船閘用水量計算方法

耿卓 何思遠 董思遠 王喬 張楠

摘 要：為了提高船閘用水量計算精度，基于單位船型法和一次過閘平均用水量，推導(dǎo)了年、月、日用水量計算公式，分析了用水系數(shù)的影響因素，研究了閘室利用率λ取值方法。研究表明，λ與船閘飽和度有關(guān)，船閘接近飽和時，λ為滿檔組合時閘室利用率λm，船閘飽和度較小時可取λ=50%。雙向過閘率越大，船舶裝載率越高，船閘飽和度越大，船舶噸級越高，用水量越省。宜采用最大月平均用水流量進行水資源供需平衡分析。建議相關(guān)規(guī)范修訂時，補充年用水量、最大月用水量及其相應(yīng)用水流量的計算規(guī)定。

關(guān)鍵詞：船閘;閘室利用率;用水量;用水系數(shù);用水流量

1引言

在水資源匱乏地區(qū)，通航用水與發(fā)電、生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的矛盾將會制約航運的發(fā)展。合理確定船閘的年、月或旬用水量是進行水資源供需平衡分析[1]、航運用水可行性分析[2]、省水船閘效益分析[3]的基礎(chǔ)工作。

船閘用水量主要與船閘貨運量、一次過閘噸位、閘室水域面積、船閘水頭差以及省水措施有關(guān)。船閘的耗水量包括船舶過閘用水量和閘、閥門漏水量兩部分，目前規(guī)范[4]僅以一晝夜平均耗水量表示，是一個流量指標(biāo)，其中漏水量相對較小，可以忽略不計。本文結(jié)合小清河船閘用水量計算，引入用水系數(shù)，分別研究年、月、日用水量，提出用水流量計算方法和取值建議，研究結(jié)果可供船閘用水量計算和相關(guān)規(guī)范修訂時參考。

2小清河船閘通過能力

小清河復(fù)航工程起自濟南港主城港區(qū)，終于濰坊西港區(qū)羊口作業(yè)區(qū)，全長169. 2 km，Ⅲ級航道設(shè)計船型為1000t級，沿途布置水牛韓、金家堰、金家橋、王道等4座Ⅱ級船閘。水牛韓基本尺度230m×23m×5.0 m（有效長度×有效寬度×門檻水深），有效面積5290m2，其他3座船閘基本尺度280m×34m×5.0 m，有效面積9520m2。設(shè)計水頭分別為5.3m、5.4m、2.2m、4.9m。

1拖+6×1000噸級船隊、1頂+2×1000噸級船隊、1000噸級貨船、60 TEU集裝箱船（1050t）等4種設(shè)計代表船型，貨運量分擔(dān)比pwi=60%、10%、28%、2%，艘（隊）數(shù)比pi= 22.3%、11.1%、62.4%、4.2%。

計算時，日通航時間τ=22h，晝夜內(nèi)非客運、貨運船過閘次數(shù)n0=0.5，年通航天數(shù)N=330d，運量月不均衡系數(shù)β=1.3，上行船舶裝載系數(shù)α=0.90。預(yù)測設(shè)計水平年上行貨運量Fy，滿檔組合的一次過閘平均噸位 G、一次過閘平均時間T、日過閘次數(shù)n、上行年客貨運通過能力P見表2所示，通過量飽和度ψ= Fy/P =60.1%～97.1%。

式中，S—閘室有效面積，m2;λ—有效面積平均利用率;g—船型平均噸位密度，t/ m2;pi、sj、Wj—第j種船型的艘（隊）數(shù)比、面積、載重噸。

3一次過閘平均用水量

單級船閘雙向過閘用水量小，且通過能力大，因此即使在多線船閘中，宜優(yōu)先采用雙向過閘方式，上行、下行來船不均衡時，采用單向過閘方式。連續(xù)多級船閘的雙向過閘時間長、用水量大，因此很少采用。單向過閘時間短、用水量小，在連續(xù)多線船閘中，可盡量安排單向過閘方式。在單線多級船閘中，為了減少船舶待閘時間，以成批過閘方式為主，且閘次批量要適度控制。

從兼顧通過能力和用水量原則出發(fā)，單級船閘應(yīng)以雙向過閘為主，多線多級船閘應(yīng)以單向過閘為主。

4年、月、日用水量

船閘通過能力是在船閘、船舶、管理、環(huán)境等要素的約束條件下可能達到貨運量最大值，而實際發(fā)生的年單向貨運量Fy決定了實際總閘次數(shù)ny：

船閘年用水系數(shù)綜合反映了一次過閘用水系數(shù)ξa、船舶裝載率α、閘室利用率λ的影響。

計算船閘通過能力時，滿檔組合的λm是一個上限值，僅與閘室有效面積、過閘船舶的尺度和標(biāo)準(zhǔn)化程度有關(guān)。而λ實際值還與船舶組成結(jié)構(gòu)、船舶到達規(guī)律、船閘的繁忙程度、船閘運行、調(diào)度和管理水平等有關(guān)。

在船閘運行實踐中，為了盡可能地提高船閘的利用程度， 閘室利用率不可能一直維持在較低的水平; 同時， 由于船舶流量的隨機性， 為了使船舶盡快過閘， 閘室利用率也不可能長時間維持在一個較高的水平。有關(guān)統(tǒng)計表明，λ平均值一般在0.5～0.8之間[5]。

5小清河船閘用水量

小清河船閘雙向閘次比μ=0.5，采用普通船閘時E=0，ξa=0.75，ξΩ=1.13～1.19，ρ0=n0/n=1.49%～1.78%，λ= 69.9%～82.1%，HV=4.3～1.2m，計算結(jié)果見表3所示。

表3中可見qd

對小清河沿線水文站多年逐日流量資料，采用綜合歷時曲線法計算多年歷時保證率流量[6]。保證率95%設(shè)計流量依次為8.00m3/s、7.19m3/s、8.96m3/s、7.30 m3/s，除金家堰船閘以外，設(shè)計流量基本能滿足沿線船閘用水需要;保證率98%設(shè)計流量分別為6.55m3/s、4.17m3/s、5.04m3/s、4.18m3/s，設(shè)計流量不能滿足金家堰、王道船閘用水需求。

因此，小清河4座船閘中，水牛韓、金家堰、王道為省水船閘，金家橋為普通船閘。省水船閘均采用帶一個省水池的短廊道集中輸水系統(tǒng)布置方案，省水池水域面積與閘室水域面積相等，理論省水率可達33.3%。其中，水牛韓船閘預(yù)留省水池場地，隨著船閘飽和度的提高，可適時建設(shè)。

以金家堰省水船閘為例，每年可節(jié)約用水量6301萬m3，用水流量降低為qm=7.90×2/3=5.27 m3/s，與設(shè)計流量相差1.1m3/s。小清河工程在每座船閘處設(shè)抽水泵站一座，在特枯水年利用泵站進行回抽翻水，可進一步提高小清河航道通航保證率。

6結(jié)論

（1）船閘通過量接近通過能力時，λ為滿檔組合時閘室利用率λm，船閘飽和度較小時，可維持在λ=50%。假設(shè)船閘實際運行時λ在0.5～λm之間，與飽和度ψ成正比是合理的。

（2）年用水系數(shù)ky綜合反映了一次過閘用水系數(shù)ξa、船舶裝載率α、閘室利用率λ的影響。雙向過閘率越大，船舶裝載率越高，船閘飽和度越大，船舶噸級越高，用水量V越省。

（3）日最大過閘次數(shù)n，決定了日最大用水流量qdm，最大月平均用水流量qm，其次，年日平均用水流量qd最小。宜采用qm進行水資源供需平衡分析、航運用水可行性分析。

參考文獻：

[1]張穎.河南省航運開發(fā)與水資源優(yōu)化配置研究[D].鄭州大學(xué)，2009.

[2]萬云剛.澮河固鎮(zhèn)復(fù)線船閘工程水資源論證中的取用水合理性分析[J].治淮，2016（9）：13-14.

[3]陳亮，王曉青. 飛來峽二、三線相互灌泄水船閘省水特性及效益分析[J].水運工程， 2015（6）： 106-110.

[4] JTJ305-2001， 船閘總體設(shè)計規(guī)范[S].

[5]計浩耘，李志華，馮小檢.三峽船閘一次過閘平均噸位初探[J].中國水運， 2010 （11）：40-41.

[6]戈國慶，董思遠，周鵬.小清河航道航運水資源分析[J].水運工程，2019（8）：122-126.