長(zhǎng)沙綜合樞紐下游遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)通航低水位論證分析

周作茂

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410008)

水利或航電樞紐建成運(yùn)行后，下游河床發(fā)生下切，導(dǎo)致下游水位特別是枯水位下降，這一現(xiàn)象十分普遍.有關(guān)規(guī)范［1-2］要求確定樞紐下游設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)應(yīng)考慮河床下切、電站調(diào)節(jié)、瞬時(shí)流量、航道整治與疏浚等影響.針對(duì)樞紐下游河床下切的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究:張柏英等［3］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多人從河床沖刷粗化角度的研究成果，列出了幾種壩下河床極限沖刷深度和水位下降值的計(jì)算公式;王軍等［4］從輸沙角度，用一維數(shù)模驗(yàn)證計(jì)算了松花江大頂子山航電樞紐運(yùn)行5～30 a后下游132.7km河段沖淤變化情況，預(yù)測(cè)壩下水位下降值;陳一梅等［5］以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立推算水利樞紐下游河段設(shè)計(jì)最低通航水位的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)枯季連續(xù)73 h沿程水文站點(diǎn)的逐時(shí)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，用此模型對(duì)閩江水口壩下觀音寺設(shè)計(jì)最低通航水位進(jìn)行計(jì)算.上述分析計(jì)算一般需要大量、連續(xù)的水文或泥沙等資料.

近年來(lái)，湘江下游株洲至長(zhǎng)沙河段枯水期水位下降幅度很大.長(zhǎng)沙綜合樞紐位于湘江下游靠近洞庭湖的河段，樞紐建成后其下游河段受清水下泄和砂卵石開(kāi)采的影響，加上湘江、洞庭湖和長(zhǎng)江水文變化對(duì)樞紐下游水文的影響，樞紐下游河床將會(huì)進(jìn)一步下切并導(dǎo)致枯水位繼續(xù)下降.合理確定該枯水位下降值，亦即合理確定長(zhǎng)沙綜合樞紐下游遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)通航低水位，對(duì)樞紐建設(shè)投資、保證樞紐通航設(shè)施今后一定時(shí)期內(nèi)正常運(yùn)行、最大限度發(fā)揮航運(yùn)效益等方面，都是至關(guān)重要的.

1 工程概況

長(zhǎng)沙綜合樞紐是以保證長(zhǎng)株潭城市群生產(chǎn)生活用水，適應(yīng)濱水景觀帶建設(shè)和進(jìn)一步改善長(zhǎng)沙至株洲段通航條件為主，兼顧發(fā)電等功能的公益性基礎(chǔ)設(shè)施工程［6］.樞紐壩址位于湘江下游的蔡家洲河段，下游距溈水河口2.2km，上游距月亮島大橋13km.樞紐主要工程包括2000 t級(jí)雙線船閘，閘室有效尺度為280m×34 m×4.5m;凈寬22m×26孔和14 m×20孔泄水閘;電站裝機(jī)容量5.7萬(wàn)kW;6車(chē)道壩頂公路橋、魚(yú)道、進(jìn)場(chǎng)公路等配套設(shè)施.船閘通航水位如下(56黃海高程):上游最高通航水位35.06m(頻率為5%);運(yùn)行期水庫(kù)放空時(shí)和施工期上游最低通航水位為24.0m;上游正常通航低水位擋水期為29.7m(敞泄時(shí)為28.4 m)，保證率大于98%;下游最高通航水位為34.88 m，頻率為5%;下游最低通航水位近期為21.9 m(遠(yuǎn)期為20.4 m)，保證率為98%.

2 樞紐河段水文變化及其主要原因

2.1 河段枯水水位和流量變化

株洲至城陵磯河段主要水位(文)站不同時(shí)段的水位觀測(cè)資料分析［7］見(jiàn)表1.

表1 保證率98%水位分析比較(56黃海高程)Tab.1 Analysis and comparison of water levels with guarantee of 98%(56 Yellow Sea altitude) m

從表1可見(jiàn):株洲至湘陰區(qū)間各站近10年98%歷史保證率水位比長(zhǎng)系列同頻率的水位下降0.55～1.05m，鹿角和城陵磯站則分別抬高了0.80和1.66m.

蔡家洲壩址水文分析［6］表明:近10年98%歷史保證率水位比長(zhǎng)系列下降約1.0m，但同期流量則提高約17%(由329 m3/s提高到385m3/s);近10年年平均水位較長(zhǎng)系列年平均水位下降0.4 m，但同期年平均流量則略有增加(1.5%).

2.2 各因素影響分析

樞紐河段水文受湘江來(lái)水來(lái)砂、洞庭湖和長(zhǎng)江水位頂托等多方面的影響，此外樞紐建成后壩下河段受清水下泄的沖刷影響、沙卵石開(kāi)采的影響等.按目前發(fā)展態(tài)勢(shì)，樞紐下游河段枯水期的水位將會(huì)進(jìn)一步降低.為合理確定枯水期水位下降的幅度，須對(duì)前述各種影響因素進(jìn)行定量或定性的分析.

2.2.1 城陵磯枯水位變化的影響 城陵磯水文站(二站)的水位主要受長(zhǎng)江干流的影響，也反過(guò)來(lái)影響湘江長(zhǎng)沙以下河段的水位.城陵磯七里山站通航低水位變化情況見(jiàn)表1.

考慮到城陵磯上游的葛洲壩樞紐和三峽樞紐分別于1985年和2003年開(kāi)始運(yùn)行，因此城陵磯枯水位逐步抬高的原因，與三峽水庫(kù)枯水期下泄流量的增加(下泄流量不低于5500m3/s，較壩址處天然情況下最枯流量增加了近1倍，為宜昌站天然情況下95%保證率流量3200m3/s的1.7倍)有一定的關(guān)系.

有文獻(xiàn)［8-10］認(rèn)為城陵磯河段水位抬高，主要原因是城陵磯上游的長(zhǎng)江下荊江河段1966—1968年在中洲子和上車(chē)灣進(jìn)行人工截彎取直，以及在1972年沙灘子發(fā)生自然裁彎，使荊江河道縮短約78km所致;另外，葛洲壩建成及下荊江多處截彎取直后，葛洲壩下游河道特別是荊江發(fā)生沖刷，城陵磯下游的城陵磯至螺山河段或城陵磯至武漢河段淤積產(chǎn)生頂托所致.

城陵磯河口距長(zhǎng)沙樞紐壩址長(zhǎng)達(dá)146km，目前其抬高的98%保證率的枯水位對(duì)壩址處的同期枯水位沒(méi)有明顯影響.

2.2.2 三峽水庫(kù)引起壩下長(zhǎng)江河段沖淤對(duì)長(zhǎng)沙樞紐河段的影響 三峽水庫(kù)(及葛洲壩水庫(kù))一般沿長(zhǎng)江河道下泄.城陵磯距三峽大壩沿長(zhǎng)江水路約500km.天津水運(yùn)科學(xué)研究所［11］經(jīng)與漢江丹江口水庫(kù)對(duì)下游河道近30年的實(shí)際影響進(jìn)行對(duì)比分析，得出城陵磯至武漢河段直到水庫(kù)運(yùn)用20 a后才轉(zhuǎn)淤為沖;至第40年，沖刷使下荊江監(jiān)利站水位降低4.0m(6000m3/s時(shí))，城陵磯水位降低1.5～2.0m.

若如上所述，近20 a內(nèi)城陵磯河段以淤為主，加上枯水流量將增加，則城陵磯枯水位還將有一定的提高;若40 a后城陵磯水位確實(shí)下降1.5～2.0m，將對(duì)長(zhǎng)沙樞紐以下河段，以及資、沅、澧水下游和洞庭湖區(qū)航道造成嚴(yán)重影響，屆時(shí)必須根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的工程措施(如建設(shè)洞庭湖口綜合樞紐)才能解決.

三峽工程對(duì)下游河道沖刷的影響在空間和時(shí)間的展開(kāi)是非常復(fù)雜的，分析結(jié)果還有待三峽樞紐實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后的驗(yàn)證和修正.因此，三峽樞紐對(duì)長(zhǎng)沙綜合樞紐的不利影響目前難以定量分析，故其不利影響暫未考慮.

2.2.3 湘江來(lái)水來(lái)沙的影響 湘江長(zhǎng)沙以上流域內(nèi)，已建成諸如涔天河、雙牌、東江、歐陽(yáng)海、青山垅、酒埠江、株樹(shù)橋、官莊、水府廟、黃材等10座大型水庫(kù)，水庫(kù)集水總面積達(dá)25963km2.湘江干流上還建有宋家洲、近尾洲、大源渡和株洲等大型樞紐水庫(kù)，這對(duì)長(zhǎng)沙綜合樞紐工程的來(lái)水來(lái)沙有一定的影響.

株洲、湘潭、長(zhǎng)沙、湘陰等水位(文)站和壩址處的水文觀測(cè)資料分析表明:湘江年徑流總量變化在正常范圍;樞紐河段枯水期流量有一定增加，年平均水位略有降低，枯水期水位有較大降低.

湘潭站和衡陽(yáng)站的泥沙資料分析表明，湘江干流水利樞紐工程運(yùn)行后懸移質(zhì)含量變化很小，但使河段的推移質(zhì)輸送能力大為減弱，如長(zhǎng)沙至株洲樞紐之間干流推移質(zhì)輸沙量由占懸移質(zhì)輸沙量的20%降低為5.6%［6］.隨著干支流上水利樞紐工程的增加，推移質(zhì)在下游河段的淤積量將會(huì)急劇減少.

因此，就湘江上游的來(lái)水條件和懸移質(zhì)輸沙而言，對(duì)本樞紐及以下河段應(yīng)該沒(méi)有不利的影響，但上游諸多樞紐工程攔阻了大多數(shù)的推移質(zhì)，使下游河段被采挖的砂卵石難以得到及時(shí)補(bǔ)充(即推移質(zhì)重新淤積)，會(huì)導(dǎo)致枯水水位降低.

2.2.4 河床砂石開(kāi)采的影響 湘江尤其是株洲以下河段砂卵石質(zhì)地優(yōu)良，蓄量豐富，容易開(kāi)采，沿江各行業(yè)建筑用砂卵石均來(lái)自湘江，目前還通過(guò)火車(chē)和船舶將湘江砂卵石運(yùn)至重慶至上海沿江的建設(shè)工地.省海事局根據(jù)湖南省水上交通流量調(diào)查結(jié)果，推算出2005—2007年湘江航道礦建材料(絕大部分是砂卵石)運(yùn)量分別達(dá)3896，4746 和5458 萬(wàn) t.

湘江河段砂卵石開(kāi)采目前未得到有效管理.開(kāi)采商無(wú)序開(kāi)采和濫采亂挖，在邊灘、洲頭等厚度大、水深淺的易開(kāi)采處大量開(kāi)采，不需要的棄渣則隨意且成堆丟棄在河道中，造成枯水期水域面積增加，河道中坑洼地較多，導(dǎo)致枯水期水流分散，水位降低.因此，結(jié)合近期株洲以下河段98%歷史保證率水位下降0.55～1.05m，城陵磯同期水位則抬高了約1.7m的實(shí)際情況，可認(rèn)為湘江砂石的無(wú)序開(kāi)采、濫采亂挖是造成本河段枯水位下降的主要原因.

3 遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)通航低水位及其前瞻性

上述分析表明，株洲以下河段由于砂卵石的無(wú)序開(kāi)采和濫采亂挖，導(dǎo)致河床變形劇烈、水位下降.根據(jù)目前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，可以判斷近期對(duì)湘江砂卵石仍有巨大的需求.長(zhǎng)沙綜合樞紐工程可行性研究報(bào)告中預(yù)測(cè)2015年、2020年及2030年湘江航道礦建材料運(yùn)量將分別達(dá)6855，7100和7240萬(wàn)t，其中絕大部分發(fā)生在株洲以下河段.隨著砂卵石的繼續(xù)大量開(kāi)采，樞紐以下河段的枯水期水位將進(jìn)一步下降.

長(zhǎng)沙綜合樞紐工程設(shè)計(jì)中根據(jù)國(guó)內(nèi)其他水利樞紐下游(如漢江丹江口樞紐)河床的沖刷變形情況、目前砂卵石開(kāi)采及枯水位下降的實(shí)際情況、預(yù)測(cè)的砂卵石開(kāi)采量、洞庭湖和城陵磯的水位變化情況，同時(shí)考慮到對(duì)沙石開(kāi)采市場(chǎng)的監(jiān)管逐步到位，在河道中無(wú)序挖沙的行為將會(huì)逐步得到控制等因素，估計(jì)樞紐處下游遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)低水位將下降1.5m，即取遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)低水位為20.40m.

據(jù)湘江下游河段湘陰、鹿角、城陵磯枯水水位情況(見(jiàn)表1)，近10 a與1954—1984年長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)比較，城陵磯站和鹿角站98%保證率水位分別抬高了1.66和0.77m.據(jù)相關(guān)資料［7］對(duì)各灘險(xiǎn)設(shè)計(jì)低水位的比較，并結(jié)合城陵磯站和鹿角站設(shè)計(jì)低水位的抬高情況分析，目前設(shè)計(jì)低水位維持不變的位置大致在距城陵磯約80km的營(yíng)田一帶(即湘陰站下游約20km，距樞紐約66km，城陵磯距長(zhǎng)沙樞紐146km)，其設(shè)計(jì)低水位約19.3m.假設(shè)今后樞紐下游河段水位進(jìn)一步下降、城陵磯水位和城陵磯以上湘江洪道枯水水面比降維持不變(即不考慮城陵磯水位因三峽水庫(kù)運(yùn)行后將會(huì)出現(xiàn)的不利變化)，按表1中1998—2008年資料所得枯水水面比降，用三角形相似公式，推算壩址處極限低水位為20.6m.

由上述分析可知:長(zhǎng)沙綜合樞紐下游遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)低水位預(yù)留1.5m的下降深度，即遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)低水位為20.4 m，比前述估算值低0.2m，兩者十分接近.因此，在不考慮城陵磯水位將來(lái)可能發(fā)生的不利影響的前提下，長(zhǎng)沙綜合樞紐船閘下游門(mén)檻按遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)低水位下降1.5m設(shè)計(jì)，可確保將來(lái)河床下切至極限狀態(tài)時(shí)枯水期仍能保證2000 t級(jí)船舶通行水深要求，并還略有富余.

4 結(jié)語(yǔ)

(1)水文資料分析表明，湘江株洲至湘陰河段枯水位呈下降趨勢(shì)，城陵磯至鹿角河段則呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明湘江下游河段枯水期水位持續(xù)走低的主要原因不是長(zhǎng)江和洞庭湖同期水位過(guò)低，而是湘江砂石的無(wú)序開(kāi)采、濫采亂挖、隨意棄渣所致.

(2)湘江下游河段現(xiàn)有砂卵石是經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的水流作用才形成的，上游諸多樞紐工程的攔阻使下游被采挖河段的推移質(zhì)難以得到及時(shí)補(bǔ)充.因此現(xiàn)有砂卵石是有限的寶貴資源，建議相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)管理，規(guī)范采挖范圍和深度，適當(dāng)限制開(kāi)采數(shù)量，充分利用各級(jí)配砂卵石，禁止隨意棄渣，使枯水期流量能歸順主河槽或航槽，保證枯水期航深要求.

(3)湘江下游河段近年枯水位下降幅度和下降速率都較大，航運(yùn)工程確定設(shè)計(jì)通航低水位時(shí)須認(rèn)真分析近期的水位和流量資料，建議采用近15 a左右的資料，以確保設(shè)計(jì)通航低水位的可靠性.

(4)分析表明，在不考慮城陵磯水位將來(lái)可能發(fā)生不利影響的前提下，長(zhǎng)沙綜合樞紐下游設(shè)計(jì)通航低水位預(yù)留1.5m的下降深度，可確保將來(lái)河床下切至極限狀態(tài)時(shí)的航道水深要求，并還略有富余.因此，預(yù)留1.5m的下降深度是合理的.

(5)三峽運(yùn)行多年后，城陵磯河段將由淤轉(zhuǎn)沖，可能會(huì)引起城陵磯枯水水位大幅下降，進(jìn)而對(duì)湘、資、沅、澧四水下游和洞庭湖航道造成嚴(yán)重影響.長(zhǎng)沙綜合樞紐工程設(shè)計(jì)中難以采取經(jīng)濟(jì)合理的措施來(lái)適應(yīng)這種情況，屆時(shí)只能通過(guò)其他工程措施，統(tǒng)籌解決對(duì)湘、資、沅、澧四水下游和洞庭湖航道的不利影響問(wèn)題.

［1］GB 50139-2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.(GB 50139-2004，Navigation standard of inland waterway［S］.(in Chinese))

［2］JTS 182-1-2009，渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.(JTS 182-1-2009，Design code for hydrojunction general layout of canalization works［S］.(in Chinese))

［3］王軍，王義安，于廣年.松花江大頂子山航電樞紐壩下沖刷深度及水位降落研究［J］.水道港口，2011，32(3):197-201.(WANG Jun，WANG Yi-an，YU Guang-nian.Research on fall of level and degradation below dam of Dadingzishan navigation-power junction［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32(3):197-201.(in Chinese))

［4］張柏英，李一兵.樞紐下游河床極限沖刷及水位降落研究進(jìn)展［J］.水道港口，2009，30(2):101-107.(ZHANG Bo-ying，LI Yi-bing.Research progress on riverbed ultimate erosion and falling of water level at lower reach of hydro-junction［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30(2):101-107.(in Chinese))

［5］陳一梅，徐造林.水利樞紐下游河段設(shè)計(jì)最低通航水位推算方法探討［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，32(2):151-155.(CHEN Yi-mei，XU Zao-lin.Study on method of calculating designed lowest navigable stage at downstream stretch of hydro-junction［J］.Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2002，32(2):151-155.(in Chinese))

［6］湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院.長(zhǎng)沙綜合樞紐工程工程可行性研究［R］.長(zhǎng)沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，2009.(Hunan ProvincialCommunicationsPlanning，Survey ＆ Design Institute.EngineeringfeasibilitystudyofChangsha comprehensive junction project［R］.Changsha:Hunan Provincial Communications Planning，Survey ＆ Design Institute，2009.(in Chinese))

［7］湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院.湘江株洲-城陵磯2000噸級(jí)航道建設(shè)工程預(yù)可行性研究［R］.長(zhǎng)沙:湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，2009.(Hunan Provincial Communications Planning，Survey＆ Design Institute.Engineering pre-feasibility study of 2000 t waterway construction of Xiangjiang River from Zhuzhou to Chenglinji［R］.Changsha:Hunan Provincial Communications Planning，Survey＆ Design Institute，2009.(in Chinese))

［8］段文忠，鄭亞慧，劉建軍.長(zhǎng)江城陵磯-螺山河段水位抬高及原因分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2001(2):29-34.(DUAN Wenzhong，ZHEN Ya-hui，LIU Jian-jun.Causes of water level rising in Chenglingji-Luoshan reach of Changjiang River［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2001(2):29-34.(in Chinese))

［9］李正最，湯喜春.論三峽工程建成后長(zhǎng)江城漢河段的綜合整治［J］.水電站設(shè)計(jì)，2002(4):10-16.(LI Zheng-zui，TANG Xi-cun.On comprehensive harnessing Cheng-Han reach of the Yangtze River after completion of Three Gorges Project［J］.Design of Hydroelectric Power Station，2002(4):10-16.(in Chinese))

［10］徐貴，黃云仙，黎昔春，等.城陵磯洪水位抬高原因分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2004(8):33-45.(XU Gui，HUANG Yun-xian，LI Xi-chun，et al.Analysis of the causes of water level rising at Chenglingji hydrological station of Changjiang River［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004(8):33-45.(in Chinese))

［11］李憲中，陸永軍，劉懷漢.三峽樞紐蓄水后對(duì)荊江重點(diǎn)河段航道影響及對(duì)策初步研究［J］.水運(yùn)工程，2004(8):55-59.(LI Xian-zhong，LU Yong-jun，LIU Huai-han.Influences on waterway of Jingjiang River key reach after impoundment of Three-Gorges Junction and research on countermeasures［J］.Port＆ Waterway Engineering，2004(8):55-59.(in Chinese))