長江上游蘭家沱至溫中壩航道潛能提升初探

龍 浩，李文杰，2，陳 川，戴 卓,戴佳伶

(1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

長江上游地區(qū)是西部大開發(fā)重點區(qū)域，蘊藏著巨大開發(fā)投資潛力。長江上游航運在礦建材料、危化品、集裝箱等大宗長距離運輸市場中具有廣闊前景。蘭家沱至溫中壩河段(上游航道里程737—806 km)作為長江上游干流重要組成部分，起著承上啟下的重要作用。而目前該河段枯水期航道維護尺度僅為2.7 m×50 m×560 m(水深×航寬×彎曲半徑)，為內(nèi)河Ⅲ級航道通航標準，與長江上游地區(qū)日益增長的水運需求存在較大差距[1]。

當前，長江上游重慶至宜賓段Ⅱ級航道建設(shè)工程正處于論證階段，評估上游航道天然狀態(tài)下可提升潛力以期為長江航道資源高效利用、長江上游航道建設(shè)標準提供科學依據(jù)，合理評估航道資源的開發(fā)潛能也是擺在決策者面前的重要課題。鑒于此，本文以長江上游蘭家沱至溫中壩河段為例，基于優(yōu)良河段及河相關(guān)系理論，分析和建立了蘭家沱至溫中壩河段河相關(guān)系式，初步估算本河段航道可提升潛能。

1 航道潛能理論計算分析

航道潛能理論計算多為經(jīng)驗公式，結(jié)合理論探討較少。前蘇聯(lián)文獻曾率先提出了天然狀態(tài)下航道水深的估算方法，中國相關(guān)研究人員在此基礎(chǔ)上總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗公式并提出自然河流通過航道整治等手段改進后航道能到達的水深公式[2]，見式(1)。

(1)

式中h0——航道保證水深；K1、K2——經(jīng)驗性航道特性系數(shù)；Q0——最低通航保證流量；S——枯水期河道水面比降。

該公式在長江、西江等代表性河流的相關(guān)整治工程中得到驗證。與之前航道潛能或可開發(fā)改善程度純粹依靠數(shù)學模型或河工模型進行推演論證相比，此公式可對航道可開發(fā)水深程度初步估算，使傳統(tǒng)的航道建設(shè)論證思路得到拓展。但尚存問題是此式中系數(shù)和指數(shù)均為經(jīng)驗值，未能將具體的河道斷面信息加以考慮。以長江為例，其上游為山區(qū)河流而中下游為平原河流，河道斷面差距懸殊，開發(fā)論證的角度截然不同，故本式缺乏應(yīng)用到實際河道工程中的理論依據(jù)。

隨著水力學及河流動力學學科的快速發(fā)展，相關(guān)學者針對航道水深估算問題提出了“穩(wěn)定航深估算法”，該方法運用航道整治工程技術(shù)中確定整治線寬度的思路，將河流動力學和相關(guān)系理論引入其中，使之遵循了河流本身特性又符合河流學科理論原理，目前該方法已在西江等流域的建設(shè)規(guī)劃中得到應(yīng)用且效果較好[3]。穩(wěn)定航深估算法需先確定天然河道的優(yōu)良河段，優(yōu)良河段可認為是航道整治工程參考的樣板，是天然河流中對航行沒有障礙的河段，而優(yōu)良河段的河相關(guān)系意在描述天然狀態(tài)下河流通過整治后達到的最合適的河床斷面形態(tài)。在傳統(tǒng)的航道整治工程斷面設(shè)計中也常采用優(yōu)良河段的模擬方法，此方法可作為預(yù)測河道變形和河道整治工程規(guī)劃的依據(jù)[4]。在確認優(yōu)良河段之后，可先假定航道在完成整治后的河道斷面與優(yōu)良河段的斷面形態(tài)相似，以此假設(shè)建立某一特征流量(一般為設(shè)計最低通航保證流量)下的優(yōu)良河段河相關(guān)系，據(jù)此關(guān)系可推導航道可開發(fā)的最大穩(wěn)定航深計算式式(2)[5]。利用理論穩(wěn)定航深值與標準內(nèi)河航道等級的航深對比，即可判定河道可開發(fā)航道尺度。本文采用穩(wěn)定航深估算法推求長江上游蘭家沱至溫中壩河段在設(shè)計最低通航保證流量下能達到的穩(wěn)定航深。

(2)

式中h1——理論穩(wěn)定航深值；H——河道斷面平均水深；n——特征流量下河床糙率；Q——某一特征流量；J——特征流量下水面平均比降；α、β、η——河相關(guān)系系數(shù)(由河床斷面數(shù)據(jù)擬合得到)。

此外，本文還采用等級流量比較法驗證，等級流量比較法是在給定標準航道尺度條件下對比計算理論需求流量與天然實際流量，判定航道在天然條件能否達到某一個等級，見式(3)[6]：

(3)

式中Q——達到某等級航道理論需求流量；ζ——斷面修正系數(shù)；i——國家內(nèi)河標準航道等級；bi——i級標準航寬；hi——i級航道維護水深；J——枯水期水面平均比降；n——枯水河床糙率。

通過穩(wěn)定航深估算及等級流量比較判定，可初步估算本河段的航道開發(fā)潛能及航道建設(shè)尺度。

2 蘭家沱至溫中壩優(yōu)良河段河相關(guān)系

2.1 優(yōu)良河段河相關(guān)系

(4)

式中B——水面河寬;H——河道斷面平均水深;α、β——待定系數(shù)及指數(shù)。

上文式(2)中河相關(guān)系系數(shù)α、β即是基于式(4)統(tǒng)計分析得到，此式只取決于斷面的宏觀形態(tài)，不過多考慮斷面細節(jié)，因而在航道規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣，部分應(yīng)用實例見表1。本文采用式(4)對本河段河流沿程寬深相關(guān)關(guān)系進行描述。

表1 部分優(yōu)良河段河相關(guān)系式實例

蘭家沱至溫中壩河段位于長江上游敘渝段重慶江津以上(圖1)。該河段地處于丘陵地帶，河床大多由基巖、卵石或卵石夾沙組成，本河段灘險較少且分布稀疏，區(qū)間內(nèi)水流條件大致穩(wěn)定，河段整體可視為無需治理的優(yōu)良河段。

圖1 長江上游蘭家沱至溫中壩區(qū)位

據(jù)長江上游實測枯水期航道地形圖(來源：長江航道局，P=98%，設(shè)計最低通航水位)，選擇本河段區(qū)間圖繪制62個代表性斷面，部分典型橫斷面見圖2。取零上水位時自然河寬B，零下水位過水斷面面積A和斷面平均水深H。經(jīng)統(tǒng)計，本河段河寬大致在300～700 m之間，平均水深在2～15 m之間(圖3)。

圖2 蘭溫段典型橫斷面

a)沿程斷面河寬(B)分布

b)沿程斷面平均水深(H)分布

其中R2為相關(guān)性系數(shù)，表示估算值與實際值間的關(guān)聯(lián)程度，該值愈靠近1，表征數(shù)據(jù)間相關(guān)程度越高，擬合結(jié)果也更可靠。根據(jù)結(jié)果，α=27.489，β=-1.194，由此得到蘭溫段沿程河相關(guān)系式：

圖4 蘭溫段沿程河相關(guān)系曲線

(5)

長江干線基本水位站朱沱站坐落于溫中壩上游處，本文以朱沱站水位流量為基礎(chǔ)估算資料，朱沱站近年設(shè)計最低通航保證流量為2 230 m3/s(P=98%)，區(qū)間段無大型支流入?yún)R，最大匯入設(shè)計流量不到90 m3/s(P=98%)，即支流的匯入對本區(qū)間段河道形態(tài)的影響非常小，可視為全程河段河相關(guān)系基本一致，即僅需在區(qū)間段建立完整河相關(guān)系，無需分區(qū)段處理。

2.2 航道水深計算關(guān)系

在航道整治工程的斷面設(shè)計確定整治線寬度工作中，通常認為設(shè)計最低通航保證流量下的河道斷面與認定的優(yōu)良河段斷面相似，然后利用標準航道寬度對應(yīng)的邊緣水深h與斷面平均水深H線性擬合得到水深改正系數(shù)，用以計算通過整治后航道在標準水深下的整治線寬度[10]。一般天然河流都存在H～h的相關(guān)關(guān)系，人工明渠線性關(guān)系更為明顯，將此關(guān)系可轉(zhuǎn)換成函數(shù)關(guān)系H=ηh形式，其中η為待定系數(shù)項，可通過數(shù)據(jù)整理后點繪H～h相關(guān)線擬合得到η值。據(jù)國內(nèi)大量河道斷面數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，中國河流η區(qū)間值一般在0.6～0.9之間，平原河流相比山區(qū)河流會更大一些。

依照長江干線標準內(nèi)河航道等級及對應(yīng)船型劃分，I-6級標準航道維護水深為3.5～4.0 m，II級標準航道維護水深2.6～3.5 m。本文以當前論證的3.5 m航道建設(shè)工程為基準，建議本河段航道建設(shè)標準為：Ⅱ級標準3.5 m×100 m×800 m，Ⅰ級標準為3.5 m×110 m×800 m。

統(tǒng)計分析本河段在設(shè)計最低通航保證流量(98%)下河道各斷面平均水深H，Ⅰ、Ⅱ級標準航道尺度下不同航寬對應(yīng)的邊緣水深h，繪制H～h相關(guān)線(圖5)。通過線性擬合，得到待定系數(shù)η及相關(guān)性方程(表2)。

表2 標準建設(shè)尺度下蘭溫段水深相關(guān)關(guān)系

a)H與h相關(guān)關(guān)系(P=98%、Ⅰ級)

b)H與h相關(guān)關(guān)系(P=98%、Ⅱ級)圖5 蘭溫段沿程H～h相關(guān)線

3 蘭家沱至溫中壩段航道潛能估算

3.1 已知條件

據(jù)長江航道局等有關(guān)部門的實際勘察數(shù)據(jù)，長江上游蘭家沱至溫中壩河段設(shè)計最低通航保證流量(P=98%)為2 230 m3/s，水面平均比降0.26‰，河床糙率n在0.030～0.045之間。

3.2 穩(wěn)定航深法估算

本河段河道彎曲程度適中，且沿程寬度大都超過300 m，理論通航條件優(yōu)越。依托 “穩(wěn)定航深估算法”，結(jié)合前文擬合產(chǎn)生的河相關(guān)系參數(shù)，可計算本河段在設(shè)計最低通航保證流量(P=98%)下的航道開發(fā)潛力，即Ⅰ、Ⅱ級標準航道尺度下的穩(wěn)定水深。本文取3組河床糙率值進行試算，分析糙率值對理論穩(wěn)定航深計算值的影響程度，不同糙率值對應(yīng)的理論穩(wěn)定航深見表3。

表3 設(shè)計最低通航流量(P=98%)蘭溫段不同糙率值對應(yīng)理論穩(wěn)定航深計算值

由表3可得，理論穩(wěn)定航深計算值隨糙率值的增大而增大，且糙率值影響程度較為敏感。在Ⅰ級航道標準下，糙率值自0.030增至0.045，理論穩(wěn)定航深計算值增加37.4%；Ⅱ級航道標準下，糙率值自0.030增至0.045，理論穩(wěn)定航深計算值增加37.5%。本文以糙率0.030為準則保守估算，得到本河段在Ⅱ級航道標準下的最大穩(wěn)定航深為5.46 m，Ⅰ級航道的最大穩(wěn)定航深為5.39 m。

3.3 等級流量法判定

本文擬定的Ⅰ、Ⅱ級航道標準最低維護水深為3.5 m，航寬110、100 m，糙率值取0.030，ζ為斷面修正系數(shù)，由水深修正系數(shù)和河寬改正系數(shù)決定，據(jù)斷面實測資料得到Ⅰ級航道標準下ζ值為3.09，Ⅱ級航道標準下ζ值為3.14，用等級流量法判定實際流量是否滿足本河段達到需求航道標準的理論流量，理論需求流量計算值見表4。

表4 蘭溫段在Ⅰ、Ⅱ級航道建設(shè)標準下的理論需求流量

由表4可得，當糙率值取0.030時，建成Ⅱ級航道理論需求流量為1 360 m3/s，Ⅰ級航道理論需求流量為1 473 m3/s，均小于本河段設(shè)計最低通航保證流量(P=98%)，說明本河段航道經(jīng)整治措施后可達到Ⅰ級內(nèi)河航道建設(shè)標準(3.5 m×110 m×800 m)。

4 結(jié)論

本文采用優(yōu)良河段河相關(guān)系理論，結(jié)合長江上游蘭家沱至溫中壩河段實際參數(shù)，運用穩(wěn)定航深估算與等級流量判定的方法均表明本河段具備開發(fā)至內(nèi)河航道建設(shè)標準Ⅰ級的潛力。但值得注意的是，長江上游的實際航道條件復雜，控制因素眾多，如尚存的諸多單線航道、水流條件差的典型河段以及生態(tài)制約河段都需通過實地調(diào)研取證分析。因此，本文方法的優(yōu)點在于計算簡易，較為方便，僅可供航道開發(fā)初期選址或論證提供參考，實際工程的準確性有待數(shù)學模型及河工物理模型試驗進一步驗證。