蕪申線下壩船閘改建省水船閘方案初探

劉 利，葉 榮，黃紅兵

(1. 南京市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法監(jiān)督局，南京 211512；2. 江蘇省下壩船閘管理所，南京 211318)

1 基本情況

蕪申線航道位于長江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，自西向東途經(jīng)安徽、江蘇、上海兩省一市，是長江三角洲地區(qū)高等級(jí)航道網(wǎng)“二縱六橫”和江蘇省干線航道網(wǎng)“兩縱五橫”中的重要省際干線航道。2016年，蕪申線航道南京高溧段已按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)基本建成，自上而下有兩個(gè)通航梯級(jí)，分別為楊家灣船閘、下壩船閘，均位于南京市高淳區(qū)。

下壩船閘為雙線船閘，位于高淳區(qū)東壩街道下壩村，是蕪申線航道高溧段自上而下的第2個(gè)通航梯級(jí)建筑物。下壩一線船閘為Ⅴ級(jí)船閘，于1989年建成，建設(shè)規(guī)模為160 m×12(14) m×2.5 m(閘室長×口門寬×檻上最小水深)，最大設(shè)計(jì)船型為300 t 級(jí)，設(shè)計(jì)通過能力為600萬t/年。2015年，為改善航道的通航條件，滿足大噸級(jí)船舶的通航需要，蕪申線航道高溧段提檔升級(jí)，下壩二線船閘建成。下壩二線船閘為Ⅲ級(jí)船閘，船閘規(guī)模為230 m×23 m×4 m(閘室長×口門寬×檻上最小水深)，最大設(shè)計(jì)船型為1 000 t級(jí)，設(shè)計(jì)通過能力為1 890 萬t/年。一線船閘與二線船閘按中心軸線平行布置，兩閘中心線間距為140 m，一線船閘位于閘區(qū)北側(cè)，東側(cè)與橫跨下閘首的閘橋中心線對(duì)齊。下壩一線船閘、下壩二線船閘的相對(duì)位置示意圖如 圖1 所示。

圖1 下壩一線船閘、下壩二線船閘的相對(duì)位置示意圖

根據(jù)下壩船閘管理所的過閘船舶統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，下壩二線船閘自2015年建成以來,過閘船舶通過量和貨運(yùn)量逐年增長，2021年實(shí)際船舶通過量已達(dá) 3 732 萬t。隨著近年來蕪申線航道高溧段船舶大型化發(fā)展，一線船閘受檻上水深較小的限制，目前只能通過一些較小的空船，常年只有二線船閘在運(yùn)行，船舶待閘情況比較嚴(yán)重，迫切需要提升下壩船閘的整體通過能力。為提升下壩船閘的通航能力，應(yīng)充分利用下壩船閘閘位所在地的土地資源，對(duì)一線船閘進(jìn)行擴(kuò)能升級(jí)，既可以有效節(jié)約土地資源，又能解決因船舶過閘出現(xiàn)的堵塞問題。

2 省水船閘建設(shè)意義及發(fā)展

2.1 建設(shè)意義

船閘是為解決船舶在有水頭差的航道通行而修建的通航建筑物，通過調(diào)整閘室內(nèi)水位，使其與上游或下游的水位齊平，從而保證上游或下游的船舶通過。在水頭差較大的航道，船閘運(yùn)行一次的泄水量較大，對(duì)水資源緊缺的航段，建設(shè)省水船閘有利于節(jié)約和綜合利用水資源。省水船閘是一種經(jīng)濟(jì)、便捷且符合生態(tài)要求的通航建筑物型式，能有效節(jié)省過閘用水量、綜合利用水資源，與非省水船閘相比可節(jié)省33%～70%的水量，采用工程措施甚至可以節(jié)省90%以上的用水量。

與國外相比，我國受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境、環(huán)保理念等因素的制約，內(nèi)河船閘較少采用省水船閘型式，隨著我國環(huán)保理念的加強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升、科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，建設(shè)省水船閘越來越符合當(dāng)下交通航運(yùn)的可持續(xù)發(fā)展方向。結(jié)合船閘所在地的地質(zhì)條件、自然條件和綜合利用水資源的需要，在新建、擴(kuò)建船閘或改造舊閘時(shí)，將船閘建成省水船閘型式，不僅能節(jié)省用水量，還能夠較好地緩解我國水資源緊張流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)電、航運(yùn)之間的用水矛盾。

2.2 發(fā)展過程

20世紀(jì)60年代起，我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及研究學(xué)者就針對(duì)省水船閘進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和研究，如60年代，天津大學(xué)針對(duì)長江三峽船閘進(jìn)行了省水船閘方案設(shè)計(jì)及三峽船閘節(jié)水問題的分析等研究；70年代，南京水利科學(xué)研究所進(jìn)行了鄭家崗省水船閘模型試驗(yàn)[1]；80年代，天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所對(duì)國內(nèi)省水船閘有關(guān)問題進(jìn)行了總結(jié)。2000年以后，重慶交通大學(xué)進(jìn)行了烏江銀盤省水船閘水動(dòng)力學(xué)研究[2，3]；山西水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了桂林市春天湖雙線雙向省水船閘運(yùn)行研究[4]；天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院進(jìn)行了西江航運(yùn)干線長洲水利樞紐三線四線船閘輸水系統(tǒng)等研究[5]。這些研究為省水船閘在我國內(nèi)河航道整治工程建設(shè)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

2.3 適應(yīng)形勢(shì)創(chuàng)新發(fā)展

江蘇省船閘數(shù)量眾多，交通船閘有80余座，但同樣存在著水資源保護(hù)與航運(yùn)用水的矛盾，為促進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展，保障船舶安全、及時(shí)、有序過閘，并兼顧地方農(nóng)業(yè)用水，應(yīng)在下壩船閘擴(kuò)建改造時(shí)考慮省水船閘的建設(shè)。建設(shè)省水船閘既能滿足國家節(jié)能減排的要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，又可填補(bǔ)江蘇船閘大省在省水船閘設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維方面的空白，為今后省內(nèi)老閘的改造積累經(jīng)驗(yàn)、提供借鑒。

3 下壩船閘建設(shè)省水船閘的探討

3.1 必要性

3.1.1 特殊的地理?xiàng)l件

蕪申線航道高溧段的楊家灣船閘、下壩船閘與蕪申線航道蕪湖段的澛港船閘一同連接起長江、水陽江、青弋江、太湖等水系，其中楊家灣船閘和下壩船閘兩個(gè)通航梯級(jí)的間距約為30 km，兩閘之間的航道由官溪河航段、固城湖湖區(qū)航段和胥河(上)航段組成。

固城湖是南京高淳區(qū)的主要調(diào)蓄湖泊和入江通道，匯水區(qū)西部與水陽江之間為平原圩區(qū)，地勢(shì)低平，海拔在5.0～7.0 m(吳淞高程，以下同)，屬于沖積平原水網(wǎng)圩區(qū)，東部以茅山余脈為分水嶺。蕪申線航道高溧段經(jīng)整治后，楊家灣船閘以西上游設(shè)計(jì)最低河底標(biāo)高(0.50 m)，下壩船閘以東下游設(shè)計(jì)河底標(biāo)高(-0.48 m)，兩座船閘間的航段設(shè)計(jì)河底標(biāo)高為4.80 m，由于兩閘之間的地勢(shì)比兩閘外的地勢(shì)高，一年中除汛期外大部分時(shí)間水流是由固城湖區(qū)向楊家灣船閘和下壩船閘兩閘外流動(dòng)。

3.1.2 水文條件

下壩船閘為江蘇省內(nèi)承受最大設(shè)計(jì)水位差的船閘，設(shè)計(jì)最大水位差達(dá)9.78 m，歷來是江蘇省和南京市防汛關(guān)注的重點(diǎn)，防汛地位十分重要。水位差大意味著船閘在灌泄水時(shí)的耗水量大，豐水期時(shí)對(duì)通航的影響不大，但枯水期或遇夏季干旱，為保障居民生活用水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，有時(shí)需停航保水，這給航運(yùn)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶來較大不利影響。

下壩二線船閘通航6年來，隨著下游橋梁堵點(diǎn)的打通，船舶的過閘通過量逐年增長。根據(jù)下壩船閘管理所的過閘船舶統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年通過閘次(上下行)為5 587閘次，船舶通過量為2 140萬t；2021年通過閘次(上下行)為7 754閘次，船舶通過量為3 732萬t；2022年1月至6月通過閘次(上下行)為 4 401 閘次，船舶通過量為2 147萬t，按此增長趨勢(shì)，預(yù)計(jì)2022年通過閘次(上下行)在8 000閘次以上。

根據(jù)下壩船閘的實(shí)際運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)了下壩船閘建成后運(yùn)營期間上下游水頭差情況，下壩船閘2016—2021年年度水頭差統(tǒng)計(jì)情況表如表1所示。由表1可知，2016—2021年，下壩船閘的月度最高水頭平均數(shù)約為6.6 m，如2017年12月、2018年1月及2月，其中2016年7月31日的水頭差最高有7.8 m；月度最低水頭平均數(shù)約為3.9 m，如2016年6月；年度平均水頭差約為5.3 m；低于固城湖調(diào)控水位8.0 m的年平均天數(shù)約為43天。按40天/年，每天放閘泄水次數(shù)11閘，計(jì)算低于調(diào)控水位8 m的泄水量約為：23 m×230 m×5.3 m×11×40≈1 233.6萬m3/年。

表1 下壩船閘2016—2021年年度水頭差統(tǒng)計(jì)情況表

3.1.3 農(nóng)業(yè)用水情況

根據(jù)《蕪申運(yùn)河固城湖段通航特征水位分析報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隨著固城湖周邊農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，種植面積、養(yǎng)殖面積發(fā)生變化，主要是螃蟹等水產(chǎn)養(yǎng)殖面積大幅增加，傳統(tǒng)作物種植面積減小。目前固城湖周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約為25萬畝，用水集中在12月至次年6月，用水量約為580萬m3；農(nóng)作物種植面積約為33萬畝，用水集中在3月、6月和10月，用水量約為250萬m3。由于固城湖周邊農(nóng)業(yè)用水主要依賴固城湖蓄水量，枯水期或遇干旱年份，水資源供需矛盾加劇，應(yīng)當(dāng)首先滿足城鄉(xiāng)居民生活用水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求用水再兼顧航運(yùn)需要。

3.2 可行性

3.2.1 省水船閘平面布置條件

下壩二線船閘位于下壩一線船閘南側(cè)，其中心線平行于一線船閘中心線，兩閘中心線相距140 m，閘區(qū)外部交通由跨閘公路橋的接線道路相接。綜合考慮現(xiàn)有建筑設(shè)施功能布置閘區(qū)，綜合樓等主要管理用房布置在閘區(qū)北側(cè)，配電房、機(jī)修間布置在雙線船閘中間的東側(cè)。從雙線船閘及建筑物的布置現(xiàn)狀看，無論采用哪種型式的省水船閘都能滿足省水船閘平面布置的場地條件，必要時(shí)可利用現(xiàn)有一線船閘、二線船閘之間的場地對(duì)個(gè)別單體建筑物適當(dāng)調(diào)整位置。

3.2.2 地質(zhì)條件

由《蕪申線航道下壩復(fù)線船閘施工圖設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察報(bào)告》可知，本區(qū)50 m以淺分為第四系覆蓋層和下伏的白堊系泥巖，上部第四系厚為10～15 m，分為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)，土性為灰黃、黃色(見雜白色)粉質(zhì)黏土或粉土，底部與泥巖接觸部分分布少量小礫石。從一線船閘、二線船閘的實(shí)際施工情況看，船閘閘位所在區(qū)域的工程地質(zhì)條件總體較好，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?如地連墻)即可實(shí)施改造。

3.2.3 通航條件保障

輪流對(duì)雙線船閘進(jìn)行改造，改造施工期間不影響船閘梯級(jí)的正常運(yùn)行，具體先改造一線老閘，施工期間利用二線船閘通航，待二線船閘改造時(shí)再利用一線船閘通航。改造施工期間，需加強(qiáng)船閘運(yùn)行調(diào)度和工程改造管理，做好綜合協(xié)調(diào)工作。

3.3 實(shí)施方案建議

3.3.1 省水船閘的類型

目前水運(yùn)工程中, 具有省水功能的通航建筑物船閘有以下幾種類型：帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘、不待航船閘、灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線船閘、具有中間渠道的船閘等[6]。根據(jù)下壩船閘的現(xiàn)場實(shí)際情況，可考慮以下三種類型：

(1) 帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘

帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘工作原理示意圖如圖2所示。根據(jù)閘室結(jié)構(gòu)、上下游水位和上下游水頭差情況，在兩線船閘中間或兩側(cè)布置2級(jí)同閘寬(或半寬)、同閘長的省水池，每級(jí)省水池高度按2～2.5 m 考慮。當(dāng)船閘需要充灌水時(shí),由省水池向閘室充灌水，且先由低處的第2省水池向閘室4部位充灌水，再由高處的第1省水池向閘室3部位充灌水，省水池的水不足部分則由上游補(bǔ)充；當(dāng)船閘需要泄水時(shí), 泄水的順序同充灌水的順序相反，先把閘室1部位泄向高處的第1省水池，再把閘室2部位的水泄向低處的第2省水池，多余部分則泄向下游。該類型省水船閘是利用省水池反復(fù)灌泄水來實(shí)現(xiàn)省水的目的。

圖2 帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘工作原理示意圖

(2) 灌(泄) 水共用互補(bǔ)的雙線船閘

一般情況下，如果某一個(gè)通航梯級(jí)建設(shè)有雙線省水船閘，采用灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線船閘型式是最節(jié)約水資源的方式。該類型省水船閘是通過輸水廊道溝通兩個(gè)船閘閘室進(jìn)行輸水灌水或泄水克服水位差,設(shè)置閥門控制灌泄水過程中的流量進(jìn)出。

下壩船閘現(xiàn)有一線船閘、二線船閘兩座，在不中斷下壩船閘的正常通航情況下，根據(jù)兩座船閘的最小檻上水深情況，若采用灌(泄) 水共用互補(bǔ)的雙線船閘型式，可在先期建設(shè)一線船閘時(shí)，同步設(shè)計(jì)其輸水系統(tǒng)工程內(nèi)容，并為二線船閘預(yù)留灌泄水時(shí)需要的輸水廊道，待二線船閘建設(shè)完成時(shí)再連成一體。

(3) 灌泄水自流加泵送輸水的省水船閘

考慮克服最大設(shè)計(jì)水位差時(shí)閘室所需的灌泄水量及水量的損耗，在一線船閘與二線船閘的閘室之間設(shè)置滿足用水需求的省水池，并通過輸水廊道將省水池與閘室相連，在完成灌泄水自流的基礎(chǔ)上，通過水泵從省水池抽水對(duì)閘室進(jìn)行灌泄水，省水池內(nèi)的水全部可以重復(fù)利用，從而實(shí)現(xiàn)水資源的最大化利用，該類型的省水船閘只需要設(shè)置一級(jí)省水池。

3.3.2 實(shí)施方案初步分析

隨著蕪申線航道船舶通過量的逐年增長，日通過閘次受船閘灌泄水時(shí)間長的影響，目前已出現(xiàn)船舶待閘時(shí)間較長的問題，為緩解這一情況，緊急時(shí)會(huì)啟用原一線老閘，放行一些小型空載船舶過閘，但這樣會(huì)增加耗水量。預(yù)計(jì)未來蕪申線航道的船舶通過量還會(huì)進(jìn)一步增長，為保障船舶安全、及時(shí)過閘，一線船閘的改造提檔升級(jí)十分必要，且二線船閘建成運(yùn)行已有7年半，通常運(yùn)行10年需進(jìn)行一次大修。

考慮一線老閘因通航標(biāo)準(zhǔn)低需進(jìn)行改造、二線新閘運(yùn)行10年也需進(jìn)行大修，確定省水船閘的改造方案后，先對(duì)一線老閘按Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(省水船閘型式)進(jìn)行改造，建設(shè)周期約為30個(gè)月，改造完成即啟用；隨后結(jié)合二線船閘的大修改造，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行省水結(jié)構(gòu)改造，再與已改造完畢的一線船閘貫通，經(jīng)調(diào)試滿足要求后再正式投入使用。

4 結(jié)語

隨著全球氣候變暖，極端氣候事件頻發(fā)，水利、交通等相關(guān)部門需要把握新時(shí)期對(duì)水資源的戰(zhàn)略需求，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水資源，構(gòu)建更有效的水資源配置機(jī)制，緩解農(nóng)業(yè)用水需求與航運(yùn)用水需求的矛盾，更好地平衡水資源的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)自然與未來社會(huì)的發(fā)展需要。

根據(jù)下壩二線船閘通航6年來船舶通過量的增長趨勢(shì)推斷，未來隨著蕪申線全線航道的貫通，沿線碼頭作業(yè)區(qū)陸續(xù)建成并投入使用，船閘船舶流量還會(huì)進(jìn)一步增長。由于現(xiàn)有一線船閘建成時(shí)間早，其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模較低，只能放行一些小型空載船舶過閘，且二線船閘的通過能力已處于飽和狀態(tài)，船舶待閘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，下壩船閘的整體通過能力已不能適應(yīng)船舶大型化和貨運(yùn)量快速增長的需求，迫切需要對(duì)下壩船閘進(jìn)行擴(kuò)建。鑒于本文前述，在進(jìn)行擴(kuò)建可行性研究時(shí)，從綜合利用水資源的角度出發(fā)，充分考慮下壩船閘所處地理位置的特殊性與水資源的供需矛盾，開展省水船閘的可行性及布置方案研究是十分必要也有意義的。