新疆喀群引水樞紐設計運行及管理探究

李 江，董江偉

(1.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；3.新疆巴州且末縣水利綜合服務中心，新疆 巴州 841900)

0 引言

引水樞紐(取水樞紐或渠首工程)，作為灌區引水的源頭和保障灌區引水安全的最前置條件，一直發揮最重要的作用，為社會經濟發展提供基本的水資源支撐[1-2]。新疆葉爾羌河喀群引水樞紐工程規模宏大，雄偉壯觀，工程效益顯著，質量優良，深得灌區人民贊譽和國內外專家好評，素有“新疆的都江堰”之稱，是“因勢利導、因地制宜”治水思想的集中體現?！坝野兑c左岸引水相結合，天然彎道引水和人工彎道引水相結合”、“統籌供水、防洪、排沙”是該樞紐建造設計的核心理念，不僅充分發揮水利樞紐優勢和生態保護功能，也能統籌葉爾羌河水資源開發、利用、配置，科學調度蓄水放水。該工程的建設與運用已發展為具有農業灌溉、供水、防洪、排沙等多重綜合服務功能的Ⅰ等大(1)型水利工程，改善了葉爾羌河東西兩岸灌區的引用水條件，渠系化運行減少了河道的水量損失，提高了水資源利用率，改善了沿岸生態環境，為戈壁變綠洲，發展沿岸經濟打下了基礎，對維持葉爾羌河流域的繁榮穩定起著至關重要的作用。本文分析了引水樞紐關鍵技術及運行的科學原理，充分認識其治水技術對現代引水樞紐工程的指導意義。

1 工程基本概況

新疆葉爾羌河喀群引水樞紐位于葉爾羌河出山口，是葉爾羌河第一級引水樞紐，興建于1982年，1987年2月投入正常運行。地處莎車縣喀群鄉境內，距莎車縣城60km處。此引水樞紐工程規模宏大，雄偉壯觀，工程效益顯著，質量優良。該工程年引水約25億m3，控制灌溉面積350萬畝，使14座水庫的引水條件得到改善，滿足了7座水電站的發電引水。同時滿足新疆生產建設兵團前進水庫墾區、小海子水庫墾區共12個團場和葉城縣、莎車縣、澤普縣、麥蓋提縣、巴楚縣、岳普湖縣的2個鄉鎮等單位的用水。

喀群引水樞紐位于葉爾羌河出山口喀群水文站測驗斷面以下290～1000m處的“S”型彎道河段。工程由西岸引水彎道、東岸總進水閘、東西岸進水沖砂閘、潰壩段、溢流堰、泄洪閘、東岸引水干渠及上下游河道整治段組成(渠首斷面位置工程建成效果及樞紐布置分別如圖1—2所示)。設計洪水標準為百年一遇，相應洪峰流量7890m3/s，校核洪水標準為千年一遇，相應洪峰流量13500m3/s。工程由東岸總進水閘、東岸引水總干渠、東岸進水沖砂閘；潰壩段、溢流堰、泄洪閘；西岸引水彎道、西岸進水沖砂閘及上下游河道整治段組成。

圖1 葉爾羌河喀群渠首樞紐工程建成示意圖

圖2 葉爾羌河喀群渠首樞紐工程平面布置示意圖

2 引水樞紐布置形式

2.1 都江堰水利工程的經驗啟示

都江堰水利工程位于四川省成都平原，以其灌區規模宏大、工程布局合理、治水經驗豐富而享譽世界，是目前世界上著名的以無壩引水為特征、在用最古老的大型水利工程，創造出與自然和諧共存的水利形式，充分利用當地地理條件和有利地形并采用無壩引水的方式，解決了江水自動分流控流、自流灌溉、自動排沙泄洪等問題，充分發揮了工程灌溉、防洪、觀光旅游、水路運輸、水力發電等綜合效益。都江堰渠首樞紐工程由分流分沙的控制性工程“魚嘴”、導流排沙和泄洪工程“飛沙堰”、引水工程“寶瓶口”三大主體工程及百丈堤、金剛堤、二王廟順水埂、人字堤等附屬工程系統組成(都江堰渠首樞紐工程平面布置示意圖如圖3所示)，三大工程首尾呼應、聯合運行，為都江堰灌區興水之利、避水之害發揮了關鍵性的作用。

圖3 都江堰渠首樞紐工程平面布置示意圖

都江堰是古代水利工程技術成就的“活化石”，代表了中國古代水利工程的卓越技術成就[3-6]。都江堰水利工程的經驗啟示可以總結為以下幾個方面：

一是因地制宜聯合運用的經驗。根據岷江的洪澇規律和成都平原懸江的地勢特點，與岷江的地勢、走向、水勢和泥沙等情況相互協調，無壩引水，自流灌溉，魚嘴、飛沙堰和寶瓶口三大主體工程布局合理、聯合運行、功能互補、相互配合，實現江水自動分水控流、泄洪引水排沙。

二是自動分水防洪的智慧。通過對魚嘴和河道深度、寬度的巧妙設計，將岷江水分流至內江和外江，同時形成了內外江“四六分流比”經典理論，洪水季節外江分流比為60%，內江為40%，枯水季節內江分流比為60%，外江為40%，實現了枯水期內江也能得到灌溉所需的水量、洪水期內江仍能保持合理的水量的目的；飛沙堰實現都江堰第二次分水防洪，不僅能排泄內江的洪水滿足成都平原灌區的用水，又能將泥沙等推移質入外江，防止寶瓶口堵塞，有效避免了洪澇災害的發生；寶瓶口是內江灌區的引水口，能自動控制進水量。在洪水時期，對限制水流，抬升高內江水位，過飛沙堰，冗余的水流至外江，有效地達到了防治洪水的效果；以上形成了都江堰的“三級”自動分水、自動防洪機制。

三是自動分沙排沙的智慧。通過對河道的特殊設計，巧妙運用了自然規律，主要是：都江堰利用河段天然彎道將河流中的泥沙沉積在凸岸一側，同時借用彎曲水流自身的環流作用將泥沙的處理分為分沙、排沙、挖沙三個階段，即分沙是利用魚嘴分水將岷江水80%的泥沙入外江。排沙是指通過飛沙堰等設施，將進入內江沉積的泥沙排出；泥沙處理的最后一個環節即挖沙，寶瓶口處水流放緩、泥沙沉積，需要定期挖掏泥沙碎石。經過以上3個階段的處理，巧妙地解決了泥沙推移質，達到了分沙排沙的預期效果，為灌區農業灌溉提供了優良水質和保障了都江堰的持久良性運行。

2.2 喀群引水樞紐布置形式

喀群河段在葉爾羌河出山口處，能控制葉河兩岸全灌區，河段順直穩定，河床較窄，水流集中，是渠首樞紐最佳選址位置?？θ阂畼屑~利用天然河道特殊地形、水勢，因勢利導選定在喀群穩定河段末端的S形河道上，是一座布置在S型彎道河段的兩岸引水、多級排沙的攔河引水樞紐。設計汲取已建都江堰水利樞紐工程和費爾干式彎道取水的成功經驗，融合形成都江堰和費爾干式相結合的布置形式(如圖3所示)。同時東岸引水口和西岸引水口分別按無壩引水和有壩引水布設在S形河段的上游河彎和下游河彎，兩個引水口相距670m，兩種引水方式，均達到了引水排沙的要求。東岸總進水閘共5孔(單孔凈寬8m)，設計流量300m3/s；東岸引水渠渠長2300m，設計流量300m3/s；潰壩段長250m，設計分洪流量2910m3/s；溢流堰長270m，設計流量1340m3/s；泄洪閘共9孔(單孔凈寬10m)，設計流量2310m3/s；西岸引水彎道，渠長689.15m，設計流量930m3/s。

3 引水樞紐設計運行的幾項關鍵技術

3.1 潛堰控流、彎道引水

東岸引水系統采取了從天然河彎引水的無壩取水方式，即從樞紐上游端的天然河彎(S形河段的上彎)取水，取水口處不做河底控制工程，推移質泥沙借天然河彎的橫向環流被排泄至河道的下游。同時在東岸引水系統對岸修建3道挑流潛堰，控制河道主流使之穩定東岸側，并使河彎曲率加大，主槽曲率半徑減少到360m，以強化天然河彎的環流；挑流潛堰的方向與河岸夾角成45°，避免了主流溜脫，優化東岸引水口的防沙引水條件，彌補天然彎道取水方式的弱點[7-9](東岸引水系統工程示意如圖3所示)。

喀群渠首的西岸引水系統采取攔河控制有壩及兩級排沙的窄彎道式引水方式，攔河節制閘與西岸引水人工彎道夾角成40°，形成了完善的橫向環流，彎道穩定，不沖不淤(西岸引水系統工程示意如圖3所示)。

3.2 側堰引流、環流排沙

3.2.1葉爾羌河喀群河段的泥沙特征

根據葉爾羌河喀群引水樞紐除險加固工程水文分析計算(初步設計階段)，由于渠首距喀群站相距不遠，直接借用喀群站成果用于渠首站，則渠首站多年平均懸移質輸沙量3028×104t。葉爾羌河屬山區河流，根據流域實際情況、適用條件與范圍，年推移質輸沙量與年懸移質輸沙量的比值β取值0.20，則渠首處的年輸沙總量為3634×104t。懸移質輸沙模數為603t/km2。

3.2.2葉爾羌河喀群引水樞紐兩岸排沙方式

灌溉渠首推移質問題的處理關系到渠首的成敗和能否持久，是水利技術的重要研究課題[10-12]?？θ阂畼屑~充分利用了葉爾羌河的有利地形和地勢，恰當地布置了挑流潛堰、導沙坎、沖沙閘、泄洪閘、飛沙側堰等建筑物，借用彎曲水流自身的環流作用，巧妙地解決了泥沙推移質，達到了排沙的預期效果。

挑流潛堰+導沙坎+東岸進水沖沙閘相結合。在東岸進水口上游河道凸岸，設置3道挑流潛堰，提高引水口前河道曲率，強化環流，設置雙槽式導沙坎，導沙坎與底流向成50°夾角，利用水流入槽產生水平向螺旋流將泥沙帶走；東岸進水沖沙閘布置在東岸引水渠末端，為東岸引水總干渠與澤普亞斯墩電站引水渠的進水沖沙設施。采用人工彎道布置，正面進水，側面沖沙。

泄洪閘+懸臂攔沙坎及導沙墻+二級沖砂閘+飛沙側堰相結合。泄洪閘布置于葉爾羌河S河段的下游河彎的凸岸側，與引水彎道進口的夾角為40°，主流河道溢流堰的左側，同時在閘墩上游加長導流墻，在閘下游右岸加設導流堤，束窄水流；在西岸引水口布設懸臂攔沙坎和導沙墻，導沙墻與攔沙坎的交角成45°；二級沖沙閘布置在西岸引水彎道末端，以正面引水、側向排沙的形式布置，沖沙閘與進水閘的夾角為37°，是一個完善的彎道式排沙建筑物；飛沙側堰布置在引水口河段的凸岸側，加強了環流的強烈程度，具有都江堰的飛沙堰排沙功效。

3.3 閘堰結合、精準調控

3.3.1葉爾羌河喀群河段的洪水特征

葉爾羌河洪水以其極高的起漲速率，異常高的洪峰值而聞名于世，洪水問題吸引了眾多中外學者進行深入研究。葉爾羌河并存4種不同類型的洪水，即：①冰雪消融型洪水；②冰川“潰壩型”洪水；③暴雨型洪水；④混合型洪水。根據葉爾羌河喀群引水樞紐除險加固工程水文分析計算(初步設計)，冰雪消融型洪水是葉爾羌河年年時有發生頻率最高的洪水。據實測資料分析，喀群站年最大消融型洪水峰值系列Cv=0.40，實測最大最小值之比僅為3.44，洪水歷時較長，漲洪較平緩，峰型多為復式，最大消融型洪水流量為2670m3/s；從喀群站55年實測資料看，“潰壩型”洪水與較大的消融型洪水遭遇的機率較低，1961年9月初發生過一場喀群站峰值為6270m3/s，屬于典型“潰壩-消融”混合型洪水。

3.3.2喀群引水樞紐的泄洪方式

喀群引水樞紐充分考慮了對突發性洪水的防范和處理，同時正確布置樞紐泄洪建筑物，利用常發的融雪型洪水的有利條件沖沙排沙，長期發揮效益?？θ阂畼屑~的泄洪方式是泄洪閘+溢洪側堰+潰壩段三結合，而以泄洪閘泄洪為主，與排沙密切結合。由于葉爾羌河洪水枯水流量比較懸殊，阿爾塔什水利樞紐工程的建成，徹底結束了喀群引水樞紐無調節的自然引水模式，喀群斷面洪峰流量急劇減小，在很大程度上幫助了該樞紐工程的春灌和防汛工作?？θ阂畼屑~防洪調度根據已建阿爾塔什水庫P=0.01%、P=0.1%、P=1%頻率下，設計洪峰流量為18400、13500、7390m3/s下的防洪調度判別條件、泄洪方式和出庫流量[13-14]，實現水庫-樞紐精準調度管理和精準流量調控，充分考慮泄洪閘、溢洪側堰、潰壩段、兩岸進水閘、沖沙閘等各建筑物協調泄洪，同時建立與阿爾塔什水利樞紐工程管理局、水利、氣象、水文和應急等部門的組織體系，形成會商研判協調聯動機制，為該樞紐工程預警、提前預泄和啟動應急預案判定提供依據，使該引水樞紐有足夠的泄洪能力，確保樞紐工程安全。

(1)泄洪閘泄洪：設計流量Q<1300m3/s；

(2)泄洪閘+溢洪側堰泄洪：設計流量大于1300m3/s≤Q≤4420m3/s(20年一遇)；

(3)泄洪閘+溢洪側堰+潰壩段：設計流量Q≥4420m3/s；

(4)泄洪閘+溢洪側堰+潰壩段+兩岸進水閘、沖沙閘：設計流量Q≥7890m3/s(百年一遇)。

4 科學管理與智慧調度體系

4.1 管理體制科學

實行“統一領導、分級管理”管理原則。塔里木河流域喀什管理局為本樞紐第一層級負責命令下達、統一調度，喀群渠首管理站為第二層級負責運行管理工作，建立了局、站二級專業管理機構和基層管理組織的全新格局。

4.2 規章制度規范

為了做好樞紐的運行管理工作，并且結合樞紐實際情況，先后制定出《工程經常檢查制度》《工程定期檢查制度》《工程特別檢查制度》《工程管理維修養護制度》《閘門啟閉機操作運用制度》《各閘口安全操作規章制度》《各閘口值班人員交接班制度》《通訊設備管理制度》《事故處理制度》《檔案管理制度》等各項規章制度，落實了崗位責任，各項管理工作完全步入制度化、規范化軌道。

4.3 智慧調度精準

在充分考慮工程特點的基礎上，根據管理機制、系統管理層次，構建了喀群引水樞紐閘門自動化系統總體結構、三級層級結構、三級系統業務數據(如圖4所示)，自動對渠首樞紐最主要水位流量、水工建筑物運行等進行監測。通過信息處理軟件，按照水文數據處理規范，實現對渠首樞紐各水位遙測點在線監測獲得的水位、流量、時間點等數據的顯示、存儲、分析和統計，并生成所需的報表和曲線。通過建設信息化管理系統，提高喀群引水樞紐的管理水平，充分利用遙測、遙控、通信、計算機網絡等技術，通過數據通信系統、計算機網絡平臺、視頻監視系統、閘門控制系統、工程安全監測系統、應用系統及輔助工程，對圖像、水位、流量、水情等數據進行實時監測，全面了解掌握整個工程的運行工況，為喀群引水樞紐運行管理提供安全、可靠、經濟、科學、先進的技術手段，為工程的安全運行提供實時數據和決策支持功能，實現閘門遠程控制、水位流量數據、視頻圖像、安全監測數據實時采集，最終實現塔里木河流域喀什管理局流域治理管理信息化工作的智慧水量調度和流域自動化管理。以自動監測的渠道水位數據、流量數據為依據，將兩岸引水水分四六，東西兩岸引水比例分別為40%、60%，當河道來水流量低于340m3/s時，全部分流至兩岸總干渠，為樞紐的閘門開啟高度提供數據支撐、決策。

圖4 系統總體結構圖

5 設計運行管理的經驗啟示

5.1 “因勢利導，因地制宜”

喀群引水樞紐布置于“S”型彎道河段，“一首兩渠”工程合理布局，符合現代水利工程“人與自然和諧相處”“可持續發展”的治水觀念，整個渠首工程的位置、結構、尺寸及方向等的安排，充分利用了葉爾羌河河段周邊的地形條件和河床天然彎道環流的水流形態，相輔相成、協同作用，組成一個引水控流、泄洪、排沙的有機整體，對今后的水利工程管理具有重要的指導和借鑒意義。

5.2 治水與治沙有機結合

工程建設統籌引水、泄洪、沖沙等目標，利用地形與水勢，人工彎道和天然彎道的有機結合，輸水排洪和泄洪的有機結合，導沙坎+東岸進水沖沙閘相結合，泄洪閘+懸臂攔沙坎及導沙墻+二級沖砂閘+飛沙側堰相結合，科學地利用了自然規律和力學原理，在環流的作用下和科學的排沙方式，解決了分水、泄洪、排沙、引水四大難題，對現代水利工程排沙問題給出了很好的經驗與啟示。

5.3 堅持維護保障運行

喀群引水樞紐自運行以來經歷了數次洪水的考驗，2000年5月完成了東岸總進水閘左岸裹頭、下游2號挑壩壩頭、閘底板及分流墻兩側下部的損毀工程；根據SL 214—2015《水閘安全評價導則》[15]的要求，對工程現狀做出準確及時的評價，對喀群引水樞紐的混凝土結構、閘門和啟閉機進行檢測并開展安全鑒定工作。運行30年來，于2012年完成首次上部結構及啟閉設備的除險加固工程。截至目前，引水樞紐已安全運行40余年，充分體現了可持續發展的思想。

6 結語

喀群引水樞紐對南疆葉爾羌河流域的糧食安全、經濟發展和社會穩定發揮了極為重要的作用、起到了不可替代的基礎作用，發揮著生態供水、灌溉供水、引洪補灌、引水發電等多種效益，為灌區的生活、工業、防洪、環保、發電、旅游等提供了綜合服務。

(1)顯著的防洪效益?？θ阂畼屑~的建設使得葉爾羌河從山地向平原的過渡帶，葉爾羌河不再泛濫成災，而且形成了一個完整的水系工程，通過分水、排沙、調節水量、安全泄洪等手段，妥善解決了引水與泄洪、排沙的問題，實現葉爾羌河大水量精準調節和防止中下游發生洪澇災害和旱災的功效。阿爾塔什水利樞紐建成后，形成了自上游至下游的合理控水、科學分水，結合河道防洪治理，初步形成了“庫堤結合、水庫-樞紐聯合調控”的防洪工程體系，合理利用了水庫防洪庫容，實現了水資源優化配置等方面的科學精準調度，改變了葉爾羌河“冬枯、春旱、秋缺、夏洪”的供水狀況，并將控制洪水轉變為洪水管理，科學利用洪水資源，達到防汛抗旱兩個目的，保障流域防洪安全，使流域整體效益最大化，為葉爾羌河中下游人民生命財產安全提供了安全保障。

(2)巨大的灌溉效益?？θ阂畼屑~的建設大大改善了葉爾羌河兩岸的葉城縣、莎車縣、澤普縣、麥蓋提縣、巴楚縣及岳普湖縣等喀什地區6個縣及新疆生產建設兵團第三師前進水庫墾區、小海子水庫墾區12個團場350萬畝耕地灌溉、社會用水的輸用水條件和14座水庫的引水條件，滿足了7座水電站的發電引水，大大提高了喀什地區供電的可靠性；同時通過此工程引水提高了水的經濟效益，有力地保障了樞紐東西岸引水口的取水，而且在葉爾羌河來水流量低于340m3/s時通過東西兩岸引水干渠輸水，達到了減少河道輸水損失的預期效果。

(3)良好的生態效益?？θ阂畼屑~的建成從根本上改善了葉爾羌河灌區的城鄉生態環境，積極利用洪水，把水高效引入胡楊林區，讓洪水綜合效益最大化，使有限的水資源發揮最大作用，遏制胡楊林退化，促進胡楊林生態逐步好轉，形成了農業灌溉和生態修復雙贏的局面，并營造出A級景區，是旅游愛好者觀光、游玩、避暑的好去處。

(4)較高的管理水平?？θ阂畼屑~立足實際，結合除險加固不斷提升信息化、智慧化管理手段，初步形成了層級管理體系。當下，結合水利工程標準化建設，正在不斷提升網絡化、數字化、智慧化管理能力與手段，以進一步實現操作自動化、檔案規范化、管理信息化、景觀美麗化的目標。

喀群引水樞紐工程利用地形與水勢，實現了分水、泄洪、排沙、引水綜合功能，主要建筑物相互協作、相輔相成，特別是其低水頭引水防沙布置、人工彎道式引水的經驗，可作為今后修建類似引水工程的借鑒。