受梯級樞紐運(yùn)行影響的航道設(shè)計(jì)流量

張 明 ,馮小香,覃昌佩,蔣乙平,楊燕華

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456;2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,南寧 530029)

0 引 言

水沙變異條件下航道設(shè)計(jì)最低通航水位(簡稱設(shè)計(jì)水位)研究是目前內(nèi)河港航工程領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[1-4]。當(dāng)自然和人為因素導(dǎo)致航道低水位持續(xù)下降時(shí),其長期水位系列已不能滿足水文一致性的要求,采用水位綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算的設(shè)計(jì)水位一般難以反映現(xiàn)狀水情變化[5]。《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)[6]規(guī)定,當(dāng)基本站所處河段河床和水文條件出現(xiàn)明顯變化時(shí),應(yīng)采用流量系列統(tǒng)計(jì)分析確定設(shè)計(jì)流量,通過近期水位流量關(guān)系推求設(shè)計(jì)水位。因此,在內(nèi)河航道工程中,設(shè)計(jì)最小通航流量(簡稱設(shè)計(jì)流量)的計(jì)算往往是設(shè)計(jì)水位分析和計(jì)算的基礎(chǔ),在有多種因素影響時(shí),設(shè)計(jì)流量還是分析確定各因素貢獻(xiàn)和預(yù)測設(shè)計(jì)水位變化趨勢的前提[7-8]。

對于調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的大型水利樞紐,水庫調(diào)蓄會影響樞紐下游徑流的年內(nèi)分配,將導(dǎo)致航道設(shè)計(jì)流量的變化,加大枯水期下泄流量也是提高航道等級和發(fā)揮航運(yùn)效益的重要方式。馮小香等[2]根據(jù)三峽及上游梯級水庫調(diào)度運(yùn)行規(guī)則模擬預(yù)測長江中游河段的設(shè)計(jì)流量變化,李家世等[9]針對梯級水庫對下游枯水流量影響明顯、但正常運(yùn)行時(shí)間較短的特點(diǎn),根據(jù)典型時(shí)段的枯水流量變化特征來分析計(jì)算岷江下游航道的設(shè)計(jì)流量,劉勇等[10]計(jì)算了在保障樞紐下游河段基本航道尺度所需要的向家壩最小下泄流量。洪枯季蓄水位變幅較大的樞紐,樞紐運(yùn)行將改變上游水文特性,可能影響水庫變動回水區(qū)航道的設(shè)計(jì)流量。謝玉杰等[11]針對嘉陵江亭子口樞紐變動回水區(qū)河道來流較小,灘險(xiǎn)礙航嚴(yán)重的問題,采用優(yōu)良河段的河相關(guān)系確定能達(dá)到整治目標(biāo)航深的流量,并以該流量作為變動回水區(qū)航道的設(shè)計(jì)流量。洪毅等[12]以天然河道的設(shè)計(jì)流量作為大頂子山航電樞紐建成后變動回水區(qū)河段的設(shè)計(jì)流量。然而,受上游、下游兩個(gè)梯級樞紐運(yùn)行影響的兩壩之間河段,其水文條件具有樞紐下游河段和樞紐水庫的雙重特征。尤其對于季節(jié)性回水銜接的山區(qū)兩壩間河段,不僅下游樞紐的建成運(yùn)行可能導(dǎo)致兩壩間變動回水區(qū)枯水控制時(shí)段變化,上游樞紐的調(diào)節(jié)能力和電站日調(diào)峰也會影響兩壩間航道的設(shè)計(jì)流量;同時(shí),在航道升級需要進(jìn)行長距離挖槽時(shí),枯水位對于流量變化較為敏感,選擇較小的設(shè)計(jì)流量可能會導(dǎo)致壩下更大的水位下降,從而大幅增加航道工程費(fèi)用。但是,由于該類問題較為復(fù)雜,以往可供參考借鑒的資料較為有限,迫切需要進(jìn)行較為深入的相應(yīng)研究。

柳江紅花水利樞紐至石龍三江口位于大藤峽水利樞紐庫區(qū)的上游,在大藤峽樞紐正常蓄水位運(yùn)行后,該河段處于水庫常年回水區(qū)和變動回水區(qū),受兩個(gè)樞紐的運(yùn)行影響,水文條件復(fù)雜。同時(shí),在柳江航道由500 t級向2 000 t級提升時(shí),需要進(jìn)行長距離疏挖,并且設(shè)計(jì)流量的大小對疏挖工程引起的枯水位下降具有重要影響。由于柳江紅花水利樞紐至石龍三江口河段流量主要來自于紅花水利樞紐上游,紅花水利樞紐下游近壩段(紅花水利樞紐至洛清江匯合口)設(shè)計(jì)流量的分析計(jì)算就顯得尤為關(guān)鍵。本文以柳江紅花水利樞紐下游近壩段為例,研究了受梯級樞紐運(yùn)行影響的兩壩之間航道設(shè)計(jì)流量推求問題,研究成果可為類似航道和船閘工程提供參考。

1 黔柳江來水情勢

柳江是西江的第二大支流,在廣西象州縣石龍鎮(zhèn)三江口與紅水河匯合后匯入西江干流黔江河段(圖1)。

圖1 研究河段位置

紅花水利樞紐是柳江干流最下游梯級,距離石龍三江口約101 km,與下游黔江大藤峽水利樞紐相距約210 km。紅花水利樞紐至石龍三江口河段水量主要來自柳江干流,柳州水文站多年平均(1954—2015年)徑流量393.3億m3,支流洛清江、羅秀河年徑流量分別約為柳州水文站的20.7%、2.4%。黔江水量主要來自紅水河,柳江柳州水文站多年平均徑流量約為紅水河遷江水文站的60.8%,近年來由于遷江站來流減少,兩站徑流量比值有增加態(tài)勢,2007—2016年約為71%,1986—2016年,黔江武宣水文站年均流量為3 973 m3/s,6—8月份是黔江全年平均流量最大的3個(gè)月(表1),各月平均流量分別為9 550、9 439、6 305 m3/s;其次為5月份和9月份,分別為4 866、4 125 m3/s;10月份—次年4月份各月平均流量均<3 000 m3/s。

表1 武宣水文站和柳州水文站各月流量統(tǒng)計(jì)

1997—2016年,柳州水文站各年平均流量變化區(qū)間為816～1 805 m3/s,各年保證率98%的流量[13](將流量從大到小進(jìn)行排列,其位于第98個(gè)百分位值即是保證率98%的流量,下同)變化區(qū)間為79～233 m3/s,年平均流量和年枯水流量均無明顯的趨勢性變化(圖2)。該時(shí)段各月的平均流量(表1),以6月份最大,為3 955 m3/s;其次是7月份和5月份,分別為2 919、2 154 m3/s;枯水期的12月份—次年2月份,各月平均流量均<400 m3/s。各月最小流量(表1),以6月份最大,為496 m3/s;7月份、5月份次之,分別為345、239 m3/s;其他各月均<200 m3/s。由此可見,受山區(qū)河流洪水暴漲暴落的影響,柳江主汛期5—7月份存在小流量的情況,在黔江主汛期的6—8月份,柳州水文站流量甚至可能<200 m3/s。

圖2 柳州水文站年平均流量、年保證率98%的流量變化

2 大藤峽水利樞紐對柳江枯水控制時(shí)段的影響

大藤峽水利樞紐位于西江干流黔江河段,壩址控制流域面積19.86 萬km2,占西江流域面積的56%。樞紐正常蓄水位61.13 m,正常汛限水位47.73 m,總庫容34.79億m3,防洪庫容15億m3,電站裝機(jī)1 600 MW。樞紐工程于2014年底開工,2020年4月實(shí)現(xiàn)首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,工程預(yù)計(jì)2023年完工。

大藤峽水利樞紐是集防洪、航運(yùn)、發(fā)電、水資源配置、灌溉等于一體的綜合性水利樞紐,樞紐防洪和發(fā)電主要根據(jù)入庫流量進(jìn)行動態(tài)調(diào)度(表2)。當(dāng)10月份—次年4月份大藤峽入庫流量≤6 000 m3/s、5月份和9月份入庫流量≤5 000 m3/s時(shí),壩前水位≥59.73 m,與紅花水利樞紐現(xiàn)有一線船閘下游設(shè)計(jì)水位基本銜接,紅花水利樞紐出庫流量對柳江航道升級工程影響較小;隨著大藤峽壩前水位逐漸降低,庫尾河段逐漸成為脫水段,航道水位主要受紅花水利樞紐下泄流量和支流洛清江來流的影響,航道工程需要考慮紅花水利樞紐運(yùn)行的影響。

表2 大藤峽水利樞紐水庫調(diào)度方式

由1997—2016年柳州水文站和武宣水文站流量遭遇情況來看,10月份—次年3月份,武宣站流量>6 000 m3/s時(shí),柳州站流量一般>800 m3/s,次小流量為814 m3/s;4月份,武宣站流量>6 000 m3/s時(shí),柳州站最小流量1 230 m3/s;5月份和9月份,武宣站流量>5 000 m3/s時(shí),柳州站最小流量為733 m3/s;6—8月份,武宣站流量>20 000 m3/s時(shí),柳州站最小流量3 270 m3/s,正常汛限水位47.73 m時(shí),柳州站最小流量183 m3/s,綜合歷時(shí)保證率98%的流量為383 m3/s。從大藤峽水利樞紐調(diào)度運(yùn)行方式和黔柳江流量遭遇情況來看,黔江汛期的6—8月份將是柳江航道水深最主要的控制時(shí)段。

3 紅花水利樞紐對柳江流量過程的影響

3.1 紅花水利樞紐出入庫流量特征

紅花水利樞紐為徑流式電站,死水位77.13 m,正常蓄水位77.63 m,相應(yīng)庫容5.7億m3,總庫容30億m3,電站總裝機(jī)容量228 MW,安裝6臺燈泡式貫流機(jī)組,機(jī)組額定流量1 920 m3/s。樞紐同步建設(shè)1 000 t級單線船閘,船閘下游設(shè)計(jì)最低通航水位59.92 m,保證率95%,設(shè)計(jì)最小通航流量192 m3/s。紅花水利樞紐于2003年動工,2005年2月首臺機(jī)組發(fā)電,2006年底竣工。在2018年進(jìn)行柳江Ⅱ級航道工程初步設(shè)計(jì)工作時(shí),紅花水利樞紐正常運(yùn)行時(shí)間較短。

1997—2016年,柳州水文站(日均系列)各年6—8月份保證率98%(年均1.84 d)的流量變化區(qū)間為184～804 m3/s(圖3),保證率92%(年均7.36 d)的流量變化區(qū)間為260～1 110 m3/s,該時(shí)段綜合歷時(shí)保證率98%、92%的流量(表3)分別為383、602 m3/s。1997—2006年6—8月份保證率98%、92%的流量分別為551、708 m3/s,2007—2016年6—8月份保證率98%、92%的流量分別為318、490 m3/s,紅花水利樞紐蓄水后的10 a間6—8月份上游入庫小流量持續(xù)天數(shù)有增加態(tài)勢。

表3 柳州水文站及紅花水利樞紐6—8月份入庫流量統(tǒng)計(jì)

圖3 柳州水文站各年6—8月份不同保證率下的流量變化

2007—2016年6—8月份紅花水利樞紐出庫保證率98%、92%的流量(日均系列)分別為329、531 m3/s,與同期柳州水文站相同保證率的流量相差不大,表明6—8月份紅花水利樞紐運(yùn)行對柳江日均流量影響較小。

3.2 紅花水利樞紐日調(diào)節(jié)情況

2011年柳州水文站徑流量257.2億m3,平均流量816 m3/s,比多年平均值偏小約35%,是1997—2016年間來流最少的一年。從該年6—8月份紅花水利樞紐出入庫流量過程來看(圖4),入庫日均流量與出庫日均流量基本一致,出庫日最小流量與入庫日最小流量呈現(xiàn)同步變化,表明紅花水利樞紐出庫日最小流量不僅與自身電站的調(diào)峰有關(guān),可能還受上游電站調(diào)峰影響。根據(jù)2007—2016年日最小流量系列統(tǒng)計(jì),6—8月份保證率98%、92%的入庫流量分別為181、300 m3/s,出庫流量分別為151、252 m3/s。與同期日均系列相比,日最小系列保證率98%、92%的出庫流量要偏小178、279 m3/s,紅花水利樞紐調(diào)峰引起的出庫流量日均系列與日最小系列具有明顯變化。

圖4 2011年6—8月紅花水利樞紐出入庫日均、日最小流量變化

為滿足通航要求,紅花水利樞紐運(yùn)行時(shí)要求水位變幅控制在1.0 m/h內(nèi),流量變幅控制在每小時(shí)≤1 000 m3/s。根據(jù)2017年10月13日0時(shí)至17日24時(shí)電站逐時(shí)流量、水位資料,受電站調(diào)峰影響,樞紐出庫流量日內(nèi)變化極不穩(wěn)定(圖5),10月15日11—16時(shí)由1 300 m3/s減小至200 m3/s,日內(nèi)峰谷流量相差1 100 m3/s;2017年10月13日15—16時(shí)由200 m3/s增大至900 m3/s,小時(shí)變幅為700 m3/s。從壩下水位與出庫流量的逐時(shí)變化過程來看,壩下水位與出庫流量呈較好的同步變化規(guī)律。

圖5 典型時(shí)段紅花水利樞紐出入庫流量及壩下水位逐時(shí)變化

4 航道工程對紅花水利樞紐壩下低水位的影響

柳江紅花水利樞紐至石龍三江口現(xiàn)狀航道等級為Ⅳ級,航道尺度2.0 m×40 m×330 m,保證率95%。柳江航道升級工程擬結(jié)合大藤峽水利樞紐工程,將該段航道提升至Ⅱ級,航道尺度3.5 m×80 m×550 m(航道水深×航寬×彎曲半徑)。同步在紅花水利樞紐一線船閘外側(cè)擴(kuò)建二線船閘,按2 000 t級船閘(兼顧通航3 000 t級船舶,Ⅱ級船閘)設(shè)計(jì),有效尺度為280 m×34 m×5.8 m(長度×寬度×水深)。

柳江沿河兩岸丘陵與臺地平原相間,河床地質(zhì)為石灰?guī)r或石灰?guī)r上覆蓋沙卵石,河岸較為穩(wěn)定。該河段枯水水面寬一般為200～1 000 m,局部河段因河槽較窄,水位對流量變化敏感。在大藤峽水利樞紐蓄水前,根據(jù)工程前實(shí)測資料分析,樞紐出庫流量約200 m3/s時(shí),流量每增加25 m3/s將使得紅花二線船閘下游口門附近水位升高約0.07 m(圖6)。大藤峽水利樞紐正常蓄水條件下,庫尾柳江航道存在約66 km的脫水段,柳江Ⅱ級航道升級工程需要進(jìn)行長距離開挖,總長度約68 km,整治灘險(xiǎn)43處。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算,在紅花水利樞紐出庫流量分別取350、383、410、470 m3/s(洛清江流量按60 m3/s、石龍三江口水位按47.95 m考慮)時(shí),要實(shí)現(xiàn)柳江紅花水利樞紐至石龍三江口河段全線達(dá)到設(shè)計(jì)航道尺度,紅花二線船閘下游口門附近水位分別為56.16、56.82、57.38、58.30 m,同流量的水位分別下降3.52、2.96、2.47、1.71 m,與紅花一線船閘下游設(shè)計(jì)水位相差分別為-3.76、-3.10、-2.54、-1.62 m。柳江Ⅱ級航道工程將導(dǎo)致紅花水利樞紐壩下低水位出現(xiàn)明顯下降,設(shè)計(jì)流量每減小25 m3/s將使得紅花二線船閘下游口門附近水位下降約0.45 m,工程后壩下枯水位對流量變化更加敏感(圖6)。

圖6 柳江Ⅱ級航道工程前后紅花水利樞紐二線船閘下游口門附近水位-流量關(guān)系

5 柳江航道設(shè)計(jì)最小通航控制流量

1997—2016年,柳州水文站綜合歷時(shí)保證率98%、95%的流量分別為161、194 m3/s,保證率95%的流量與紅花水利樞紐一線船閘設(shè)計(jì)流量相差不大,表明從長系列年來看,紅花水利樞紐上游枯水來流基本穩(wěn)定,在沒有紅花水利樞紐和大藤峽水利樞紐的條件下,紅花水利樞紐下游近壩段Ⅱ級航道水位按保證率98%考慮時(shí),設(shè)計(jì)流量可取161 m3/s。紅花水利樞紐建設(shè)后,按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)規(guī)定的“樞紐瞬時(shí)下泄流量不應(yīng)小于原天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)的流量”的原則,該段航道設(shè)計(jì)流量可取一線船閘設(shè)計(jì)流量192 m3/s。實(shí)際上,2007—2016年,紅花水利樞紐出庫保證率98%、95%的流量(日均流量)分別為130、159 m3/s,對于日最小系列,相同保證率的流量均減小至100 m3/s,由此可見,紅花水利樞紐運(yùn)行后下泄流量低于設(shè)計(jì)流量的情況時(shí)有發(fā)生,再加上電站日調(diào)峰影響,相同保證率的流量進(jìn)一步減小。

在大藤峽水利樞紐正常蓄水期運(yùn)行條件下,紅花水利樞紐壩下航道水深條件將發(fā)生根本性變化,枯水控制時(shí)段由工程前柳江來流較少的10月份—次年3月份變?yōu)榍餮雌诘?—8月份,保證率98%的流量也由161 m3/s(共影響天數(shù)146 d)提高到602 m3/s(共影響汛期147 d)。然而,由于紅花電站及上游梯級電站的調(diào)峰影響,對于6—8月份紅花水利樞紐出庫保證率98%、92%的流量,日最小系列比日均系列值分別減少54.1%、52.5%,日最小系列保證率92%的流量為252 m3/s。若不考慮5月份和9月份紅花電站調(diào)峰可能的影響,按照Ⅱ級航道全年水位保證率98%的影響天數(shù)推算,在大藤峽和紅花梯級樞紐正常蓄水運(yùn)行條件下,紅花水利樞紐下游近壩段航道設(shè)計(jì)流量可取252 m3/s。

雖然選擇較小的設(shè)計(jì)流量可提高航道水深保證率,但也將導(dǎo)致壩下更大的水位下降,給原有樞紐和船閘等帶來較大的不利影響,同時(shí)會大幅增加長距離疏挖河段的工程費(fèi)用。因此,考慮到紅花水利樞紐運(yùn)行時(shí)間較短,結(jié)合紅花水利樞紐的調(diào)蓄能力和電站調(diào)峰特點(diǎn)等,選擇柳州水文站1997—2016年6—8月保證率98%的流量383 m3/s作為柳江Ⅱ級航道的最小通航控制流量(另考慮洛清江設(shè)計(jì)流量60 m3/s)。2007—2016年6—8月紅花水利樞紐出庫日最小流量<383 m3/s的天數(shù)共140 d,在2008年和2016年中沒有出現(xiàn),全年綜合歷時(shí)保證率為96.2%。

6 討 論

設(shè)計(jì)最小通航流量一般指設(shè)計(jì)所采用的允許代表船舶或船隊(duì)正常通航的最小流量[14]。為改善通航條件、提高通航能力和實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用,交通部門要求新建樞紐的瞬時(shí)下泄流量不能低于設(shè)計(jì)流量[6]。對于調(diào)節(jié)能力較小的徑流式樞紐,在上游來流相對穩(wěn)定的情況下,樞紐建成前后壩下段航道的設(shè)計(jì)流量一般變化不大[1]。但季節(jié)性回水銜接的大型水利樞紐的建設(shè)運(yùn)行可能使得兩壩間回水變動段航道的設(shè)計(jì)水位和設(shè)計(jì)流量問題變得非常復(fù)雜,該類樞紐枯水期壩前正常蓄水位與上游梯級銜接,即使上游樞紐零流量下泄,也可以維持回水變動段航道的設(shè)計(jì)尺度;汛期壩前為防汛水位時(shí),庫尾存在較長的脫水段,該時(shí)期回水末端及上游河道來流必須大于設(shè)計(jì)流量航道才能正常運(yùn)行。這表明季節(jié)性回水變動段航道設(shè)計(jì)流量無法適用于全年,僅是枯水控制時(shí)段保障航道設(shè)計(jì)水深要求的最小通航控制流量。大型水利樞紐的蓄水運(yùn)行引起上游航道洪枯水條件的逆轉(zhuǎn),由于航道枯水控制時(shí)段由來流較小的枯水期變更為來流相對較大的汛期,航道的設(shè)計(jì)流量可能因此有明顯提高。

山區(qū)河流長距離疏挖可能導(dǎo)致上游水位出現(xiàn)明顯下降,由于水位對于流量變化十分敏感,設(shè)計(jì)流量的較小變化可能帶來上游枯水位和航道開挖工程量的較大差異,因此,設(shè)計(jì)流量的取值應(yīng)十分慎重。在調(diào)節(jié)能力較小的徑流式樞紐上游有水文站時(shí),可采用上游水文站滿足水文三性要求的長系列日均流量系列作為依據(jù),在進(jìn)一步考慮樞紐調(diào)節(jié)能力、電站調(diào)峰特點(diǎn)和航道工程引起的壩下水位流量關(guān)系變化等綜合確定。對于柳江紅花水利樞紐下游近壩段,選取6—8月份柳江水文站綜合歷時(shí)保證率98%的日均流量作為設(shè)計(jì)流量,雖然比紅花水利樞紐出庫日最小系列相同保證率的流量有較大提高,但在一般年份,汛期洪峰間的小流量不會是長時(shí)間、連續(xù)的,且后期可以通過協(xié)調(diào)上游梯級樞紐的水量聯(lián)合調(diào)度和規(guī)范6—8月份紅花水利樞紐電站的調(diào)峰,以滿足設(shè)計(jì)流量的要求。然而,需要指出的是,由于受自然和人為活動的影響,近年來水文不確定性的問題比較突出[15-16],一些河流由于壩下河床下切或下游梯級蓄水位下降導(dǎo)致枯水位下降大幅超出預(yù)期,也帶來了嚴(yán)重的通航問題[17-19];2006年紅花水利樞紐建成運(yùn)行以來,由于采砂等因素影響,壩下低水位也呈現(xiàn)下降態(tài)勢,流量192 m3/s對應(yīng)的水位由59.92 m下降至59.01 m,下降了0.91 m。因此,考慮到船閘作為百年工程,建議在航道工程影響的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步充分考慮自然和人為活動導(dǎo)致的水文條件不確定性對船閘設(shè)計(jì)水位的影響。

7 結(jié) 論

(1)大藤峽水利樞紐正常運(yùn)行后,紅花—大藤峽兩壩間航道為季節(jié)性回水銜接河段,柳江紅花水利樞紐至石龍三江口枯水控制時(shí)段主要出現(xiàn)在大藤峽汛限水位運(yùn)行的6—8月份,柳江紅花水利樞紐下游近壩段航道的設(shè)計(jì)流量因此得以提高,由大藤峽樞紐運(yùn)行前的192 m3/s提高到383 m3/s。

(2)兩壩間季節(jié)性回水銜接河段的航道設(shè)計(jì)流量僅適用于枯水控制時(shí)段,考慮到山區(qū)河流長距離疏挖時(shí)設(shè)計(jì)流量的較小變化可能帶來上游枯水位的較大差異,建議通過完善相關(guān)規(guī)范,要求梯級樞紐在枯水控制時(shí)段的瞬時(shí)下泄流量不能低于該時(shí)段保證率的98%,以實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用。