提升船舶通過三峽船閘吃水控制研究

周建武+張義軍

摘要：通過分析三峽船閘各級閘檻水深特點，提出了最小檻上水深提升前提，以及在該前提下水深提升方法。在合理調(diào)整船閘運行程序參數(shù)，優(yōu)化補水轉(zhuǎn)換條件和補水策略后，能夠提高三峽船閘的最小檻上水深，進而有效增加允許過閘船舶的吃水深度，產(chǎn)生航運效益。

關(guān)鍵詞：三峽船閘 吃水控制 檻上水深

三峽蓄水成庫后，航運條件得到大幅改善，刺激了長江航運經(jīng)濟的發(fā)展，2011年開始，通過三峽船閘年單向貨運量達到設計值。受長江干線船型標準化政策和市場機制的影響，通過三峽船閘的船舶大型化趨勢日益明顯，船舶型深、滿載吃水也越來越大。平均額定載重噸位4000噸以上的船舶超過半數(shù)，尤其是5000噸以上的船舶達到1/3。船舶越來越大，加之長江中游航道整治，維護水深的提高，航運業(yè)對船舶過閘吃水控制也提出了新的更高要求。據(jù)調(diào)研，一般情況下載重4000噸的船舶滿載吃水達到4.3m，載重5000-6000噸的船舶滿載吃水超過4.5m。

目前通航管理部門對外發(fā)布的船舶允許過閘吃水由三峽船閘最小檻上水深決定，當三峽船閘最小檻上水深6.0m及以上時按4.5m、最小檻上水深5.5 m及以上時按4.3 m、最小檻上水深5.125-5.5 m之間時按4.0 m、最小檻上水深5.0-5.125m之間按3.9m控制船舶最大吃水（危險品船舶吃水相應減少0.1m）。三峽船閘設計檻上水深5m。如果要實現(xiàn)全年船舶吃水4.3m或4.5m，則需相應采取措施將最小檻上水深常年保證在5.5m或6.0m以上，根據(jù)三峽水庫蓄水及消落過程中水深的理論計算，全年約70天時間最小檻上水深低于5.5m，遇枯水年份，如果水位消落過快，最小檻上水深5.5m以下的天數(shù)將增加到100多天，此期間過閘船舶吃水按4.0m控制，半數(shù)以上船舶無法滿載過閘，對航運的影響巨大。因此，如何充分挖掘三峽河段水資源潛力，提升船舶通過三峽船閘的吃水控制，是通航管理部門服務長江航運企業(yè)的一項重大舉措。

三峽船閘檻上水深現(xiàn)狀

三峽船閘采用“只補不溢”的水級劃分方案，閘室水體來自上游，逐級下放，最后大部分排入長江主河道，少量水體由輔助輸水廊道排入下游航道，充、泄水過程由輸水廊道的輸水閥控制。在某些特定的水位組合情況下，首級閘室的水量注入下一級閘室使兩閘室水位保持平齊，若不能滿足最小通航水深的要求時，需要直接由上游向下一級閘室補充一定水量，稱為補水。

1、各級閘首底檻高程

三峽船閘各閘首（室）底高程分別為：1#閘首139m，2#閘首139m，3#閘首119.25m，4#閘首98.5m，5#閘首77.75m，6#閘首57m。

2、運行水位

三峽工程蓄水至175m以后，上游水位常年維持在145m（汛期最低降至144.9m）至175m之間運行。下游設計通航水位62m，根據(jù)現(xiàn)有的通航調(diào)度規(guī)程，三峽壩下最低通航水位為62.5m，最高通航水位為73.8m。

3、實際最小水深

現(xiàn)行條件下，三峽船閘存在四級不補水、五級補水和五級不補水三種運行方式。根據(jù)有關(guān)設計資料，當三峽船閘四級運行級差小于22.6m時船閘可以采取四級不補水運行方式，第一閘室作為過船通道。當四級運行級差大于22.6m則須轉(zhuǎn)換為五級運行方式。當前，三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件為：五級運行情況下，當二閘室向三閘室泄水，水位平齊后二閘室水位低于145m則采取五級補水運行方式，對二閘室補水至145m，如水位高于145m時則采取五級不補水運行方式。目前，如果下游水位按照設計62.0m保持，則最小檻上水深為5m，下游水位按62.5m保持，則最小檻上水深為5.125m，但是現(xiàn)實運行中下游水位一般高于63.5m，最小檻上水深一般在5.3m以上。

最小檻上水深提升前提

當前三峽船閘補水程序由系統(tǒng)根據(jù)上下游水庫水位自動啟動，如果不作任何程序改動，要實現(xiàn)最小檻上水深5.5m和6.0m的目標，必須保證下游水位分別維持在64.0m和66.0m以上，這對調(diào)度部門的水庫調(diào)峰提出了更高、更嚴的要求，很難與發(fā)電調(diào)度協(xié)調(diào)一致。

在三峽船閘實際運行中，中間閘首水深不足可以通過補水方式由上游補充，首尾閘首（1#閘首和6#閘首）水深僅分別與上游水位和下游水位相關(guān)。根據(jù)首尾閘首的實際高程，最小檻上水深常年保證在5.5m和6.0m的前提條件為：上游水位不低于分別144.5m和145.0m，下游水位分別不低于62.5m和63.0m。只有滿足上述前提條件下，最小檻上水深才具備提升可能。該條件下，可以通過開展工程改造，升級船閘運行輸水控制軟件，將中間各閘首的水深也保證在5. 5m或6.0m以上。

2010年三峽水庫蓄水至175m以來的統(tǒng)計資料顯示，三峽壩上實際水位最低為145.09m，三峽壩下實際水位最低位63.64m，因此，協(xié)調(diào)水庫調(diào)度部門來保持上游水位不低于145.0m和下游水位不低于63.0m（特殊困難條件下不低于62.5m）條件的難度不大。在此基礎(chǔ)上調(diào)整船閘運行控制程序，優(yōu)化補水轉(zhuǎn)換條件和補水方式，適當增加補水深度，來實現(xiàn)提升最小檻上水深至5.5m甚至6.0m的目的。

最小檻上水深提升實現(xiàn)

1、最小檻上水深分布特點

設x、y表示船閘上、下游水位，N表示多級船閘運行級數(shù)、表示運行級差，為各閘首檻上水深（i=1、2…N+1），各閘首底檻高程為。則有：■；根據(jù)運行原理，各級閘首檻上水深與上下游水位及底檻高程關(guān)系式可表述為：

■（1）

對應三峽船閘不同運行方式，四級不補水：■；五級不補水：■。根據(jù)式（1）分別建立三峽船閘五級不補水（式（2））、四級不補水（式（3））情況下各閘首檻上水深的計算函數(shù)關(guān)系式。

■（2） ■（3）

結(jié)合上下游水位控制要求分析，得出船閘在五級不補水和四級不補水情況下的最小檻上水深位置和水位條件如下：

1.1五級運行期間水深最低位置及水位條件

三峽船閘五級不補水運行情況下，當上下游水位差介于98.75～103.75m時，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。

2.2四級運行期間水深最低位置及水位條件

三峽船閘四級不補水運行情況下，當上下游水位差介于79～83m時，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。

2、水深提升方法

掌握不補水運行條件下三峽船閘最小檻上水深分布規(guī)律后，通過設置目標水深，重新確定出船閘補水運行邊界條件及所需的補水深度參數(shù)指標，優(yōu)化船閘運行及補水控制策略，提高補水目標水位，增加補水深度，實現(xiàn)最小檻上水深的提升。

2.1補水運行轉(zhuǎn)換邊界條件

假設水深提升目標為T，將上述兩式與T相比較，即對五級不補水、四級不補水情況分別假設■和■，可知五級不補水運行情況下，當上下游水位關(guān)系滿足■時，四級不補水運行情況下當上下游水位關(guān)系滿足■時，最小檻上水深可以保證T，不需補水。相反，五級不補水運行情況下如果當上下游水位關(guān)系達到■時，四級不補水運行情況下當如果上下游水位關(guān)系達到■時，必須采取補水運行方式，才能保證最小檻上水深T的要求。

2.1.1最小檻上水深提升至5.5m轉(zhuǎn)換條件

取T值為5.5m，可以推斷出，當三峽船閘五級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■，四級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■。

對應下游水位y為62.5、63、63.5、64等特征值時，分別得出三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件分別為上游水位低于166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峽船閘由四級運行轉(zhuǎn)換為四級補水運行的條件分別為上游水位x低于145.5m、145.34m、145.17m和145m。

2.1.2最小檻上水深提升至6.0m轉(zhuǎn)換條件

同理，取T值為6.0m得到，當三峽船閘五級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■，四級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■。

對應下游水位y為63、63.5、64等特征值時，分別得出三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件分別為上游水位低于166.75m、166.42m和166.09m。三峽船閘由四級運行轉(zhuǎn)換為四級補水運行的條件分別為上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。

2.2補水策略

2.2.1五級運行補水實現(xiàn)

五級運行情況下，當二閘室向三閘室泄水，假設水位平齊后二閘室水位低于某一水位M后，則采取五級補水運行方式，對二閘室補水至M，級差■。根據(jù)式（1），各閘首檻上水深的計算函數(shù)關(guān)系式為：

■（4）

其最小值發(fā)生在三閘首，假設■，則有■。

取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■ 。因此五級補水運行時，如果二閘室水位由原來的145m提高至145.5m，則可保持五級運行期間船閘最小門檻水深5.5m。

取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■ 。因此五級補水運行時，如果二閘室水位提高至146m，則可保持五級運行期間船閘最小門檻水深6.0m。

2.2.2四級運行補水實現(xiàn)

三峽船閘四級運行時，同理假設當三閘室向四閘室泄水，水位平齊后三閘室水位低于某一水位M后，則自動轉(zhuǎn)換為補水運行方式，對三閘室補水至M。級差■。此時各閘首檻上水深模型變化為：

■（5）

最小檻上水深發(fā)生在三閘首，假設■，則有■。

取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■。因此四級補水運行條件下，如果三閘室水位低于124.75m時，對其補水至124.75m，則可保持整個四級運行期間船閘最小檻上水深5.5m。

取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■。因此四級補水運行條件下，如果三閘室水位提高至125.25m，則可保持整個四級運行期間船閘最小檻上水深6.0m。

結(jié)束語

通過協(xié)調(diào)水庫調(diào)度部門將三峽船閘下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同時開展工程改造，升級船閘運行控制程序，調(diào)整補水轉(zhuǎn)換參數(shù)，優(yōu)化程序補水策略，增加補水深度后，能保持三峽船閘最小檻上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峽過閘吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。

參考文獻：

[1]劉紫凌、李思遠.三峽河段過閘船舶大型化趨勢明顯 5000噸以上船舶首超1/3[N].新華社2014-3-4

[2]唐國民、黃環(huán).長江中游航道維護水深進入5米運行 達歷史最高點[N].中新社2012-6-1

[3]長江三峽通航管理局.三峽船閘過閘船舶吃水控制標準關(guān)鍵技術(shù)研究報告[R]2011.

[4]長江航務管理局.三峽（初期運行期）—葛洲壩水利樞紐通航調(diào)度規(guī)程[Z].2006.

[5]張義軍.三峽船閘允許過閘船舶最大吃水的確定[J].水運管理.2014（2），22—24

（作者單位：長江三峽通航管理局）

1.1五級運行期間水深最低位置及水位條件

三峽船閘五級不補水運行情況下，當上下游水位差介于98.75～103.75m時，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。

2.2四級運行期間水深最低位置及水位條件

三峽船閘四級不補水運行情況下，當上下游水位差介于79～83m時，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。

2、水深提升方法

掌握不補水運行條件下三峽船閘最小檻上水深分布規(guī)律后，通過設置目標水深，重新確定出船閘補水運行邊界條件及所需的補水深度參數(shù)指標，優(yōu)化船閘運行及補水控制策略，提高補水目標水位，增加補水深度，實現(xiàn)最小檻上水深的提升。

2.1補水運行轉(zhuǎn)換邊界條件

假設水深提升目標為T，將上述兩式與T相比較，即對五級不補水、四級不補水情況分別假設■和■，可知五級不補水運行情況下，當上下游水位關(guān)系滿足■時，四級不補水運行情況下當上下游水位關(guān)系滿足■時，最小檻上水深可以保證T，不需補水。相反，五級不補水運行情況下如果當上下游水位關(guān)系達到■時，四級不補水運行情況下當如果上下游水位關(guān)系達到■時，必須采取補水運行方式，才能保證最小檻上水深T的要求。

2.1.1最小檻上水深提升至5.5m轉(zhuǎn)換條件

取T值為5.5m，可以推斷出，當三峽船閘五級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■，四級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■。

對應下游水位y為62.5、63、63.5、64等特征值時，分別得出三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件分別為上游水位低于166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峽船閘由四級運行轉(zhuǎn)換為四級補水運行的條件分別為上游水位x低于145.5m、145.34m、145.17m和145m。

2.1.2最小檻上水深提升至6.0m轉(zhuǎn)換條件

同理，取T值為6.0m得到，當三峽船閘五級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■，四級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■。

對應下游水位y為63、63.5、64等特征值時，分別得出三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件分別為上游水位低于166.75m、166.42m和166.09m。三峽船閘由四級運行轉(zhuǎn)換為四級補水運行的條件分別為上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。

2.2補水策略

2.2.1五級運行補水實現(xiàn)

五級運行情況下，當二閘室向三閘室泄水，假設水位平齊后二閘室水位低于某一水位M后，則采取五級補水運行方式，對二閘室補水至M，級差■。根據(jù)式（1），各閘首檻上水深的計算函數(shù)關(guān)系式為：

■（4）

其最小值發(fā)生在三閘首，假設■，則有■。

取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■ 。因此五級補水運行時，如果二閘室水位由原來的145m提高至145.5m，則可保持五級運行期間船閘最小門檻水深5.5m。

取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■ 。因此五級補水運行時，如果二閘室水位提高至146m，則可保持五級運行期間船閘最小門檻水深6.0m。

2.2.2四級運行補水實現(xiàn)

三峽船閘四級運行時，同理假設當三閘室向四閘室泄水，水位平齊后三閘室水位低于某一水位M后，則自動轉(zhuǎn)換為補水運行方式，對三閘室補水至M。級差■。此時各閘首檻上水深模型變化為：

■（5）

最小檻上水深發(fā)生在三閘首，假設■，則有■。

取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■。因此四級補水運行條件下，如果三閘室水位低于124.75m時，對其補水至124.75m，則可保持整個四級運行期間船閘最小檻上水深5.5m。

取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■。因此四級補水運行條件下，如果三閘室水位提高至125.25m，則可保持整個四級運行期間船閘最小檻上水深6.0m。

結(jié)束語

通過協(xié)調(diào)水庫調(diào)度部門將三峽船閘下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同時開展工程改造，升級船閘運行控制程序，調(diào)整補水轉(zhuǎn)換參數(shù)，優(yōu)化程序補水策略，增加補水深度后，能保持三峽船閘最小檻上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峽過閘吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。

參考文獻：

[1]劉紫凌、李思遠.三峽河段過閘船舶大型化趨勢明顯 5000噸以上船舶首超1/3[N].新華社2014-3-4

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[3]長江三峽通航管理局.三峽船閘過閘船舶吃水控制標準關(guān)鍵技術(shù)研究報告[R]2011.

[4]長江航務管理局.三峽（初期運行期）—葛洲壩水利樞紐通航調(diào)度規(guī)程[Z].2006.

[5]張義軍.三峽船閘允許過閘船舶最大吃水的確定[J].水運管理.2014（2），22—24

（作者單位：長江三峽通航管理局）

1.1五級運行期間水深最低位置及水位條件

三峽船閘五級不補水運行情況下，當上下游水位差介于98.75～103.75m時，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。

2.2四級運行期間水深最低位置及水位條件

三峽船閘四級不補水運行情況下，當上下游水位差介于79～83m時，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。

2、水深提升方法

掌握不補水運行條件下三峽船閘最小檻上水深分布規(guī)律后，通過設置目標水深，重新確定出船閘補水運行邊界條件及所需的補水深度參數(shù)指標，優(yōu)化船閘運行及補水控制策略，提高補水目標水位，增加補水深度，實現(xiàn)最小檻上水深的提升。

2.1補水運行轉(zhuǎn)換邊界條件

假設水深提升目標為T，將上述兩式與T相比較，即對五級不補水、四級不補水情況分別假設■和■，可知五級不補水運行情況下，當上下游水位關(guān)系滿足■時，四級不補水運行情況下當上下游水位關(guān)系滿足■時，最小檻上水深可以保證T，不需補水。相反，五級不補水運行情況下如果當上下游水位關(guān)系達到■時，四級不補水運行情況下當如果上下游水位關(guān)系達到■時，必須采取補水運行方式，才能保證最小檻上水深T的要求。

2.1.1最小檻上水深提升至5.5m轉(zhuǎn)換條件

取T值為5.5m，可以推斷出，當三峽船閘五級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■，四級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■。

對應下游水位y為62.5、63、63.5、64等特征值時，分別得出三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件分別為上游水位低于166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峽船閘由四級運行轉(zhuǎn)換為四級補水運行的條件分別為上游水位x低于145.5m、145.34m、145.17m和145m。

2.1.2最小檻上水深提升至6.0m轉(zhuǎn)換條件

同理，取T值為6.0m得到，當三峽船閘五級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■，四級運行狀況下，由不補水運行轉(zhuǎn)換為補水運行的條件為：上下游水位關(guān)系達到■。

對應下游水位y為63、63.5、64等特征值時，分別得出三峽船閘由五級不補水運行轉(zhuǎn)換為五級補水運行的條件分別為上游水位低于166.75m、166.42m和166.09m。三峽船閘由四級運行轉(zhuǎn)換為四級補水運行的條件分別為上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。

2.2補水策略

2.2.1五級運行補水實現(xiàn)

五級運行情況下，當二閘室向三閘室泄水，假設水位平齊后二閘室水位低于某一水位M后，則采取五級補水運行方式，對二閘室補水至M，級差■。根據(jù)式（1），各閘首檻上水深的計算函數(shù)關(guān)系式為：

■（4）

其最小值發(fā)生在三閘首，假設■，則有■。

取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■ 。因此五級補水運行時，如果二閘室水位由原來的145m提高至145.5m，則可保持五級運行期間船閘最小門檻水深5.5m。

取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■ 。因此五級補水運行時，如果二閘室水位提高至146m，則可保持五級運行期間船閘最小門檻水深6.0m。

2.2.2四級運行補水實現(xiàn)

三峽船閘四級運行時，同理假設當三閘室向四閘室泄水，水位平齊后三閘室水位低于某一水位M后，則自動轉(zhuǎn)換為補水運行方式，對三閘室補水至M。級差■。此時各閘首檻上水深模型變化為：

■（5）

最小檻上水深發(fā)生在三閘首，假設■，則有■。

取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■。因此四級補水運行條件下，如果三閘室水位低于124.75m時，對其補水至124.75m，則可保持整個四級運行期間船閘最小檻上水深5.5m。

取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■。因此四級補水運行條件下，如果三閘室水位提高至125.25m，則可保持整個四級運行期間船閘最小檻上水深6.0m。

結(jié)束語

通過協(xié)調(diào)水庫調(diào)度部門將三峽船閘下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同時開展工程改造，升級船閘運行控制程序，調(diào)整補水轉(zhuǎn)換參數(shù)，優(yōu)化程序補水策略，增加補水深度后，能保持三峽船閘最小檻上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峽過閘吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。

參考文獻：

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（作者單位：長江三峽通航管理局）