西江梧州水文站設(shè)計(jì)最低通航水位探討

李俊娜

(中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 511442)

1 梧州水文站所處航段情況

1.1 地理位置

梧州水文站位于西江干流上，桂江與西江匯合口下游約1.74 km處，距離長(zhǎng)洲水利樞紐下引航道約12.5 km。地理位置見圖1。

圖1 梧州水文站地理位置

1.2 航道現(xiàn)狀

西江干流梧州段現(xiàn)狀航道等級(jí)為Ⅱ級(jí)，通航船舶為2 000噸級(jí)，航道尺度為3.5 m×80 m×550 m(深度×寬度×彎曲半徑)。設(shè)計(jì)航道線總體上按枯水期主流進(jìn)行布置，建成至今發(fā)揮了重要作用。但由于長(zhǎng)洲壩下河段出現(xiàn)河床下切引起水位下降，枯水期航道水深不足，所以運(yùn)輸船舶需要減載航行。隨著航運(yùn)的迅速發(fā)展，2019年長(zhǎng)洲樞紐通過量超過1.4億t，船舶航行密度大，現(xiàn)狀航道尺度已不能滿足通航要求。因此擬按照Ⅰ級(jí)航道進(jìn)行升級(jí)。

2 設(shè)計(jì)最低通航水位

2.1 河流概況

西江航運(yùn)干線由郁江、潯江、西江、珠江組成，郁江流至桂平與黔江匯合后稱潯江，潯江流至梧州市與桂江匯合后稱西江，西江東流至廣東省三水市思賢窖后，與北江匯合南流至珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)，主流由磨刀門出海。本文研究的梧州水文站處于西江長(zhǎng)洲樞紐壩下河段。兩岸為丘陵平原，階地、臺(tái)地發(fā)育，河道寬闊，一般為600～1 000 m，最寬達(dá)2 000 m。2007年長(zhǎng)洲水利樞紐建成蓄水，壩下河段有龍圩水道、洗馬灘、雞籠洲、界首灘4個(gè)灘險(xiǎn)，枯水落差1.26 m，平均比降0.63‰[1]。

2.2 水文條件

2.2.1樞紐

長(zhǎng)洲水利樞紐是西江下游河段廣西境內(nèi)的最后一個(gè)規(guī)劃梯級(jí)，位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，距桂平航運(yùn)樞紐約157 km。樞紐于2003年12月開工，2004年12月和2005年11月先后進(jìn)行外江和內(nèi)江截流，2007年10月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，樞紐發(fā)電及泄洪基本按天然情況進(jìn)行調(diào)度[2]。汛期采用敞泄方式，枯水期可進(jìn)行較小幅度的日調(diào)節(jié)。樞紐建成后，庫(kù)區(qū)水流流速降低，水流挾沙能力減弱，大部分懸移質(zhì)輸沙量被攔截在庫(kù)區(qū)內(nèi)，下游基本呈清水下泄，河床隨之下切，但是樞紐清水下泄引起的河床下切會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸降低，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

2.2.2梧州水文站

梧州水文站于1900年1月由原梧州海關(guān)設(shè)立，位于東經(jīng)111°20′，北緯23°28′，是西江干流的重要控制站，集水面積327.006億m2，占西江流域集水面積的94.6%，控制了廣西境內(nèi)85%的來水。自建站以來實(shí)測(cè)最高水位27.63 m，歷時(shí)最低水位為1.42 m。實(shí)測(cè)最大流量53 700 m3s，最小流量為582 m3s，汛期水量占年總量的80.5%，其中6—8月最大，占52.6%，非汛期11月至次年4月僅占年總水量的19.5%，其中1—3月為最枯，占7.2%。收集了梧州站1957—2018年的日均流量資料，其特征流量見圖2。從圖2可知，2012年后98%保證率流量和最小流量均維持在較高水平。由1999—2018年設(shè)計(jì)流量推算，離差系數(shù)Cv=0.29，偏態(tài)系數(shù)Cs=0.58，5 a一遇流量為1 126 m3s[3]。

圖2 梧州站特征流量

2.2.3潮汐

長(zhǎng)洲樞紐壩下河段枯季受潮汐影響，高要水文站多年高低潮位顯示最低潮位為-0.56 m，潮差不大，沿程自上游至下游呈遞增趨勢(shì)。落、漲潮歷時(shí)比自下游至上游有遞增的趨勢(shì)，越往上游，漲潮歷時(shí)越短，落潮歷時(shí)越長(zhǎng)。漲潮量的年內(nèi)變化是汛期小、枯季大，落潮量則相反；漲落潮量的年際變化不大，但近年受河床采沙等人類活動(dòng)影響，納潮量有增大趨勢(shì)。西江潮區(qū)、潮流界和咸水界的界限隨洪、枯水及季節(jié)而變[4]，“三界”變化范圍見表1。2019年枯季實(shí)測(cè)沿程瞬時(shí)水位見圖3。從圖3可知，下游水位變化大，上游水位變化小，表明封開水位受潮汐影響，越往上游影響越小，至長(zhǎng)洲尾其影響程度非常小[5]。

表1 西江“三界”變化范圍

圖3 2019年2月枯季長(zhǎng)洲至封開河段沿程瞬時(shí)水面線

2.2.4河床演變

長(zhǎng)洲樞紐建壩前后河床地形發(fā)生較大變化，受清水沖刷、下游采砂以及航道整治工程的影響，下游河床地形呈下降趨勢(shì)。受河道左側(cè)丁壩控制，主槽比較穩(wěn)定。

2010年以來，除局部有人為采沙活動(dòng)影響外，河段沖刷程度減弱，深槽及河床地形擺動(dòng)不大，洲灘及深槽逐漸趨向穩(wěn)定。樞紐壩下航段縱斷面見圖4。

圖4 航道中線縱斷面對(duì)比

2.3 梧州站設(shè)計(jì)最低通航水位

2.3.1建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

按Ⅰ級(jí)航道設(shè)計(jì)，滿足3 000噸級(jí)內(nèi)河船舶、兩排一列式一頂2×3 000噸級(jí)及一頂2×2 000噸級(jí)頂推船隊(duì)通航，設(shè)計(jì)最小航道尺度為4.1 m×90 m×670 m，富余水深為0.4 m。

2.3.2資料分析

設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算分析主要使用梧州水文站和德慶水文站的相關(guān)數(shù)據(jù)。梧州水文站于1900年設(shè)站觀測(cè)水位，1944年9月停測(cè)，1945年10月恢復(fù)觀測(cè)至今，期間數(shù)次搬遷，先后為梧州(一)～(四)站。建國(guó)后水位觀測(cè)平時(shí)為每日3次，視水位變化情況增加測(cè)次。流量測(cè)驗(yàn)以流速儀的常測(cè)法或簡(jiǎn)測(cè)法為主，高水時(shí)多為浮標(biāo)法，資料精度逐年提高。1958年以后按水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求進(jìn)行，資料精度較好。德慶水文站隸屬?gòu)V東省水文局肇慶分局，于1947年設(shè)站觀測(cè)水位，1949年撤銷，1950年設(shè)立為雨量站，1954年改為水文站，1956年改為水位站。德慶站觀測(cè)河段順直，河床穩(wěn)定，觀測(cè)資料可靠。

2.3.3水位分析

長(zhǎng)洲水利樞紐至界首河段的河床以下切為主，造成相同流量情況下，研究河段水位下降明顯。逐年分析2009—2018年的水位流量相關(guān)關(guān)系，其結(jié)果見圖5。從圖5可知，梧州站水文站枯水流量下水位在逐年下降，未來仍將進(jìn)一步下降，但下降速度逐漸放緩。

圖5 梧州水文站歷年流量對(duì)應(yīng)水位

根據(jù)2005—2018年德慶站水位資料，98%保證率日均水位1.035 m，98%保證率日最低水位0.714 m。通過建立二維數(shù)模模型，計(jì)算梧州水文站設(shè)計(jì)最低通航水位。進(jìn)口邊界：給定入流斷面的流量，長(zhǎng)洲外江流量為845 m3s，內(nèi)江流量為245 m3s，桂江流量為28 m3s；出口邊界：德慶水文站斷面為水位邊界1.035 m，全長(zhǎng)85 km。經(jīng)過計(jì)算，梧州水文站現(xiàn)狀設(shè)計(jì)最低通航水位為1.53 m。

3 梧州水文站設(shè)計(jì)最低通航水位

航道設(shè)計(jì)須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)方案設(shè)計(jì)，模型試算得工程后梧州站設(shè)計(jì)水位1.48 m，本文建議下降0.3 m作為最終取值。備降0.3 m主要考慮多種可能誤差的影響，影響梧州水文站設(shè)計(jì)最低通航水位選取的主要因素有以下幾方面：

1)備降0.3 m對(duì)水位的影響。按設(shè)計(jì)水位計(jì)算水文邊界，地形采用設(shè)計(jì)水位備降0.3 m的地形，計(jì)算設(shè)計(jì)水位與未備降情況下的水位變化，結(jié)果見表2。

表2 備降0.3m對(duì)水位的影響 m

2)潮汐的影響。在設(shè)計(jì)流量下，德慶采用典型大潮過程，對(duì)比潮汐過程最低水位與設(shè)計(jì)水位的水位變化。由于5 a一遇98%枯水與天文潮遭遇概率不大，取50%作為潮汐平均影響。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 潮汐對(duì)水位的影響 m

3)界首以下河床下切影響。按設(shè)計(jì)水位計(jì)算水文邊界，界首以下地形統(tǒng)一下降3 m(丁壩高程不變)，計(jì)算設(shè)計(jì)水位變化，結(jié)果見表4。

表4 河床下切對(duì)水位的影響 m

4)施工超挖的影響。超深超寬由于施工造成，有一定的隨機(jī)性，按50%超深超寬考慮設(shè)計(jì)斷面，計(jì)算設(shè)計(jì)水位變化，結(jié)果見表5。

表5 施工超挖對(duì)水位的影響 m

5)影響匯總。根據(jù)模擬計(jì)算，全程影響總和接近0.3 m，各因素出現(xiàn)有隨機(jī)性，考慮計(jì)算誤差，統(tǒng)一按0.3 m取富余，見表6。

表6 各種因素影響下的水位變化 m

根據(jù)模型計(jì)算成果，梧州水文站現(xiàn)狀設(shè)計(jì)最低通航水位為1.53 m，整治后設(shè)計(jì)最低通航水位為1.18 m。

4 結(jié)語

1)根據(jù)最新歷年梧州站的水位流量關(guān)系分析可知，梧州站水位處于下降過程中，不宜直接采用梧州站現(xiàn)有水文資料分析設(shè)計(jì)水位成果。

2)通過水文資料分析，確定梧州水文站98% 5 a一遇流量為1 126 m3s；桂江98% 5 a一遇流量為27.6 m3s；德慶98%日均水位為1.035 m。根據(jù)工程河段多年水位連續(xù)下降的特點(diǎn)，最低通航水位推算應(yīng)采用下游穩(wěn)定水位和設(shè)計(jì)流量建立模型推算。

3)根據(jù)數(shù)學(xué)模型模擬設(shè)計(jì)水位工況計(jì)算結(jié)果，考慮30 cm水位下切富余后，工程后設(shè)計(jì)水位為：界首1.04 m，梧州水文站1.18 m，長(zhǎng)洲樞紐引航道口門2.01 m。

4)工程前沿程多處水深不滿足4.1 m要求，工程后沿程水深在4.7 m以上，滿足4.5 m開挖水深要求并有所富余。