方案，見圖2。

圖2 鋼壩方案閘室段總體設計圖

5 結 語

鋼壩是一種新型可調控溢流壩，從其工作方式和結構材料分類仍屬于自動翻板鋼閘門，它具有跨度大、外形隱蔽、無級可調、反應快速和無障礙防汛的特點。鋼壩方案是在河道生態修復大背景下衍生出來的新型全閘方案，它既吸收全閘方案過流能力強、調度靈活的優點，又能很好地兼顧濕地公園景觀要求，為北方河流安全度汛提供了新解決方案。通過技術經濟論證，鋼壩方案滿足既定各項設計需求和目標，從比較方案中脫穎而出。目前，該方案已正式應用于山河灌區渠首改造工程，運行效果良好，可為今后同類工程規劃設計提供技術參考。