山區(qū)河流梯級渠化通航設(shè)計(jì)若干問題探討

尹維清，戴昌軍，錢 俊

(水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010)

長江上游航道多為山區(qū)河流，流經(jīng)峽谷、丘陵和階地間，河道平面形態(tài)復(fù)雜，水下礁石密布，航道急、彎、淺、險(xiǎn)并存，航行條件較差，航運(yùn)效能較低。山區(qū)河流航道維護(hù)難度大，如交通部于上世紀(jì)70—90年代對重慶至宜賓進(jìn)行航道整治后，部分灘險(xiǎn)航槽出現(xiàn)回淤，航道條件又開始惡化。從水資源綜合利用的角度，通過河段梯級開發(fā)渠化河流航道，淹沒礙航灘險(xiǎn)，結(jié)合庫尾航道整治工程措施，是山區(qū)河流航道建設(shè)的有效途徑。

金沙江、川江、嘉陵江及烏江等山區(qū)河流開發(fā)表明，梯級電站通航設(shè)計(jì)中通航水位、流量、水位變幅等參數(shù)的合理確定較為困難:山區(qū)河流洪水期歷時短、陡漲陡落，水流形態(tài)較差，按規(guī)范確定的最大通航流量(水位)往往難以滿足樞紐下游引航道通航水流條件要求［1］;按電網(wǎng)需求進(jìn)行電站調(diào)峰調(diào)度時，樞紐下游河段水位變幅可能難以滿足航運(yùn)部門的要求［2］;樞紐上下游最低通航流量(水位)確定要與上下游梯級樞紐水位銜接，并需考慮已建樞紐調(diào)節(jié)的影響［3］。

筆者結(jié)合山區(qū)河流通航設(shè)計(jì)實(shí)踐，以烏江為例，對山區(qū)河流梯級渠化通航設(shè)計(jì)若干問題進(jìn)行了探討，并提出了有關(guān)通航設(shè)計(jì)的建議。

1 樞紐最大通航流量及水位的確定

根據(jù) GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［4］，最大通航流量(水位)一般采用洪水頻率方法確定。通航建筑物上游設(shè)計(jì)最高通航水位應(yīng)采用樞紐正常蓄水位或設(shè)計(jì)擋水位和按規(guī)定的洪水重現(xiàn)期計(jì)算的水位中的高值，下游設(shè)計(jì)最高通航水位應(yīng)為相應(yīng)洪水重現(xiàn)期計(jì)算的樞紐下泄流量所對應(yīng)的最高水位。

山區(qū)河流洪水期船舶航行困難，通常以洪水頻率方法確定的最大通航流量難以保證航道本身通航水流條件要求。根據(jù)SL 104—95《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》［5］有關(guān)規(guī)定，過壩設(shè)計(jì)最大通航流量應(yīng)根據(jù)不同通航流量可能受水流條件限制的停航或減載歷時，經(jīng)分析論證擬定。但規(guī)范中沒有給出不同等級通航建筑物的停航天數(shù)等保證率指標(biāo)。某山區(qū)河流電站不同流量級保證率統(tǒng)計(jì)成果顯示(表1)，20年一遇和2年一遇洪水位差約5.63 m，而高于該流量的歷時保證率差僅為0.33%，即年均天數(shù)差僅為1.2天。因此，不同洪水頻率設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對通航建筑物最高通航設(shè)計(jì)水位影響較大，但通航保證率影響相對較小。

表1 某山區(qū)河流電站不同流量級保證率統(tǒng)計(jì)成果Tab.1 Parameters of seepage property for sandstone

以烏江為例分析，烏江渡以下規(guī)劃為IV級航道，按構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水、銀盤和白馬等6級開發(fā)。根據(jù)GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，對出現(xiàn)高于設(shè)計(jì)最高通航水位歷時很短的IV和V級通航建筑物，洪水重現(xiàn)期可采用5～3年。水文計(jì)算分析結(jié)果表明，構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水、銀盤、白馬壩址5年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為11 100，11 500，12 300，14 400，15 100，17 500 m3/s。

烏江構(gòu)皮灘以下河段各樞紐通航模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)成果表明:①構(gòu)皮灘水電站在右岸河道整治基礎(chǔ)上，采用分層透水隔流堤后，流量小于2 500 m3/s時，下游引航道停泊段水流條件滿足通航標(biāo)準(zhǔn)，口門區(qū)內(nèi)回流流速可滿足通航要求，局部范圍橫向流速超標(biāo)，但超標(biāo)范圍不大;當(dāng)流量大于2 500 m3/s時，下游引航道停泊段及口門區(qū)內(nèi)水流條件不能滿足通航標(biāo)準(zhǔn)。②思林及沙沱樞紐在下泄流量超過5 000 m3/s時，下游航道流速超過3.0 m/s，難以保障航運(yùn)安全;當(dāng)流量為4 420 m3/s時，基本滿足流速流態(tài)的要求。③彭水水電站在不超過5 000 m3/s流量時，下游引航道口門區(qū)航道中心線左側(cè)以回流為主、右側(cè)以斜流為主，大部分范圍內(nèi)的流速值滿足要求。雖有少數(shù)測點(diǎn)超標(biāo)，但自航船模仍然能順利進(jìn)出口門。當(dāng)流量進(jìn)一步增加時，船舶安全過壩難以保障。④銀盤水電站距彭水水電站約53 km，區(qū)間有郁江匯入，白馬水電站距銀盤水電站約51 km，根據(jù)模型試驗(yàn)和洪水特性分析相應(yīng)安全通航流量分別為5 500 m3/s和6 000 m3/s。

烏江梯級渠化通航設(shè)計(jì)表明，若按規(guī)范規(guī)定的洪水頻率方法確定最大通航流量，樞紐下游引航道及口門區(qū)水流條件難以滿足通航要求。由于山區(qū)性河流洪水陡漲陡落的特點(diǎn)，如彭水水電站各典型設(shè)計(jì)洪水從5 000 m3/s上漲到5年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量15 100 m3/s所需時間一般為2～3天，實(shí)際在洪水期也是不通航的，現(xiàn)狀年通航保證率約70% ～90%。目前，美國及歐洲均采用歷時保證率方法確定最大通航流量，根據(jù)模型試驗(yàn)成果，烏江構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水、銀盤、白馬壩址設(shè)計(jì)最大通航流量分別 采 用 2 500，4 420，4 420，5 000，5 500，6 000 m3/s時，相應(yīng)歷時保證率分別為 96.5%，96.7%，96.5%，96.9%，97%，96.7%，較天然情況提高較多，且基本能夠滿足船舶安全通航要求。

分析研究表明，規(guī)范規(guī)定的洪水頻率法確定山區(qū)河流最大通航流量標(biāo)準(zhǔn)偏高，而規(guī)范中最小通航流量及相應(yīng)水位就是按通航保證率確定的，同一性質(zhì)問題采用2種方法確定，值得進(jìn)一步商榷［6］。根據(jù)烏江、嘉陵江、川江等樞紐通航設(shè)計(jì)成果分析，山區(qū)河流梯級電站通航建筑物最大通航流量可在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合通航歷時保證率分析確定，根據(jù)航道等級和通航標(biāo)準(zhǔn)，一般可取95% ～99%，且不應(yīng)低于通航建筑物修建前的通航保證率。

2 樞紐最小通航流量及水位的確定

梯級渠化通航設(shè)計(jì)中，最小通航流量及相應(yīng)水位確定關(guān)系到樞紐綜合效益的發(fā)揮，各級樞紐最小通航流量還需相協(xié)調(diào)，航運(yùn)部門希望增加最小通航流量以更大程度的改善壩下游的航道條件，發(fā)電部門則希望樞紐下泄過程能夠與電網(wǎng)調(diào)度規(guī)則同步。按照GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，樞紐上游設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)采用水庫死水位和最低運(yùn)行水位中的低值;下游設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)采用滿足一定通航保證率的樞紐瞬時最小下泄流量對應(yīng)的水位，并計(jì)入河床下切和電站日調(diào)節(jié)等因素引起的水位變化值。當(dāng)樞紐下游有梯級樞紐時，應(yīng)考慮與下一梯級的上游設(shè)計(jì)最低通航水位銜接。歷時保證率可采用綜合歷時曲線法或保證率頻率法計(jì)算確定，已有研究成果顯示［7］，2種方法計(jì)算結(jié)果存在一定差異，建議交通部門在《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》修訂時，明確最小通航水位確定的基本方法，避免工程設(shè)計(jì)中因2種計(jì)算成果差異引起發(fā)電及航運(yùn)部門之間的矛盾。本次烏江梯級樞紐采用綜合歷時曲線法計(jì)算最低通航水位。

以烏江為例，構(gòu)皮灘下游最低通航水位與思林水電站死水位銜接，即為431 m(考慮思林水庫淤積回水)，構(gòu)皮灘水庫可不設(shè)最小通航流量;思林、沙沱水電站壩下最小通航流量分別為193、228 m3/s，相應(yīng)流量歷時保證率為 98%;彭水、銀盤、白馬水電站壩下最小通航流量分別為280、345、385 m3/s，相應(yīng)流量歷時保證率為 95%。設(shè)計(jì)最低通航水位采用上述通航保證率的樞紐瞬時最小下泄流量對應(yīng)的水位，并計(jì)入河床下切和電站日調(diào)節(jié)等因素引起的水位變化值。其中，銀盤水電站建成后，其運(yùn)行水位與彭水水電站尾水基本銜接，并對彭水水電站的日調(diào)峰運(yùn)行進(jìn)行反調(diào)節(jié)，可進(jìn)一步改善彭水至銀盤河段的通航條件，彭水水電站可不設(shè)置最低通航流量。

烏江梯級水電站通航水位及流量如表2。

表2 烏江梯級水電站通航水位及流量Tab.2 Parameters of seepage property for sandstone

3 電站調(diào)峰調(diào)度與壩下游水位變幅

對樞紐下游航道而言，由于水庫的調(diào)蓄作用，增加了下游枯水期流量，提高枯水期通航水位，改善航運(yùn)條件。但電站調(diào)峰時，根據(jù)非恒定流計(jì)算分析，對山區(qū)性河道，樞紐下泄的非恒定流水位變化幅度較大，可能難以滿足航運(yùn)部門的要求。根據(jù)烏江航運(yùn)管理部門提供的資料，烏江下游河段通航日水位變幅不超高8 m、小時水位變幅不超過1 m。

以烏江為例分析:①構(gòu)皮灘壩下至思林庫區(qū)。在思林水庫水位為431(死水位)～435 m(汛限水位)時，構(gòu)皮灘水電站下游河段水位最大日變幅為10.27～7.08 m，水位最大小時變幅小于1 m。②思林壩下至沙沱庫區(qū)?？紤]沙沱水電站回水影響，思林水電站壩下思南縣城港口處水位日最大變幅為0.21 ～1.75 m、時段最大變幅為 0.05 ～0.37 m。③沙沱壩下至彭水庫區(qū)?？紤]彭水水電站回水影響，沙沱水電站壩下港口水位日最大變幅為1.23 m、時段最大變幅為0.42 m。④彭水壩下河段。不考慮銀盤水電站回水影響，彭水水電站下游彭水港水位最大日變幅7.19 m，最大小時變幅1.58 m。⑤銀盤壩下河段。不考慮白馬水電站回水影響，銀盤水電站壩下游武隆港水位最大日變幅2.37 m，最大小時變幅0.34 m。⑥白馬壩下河段，近壩河段水位最大日變幅1.0 m，最大小時變幅0.39 m。

分析表明，烏江梯級水電站不能完全滿足航運(yùn)水位變幅要求。相關(guān)研究表明，采取限制電站出力小時變動變幅的措施，可改善整個烏江河段的航運(yùn)水流條件，使航運(yùn)作業(yè)基本不受影響，但烏江梯級電站以發(fā)電為主，是國家西電東送的重要的水電能源基地，限制電站出力將使構(gòu)皮灘和彭水在電網(wǎng)中不能充分發(fā)揮其容量效益;若采用電站調(diào)峰通知制度，可使水電站調(diào)峰運(yùn)行時航運(yùn)限制較少，電站發(fā)電運(yùn)行各項(xiàng)能力大大增加，但在一定時間內(nèi)，壩下游水位小時變動幅度可能超過航運(yùn)部門的要求，需要提前通知航運(yùn)管理部門，發(fā)布有關(guān)航行通告。

4 結(jié)論與建議

以烏江為例，分析了山區(qū)河流梯級渠化通航設(shè)計(jì)中的有關(guān)通航流量、水位等，提出了山區(qū)河流梯級樞紐通航設(shè)計(jì)的有關(guān)建議。

1)按規(guī)范要求采用設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)來確定山區(qū)河流最大通航流量(水位)標(biāo)準(zhǔn)偏高，根據(jù)分析，可按規(guī)范推薦的最低通航流量(水位)確定方法，在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合歷時保證率分析確定，根據(jù)航道等級和通航標(biāo)準(zhǔn)，歷時保證率一般可取95%～99%，且不應(yīng)低于通航建筑物修建前的通航保證率。

2)樞紐下游最低通航流量(水位)確定可按綜合歷時曲線法或保證率頻率法確定，由于計(jì)算成果存在差異，為避免工程設(shè)計(jì)中發(fā)電及航運(yùn)部門之間的矛盾，建議交通部門在進(jìn)行《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》修訂時，明確最小通航水位確定的基本方法。

3)山區(qū)性河道彎曲，槽窄水急，電站調(diào)度時非恒定流下泄，下游河段水位變化幅度較大，可能難以滿足航運(yùn)部門的要求，其影響主要表現(xiàn)為港區(qū)作業(yè)，可采取限制電站出力小時變動幅度、增加航運(yùn)基荷和電站調(diào)峰通知制度等措施減緩或消除電站調(diào)峰對航運(yùn)的影響。

4)梯級樞紐通航設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮上下游梯級通航設(shè)計(jì)參數(shù)的銜接與協(xié)調(diào)。在樞紐運(yùn)行期，應(yīng)做好水庫庫區(qū)及壩下游水文泥沙及通航情況的觀測工作，在實(shí)船試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定合理的航運(yùn)條件，保證通航安全。

致謝:衷心感謝參與烏江梯級樞紐通航建筑物數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)、水工模型試驗(yàn)的有關(guān)單位。

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