內河航道設計最低通航水位推求探討

趙燕

（江西省港航設計院有限公司，江西 南昌 330008）

1 航道概況

長江源流某內河航道長165km，流域地勢南高北低，并向東西向傾斜，流域險灘段較多，流態(tài)復雜。當前該航道通行等級僅為Ⅴ級，航道水深為1.8m，航彎40m，彎曲半徑320m，常年通行300～350t 船舶。按照《長江干線航道總體規(guī)劃綱要》所規(guī)定的建設目標，至2025年應將該航道建設成為Ⅲ級航道標準，并形成大型船舶江海直達的目標。為此必須按要求對該長江干線內核航道進行升級改建，使其達到1000t 級船舶通行的Ⅲ級航道標準。該內河航道主要分布有高江水文站和五橋水文站，前者與內河河口相距25.8km，處于內河河段末端，且河段內并無較大支流匯入。本研究主要以高江水文站為依據站，進行航道設計最低通航水位推求。

2 設計最小通航流量確定

2.1 依據站水文資料

2008年該內河上游干流建成以灌溉和供水為主，兼具防洪、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等功能的坪壩水利樞紐，樞紐工程壩址以上控制流域面積24.13km2，總庫容及調節(jié)庫容分別為12.21×108m3和7.65×108m3。2012年該內河上游支流又建成具有發(fā)電、防洪攔沙等作用的王溝水電站樞紐工程，總庫容及調節(jié)庫容分別為52.8×108m3和38.7×108m3。結合現(xiàn)有研究成果，該內河上流干流、支流梯級運行對流域下游枯水期流量具備明顯的補償作用。

本文收集到高江水文站1990～2020年共30a日平均流量資料，根據河道內坪壩水利樞紐和王溝水電站的建成時間，將高江水文站水文資料劃分成1990～2004年、2005～2011年、2012～2020年三個系列。三個系列月流量均值具體見圖1。

從圖中得知，河道內坪壩水利樞紐和王溝水電站梯級建成后，高江水文站枯水期（11月～次年4月）月流量均值表現(xiàn)出較大幅度的增加，最枯月份（2月）的流量均值從梯級建成前的720m3/s 增大至1179m3/s；汛期（7～9月）流量均值則呈減小趨勢，徑流調節(jié)作用十分突出。這也說明河道上游坪壩水利樞紐和王溝水電站梯級建成后對高江水文站徑流一致性有較大影響。結合《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）的具體要求，本文主要以河道梯級建成后的2012～2020年的資料進行該河道設計最小通航流量計算。

2.2 河道設計最小通航流量

根據該河道梯級建成后2012～2020年的水文資料繪制高江水文站流量歷時曲線，歷時保證率分別為98%和95%時的流量為897m3/s 和1031m3/s。相關學者所提出的該河段達到Ⅲ級通航能力所對應的最小流量應為940m3/s，綜合已有研究成果及流量歷時曲線分析結果，本文將河段航道整治設計最小通航流量確定為940m3/s，所對應的歷時保證率98%。

3 設計最低通航水位推求

3.1 基本方法

該航道所在流域沿程水位受地形及流量影響較大，故在沿程水位推算時應假設某一時段內河道地形保持不變，水位主要受斷面流量的影響，且河道流量受河槽調蓄作用后衰減、坦化。本文采用統(tǒng)計學中的相關分析法明確各斷面間水位相關關系，根據已知斷面水位推求其余斷面水位[1]。為保證水位計算精度，河段應設置若干組基本水尺并進行一個水文年的觀測，保證基本水尺的可靠。先構建起基本水尺和依據站水位相關關系，基于依據站水文特征推算基本水尺水位特征，再構建臨時水尺和基本水尺水位相關關系，得出臨時水尺水位特征值，根據上下水尺水位線性插值計算水尺間水位[2]。

在工程河段范圍內設置JB1、JB2、JB3、JB4、JB5、JB6 共6 把基本水尺，并結合險灘水流比降實際布設LS1～LS10 共10 把臨時水尺。從2020年3月1日～2021年2月31日開始逐時觀測水位。

3.2 水位流量關系

高江水文站河床基本為巖石，中低水位右岸為30m寬的平坦臺地，待測河段在斷面峽谷中段，河道在峽谷的約束下轉彎，高水控制作用明顯，歷年沖淤變化小，且水位流量關系線基本重合。因河床變化而引起的水位變化較小，所以年際間水位-流量轉換具有相同基礎。

3.3 基本水尺與水位相關線

根據高江水文站基本水尺同步觀測水位資料，繪制上下游水位逐時過程對比圖，基本水尺和該水文站水位過程表現(xiàn)出較好的峰谷對應性。通過比較可知，以高江水文站分級進行分段擬合的相關性比水位整體擬合的相關性更好，故以高江水文站基面水位264m 為分級水位進行基本水尺與高江水文站相應水位相關關系擬合。

3.4 臨時水尺與基本水尺水位相關線

為進行險灘設計最低通航水位推求，除在整治河段設置6 把基本水尺外，還增設10 把臨時水尺進行水位逐時同步觀測，觀測時間3～7d。在綜合考慮水流傳播歷時、峰谷水位的基礎上構建基本水尺和臨時水尺的相關關系線。

3.5 最低通航水位成果

根據對該內河航道水文條件的分析發(fā)現(xiàn)，其河道內坪壩水利樞紐和王溝水電站梯級建成后河道水文條件改變，枯水期流量顯著增大，應選擇水文條件改變后具有代表性的資料。故設計最小通航流量取940m3/s，高江水文站設計最低通航水位為262.45m。根據高江站設計最低通航水位以及基本水尺和高江站水位相關關系計算基本水尺斷面設計通航水位；根據基本水尺設計最低通航水位以及臨時水尺和基本水尺水位相關關系計算臨時水尺斷面最低通航水位[3]。結合實測結果，觀測期內河道流量基本穩(wěn)定在880～1100m3/s 范圍內，與設計流量接近?；谒幌嚓P線所推求的設計通航水位成果的合理性通過沿程實測水面線驗證，結果詳見表1。通過水位相關線法所推求的設計通航水位和對應流量下實測水面線成果基本吻合，差距最大僅為0.15m，這也表明水位相關線法對于內河航道設計通航水位推求完全適用，且推求結果精度高。

表1 設計通航水位（設計最小通航流量940m3/s）

4 結論

綜上所述，內河航道上游梯級建設對河道徑流存在明顯的調節(jié)作用，且對下游水文站徑流資料存在較大的一致性影響，也影響設計最低通航水位推求時資料的選取。本文應用水位相關線法構建起臨時水尺和基本水尺相關關系，并根據基本水尺水位特征推求臨時水尺水位特征，通過插值計算水尺間水位，所得到的設計最低通航水位推求成果精度有保證。