山區河流梯級渠化通航設計若干問題探討

尹維清，戴昌軍，錢 俊

(水利部長江水利委員會長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢430010)

長江上游航道多為山區河流，流經峽谷、丘陵和階地間，河道平面形態復雜，水下礁石密布，航道急、彎、淺、險并存，航行條件較差，航運效能較低。山區河流航道維護難度大，如交通部于上世紀70—90年代對重慶至宜賓進行航道整治后，部分灘險航槽出現回淤，航道條件又開始惡化。從水資源綜合利用的角度，通過河段梯級開發渠化河流航道，淹沒礙航灘險，結合庫尾航道整治工程措施，是山區河流航道建設的有效途徑。

金沙江、川江、嘉陵江及烏江等山區河流開發表明，梯級電站通航設計中通航水位、流量、水位變幅等參數的合理確定較為困難:山區河流洪水期歷時短、陡漲陡落，水流形態較差，按規范確定的最大通航流量(水位)往往難以滿足樞紐下游引航道通航水流條件要求［1］;按電網需求進行電站調峰調度時，樞紐下游河段水位變幅可能難以滿足航運部門的要求［2］;樞紐上下游最低通航流量(水位)確定要與上下游梯級樞紐水位銜接，并需考慮已建樞紐調節的影響［3］。

筆者結合山區河流通航設計實踐，以烏江為例，對山區河流梯級渠化通航設計若干問題進行了探討，并提出了有關通航設計的建議。

1 樞紐最大通航流量及水位的確定

根據 GB 50139—2004《內河通航標準》［4］，最大通航流量(水位)一般采用洪水頻率方法確定。通航建筑物上游設計最高通航水位應采用樞紐正常蓄水位或設計擋水位和按規定的洪水重現期計算的水位中的高值，下游設計最高通航水位應為相應洪水重現期計算的樞紐下泄流量所對應的最高水位。

山區河流洪水期船舶航行困難，通常以洪水頻率方法確定的最大通航流量難以保證航道本身通航水流條件要求。根據SL 104—95《水利工程水利計算規范》［5］有關規定，過壩設計最大通航流量應根據不同通航流量可能受水流條件限制的停航或減載歷時，經分析論證擬定。但規范中沒有給出不同等級通航建筑物的停航天數等保證率指標。某山區河流電站不同流量級保證率統計成果顯示(表1)，20年一遇和2年一遇洪水位差約5.63 m，而高于該流量的歷時保證率差僅為0.33%，即年均天數差僅為1.2天。因此，不同洪水頻率設計標準對通航建筑物最高通航設計水位影響較大，但通航保證率影響相對較小。

表1 某山區河流電站不同流量級保證率統計成果Tab.1 Parameters of seepage property for sandstone

以烏江為例分析，烏江渡以下規劃為IV級航道，按構皮灘、思林、沙沱、彭水、銀盤和白馬等6級開發。根據GB 50139—2004《內河通航標準》，對出現高于設計最高通航水位歷時很短的IV和V級通航建筑物，洪水重現期可采用5～3年。水文計算分析結果表明，構皮灘、思林、沙沱、彭水、銀盤、白馬壩址5年一遇設計洪峰流量分別為11 100，11 500，12 300，14 400，15 100，17 500 m3/s。

烏江構皮灘以下河段各樞紐通航模型試驗和船模試驗成果表明:①構皮灘水電站在右岸河道整治基礎上，采用分層透水隔流堤后，流量小于2 500 m3/s時，下游引航道停泊段水流條件滿足通航標準，口門區內回流流速可滿足通航要求，局部范圍橫向流速超標，但超標范圍不大;當流量大于2 500 m3/s時，下游引航道停泊段及口門區內水流條件不能滿足通航標準。②思林及沙沱樞紐在下泄流量超過5 000 m3/s時，下游航道流速超過3.0 m/s，難以保障航運安全;當流量為4 420 m3/s時，基本滿足流速流態的要求。③彭水水電站在不超過5 000 m3/s流量時，下游引航道口門區航道中心線左側以回流為主、右側以斜流為主，大部分范圍內的流速值滿足要求。雖有少數測點超標，但自航船模仍然能順利進出口門。當流量進一步增加時，船舶安全過壩難以保障。④銀盤水電站距彭水水電站約53 km，區間有郁江匯入，白馬水電站距銀盤水電站約51 km，根據模型試驗和洪水特性分析相應安全通航流量分別為5 500 m3/s和6 000 m3/s。

烏江梯級渠化通航設計表明，若按規范規定的洪水頻率方法確定最大通航流量，樞紐下游引航道及口門區水流條件難以滿足通航要求。由于山區性河流洪水陡漲陡落的特點，如彭水水電站各典型設計洪水從5 000 m3/s上漲到5年一遇設計洪峰流量15 100 m3/s所需時間一般為2～3天，實際在洪水期也是不通航的，現狀年通航保證率約70% ～90%。目前，美國及歐洲均采用歷時保證率方法確定最大通航流量，根據模型試驗成果，烏江構皮灘、思林、沙沱、彭水、銀盤、白馬壩址設計最大通航流量分別 采 用 2 500，4 420，4 420，5 000，5 500，6 000 m3/s時，相應歷時保證率分別為 96.5%，96.7%，96.5%，96.9%，97%，96.7%，較天然情況提高較多，且基本能夠滿足船舶安全通航要求。

分析研究表明，規范規定的洪水頻率法確定山區河流最大通航流量標準偏高，而規范中最小通航流量及相應水位就是按通航保證率確定的，同一性質問題采用2種方法確定，值得進一步商榷［6］。根據烏江、嘉陵江、川江等樞紐通航設計成果分析，山區河流梯級電站通航建筑物最大通航流量可在模型試驗的基礎上結合通航歷時保證率分析確定，根據航道等級和通航標準，一般可取95% ～99%，且不應低于通航建筑物修建前的通航保證率。

2 樞紐最小通航流量及水位的確定

梯級渠化通航設計中，最小通航流量及相應水位確定關系到樞紐綜合效益的發揮，各級樞紐最小通航流量還需相協調，航運部門希望增加最小通航流量以更大程度的改善壩下游的航道條件，發電部門則希望樞紐下泄過程能夠與電網調度規則同步。按照GB 50139—2004《內河通航標準》的規定，樞紐上游設計最低通航水位應采用水庫死水位和最低運行水位中的低值;下游設計最低通航水位應采用滿足一定通航保證率的樞紐瞬時最小下泄流量對應的水位，并計入河床下切和電站日調節等因素引起的水位變化值。當樞紐下游有梯級樞紐時，應考慮與下一梯級的上游設計最低通航水位銜接。歷時保證率可采用綜合歷時曲線法或保證率頻率法計算確定，已有研究成果顯示［7］，2種方法計算結果存在一定差異，建議交通部門在《內河通航標準》修訂時，明確最小通航水位確定的基本方法，避免工程設計中因2種計算成果差異引起發電及航運部門之間的矛盾。本次烏江梯級樞紐采用綜合歷時曲線法計算最低通航水位。

以烏江為例，構皮灘下游最低通航水位與思林水電站死水位銜接，即為431 m(考慮思林水庫淤積回水)，構皮灘水庫可不設最小通航流量;思林、沙沱水電站壩下最小通航流量分別為193、228 m3/s，相應流量歷時保證率為 98%;彭水、銀盤、白馬水電站壩下最小通航流量分別為280、345、385 m3/s，相應流量歷時保證率為 95%。設計最低通航水位采用上述通航保證率的樞紐瞬時最小下泄流量對應的水位，并計入河床下切和電站日調節等因素引起的水位變化值。其中，銀盤水電站建成后，其運行水位與彭水水電站尾水基本銜接，并對彭水水電站的日調峰運行進行反調節，可進一步改善彭水至銀盤河段的通航條件，彭水水電站可不設置最低通航流量。

烏江梯級水電站通航水位及流量如表2。

表2 烏江梯級水電站通航水位及流量Tab.2 Parameters of seepage property for sandstone

3 電站調峰調度與壩下游水位變幅

對樞紐下游航道而言，由于水庫的調蓄作用，增加了下游枯水期流量，提高枯水期通航水位，改善航運條件。但電站調峰時，根據非恒定流計算分析，對山區性河道，樞紐下泄的非恒定流水位變化幅度較大，可能難以滿足航運部門的要求。根據烏江航運管理部門提供的資料，烏江下游河段通航日水位變幅不超高8 m、小時水位變幅不超過1 m。

以烏江為例分析:①構皮灘壩下至思林庫區。在思林水庫水位為431(死水位)～435 m(汛限水位)時，構皮灘水電站下游河段水位最大日變幅為10.27～7.08 m，水位最大小時變幅小于1 m。②思林壩下至沙沱庫區?？紤]沙沱水電站回水影響，思林水電站壩下思南縣城港口處水位日最大變幅為0.21 ～1.75 m、時段最大變幅為 0.05 ～0.37 m。③沙沱壩下至彭水庫區?？紤]彭水水電站回水影響，沙沱水電站壩下港口水位日最大變幅為1.23 m、時段最大變幅為0.42 m。④彭水壩下河段。不考慮銀盤水電站回水影響，彭水水電站下游彭水港水位最大日變幅7.19 m，最大小時變幅1.58 m。⑤銀盤壩下河段。不考慮白馬水電站回水影響，銀盤水電站壩下游武隆港水位最大日變幅2.37 m，最大小時變幅0.34 m。⑥白馬壩下河段，近壩河段水位最大日變幅1.0 m，最大小時變幅0.39 m。

分析表明，烏江梯級水電站不能完全滿足航運水位變幅要求。相關研究表明，采取限制電站出力小時變動變幅的措施，可改善整個烏江河段的航運水流條件，使航運作業基本不受影響，但烏江梯級電站以發電為主，是國家西電東送的重要的水電能源基地，限制電站出力將使構皮灘和彭水在電網中不能充分發揮其容量效益;若采用電站調峰通知制度，可使水電站調峰運行時航運限制較少，電站發電運行各項能力大大增加，但在一定時間內，壩下游水位小時變動幅度可能超過航運部門的要求，需要提前通知航運管理部門，發布有關航行通告。

4 結論與建議

以烏江為例，分析了山區河流梯級渠化通航設計中的有關通航流量、水位等，提出了山區河流梯級樞紐通航設計的有關建議。

1)按規范要求采用設計洪水標準來確定山區河流最大通航流量(水位)標準偏高，根據分析，可按規范推薦的最低通航流量(水位)確定方法，在模型試驗的基礎上結合歷時保證率分析確定，根據航道等級和通航標準，歷時保證率一般可取95%～99%，且不應低于通航建筑物修建前的通航保證率。

2)樞紐下游最低通航流量(水位)確定可按綜合歷時曲線法或保證率頻率法確定，由于計算成果存在差異，為避免工程設計中發電及航運部門之間的矛盾，建議交通部門在進行《內河通航標準》修訂時，明確最小通航水位確定的基本方法。

3)山區性河道彎曲，槽窄水急，電站調度時非恒定流下泄，下游河段水位變化幅度較大，可能難以滿足航運部門的要求，其影響主要表現為港區作業，可采取限制電站出力小時變動幅度、增加航運基荷和電站調峰通知制度等措施減緩或消除電站調峰對航運的影響。

4)梯級樞紐通航設計中應考慮上下游梯級通航設計參數的銜接與協調。在樞紐運行期，應做好水庫庫區及壩下游水文泥沙及通航情況的觀測工作，在實船試驗的基礎上，進一步確定合理的航運條件，保證通航安全。

致謝:衷心感謝參與烏江梯級樞紐通航建筑物數學模型試驗、水工模型試驗的有關單位。

［1］郝嶺，譚先澤，吳文鳳.山區河流船閘設計最高通航水位研究［J］.水運工程，2005(4):52－55.HAO Ling，TAN Xian-ze，WU Wen-feng.Designed highest navigable stage of shiplock in mountainous river［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2005(4):52 －55.

［2］羅斌.烏江銀盤水電站預泄調度研究［J］.人民長江，2008(2):8－13.LUO Bing.Pre-discharge research of Wujiang yinpan hydropower station［J］.Yangtze River，2008(2):8 － 13.

［3］賴茂存.河道水文條件變化對最低通航水位的影響［J］.中國水運，2009(5):24－25.LAI Mao-cun.River hydrological conditions change on the influence of the lowest navigable water level［J］.China Water Ttansport，2009(5):24 －25.

［4］GB 50139—2004內河通航標準［S］.北京:中華人民共和國建設部，中華人民共和國家質量監督檢驗檢疫總局，2004.

［5］SL 104—95水利工程水利計算規范［S］.北京:中華人民共和國水利部布，1995.

［6］唐存本，貢炳生，張賢明.山區天然河流設計最高通航水位確定方法的探討［J］.水運工程，2007(4):66－69.TANG Cun-ben，GONG Bing-sheng，ZHANG Xian-ming.On methods for determining the desigh highest navigable stage of natural rivers in mountain areas［J］.Port＆ Waterway Engineering，2007(4):66－69.

［7］閔朝斌.關于最低通航設計水位計算方法的研究［J］.水運工程，2002(1):29－33.MING Chao-bin.An approach to the design lowest navigable water level［J］.Port Waterway Engineering，2002(1):29－33.