省水船閘發(fā)展及研究現(xiàn)狀

王曉青，劉暢

（1重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016；2廣東省航道局，廣東510115)

省水船閘發(fā)展及研究現(xiàn)狀

王曉青1，劉暢2

（1重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016；2廣東省航道局，廣東510115)

1 省水船閘的概念及特點(diǎn)

船閘是通航建筑物的主要型式之一，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，船閘技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。省水船閘具有省水和削減水頭的功能，省水船閘除節(jié)省船閘用水量（省水量一般可達(dá)40%～70%）、保護(hù)珍貴的水資源外，還具有降低船閘工作水頭，減少解決閥門(mén)工作條件的技術(shù)難度以及簡(jiǎn)化船閘輸水系統(tǒng)，改善上、下游引航道及閘室水流條件的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是工程量較大，運(yùn)行程序較為復(fù)雜。省水船閘型式建設(shè)較多的是德國(guó)，目前國(guó)內(nèi)建造較少。但隨著通航運(yùn)河的建設(shè)和水資源的日益緊缺，省水船閘將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 省水船閘的適用范圍

省水船閘是一種經(jīng)濟(jì)、快捷且符合生態(tài)要求的通航建筑物型式。省水船閘具有降低工作水頭、降低船閘耗水量的特點(diǎn)，適合我國(guó)落差大、枯水季節(jié)缺水的內(nèi)河河流。省水船閘應(yīng)用在高落差的河流中優(yōu)點(diǎn)突出，可成倍降低閥門(mén)工作水頭并且能有效解決在水源貧乏河段農(nóng)業(yè)、發(fā)電、航運(yùn)三者之間的矛盾。

在西部的重慶、四川、云南、貴州及廣西等地區(qū)建設(shè)的水電基地中，有一大批高水頭的水電樞紐，如長(zhǎng)江三峽、瀾滄江景洪、廣西紅水河、龍灘、烏江彭水、右江百色等，這些航電樞紐工程大多數(shù)建設(shè)于通航河流上，水頭均在30m以上。船閘工程的工作水頭達(dá)到一定高度后，由高水位差轉(zhuǎn)換而來(lái)的巨大動(dòng)能不僅導(dǎo)致閥門(mén)工作條件變壞，也使得閘室內(nèi)水流紊動(dòng)加劇，船舶停泊條件惡化。省水船閘在灌泄水時(shí)上下游水體不直接進(jìn)出入閘室，而是經(jīng)過(guò)了水體交換，使輸水閥門(mén)工作水頭成倍降低。同時(shí)，由于船閘的耗水量較大，運(yùn)行中容易與樞紐發(fā)電產(chǎn)生用水矛盾，因而在小河流域的樞紐上，建設(shè)省水船閘具有明顯的優(yōu)越性。

3 省水船閘發(fā)展概況

法國(guó)人卡萊利首先提出了省水船閘的概念,并在法國(guó)羅亞爾河上的烏博埃船閘開(kāi)啟了省水船閘試驗(yàn)。德國(guó)是研究和實(shí)踐省水船閘最多的國(guó)家，從19世紀(jì)80年代開(kāi)始興建省水船閘。如在萊茵河-多瑙河運(yùn)河上，從萊茵河的班貝格到多瑙河的凱爾海姆全長(zhǎng)171km，水位差高達(dá)243m，共建造了16座船閘，其中14座為省水船閘。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的不斷實(shí)踐，德國(guó)省水船閘輸水系統(tǒng)布置、船閘運(yùn)行方式及輸水水力特性等研究及運(yùn)用均達(dá)到了較高水平。

從60年代起，省水船閘在我國(guó)進(jìn)行過(guò)一些實(shí)驗(yàn)和研究，但應(yīng)用較少。60年代，天津大學(xué)在長(zhǎng)江三峽船閘研究中就提出過(guò)省水船閘方案設(shè)計(jì)報(bào)告及三峽船閘節(jié)水問(wèn)題的分析；70年代南京水利科學(xué)研究所受安微省交通局港航工程處委托，進(jìn)行了鄭家崗省水船閘模型試驗(yàn)[1]；80年代天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所結(jié)合南水北調(diào)中穿越黃河的平交方案，作了國(guó)內(nèi)省水船閘有關(guān)問(wèn)題的總結(jié)。自2000年以后，重慶交通大學(xué)進(jìn)行了烏江銀盤(pán)省水船閘水動(dòng)力學(xué)研究[2-4]；山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了桂林市春天湖雙線(xiàn)雙向省水船閘運(yùn)行研究[5]；天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院進(jìn)行了西江航運(yùn)干線(xiàn)長(zhǎng)洲水利樞紐三線(xiàn)四線(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)等研究[6-8]，這些研究為省水船閘在我國(guó)建設(shè)應(yīng)

用打下了基礎(chǔ)。

4 省水船閘的類(lèi)型及工作原理

目前水運(yùn)工程中，具有省水功能的通航建筑物船閘，有帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘、不待航船閘、灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線(xiàn)船閘、具有中間渠道的船閘等。

（1）帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘

帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘工作原理如圖1所示。一般在船閘邊上設(shè)幾級(jí)蓄水池，當(dāng)船閘泄水時(shí)，不是直接泄向下游，而是先泄向蓄水池。泄水的順序是：先泄向高處的蓄水池，再依次泄向低處的蓄水池，多余部分泄向下游。船閘充水時(shí)，先從蓄水池向閘室充水。充水的順序恰好同泄水順序相反，首先從低處的蓄水池向閘室充水，然后再依次到高處的蓄水池。同樣，蓄水池的水不足部分由上游補(bǔ)充[9]。

圖1 帶水池的省水船閘工作原理

在蓄水池級(jí)數(shù)相同的條件下，蓄水池占地面積越大，省水率越高。同樣，在相同占地面積的條件下，蓄水池級(jí)數(shù)越多，則省水率越高。增加蓄水池級(jí)數(shù)的省水效果比增加蓄水池面積明顯得多，但超過(guò)三級(jí)以后，省水效果明顯下降。這是德國(guó)的省水船閘一般是蓄水池面積等于閘室面積，且只設(shè)三級(jí)蓄水池的原因之一。

(2)不待航船閘

不待航船閘是將一般船閘的集中水頭劃分為多級(jí)，形成一連續(xù)多級(jí)低水頭船閘。劃分水級(jí)大小，以能使船舶過(guò)閘時(shí)與船閘的灌(泄)水、閘閥門(mén)啟閉同時(shí)進(jìn)行，閘室就是航道的本身。船舶的航行速度與閘室長(zhǎng)度、輸水時(shí)間、閘閥門(mén)啟閉時(shí)間有關(guān)，它們之間要相互協(xié)調(diào)配合，使船舶能不停頓過(guò)閘。不待航船閘節(jié)約航運(yùn)用水。當(dāng)船舶每過(guò)一次它的耗水量?jī)H為單級(jí)船閘的1/4[10]。

(3)灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線(xiàn)船閘

目前我國(guó)一些船閘為復(fù)線(xiàn)船閘，為節(jié)省用水，在增添復(fù)線(xiàn)船閘以及在設(shè)計(jì)雙線(xiàn)船閘時(shí)，可采用灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線(xiàn)船閘型式。即在并列的兩個(gè)閘室之間，用輸水廊道溝通，并設(shè)置閥門(mén)加以控制[10]。

(4)具有中間渠道的船閘

在兩個(gè)船閘之間，用中間渠道聯(lián)接，則在船舶過(guò)閘過(guò)程中，每閘次耗水量為單級(jí)船閘，但具有中間渠道的船閘輸水時(shí)，在中間渠道中產(chǎn)生特殊的水力學(xué)問(wèn)題較為復(fù)雜，如灌(泄)水非恒定流在中間渠道內(nèi)長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生波的反射、疊加等[11]。

省水船閘不僅節(jié)約水資源，還可利用每次船舶過(guò)閘，放水和注水，通過(guò)發(fā)電機(jī)組回收電能，接入電網(wǎng)。回水泵由電網(wǎng)直接供電工作，把水部分回抽到上水庫(kù)，從而達(dá)到兼顧省水和發(fā)電的目的（圖2）。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行耗水量較大的船閘設(shè)計(jì)中，如能在滿(mǎn)足船舶安全過(guò)閘基礎(chǔ)上采用省水式船閘，將會(huì)產(chǎn)生可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖2 省水船閘利用發(fā)電示意圖

5 國(guó)內(nèi)外省水船閘相關(guān)研究

為確保設(shè)計(jì)方案具有水力條件最佳、船舶運(yùn)行安全、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程布置合理、工程經(jīng)濟(jì)，有必要對(duì)省水船閘進(jìn)行前期研究、分析和論證工作，包括嚴(yán)格、系統(tǒng)的模型和原型試驗(yàn)等。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦水工研究院、卡爾斯魯水工研究所、慕尼黑工業(yè)大學(xué)水工學(xué)院以及南京水利科學(xué)研究院、天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院、重慶交通大學(xué)等單位對(duì)省水船閘進(jìn)行的研究，總結(jié)內(nèi)容如下：(1)輸水系統(tǒng)方案及水力學(xué)研究。包括輸水系統(tǒng)布置方案、消能型式等；(2)閘室灌、泄水水力特性研究；(3)輸水系統(tǒng)廊道壓力特性研究；(4)船舶停泊條件研究；(5)船閘運(yùn)行水力學(xué)研究。包括船閘單獨(dú)運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，上下引航道內(nèi)流速流態(tài)測(cè)定及分析（圖3）。

圖3 省水船閘的研究?jī)?nèi)容

6 結(jié)語(yǔ)

“以人為本、尊重自然、保護(hù)環(huán)境、堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展”是國(guó)家倡導(dǎo)的重要方針。2011年6月27日，交通運(yùn)輸部印發(fā)《公路水路交通運(yùn)輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》。2011年8月31日，國(guó)務(wù)院辦公室廳印發(fā)《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，提出加快節(jié)能減排技術(shù)開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，在加強(qiáng)節(jié)能減排管理方面，提出推動(dòng)建筑節(jié)能和推進(jìn)交通運(yùn)輸節(jié)能減排。實(shí)施低碳交通，深入開(kāi)展“車(chē)船路港”千家企業(yè)低碳交通運(yùn)輸專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)。

航運(yùn)發(fā)展與水利水電建設(shè)相結(jié)合，對(duì)水資源綜合開(kāi)發(fā)利用、水運(yùn)節(jié)能減排具有重要的意義。船閘的耗水量較大，發(fā)展省水船閘及其通航設(shè)施能有效解決枯水期水資源貧乏河段農(nóng)業(yè)、發(fā)電、航運(yùn)三者之間的矛盾，對(duì)于充分利用和保護(hù)水資源具有重要的意義。省水船閘已被廣泛應(yīng)用于德國(guó)的運(yùn)河，或運(yùn)河與天然河流立交工程中，在德國(guó)的航運(yùn)建設(shè)中起著舉足輕重的作用。目前，省水船閘在我國(guó)還處于起步階段。隨著國(guó)家提出的交通航運(yùn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和對(duì)節(jié)能減排工作的推進(jìn)，必將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)省水船閘的建設(shè)與發(fā)展。

[1]楊裔軒.鄭家崗省水船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究，1980（1）：37-45.

[2]陳明棟，楊忠超，楊斌.烏江銀盤(pán)船閘輸水系統(tǒng)選型研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（5）：30-34.

[3]楊忠超，陳明棟，楊斌.烏江銀盤(pán)省水船閘整體水力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010（2）：61-65.

[4]陳明棟，楊斌，楊忠超，等.省水船閘在高壩通航中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2008（12）：114-118.

[5]蘇海濱.雙線(xiàn)雙向省水運(yùn)行船閘的設(shè)計(jì)體會(huì)[J].電力學(xué)報(bào)，2006，21（2）：247-248，265.

[6]交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院.長(zhǎng)洲水利樞紐三線(xiàn)四線(xiàn)船閘初步設(shè)計(jì)階段整體模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2010．

[7]廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.長(zhǎng)洲水利樞紐三線(xiàn)四線(xiàn)船閘工程初步設(shè)計(jì)[R].南寧：廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，2010．

[8]張珊，吳澎.長(zhǎng)洲水利樞紐3-4號(hào)船閘平面布置研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào).2012（4）：1-5.

[9]周玉華，劉鋒.省水船閘初探[J].水運(yùn)工程，2006（10）：156-159.

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[11]三峽工程（設(shè)中間渠道）船閘輸水系統(tǒng)試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，1990.

責(zé)任編輯：孫蘇

Developmentand Study StatusofWater-saving Ship Lock

省水船閘對(duì)于充分利用和保護(hù)水資源具有重要的意義。該文簡(jiǎn)述了省水船閘的特點(diǎn)及發(fā)展情況，分析了省水船閘的類(lèi)型和工作原理，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)?nèi)容與現(xiàn)狀。指出在國(guó)家倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排的方針引導(dǎo)下省水船閘廣闊的發(fā)展前景。

省水船閘；水資源保護(hù)；可持續(xù)發(fā)展；通航建筑物

Water-saving ship lock is of greatsignificance in water resource utilization and protection.This paper introduces the features and development condition ofwater-saving ship lock,analyzes the types and working principlesofwater-saving ship lock and summarizes current relevant study contentsand statusathome and abroad.Thew ide developmentprospectsofwater-saving ship lock under the guidelineofsustainable development，energy saving and em ission reduction are pointed out.

water-saving ship lock;water resourceprotection;sustainabledevelopment;navigation structure

U 641

A文章編號(hào)：1671-9107（2013）10-0052-03

2013-09-22

王曉青（1974-），女，四川綿陽(yáng)人，博士，高級(jí)工程師，主要從事水環(huán)境保護(hù)與治理研究。

廣東省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)：科技2013-04-007。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.010.052