省水船閘發展及研究現狀

王曉青，劉暢

（1重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400016；2廣東省航道局，廣東510115)

省水船閘發展及研究現狀

王曉青1，劉暢2

（1重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400016；2廣東省航道局，廣東510115)

1 省水船閘的概念及特點

船閘是通航建筑物的主要型式之一，經過長期的發展，船閘技術成熟，運行穩定可靠。省水船閘具有省水和削減水頭的功能，省水船閘除節省船閘用水量（省水量一般可達40%～70%）、保護珍貴的水資源外，還具有降低船閘工作水頭，減少解決閥門工作條件的技術難度以及簡化船閘輸水系統，改善上、下游引航道及閘室水流條件的優點，缺點是工程量較大，運行程序較為復雜。省水船閘型式建設較多的是德國，目前國內建造較少。但隨著通航運河的建設和水資源的日益緊缺，省水船閘將具有廣闊的應用前景。

2 省水船閘的適用范圍

省水船閘是一種經濟、快捷且符合生態要求的通航建筑物型式。省水船閘具有降低工作水頭、降低船閘耗水量的特點，適合我國落差大、枯水季節缺水的內河河流。省水船閘應用在高落差的河流中優點突出，可成倍降低閥門工作水頭并且能有效解決在水源貧乏河段農業、發電、航運三者之間的矛盾。

在西部的重慶、四川、云南、貴州及廣西等地區建設的水電基地中，有一大批高水頭的水電樞紐，如長江三峽、瀾滄江景洪、廣西紅水河、龍灘、烏江彭水、右江百色等，這些航電樞紐工程大多數建設于通航河流上，水頭均在30m以上。船閘工程的工作水頭達到一定高度后，由高水位差轉換而來的巨大動能不僅導致閥門工作條件變壞，也使得閘室內水流紊動加劇，船舶停泊條件惡化。省水船閘在灌泄水時上下游水體不直接進出入閘室，而是經過了水體交換，使輸水閥門工作水頭成倍降低。同時，由于船閘的耗水量較大，運行中容易與樞紐發電產生用水矛盾，因而在小河流域的樞紐上，建設省水船閘具有明顯的優越性。

3 省水船閘發展概況

法國人卡萊利首先提出了省水船閘的概念,并在法國羅亞爾河上的烏博埃船閘開啟了省水船閘試驗。德國是研究和實踐省水船閘最多的國家，從19世紀80年代開始興建省水船閘。如在萊茵河-多瑙河運河上，從萊茵河的班貝格到多瑙河的凱爾海姆全長171km，水位差高達243m，共建造了16座船閘，其中14座為省水船閘。經過一個多世紀的不斷實踐，德國省水船閘輸水系統布置、船閘運行方式及輸水水力特性等研究及運用均達到了較高水平。

從60年代起，省水船閘在我國進行過一些實驗和研究，但應用較少。60年代，天津大學在長江三峽船閘研究中就提出過省水船閘方案設計報告及三峽船閘節水問題的分析；70年代南京水利科學研究所受安微省交通局港航工程處委托，進行了鄭家崗省水船閘模型試驗[1]；80年代天津水運工程科學研究所結合南水北調中穿越黃河的平交方案，作了國內省水船閘有關問題的總結。自2000年以后，重慶交通大學進行了烏江銀盤省水船閘水動力學研究[2-4]；山西水利水電勘測設計研究院進行了桂林市春天湖雙線雙向省水船閘運行研究[5]；天津水運工程科學研究院進行了西江航運干線長洲水利樞紐三線四線船閘輸水系統等研究[6-8]，這些研究為省水船閘在我國建設應

用打下了基礎。

4 省水船閘的類型及工作原理

目前水運工程中，具有省水功能的通航建筑物船閘，有帶調節水池的省水船閘、不待航船閘、灌(泄)水共用互補的雙線船閘、具有中間渠道的船閘等。

（1）帶調節水池的省水船閘

帶調節水池的省水船閘工作原理如圖1所示。一般在船閘邊上設幾級蓄水池，當船閘泄水時，不是直接泄向下游，而是先泄向蓄水池。泄水的順序是：先泄向高處的蓄水池，再依次泄向低處的蓄水池，多余部分泄向下游。船閘充水時，先從蓄水池向閘室充水。充水的順序恰好同泄水順序相反，首先從低處的蓄水池向閘室充水，然后再依次到高處的蓄水池。同樣，蓄水池的水不足部分由上游補充[9]。

圖1 帶水池的省水船閘工作原理

在蓄水池級數相同的條件下，蓄水池占地面積越大，省水率越高。同樣，在相同占地面積的條件下，蓄水池級數越多，則省水率越高。增加蓄水池級數的省水效果比增加蓄水池面積明顯得多，但超過三級以后，省水效果明顯下降。這是德國的省水船閘一般是蓄水池面積等于閘室面積，且只設三級蓄水池的原因之一。

(2)不待航船閘

不待航船閘是將一般船閘的集中水頭劃分為多級，形成一連續多級低水頭船閘。劃分水級大小，以能使船舶過閘時與船閘的灌(泄)水、閘閥門啟閉同時進行，閘室就是航道的本身。船舶的航行速度與閘室長度、輸水時間、閘閥門啟閉時間有關，它們之間要相互協調配合，使船舶能不停頓過閘。不待航船閘節約航運用水。當船舶每過一次它的耗水量僅為單級船閘的1/4[10]。

(3)灌(泄)水共用互補的雙線船閘

目前我國一些船閘為復線船閘，為節省用水，在增添復線船閘以及在設計雙線船閘時，可采用灌(泄)水共用互補的雙線船閘型式。即在并列的兩個閘室之間，用輸水廊道溝通，并設置閥門加以控制[10]。

(4)具有中間渠道的船閘

在兩個船閘之間，用中間渠道聯接，則在船舶過閘過程中，每閘次耗水量為單級船閘，但具有中間渠道的船閘輸水時，在中間渠道中產生特殊的水力學問題較為復雜，如灌(泄)水非恒定流在中間渠道內長波運動，產生波的反射、疊加等[11]。

省水船閘不僅節約水資源，還可利用每次船舶過閘，放水和注水，通過發電機組回收電能，接入電網。回水泵由電網直接供電工作，把水部分回抽到上水庫，從而達到兼顧省水和發電的目的（圖2）。由此可見，在進行耗水量較大的船閘設計中，如能在滿足船舶安全過閘基礎上采用省水式船閘，將會產生可觀的經濟效益和社會效益。

圖2 省水船閘利用發電示意圖

5 國內外省水船閘相關研究

為確保設計方案具有水力條件最佳、船舶運行安全、結構設計和工程布置合理、工程經濟，有必要對省水船閘進行前期研究、分析和論證工作，包括嚴格、系統的模型和原型試驗等。根據德國聯邦水工研究院、卡爾斯魯水工研究所、慕尼黑工業大學水工學院以及南京水利科學研究院、天津水運工程科學研究院、重慶交通大學等單位對省水船閘進行的研究，總結內容如下：(1)輸水系統方案及水力學研究。包括輸水系統布置方案、消能型式等；(2)閘室灌、泄水水力特性研究；(3)輸水系統廊道壓力特性研究；(4)船舶停泊條件研究；(5)船閘運行水力學研究。包括船閘單獨運行和聯合運行時，上下引航道內流速流態測定及分析（圖3）。

圖3 省水船閘的研究內容

6 結語

“以人為本、尊重自然、保護環境、堅持可持續發展”是國家倡導的重要方針。2011年6月27日，交通運輸部印發《公路水路交通運輸節能減排“十二五”規劃》。2011年8月31日，國務院辦公室廳印發《“十二五”節能減排綜合性工作方案》，提出加快節能減排技術開發和推廣應用，在加強節能減排管理方面，提出推動建筑節能和推進交通運輸節能減排。實施低碳交通，深入開展“車船路港”千家企業低碳交通運輸專項行動。

航運發展與水利水電建設相結合，對水資源綜合開發利用、水運節能減排具有重要的意義。船閘的耗水量較大，發展省水船閘及其通航設施能有效解決枯水期水資源貧乏河段農業、發電、航運三者之間的矛盾，對于充分利用和保護水資源具有重要的意義。省水船閘已被廣泛應用于德國的運河，或運河與天然河流立交工程中，在德國的航運建設中起著舉足輕重的作用。目前，省水船閘在我國還處于起步階段。隨著國家提出的交通航運可持續發展戰略和對節能減排工作的推進，必將進一步推動我國省水船閘的建設與發展。

[1]楊裔軒.鄭家崗省水船閘輸水系統水力學試驗[J].水利水運科學研究，1980（1）：37-45.

[2]陳明棟，楊忠超，楊斌.烏江銀盤船閘輸水系統選型研究[J].重慶建筑大學學報，2006，28（5）：30-34.

[3]楊忠超，陳明棟，楊斌.烏江銀盤省水船閘整體水力學模型試驗研究[J].水利水運工程學報，2010（2）：61-65.

[4]陳明棟，楊斌，楊忠超，等.省水船閘在高壩通航中的應用[J].水運工程，2008（12）：114-118.

[5]蘇海濱.雙線雙向省水運行船閘的設計體會[J].電力學報，2006，21（2）：247-248，265.

[6]交通部天津水運工程科學研究院.長洲水利樞紐三線四線船閘初步設計階段整體模型試驗研究報告[R].天津：交通部天津水運工程科學研究院，2010．

[7]廣西電力工業勘察設計研究院，廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，中交水運規劃設計院有限公司.長洲水利樞紐三線四線船閘工程初步設計[R].南寧：廣西電力工業勘察設計研究院，2010．

[8]張珊，吳澎.長洲水利樞紐3-4號船閘平面布置研究[J].水利水運工程學報.2012（4）：1-5.

[9]周玉華，劉鋒.省水船閘初探[J].水運工程，2006（10）：156-159.

[10]周華興.水運工程中省水建筑物型式及對有關問題的探討[J].水運工程，1994（7）：1-5.

[11]三峽工程（設中間渠道）船閘輸水系統試驗研究報告[R].天津：天津水運工程科學研究所，1990.

責任編輯：孫蘇

Developmentand Study StatusofWater-saving Ship Lock

省水船閘對于充分利用和保護水資源具有重要的意義。該文簡述了省水船閘的特點及發展情況，分析了省水船閘的類型和工作原理，總結了國內外相關研究內容與現狀。指出在國家倡導可持續發展、節能減排的方針引導下省水船閘廣闊的發展前景。

省水船閘；水資源保護；可持續發展；通航建筑物

Water-saving ship lock is of greatsignificance in water resource utilization and protection.This paper introduces the features and development condition ofwater-saving ship lock,analyzes the types and working principlesofwater-saving ship lock and summarizes current relevant study contentsand statusathome and abroad.Thew ide developmentprospectsofwater-saving ship lock under the guidelineofsustainable development，energy saving and em ission reduction are pointed out.

water-saving ship lock;water resourceprotection;sustainabledevelopment;navigation structure

U 641

A文章編號：1671-9107（2013）10-0052-03

2013-09-22

王曉青（1974-），女，四川綿陽人，博士，高級工程師，主要從事水環境保護與治理研究。

廣東省交通運輸廳科技計劃項目,項目編號：科技2013-04-007。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.010.052