微山三線船閘閘室尺度調(diào)整對(duì)水資源的節(jié)約作用研究

曹先樹 扶清成 王向東

一、區(qū)域航道建設(shè)現(xiàn)狀

京杭運(yùn)河作為國家南北水運(yùn)主通道和綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，是《全國內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》確定的“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”高等級(jí)航道規(guī)劃中唯一縱向高等級(jí)航道，也是山東省內(nèi)河航道總體規(guī)劃“一干多支”格局的核心。京杭運(yùn)河山東段微山至臺(tái)兒莊段現(xiàn)為Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)（目前正在開展Ⅱ級(jí)航道建設(shè)工作），設(shè)有四個(gè)通航梯級(jí)，自上而下依次為：微山船閘、韓莊船閘、萬年閘船閘及臺(tái)兒莊船閘，建有微山一線及二線、韓莊一線、萬年閘一線、臺(tái)兒莊一線及復(fù)線共6 座船閘，船閘閘室有效尺度均采用230m×23m×5m。

二、工程概況

隨著京杭運(yùn)河航道條件的逐步完善及規(guī)模經(jīng)濟(jì)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，近年來，京杭運(yùn)河山東段船舶大型化發(fā)展迅速，尤其是千噸級(jí)以上船舶增速明顯，單艘船舶平均載量已由2000年的133t 增長至2014年的902t，最大單船載量已接近3000t。隨著京杭運(yùn)河航道升級(jí)改造工程的實(shí)施，未來船舶將加速大型化發(fā)展，這對(duì)船閘的閘室尺度規(guī)模提出了新的要求，因此，新建的微山三線船閘閘室有效尺度采用280m×34m×5m，最大設(shè)計(jì)船型為1+2×2000t 頂推船隊(duì)。

三、不同閘室尺度的通過能力

計(jì)算船閘采用280m×34m 和230m×23m 兩種閘室尺度的通過能力。

1.一次過閘船舶平均載重噸位G

根據(jù)過閘船型艘次比例及尺度，采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，構(gòu)建船舶過閘排擋模型，在全部船型隨機(jī)通過情況下，對(duì)船舶過閘進(jìn)行排擋。采用280m×34m 的閘室尺度，最大可允許2 艘2000t級(jí) 貨 船、或2 艘2000～3000t 級(jí) 駁 船、以 及2 艘100TEU 集裝箱船并排進(jìn)入閘室。采用230m×23m的閘室尺度，最大可允許2 艘型寬為11m 的1000t級(jí)貨船、或2 艘1000t 級(jí)駁船并排進(jìn)入閘室以及縱向停靠3 艘15.8m 寬的船舶。

2.一次過閘時(shí)間T

一次過閘時(shí)間包含閘門開啟時(shí)間t1、進(jìn)閘時(shí)間t2（t2′）、閘室灌泄水時(shí)間t3、出閘時(shí)間t4（t4′）、船隊(duì)進(jìn)閘或出閘間隔時(shí)間t5，單向一次過閘時(shí)間T1=4t1+t2+2t3+t4+2t5，雙向一次過閘時(shí)間T2=4t1+2t2′+2t3+2t4′+4t5。一次過閘時(shí)間根據(jù)單向過閘和雙向過閘的閘次比率確定，微山船閘雙向過閘比例占80%左右，T= 0.2×T1+0.8×（T2/2）。計(jì)算兩種閘室尺度的一次過閘時(shí)間：T280×34=54.84 min、T230×23=47.06 min。

3.日平均過閘次數(shù)n

微山二級(jí)壩水利航運(yùn)樞紐船舶通過量大，船閘在飽和狀態(tài)下運(yùn)行，開閘次數(shù)頻繁，考慮每天三班制，扣除交接班等時(shí)間，取τ=23 h，計(jì)算兩種閘室尺度的日平均過閘次數(shù)：n280×34=τ×60/T=23×60/54.84=25.2 次，n230×23=τ×60/T=23×60/47.06=29.3 次。

4.年通航天數(shù)N

年通航天數(shù)為全年日歷天數(shù)減去停航天數(shù)，停航因素主要包括檢修、事故、洪枯水及氣象影響等。結(jié)合已建船閘實(shí)際通航情況，船閘年通航總天數(shù)按338 天計(jì)算。

5.船舶裝載系數(shù)α 和運(yùn)量不均衡系數(shù)β

船舶裝載系數(shù)與貨物種類、流向和批量有關(guān)。京杭運(yùn)河貨運(yùn)量下行基本滿載甚至超載，貨種以煤炭、礦建材料為主，考慮近年來除煤炭、礦建材外，其他貨種的比例在不斷上升，取α=0.9。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，取β=1.2。

計(jì)算兩種閘室尺度的通過能力，計(jì)算結(jié)果見表2。

采用280m×34m 閘室尺度，設(shè)計(jì)水平年隨機(jī)通過全部船型時(shí)，船閘年單向通過能力為3650 萬t；采用230m×23m 閘室尺度，設(shè)計(jì)水平年船閘年單向通過能力為2124 萬t。

四、一次過閘用水量計(jì)算

1.計(jì)算公式

船閘每下行、上行一個(gè)過程就向下游下泄一定的水量，該下泄的水量即為一次過閘用水量。

為助力中國制造接軌工業(yè)4.0，浩亭于2018年10月22日～24日聯(lián)合德國電氣電子行業(yè)協(xié)會(huì)（ZVEI）與佛山機(jī)器人學(xué)院、佛山中德工業(yè)服務(wù)區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)等合作伙伴共同組織了參觀訪問團(tuán)，并邀請(qǐng)了中日行業(yè)媒體代表及德國和亞洲的客戶參觀其珠海工廠，以加強(qiáng)交流與合作探討。在井然有序的車間，可以看到，浩亭以精益制造的看板管理系統(tǒng)強(qiáng)化對(duì)品質(zhì)的過程監(jiān)控，還有實(shí)施反饋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和全面細(xì)致的檢測(cè)系統(tǒng)也同樣在無時(shí)不刻地為浩亭輸出高品質(zhì)產(chǎn)品做出堅(jiān)定的技術(shù)保障。

一次過閘用水量V 按照下式計(jì)算：

V下行= A×H-G×t

V上行= A×H+G×t

V雙向= A×H

式中：

A—閘室底板面積（m2），為閘室有效長度（m）×有效寬度（m）；

H—船閘運(yùn)行時(shí)上下游水位差，見表3；

G—一次過閘船舶平均載重噸位，G280×34=11429，

G230×23=5717；

t—船舶總重排水量系數(shù)，取1.25。

目前，微山船閘雙向過閘比例占80%左右，每閘次用水量計(jì)算公式為：V=0.1V下行+0.1 V上行+0.8 V雙向/2=0.6 A×H

2.船閘運(yùn)行平均水頭的計(jì)算

采用微山船閘1953～2014年歷年逐日實(shí)測(cè)閘上、閘下水位資料系列，剔除不能滿足通航要求的水位（最高通航水位：上游36.30m，下游35.80m，最低通航水位：上游32.80m，下游31.30m），計(jì)算不同保證率下的上下游水位差。

該系列共有5304 天水位不能滿足通航水位要求，計(jì)算滿足通航水位要求的上下游水位差，并進(jìn)行頻率分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

滿足通航水位要求的上下游水位差介于0.133～3.679m 之間，以平均水位差作為三線船閘運(yùn)行時(shí)上下游平均水頭值，為1.774m。

表1 一次過閘平均載重、閘室平均利用率和一閘次平均船舶數(shù)表

表2 兩種閘室尺度的通過能力計(jì)算表

3.一次過閘用水量

計(jì)算兩種閘室尺度的一次過閘用水量：

V280×34=0.6×280×34×1.774=10133.1m3、V230×23=0.6×230×23×1.774=5630.7 m3。

五、規(guī)劃年貨運(yùn)量下的用水量計(jì)算

根據(jù)京杭運(yùn)河?xùn)|平～濟(jì)寧段、濟(jì)寧～二級(jí)壩段貨物生成量，結(jié)合各支線航道整治、沿線港口發(fā)展現(xiàn)狀及布局規(guī)劃，預(yù)測(cè)2040年微山梯級(jí)單向過閘貨運(yùn)量達(dá)8530 萬t。考慮微山梯級(jí)已建雙線船閘5000萬t 的單向通過能力，三線船閘采用280 m×34 m 的閘室尺度，完成3530 萬t 的通過能力需8236 閘次，年用水量為8346.0 萬m3；若采用230 m×23 m 的閘室尺度，需16466 閘次，年用水量為9271.2 萬m3。

因此，新建的微山三線船閘在完成規(guī)劃年3530萬t 的通過能力時(shí)，采用280 m×34 m 的閘室尺度比采用230 m×23 m 的閘室尺度年節(jié)約用水量925.2 萬m3，節(jié)水10.0%。微山三線船閘閘室尺度調(diào)整降低了船閘用水量，對(duì)水資源有節(jié)約作用。

表3 微山船閘滿足通航水位要求的上下游水位差頻率計(jì)算成果表

六、結(jié)語

雖然船閘工程用水而不耗水，但船閘用水量一般較大，為保證船閘及航道的正常運(yùn)行，河道必須保持一定的水位和流量，且在南水北調(diào)調(diào)水區(qū)域，河道逐級(jí)建設(shè)有翻水站向上游翻水，而船閘的運(yùn)行又將水量從上游向下游轉(zhuǎn)移，船閘用水對(duì)區(qū)域水資源的分配是有一定不利影響的。因此，為適應(yīng)新時(shí)期節(jié)水優(yōu)先的治水思路，確定船閘建設(shè)規(guī)模時(shí)不僅要考慮貨運(yùn)量、船型發(fā)展、空間布置和建設(shè)代價(jià)等，還需要考慮船閘節(jié)水條件，科學(xué)、合理地選擇船閘閘室尺度，提高閘室平均利用率，降低船閘用水量，充分利用和保護(hù)水資源■