北江石角站不同洪水條件下通航保證率研究

羅淼通　申其國　王亞妮

摘 要：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，分析石角站水位流量關系，并基于2011年-2013年日均水位數(shù)據(jù)，對北江石角站不同洪水條件下通航保證率進行研究。石角站水位具有大洪水暴漲暴落、持續(xù)時間短等山區(qū)河流特性，2年一遇洪水條件相較10年一遇洪水條件，通航保證率相差不大，但水位下降較多，對橋梁適應性更好。在山區(qū)河流航道建設過程中，對于不滿足凈高要求且暫無條件改造的橋梁，在滿足通航保證率的情況下，建議采用2年一遇洪水條件確定設計最高通航水位。結(jié)論可供山區(qū)航道建設參考。

關鍵詞：北江;山區(qū)河流;通航保證率;設計最高通航水位

中圖分類號：U612? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0141-03

北江是珠江水系第二大河流，位于廣東省中、北部，在廣東省朝南流經(jīng)韶關曲江、英德、清遠等縣市，在三水思賢滘口與西江匯合進入珠江三角洲網(wǎng)河地區(qū)后注入南海。北江干流全長約184km，平均坡降0.22‰，河道順直，兩岸峽谷與河谷盆地相間，河道寬窄、深淺變化較大，河床覆蓋層以沙為主，間有卵石層，中游河段有峽谷。目前已建有孟洲壩、濛浬、白石窯、飛來峽、清遠五座水利樞紐。

石角水文站，位于清遠市清城區(qū)石角鎮(zhèn)，地理坐標東經(jīng)112°57′，北緯23°34′，位于清遠樞紐壩下4.17km，距河口52km。按照珠江流域“上蓄、中防、下泄”的防洪概念，石角水文站處在“中防”的位置，也是北江大堤的始端，是北江干流控制站和國家重要水文站，同時也是北江大堤防汛水情的代表站。石角水文站測報項目齊全，包括降水量、水位、流量、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒分析、水化等項目，擔負著向國家防總、省市各防汛機構(gòu)拍發(fā)水情的任務。

本研究來源于北江航道擴能升級工程科研項目《北江航道擴能升級工程關鍵技術(shù)研究——專題二：多梯級船閘擴建的高等級航道建設關鍵技術(shù)研究》。為分析北江石角站不同洪水條件下通航保證率，本文主要收集了2011年至2013年石角站日均水位數(shù)據(jù)。

1石角站水位流量關系

根據(jù)石角站1989年～2010年22年實測流量成果和洪水要素資料，分析北江中下游河段河道下切情況，1989年～1999年11年間北江中下游河道斷面變化不大，2000年以后，河道斷面變化較大，水位流量關系下降明顯，石角站歷年實測水位流量關系變化見圖2[1]。

由于飛來峽樞紐建成后對下游河道的沖刷作用和河道采砂影響，1999年后石角站水位流量關系呈現(xiàn)出連續(xù)下降的特點，從1999年至2010年12年間，水位流量關系平均每年下降0.28m;特別是2005年以來，低水部分每年下降幅度約0.5m，累積下降1.0m左右。

2石角站設計水位的確定

北江航道擴能升級工程設計與施工階段，依據(jù)《內(nèi)河通航標準》[2]、《內(nèi)河航運工程水文規(guī)范》[3]的有關規(guī)定，確定河段設計通航水位如下：

2.1設計最高通航水位

研究河段受潮汐影響不明顯，根據(jù)《內(nèi)河通航標準》以及《內(nèi)河航運工程水文規(guī)范》要求：內(nèi)河Ⅰ～Ⅲ級航道，洪水重現(xiàn)期為20年，對出現(xiàn)高于設計最高通航水位歷時很短的山區(qū)性河流，Ⅲ級航道洪水重現(xiàn)期可采用10年（10%洪水）?？紤]到北江具有山區(qū)河流特性，洪水期洪峰流量大，歷時短，而目前已建設的橋梁通航凈高起算水位以洪水重現(xiàn)期10年推算。因此，北江航道擴能升級工程設計最高通航水位采用洪水重現(xiàn)期10年進行頻率計算確定，對于受樞紐影響的河段，設計最高通航水位根據(jù)上述規(guī)范要求按規(guī)定重現(xiàn)期洪水水位與相應壩上水位、樞紐上下游運行水位等推求。

由于清遠樞紐～三水河口河段近年地形變化劇烈，且下游無樞紐控制，歷史水位流量關系難以反映河段現(xiàn)狀情況及未來演變趨勢。由于石角站距離上游新建清遠樞紐較近，受上游清遠樞紐下泄水流影響較大，因此數(shù)值模擬成果更能反映水位變化情況。

工程設計階段數(shù)模研究模擬了清遠樞紐十年一遇洪水條件（流量11700m3/s）下，清遠樞紐～三水河口的水位情況，計算確定石角站的設計最高通航水位為10.5m（85高程，下同）。

2.2設計最低通航水位

根據(jù)規(guī)范要求，設計最低通航水位可采用綜合歷時曲線法和保證率頻率法計算確定：對于內(nèi)河Ⅲ級航道（天然河道），綜合歷時曲線法多年歷時保證率98%～95%;保證率頻率法年保證率為98%～95%，重現(xiàn)期為5～4年。因此，北江航道擴能升級工程最低通航水位采用綜合歷時曲線法計算，保證率取98%。

石角水文站位于清遠樞紐壩下4.17km，所在河段受挖砂、樞紐運行等人類活動影響，河床下切、水位下降[4]，因此，石角站的水位資料一致性較差，而流量資料不受河床下切影響，所以石角站設計最低通航水位采用流量保證率進行計算。

經(jīng)數(shù)模計算，在清遠樞紐下游航道通航最小設計流量（237m3/s）下，石角站水位為0.42m，即為設計最低通航水位。

3 2年一遇洪水條件水位與設計高水位的對比

北江具有山區(qū)河流特性，在2年一遇洪水條件（50%洪水）下，水面比降與洪水流速均較大，大部分河段已經(jīng)不適宜通航。據(jù)調(diào)研，當北江洪水流量達到1000m3/s時，上游段樞紐即要開閘泄洪，海事部門將實行封航措施。

根據(jù)北江山區(qū)河流特性，結(jié)合實際通航管理，本研究提出采用2年一遇洪水條件推算研究河段沿線設計最高通航水位，并與10年一遇洪水條件確定的設計最高通航水位進行對比，分析其適應性。

根據(jù)設計階段確定的研究河段延程2年一遇洪水流量，石角站為9220m3/s，結(jié)合石角站年最大洪峰流量頻率曲線圖、水位流量關系曲線表等，推算石角站2年一遇洪水位為8.61m。若設計最高通航水位采用2年一遇洪水條件，則石角站設計最高通航水位為8.61m，較原設計高水位10.5m低1.89m，詳見下表1。

4不同洪水條件下通航保證率研究

本研究收集了2011年-2013年石角站的日均水位資料，繪制各年日均水位過程如圖3至5所示，同時統(tǒng)計日均水位大于2年或10年一遇洪水位的天數(shù)，詳見表2。由圖、表可知：

（1）石角站所在的北江河段具有明顯的山區(qū)河流特征，洪水期水位高、在2m以上，枯水期水位低、在1m左右，大洪水時水位暴漲暴落、持續(xù)時間較短;

（2）2011年-2013年，石角站日均水位均在設計最低通航水位0.42m以上;

（3）2011年石角站共有3天日均水位大于2年一遇洪水位、通航保證率為99.18%，未出現(xiàn)大于10年一遇洪水位的日均水位;

（4）2012年分別有4天、2天日均水位大于2年、10年一遇洪水位，通航保證率分別為98.9%、99.45%，2年一遇洪水位的通航保證率僅降低0.55%;

（5）2013年分別有7天、3天日均水位大于2年、10年一遇洪水位，通航保證率分別為98.08%、99.54%，2年一遇洪水位的通航保證率僅降低1.1%。

（6）2011年-2013年三年間，日均水位高于2年一遇洪水位且低于10年一遇洪水位的天數(shù)僅9天，年均3天，通航保證率僅降低0.82%，且2年一遇洪水位條件下通航保證率達98.72%，滿足規(guī)范及設計要求的98%。

5 結(jié)論

（1）石角站位于北江下游，具有明顯的山區(qū)河流特性，洪水水位較枯水水位高，大洪水時水位暴漲暴落、持續(xù)時間較短。

（2）根據(jù)2011年-2013年日均水位資料，三年間石角站日均水位大于10年一遇洪水位的天數(shù)為5天，通航保證率為99.54%;大于2年一遇洪水位的天數(shù)為14天，通航保證率為98.72%。說明2年一遇洪水條件下通航保證率，與10年一遇洪水條件下保證率相差不大，且滿足規(guī)范及設計要求的98%保證率，但2年一遇洪水位較10年一遇洪水位下降1.89m，對橋梁適應性更好。

（3）在山區(qū)河流航道建設過程中，由于2年一遇洪水時水面比降與流速大，航道已不適宜通航，對于不滿足凈高要求且暫無條件改造的橋梁，在滿足通航保證率的情況下，建議采用2年一遇洪水條件確定設計最高通航水位。

參考文獻：

[1] 中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司， 中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司. 北江（烏石至三水河口）航道擴能升級工程可行性研究報告（報批稿）[R].廣州：中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司. 2013-11.

[2] GB50139-2014，內(nèi)河通航標準[S].

[3] JTS 145-1-2011，內(nèi)河航運工程水文規(guī)范[S].

[4] 謝凌峰，申其國，徐治中.20世紀80年代以來珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)河性演變[J].水利水電科技進展，2015，35（4）：10-13.