金華江下游靈馬樞紐建設(shè)與航道深開挖方案比選分析

王 峰，張 銘，尤克詩(shī)，方向征

(1. 金華市港航管理局，浙江 金華 321000； 2. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

錢塘江中上游金華江下起蘭溪馬公灘上至金華市區(qū)通濟(jì)橋，全長(zhǎng)26.6 km，是義烏江、武義江及金華市區(qū)連接蘭江的水路通道。其中下游4 km航道(下起馬公灘“三江口”，上至浙能蘭溪電廠)在富春江回水范圍之內(nèi)，屬庫(kù)區(qū)航道，現(xiàn)狀為Ⅶ級(jí)航道；上游22.6 km屬山區(qū)性航道，現(xiàn)狀為等級(jí)外航道。根據(jù)《金華市金華江、東陽(yáng)江、武義江航運(yùn)梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃》，金華江干流規(guī)劃近期為Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。目前，金華江從上游到下游，已建有河盤橋和石柱頭樞紐(僅建設(shè)電站)，最下游靈馬樞紐為規(guī)劃樞紐。

由于石柱頭樞紐下游部分河段位于富春江大壩回水區(qū)，具有相對(duì)較高的通航水流條件。本文通過數(shù)學(xué)論證，對(duì)金華江航運(yùn)工程中靈馬樞紐建設(shè)與航道深開發(fā)兩種方案效果進(jìn)行對(duì)比分析，為優(yōu)選建設(shè)方案提供技術(shù)參考。

1 工程概況

金華江梯級(jí)上游河盤橋樞紐正常蓄水位為34.62 m，電站裝機(jī)4×1.1 MW。石柱頭樞紐正常蓄水位為30.70 m，電站裝機(jī)4×0.73 MW；規(guī)劃靈馬樞紐正常蓄水位為27.50 m，電站裝機(jī)4×1.25 MW。3座樞紐規(guī)劃船閘均為Ⅳ級(jí)航道船閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，船閘結(jié)構(gòu)及水深滿足500 t級(jí)船舶通航要求。

金華江上游為東陽(yáng)江和武義江支流，下游與衢江匯合匯入蘭江。分別有南王埠、對(duì)家地、金華和蘭溪水文站。金華江航運(yùn)工程分布見圖1(a)。圖1(b)為研究航段航道及樞紐分布示意圖，紅色線條部分為航線分布示意圖，上游進(jìn)口為石柱頭樞紐，下游為靈馬樞紐。

圖1 金華江航運(yùn)工程、研究航段航道及樞紐分布

內(nèi)河航運(yùn)工程常采用梯級(jí)樞紐建設(shè)[1-2]和航道整治[3]兩種開發(fā)模式，并采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算[4-5]或物理模型試驗(yàn)[6-7]對(duì)通航水流條件進(jìn)行模擬，航道疏浚方案設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐上主要采用等高程開挖和等坡度開挖兩種模式。本次結(jié)合研究河段樞紐和水文站點(diǎn)分布特征，對(duì)兩種航道疏浚模式進(jìn)行計(jì)算和效果評(píng)價(jià)。

2 等高程疏浚方案

依據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)規(guī)定，收集相關(guān)站點(diǎn)1981年1月1日—2017年12月31日共計(jì)37年逐日水位，采用綜合歷時(shí)曲線法分析蘭江蘭溪水文站的設(shè)計(jì)最低通航水位。

根據(jù)蘭溪水文站日平均水位系列資料，按水位從高至低排序，計(jì)算相應(yīng)的保證率。50%，75%，90%，95%和98%保證率對(duì)應(yīng)的相應(yīng)水位分別為23.31，23.14，23.00，22.92和22.81 m。Ⅳ級(jí)航道控制水深為2.7 m。靈馬樞紐壩址下游位于蘭江富春江大壩回水區(qū)。在不考慮上游石柱頭樞紐泄流影響的條件下，按照等高程疏浚模式，50%，75%，90%，95%和98%保證率對(duì)應(yīng)的相應(yīng)疏?？刂扑环謩e為20.61，20.44，20.30，20.22和20.11 m；杭金衢橋址下游河底高程約25.60 m，等高程疏浚模式時(shí)，最大疏浚深度分別為5.00，5.17，5.51，5.39和5.50 m。98%保證率對(duì)應(yīng)疏浚方案疏浚量約150萬m3。

3 等坡度航道疏浚方案

3.1 模型構(gòu)建

采用河道一維水動(dòng)力模型進(jìn)行不同條件下的通航水流條件計(jì)算[4]。

水流連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：A為斷面面積(m2)；Q為斷面流量(m3/s)；q為區(qū)間單寬入流(m2/s);Sf為摩阻坡降；S0為河床的底坡降。

模型邊界條件見圖1。

① 模型上邊界為流量過程 為了保證研究區(qū)域的模擬精度，模型上邊界取為金華江上游東陽(yáng)江南王埠站所在斷面(距項(xiàng)目上邊界雙龍大橋約14 km)、武義江對(duì)家地站所在斷面(距雙龍大橋約6 km)，以及衢江姚家樞紐(距三江口約9 km)。

② 模型下邊界 模型下邊界取為蘭江蘭溪水文站所在斷面(距項(xiàng)目下邊界靈馬大橋約7.5 km)，為水位過程或水位-流量關(guān)系曲線。

③ 模型內(nèi)邊界 模擬范圍內(nèi)的河盤橋、石柱頭和靈馬梯級(jí)樞紐，以及橋梁跨河建筑物，將作為模型模擬的內(nèi)邊界控制條件。

④ 模型驗(yàn)證站 河盤橋樞紐下游金華水文站將作為全河段一維水流模擬模型驗(yàn)證站。同時(shí)，南王埠站、家地站的相應(yīng)水位值也作為驗(yàn)證依據(jù)。

3.2 模擬方案

自靈馬樞紐上游至杭金衢大橋下游進(jìn)行航道開挖，長(zhǎng)約7.0 km。考慮上游石柱頭樞紐壩址來流保證率，針對(duì)多種不同坡度疏浚方案進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算。杭金衢橋址下游河底高程約25.60 m?？紤]下游富春江大壩正常蓄水位高程23.00 m，擬定靈馬壩址疏?？刂聘叱?0.30 m，設(shè)定6種疏浚工況(依次對(duì)應(yīng)工況1～6)：以25.00，24.00，23.00，22.00，21.00和20.30 m分別為橋址處控制疏浚高程，杭金衢大橋橋址疏浚深度分別約為0.60，1.60，2.60，3.60，4.60和5.30 m；靈馬樞紐上游疏浚深度均為0.70 m；石柱頭滿發(fā)電流量均為137.40 m3/s。每種工況下均按10%，20%，50%，75%和90%共5個(gè)通航保證率進(jìn)行模擬。河道糙率取0.034。

10%，20%，50%，75%和90%通航保證率下，上邊界流量(石柱頭樞紐壩址來流量)分別為330.16，192.23，75.48，39.53，22.50 m3/s，下邊界水位(下游蘭溪水文站水位)分別為24.10，23.64，23.30，23.13，23.00 m。

3.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)6種計(jì)算工況，采用構(gòu)建的河道一維水動(dòng)力模擬模型，依據(jù)設(shè)計(jì)水文邊界條件，對(duì)各種工況的河道沿程水位、水深和流速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。限于篇幅，僅詳細(xì)分析工況1，5和6的水位和水深計(jì)算結(jié)果，見圖2～4。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在工況1，即杭金衢大橋下游疏?？刂聘叱虨?5.00 m，疏浚深度為0.60 m條件下，航道滿足2.70 m的通航水深要求的保證率不到10%。在工況5，即杭金衢大橋下游疏?？刂聘叱虨?1.00 m，疏浚深度達(dá)4.60 m條件下，航道僅有50%的通航保證率可滿足2.70 m的通航水深要求。工況6按等高程疏浚，下游蘭江水位受富春江大壩正常蓄水水位(23.00 m)影響，金華江航道滿足90%保證率的通航水深要求。

由以上分析可知，在理論條件下，通過航道疏浚(河道最大疏浚深度達(dá)5.00 m左右)可以滿足通航水流條件要求，但是航道疏浚后形成一個(gè)深窄河槽，水流束縛于該深窄河槽內(nèi)流動(dòng)，河道水位下降，大部分原有河槽變?yōu)闉┑?，必將顯著影響該河段生態(tài)環(huán)境健康。因此，通過航道疏浚實(shí)現(xiàn)金華江Ⅳ級(jí)航道建設(shè)在工程實(shí)踐上是不可行的。

圖2 工況1計(jì)算沿程水位及水深變化

圖3 工況5計(jì)算沿程水位及水深變化

圖4 工況6計(jì)算沿程水位及水深變化

4 靈馬樞紐修建方案

利用前述水流計(jì)算模型，對(duì)建設(shè)靈馬樞紐后不同保證率條件下的金華江航道通航水流條件進(jìn)行計(jì)算。靈馬樞紐正常蓄水位27.50 m，設(shè)計(jì)發(fā)電流量215.00 m3/s。考慮到靈馬樞紐將建設(shè)泄水閘擋水建筑物，當(dāng)入流超過發(fā)電流量時(shí)，將開閘泄流，維持壩前水位為正常蓄水位。因此，在不同保證率流量條件下，靈馬樞紐壩前水位均為27.50 m。

圖5為建設(shè)靈馬樞紐后石柱頭樞紐設(shè)計(jì)發(fā)電流量和不同保證率流量條件下河道沿程水位、水深分布。由圖5可見，建設(shè)靈馬樞紐后，由于壩前水位壅高至27.50 m，有效渠化了航道，顯著提升航道水深，只需對(duì)部分航段進(jìn)行適當(dāng)疏浚整治，即可滿足Ⅳ級(jí)航道通航水深要求，通航保證率可達(dá)95%以上。靈馬樞紐以上約5.5 km庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)，無需疏浚即可滿足2.70 m通航水深要求；石柱頭樞紐壩址以下至杭金衢大橋附近長(zhǎng)約4.0 km河段，則需要進(jìn)行適當(dāng)疏浚。

圖5 建設(shè)靈馬樞紐方案沿程水位和水深變化

5 結(jié) 語

考慮航道深開挖和建設(shè)靈馬梯級(jí)樞紐兩種模式，通過數(shù)值模擬方法對(duì)金華江航運(yùn)工程建設(shè)方案進(jìn)行了比對(duì)與優(yōu)選。研究結(jié)果表明，通過航道疏浚以滿足金華江Ⅳ級(jí)航道通航水流條件(2.70 m的航道水深)要求，航道疏浚深度最大值達(dá)5.00 m以上，疏浚量超過150萬m3。航道疏浚后形成一個(gè)深窄河槽，水流束縛于該深窄河槽內(nèi)流動(dòng)，河道水位下降，大部分原有河槽變?yōu)闉┑?，將?yán)重影響該河段生態(tài)環(huán)境健康。而通過建設(shè)靈馬樞紐，可有效渠化航道，顯著提升了航道水深條件。該方案下只需要對(duì)部分航段進(jìn)行適當(dāng)疏浚整治，即可滿足Ⅳ級(jí)航道通航水深要求，通航保證率達(dá)95%以上。同時(shí)，梯級(jí)靈馬樞紐建設(shè)，不僅通航水流條件可靠度大大提升，還能形成十幾千米風(fēng)景優(yōu)美的湖面，顯著提升該區(qū)域水生態(tài)環(huán)境。該研究可為金華江航運(yùn)工程建設(shè)方案優(yōu)選提供重要技術(shù)支撐。