青弋江平原河網地區枯水期臨時引水工程設計實踐

李程，王敏

（1.蕪湖市水利工程建設管理處，安徽 蕪湖 241001；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；3.水利部長江治理與保護重點實驗室，湖北 武漢 430010）

青弋江分洪道工程起始端位于蕪湖市灣沚區紅楊鎮十甲任村，末端位于蕪湖市三山區澛港上游，全長47.28km，是水陽江、青弋江、漳河流域防洪治理總布局中的重要骨干性工程，工程主要任務為減輕水陽江中游防洪壓力，提高流域下游防洪標準，同時滿足地區除澇及航運要求。因青弋江分洪道十甲任節制閘工程建設，需在閘址上下游修筑圍堰，截斷青弋江干流[1]。在豐水期，因該區域河網密集，圍堰下游水位無較大影響，在枯水期，圍堰下游來水減小和水位下降，導致灣沚區水廠無法正常取水。為確保灣沚水廠在枯水期取到保質保量的水源，在十甲任節制閘施工期新建臨時引水工程，將十甲任節制閘上游來水引向圍堰下游青弋江干流段，確保灣沚區供水安全。

1 引水規模分析

灣沚區臨時引水工程主要目的是滿足枯水期灣沚區用水需求，確定其引水規模主要需要考慮以下兩個方面：一是保證灣沚水廠取水口處的水位不低于設計水位（高程2.4m，國家1985 高程，下同）；二是取水口處水體滿足飲用水水質標準[2]。

要保證灣沚水廠取水口處的水位不低于設計水位，需采取兩項工程措施：一是將青弋江來水引向圍堰下游，使取水口有一定的水量補充；二是在取水口下游合適位置筑攔水堰抬高水位，確保枯水期正常取水。要保證取水口處水質滿足飲用水水質標準，應保證取水口處的水體處在流動狀態，且更換時間需控制在15 天以內。根據以上分析，必須合理確定引水工程規模，才能盡可能消除十甲任節制閘施工圍堰造成的對灣沚水廠取水的不利影響。

根據灣沚水廠設計文件和實際運行情況，水廠的設計規模為10 萬噸/日，枯水期的供水量約為6.0 萬噸/日，從滿足水量要求，引水工程設計流量應不小于1.0m3/s。從滿足水質要求，荊山河口至取水口青弋江干流總長約4.5km，枯水期水體總體積約300 萬m3，按每15 天對該水體更換一次計算，引水工程設計流量為2.3m3/s。綜合以上兩種因素，確定引水工程的輸水流量為3.0m3/s。

2 引水方案選擇

2.1 引水方案

根據工程區水系及地形條件可確定不同的引水線路，主要有以下兩條可行線路，其平面示意圖如圖1 所示。

圖1 引水方案布置示意圖

圖2 典型橫斷面示意圖

線路1：埋管直通方案。在十甲任節制閘的西側灘地埋設管道，通過管道將圍堰上游水源引向下游。

線路2：東莞河-荊山河方案。充分利用現有河道，引水線路為：始于青弋江分洪道進口段，經擬建的馬元閘，借道東莞河至與荊山河交界處（三汊河口），最后由荊山河匯入青弋江下游干流。

在線路2 中，枯水期荊山河在上游三汊河口的最低水位為4.5～5.0m，在下游匯入青弋江處的最低水位3.5～4.0m，上下游水位差0.8～1.0m，但荊山河現狀河床高程為5.0～6.0m，荊山河段成為引水線路中的高地，無法自然引流，為確保枯水期引水線路的連通性，須在荊山河段采取工程措施將東莞河來水輸入青弋江。線路2在荊山河段考慮的工程措施主要有以下三個方案。

方案一，東莞河筑壩方案，在荊山河與東莞河相交的東莞河夫子闕做一個臨時壩，通過該臨時壩抬高河道水位，將青弋江上游來水通過荊山河輸送到青弋江下游，工程投資約180 萬元。

方案二，在荊山河與東莞河交匯處荊山河口處做一個小擋水壩，架設6 臺55Kw 的潛水泵，通過6 臺泵向荊山河抽水入青弋江，工程投資約180 萬元。

方案三，在東莞河與青弋江之間的荊山河現狀河槽的基礎上，開挖一條溝渠，通過自流將上游來水引向青弋江下游，工程投資約90 萬元。

2.2 方案對比

線路1 的主要優點是工程安全可靠，不會因引水造成河道沖刷，但該線路的缺點是造價昂貴，為了滿足引水流量要求，至少需要埋設2 根500m 長直徑1.6m 的管道，投資估算約650 萬元，另外，該線路對十甲任節制閘施工將會產生一定干擾。

線路2 的主要優點是工程造價低，根據荊山河段不用的輸水方式，費用為90～180 萬元不等，該線路的主要缺點是荊山河段無法自然引流，須采取措施將東莞河來水引入青弋江。

對比2.1 節荊山河段三種輸水措施方案，其優缺點及工程投資估算對比如表1 所示。

表1 荊山河段輸水方案對比表

方案一的優點是臨時筑壩工程位置集中，方便施工及維護管理，但存在兩個方面的問題，一是因上游有大流量來水可能，大流量來水對臨時壩體帶來沖刷，土壩被沖毀的概率較高，一旦沖毀則需重建，后期維護費較多，沖毀期間則無法保證輸水；二是在十甲任節制閘工程施工期間如果上游來水量過大，臨時壩減弱了導流河道的行洪能力，上游水位雍高，對十甲任節制閘工程基坑安全有較大影響。

方案二優點是不影響十甲任節制閘工程建設，對灣沚取水水質、水量有保證，缺點是供電困難，人員管理、后期維護復雜，造價偏高，且不可控風險因素較多。

方案三造價最低，對灣沚取水有保證，即使在枯水期水位很低時，也能通過其他工程措施配合該方案進行彌補，且不影響上游來水正常過流及十甲任節制閘工程基坑安全，缺點是工程線路較長，施工影響較大。

綜合上述分析，推薦選擇線路2 作為引水線路，對于荊山河段輸水方式，從工程風險控制、運行成本和實施難度等方面綜合考慮，推薦選用方案三明渠輸水方式。

3 引水方案設計

3.1 荊山河段明渠線路

荊山河靠近青弋江進口處有一條鄉村道路，道路路面高程約11m，因此引水明渠線路有直線和曲線兩種方案。直線方案就是明渠不繞路直接穿過此路進入青弋江，明渠穿路時采用埋設鋼筋混凝土管過流，渠道長度約2.2km。曲線方案是沿現狀河道的深泓線開挖，可減小明渠開挖深度，但明渠總長度約3.2km，比直線方案長約1.0km。由于渠道長度延長，在同等斷面情況下輸水能力會下降；同時渠道要穿過一座橋梁，此橋橋墩埋深較淺，在橋下開挖風險較大。為保證引水明渠的輸水效果，降低工程風險，推薦采用直線方案。

3.2 明渠橫縱斷面設計

明渠橫斷面按明渠均勻流公式計算

式中：Q 為輸水流量，m3/s，據第1 節分析為3.0 m3/s；ω 為明渠過水斷面面積，m2，梯形渠道時ω=(b+mh)h，b 為渠道底寬，m，h 為設計水深，m，m 為渠道邊坡系數；R 為水力半徑，m；C 為謝才系數，m0.5/s，按式（2）計算；n 為糙率，取0.025；i 為明渠縱坡，荊山河兩側水位差約0.8～1.0m，明渠長度2200m，為最大限度發揮輸水明渠的輸水潛能同時不增加土方開挖量，渠道縱坡確定為1/3000。

由于明渠主要沿荊山河原河道的深泓線開挖，土質大部分為淤泥質土和粉砂，根據河道現狀地形高程確定渠道開挖深度2.2～3.5m，為保證邊坡穩定，擬定的渠道邊坡為1:3。

當渠道水深為1.2m，渠道底寬為2.0m 時，根據式（1），明渠的過水流量為3.4m3/s，滿足設計引水流量要求，這時渠道流速為0.51m/s，粉砂不沖流速為0.7m/s～0.8m/s[3]，滿足不沖不淤要求。

根據實地測量，荊山河在東莞河口處的水位4.5～5.0m，按最不利水位4.5m 設計，渠道進口處渠底高程為3.3m。

根據以上計算，擬定的引水明渠縱橫斷面為：明渠縱坡1/3000，渠道底寬2m，渠道邊坡1:3，渠道進口處渠底高程度3.3m，出口處渠底高程度2.7m。

3.3 穿路涵設計

根據前面的分析比較，荊山河段明渠穿越鄉村道路時需設鋼筋混凝土涵管。穿路涵的孔徑取決于設計流量和上下游的水位差。根據地形條件擬采用平涵方案，當采用平涵方案時，應將涵管盡可能低埋，使涵管滿足有壓出流條件，也就是其涵洞前水深超過涵洞高度的1.5倍，這樣穿路涵在通過設計流量時，涵洞屬有壓淹沒出流，其過流能力按下式計算[4]：

式中：m1為壓力流時的流量系數，按式（4）計算；A 為涵洞過水斷面積，m2；z 為涵洞上下游水位差，m；L 為涵洞長度，m。

涵洞的上下游水位差控制在0.1m，洞底高程1.5m，選用直徑1.2m 的鋼筋混凝土圓管，管頂高程2.7m，過路涵兩側填土邊坡1:2，涵洞總長度為38m，根據式（3）計算，單根涵管過水流量為1.1m3/s，因此確定需要埋設3 根涵管。

4 結論

青弋江下游區域地形平坦，水系密布，水文條件復雜，一般情況下無水資源短缺問題，但因青弋江分洪道工程施工造成灣沚區枯水期臨時性水資源短缺，本文從枯水期臨時引水方案的角度出發，探討了一種適合青弋江平原河網地區的引水方案。通過不同引水線路和不同輸水方式對比分析，確定借道東莞河、荊山河的引水線路，考慮引水工程建設投資、工程影響和維護要求等因數，荊山河段推薦采用疏挖明渠輸水方案。通過對引水河道的過流能力和抗沖能力進行復核分析和相關工程設計，為十甲任節制閘施工期灣沚區供水提供了安全保障，也為青弋江平原河網地區枯水期臨時引水工程實踐提供參考借鑒。