西江梧州水文站設計最低通航水位探討

李俊娜

(中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司，廣東 廣州 511442)

1 梧州水文站所處航段情況

1.1 地理位置

梧州水文站位于西江干流上，桂江與西江匯合口下游約1.74 km處，距離長洲水利樞紐下引航道約12.5 km。地理位置見圖1。

圖1 梧州水文站地理位置

1.2 航道現狀

西江干流梧州段現狀航道等級為Ⅱ級，通航船舶為2 000噸級，航道尺度為3.5 m×80 m×550 m(深度×寬度×彎曲半徑)。設計航道線總體上按枯水期主流進行布置，建成至今發揮了重要作用。但由于長洲壩下河段出現河床下切引起水位下降，枯水期航道水深不足，所以運輸船舶需要減載航行。隨著航運的迅速發展，2019年長洲樞紐通過量超過1.4億t，船舶航行密度大，現狀航道尺度已不能滿足通航要求。因此擬按照Ⅰ級航道進行升級。

2 設計最低通航水位

2.1 河流概況

西江航運干線由郁江、潯江、西江、珠江組成，郁江流至桂平與黔江匯合后稱潯江，潯江流至梧州市與桂江匯合后稱西江，西江東流至廣東省三水市思賢窖后，與北江匯合南流至珠江三角洲河網區，主流由磨刀門出海。本文研究的梧州水文站處于西江長洲樞紐壩下河段。兩岸為丘陵平原，階地、臺地發育，河道寬闊，一般為600～1 000 m，最寬達2 000 m。2007年長洲水利樞紐建成蓄水，壩下河段有龍圩水道、洗馬灘、雞籠洲、界首灘4個灘險，枯水落差1.26 m，平均比降0.63‰[1]。

2.2 水文條件

2.2.1樞紐

長洲水利樞紐是西江下游河段廣西境內的最后一個規劃梯級，位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，距桂平航運樞紐約157 km。樞紐于2003年12月開工，2004年12月和2005年11月先后進行外江和內江截流，2007年10月首臺機組發電，樞紐發電及泄洪基本按天然情況進行調度[2]。汛期采用敞泄方式，枯水期可進行較小幅度的日調節。樞紐建成后，庫區水流流速降低，水流挾沙能力減弱，大部分懸移質輸沙量被攔截在庫區內，下游基本呈清水下泄，河床隨之下切，但是樞紐清水下泄引起的河床下切會隨著時間的推移逐漸降低，最終達到新的平衡狀態。

2.2.2梧州水文站

梧州水文站于1900年1月由原梧州海關設立，位于東經111°20′，北緯23°28′，是西江干流的重要控制站，集水面積327.006億m2，占西江流域集水面積的94.6%，控制了廣西境內85%的來水。自建站以來實測最高水位27.63 m，歷時最低水位為1.42 m。實測最大流量53 700 m3s，最小流量為582 m3s，汛期水量占年總量的80.5%，其中6—8月最大，占52.6%，非汛期11月至次年4月僅占年總水量的19.5%，其中1—3月為最枯，占7.2%。收集了梧州站1957—2018年的日均流量資料，其特征流量見圖2。從圖2可知，2012年后98%保證率流量和最小流量均維持在較高水平。由1999—2018年設計流量推算，離差系數Cv=0.29，偏態系數Cs=0.58，5 a一遇流量為1 126 m3s[3]。

圖2 梧州站特征流量

2.2.3潮汐

長洲樞紐壩下河段枯季受潮汐影響，高要水文站多年高低潮位顯示最低潮位為-0.56 m，潮差不大，沿程自上游至下游呈遞增趨勢。落、漲潮歷時比自下游至上游有遞增的趨勢，越往上游，漲潮歷時越短，落潮歷時越長。漲潮量的年內變化是汛期小、枯季大，落潮量則相反；漲落潮量的年際變化不大，但近年受河床采沙等人類活動影響，納潮量有增大趨勢。西江潮區、潮流界和咸水界的界限隨洪、枯水及季節而變[4]，“三界”變化范圍見表1。2019年枯季實測沿程瞬時水位見圖3。從圖3可知，下游水位變化大，上游水位變化小，表明封開水位受潮汐影響，越往上游影響越小，至長洲尾其影響程度非常小[5]。

表1 西江“三界”變化范圍

圖3 2019年2月枯季長洲至封開河段沿程瞬時水面線

2.2.4河床演變

長洲樞紐建壩前后河床地形發生較大變化，受清水沖刷、下游采砂以及航道整治工程的影響，下游河床地形呈下降趨勢。受河道左側丁壩控制，主槽比較穩定。

2010年以來，除局部有人為采沙活動影響外，河段沖刷程度減弱，深槽及河床地形擺動不大，洲灘及深槽逐漸趨向穩定。樞紐壩下航段縱斷面見圖4。

圖4 航道中線縱斷面對比

2.3 梧州站設計最低通航水位

2.3.1建設標準

按Ⅰ級航道設計，滿足3 000噸級內河船舶、兩排一列式一頂2×3 000噸級及一頂2×2 000噸級頂推船隊通航，設計最小航道尺度為4.1 m×90 m×670 m，富余水深為0.4 m。

2.3.2資料分析

設計最低通航水位計算分析主要使用梧州水文站和德慶水文站的相關數據。梧州水文站于1900年設站觀測水位，1944年9月停測，1945年10月恢復觀測至今，期間數次搬遷，先后為梧州(一)～(四)站。建國后水位觀測平時為每日3次，視水位變化情況增加測次。流量測驗以流速儀的常測法或簡測法為主，高水時多為浮標法，資料精度逐年提高。1958年以后按水文測驗規范要求進行，資料精度較好。德慶水文站隸屬廣東省水文局肇慶分局，于1947年設站觀測水位，1949年撤銷，1950年設立為雨量站，1954年改為水文站，1956年改為水位站。德慶站觀測河段順直，河床穩定，觀測資料可靠。

2.3.3水位分析

長洲水利樞紐至界首河段的河床以下切為主，造成相同流量情況下，研究河段水位下降明顯。逐年分析2009—2018年的水位流量相關關系，其結果見圖5。從圖5可知，梧州站水文站枯水流量下水位在逐年下降，未來仍將進一步下降，但下降速度逐漸放緩。

圖5 梧州水文站歷年流量對應水位

根據2005—2018年德慶站水位資料，98%保證率日均水位1.035 m，98%保證率日最低水位0.714 m。通過建立二維數模模型，計算梧州水文站設計最低通航水位。進口邊界：給定入流斷面的流量，長洲外江流量為845 m3s，內江流量為245 m3s，桂江流量為28 m3s；出口邊界：德慶水文站斷面為水位邊界1.035 m，全長85 km。經過計算，梧州水文站現狀設計最低通航水位為1.53 m。

3 梧州水文站設計最低通航水位

航道設計須根據實際情況進行綜合考慮。根據方案設計，模型試算得工程后梧州站設計水位1.48 m，本文建議下降0.3 m作為最終取值。備降0.3 m主要考慮多種可能誤差的影響，影響梧州水文站設計最低通航水位選取的主要因素有以下幾方面：

1)備降0.3 m對水位的影響。按設計水位計算水文邊界，地形采用設計水位備降0.3 m的地形，計算設計水位與未備降情況下的水位變化，結果見表2。

表2 備降0.3m對水位的影響 m

2)潮汐的影響。在設計流量下，德慶采用典型大潮過程，對比潮汐過程最低水位與設計水位的水位變化。由于5 a一遇98%枯水與天文潮遭遇概率不大，取50%作為潮汐平均影響。計算結果見表3。

表3 潮汐對水位的影響 m

3)界首以下河床下切影響。按設計水位計算水文邊界，界首以下地形統一下降3 m(丁壩高程不變)，計算設計水位變化，結果見表4。

表4 河床下切對水位的影響 m

4)施工超挖的影響。超深超寬由于施工造成，有一定的隨機性，按50%超深超寬考慮設計斷面，計算設計水位變化，結果見表5。

表5 施工超挖對水位的影響 m

5)影響匯總。根據模擬計算，全程影響總和接近0.3 m，各因素出現有隨機性，考慮計算誤差，統一按0.3 m取富余，見表6。

表6 各種因素影響下的水位變化 m

根據模型計算成果，梧州水文站現狀設計最低通航水位為1.53 m，整治后設計最低通航水位為1.18 m。

4 結語

1)根據最新歷年梧州站的水位流量關系分析可知，梧州站水位處于下降過程中，不宜直接采用梧州站現有水文資料分析設計水位成果。

2)通過水文資料分析，確定梧州水文站98% 5 a一遇流量為1 126 m3s；桂江98% 5 a一遇流量為27.6 m3s；德慶98%日均水位為1.035 m。根據工程河段多年水位連續下降的特點，最低通航水位推算應采用下游穩定水位和設計流量建立模型推算。

3)根據數學模型模擬設計水位工況計算結果，考慮30 cm水位下切富余后，工程后設計水位為：界首1.04 m，梧州水文站1.18 m，長洲樞紐引航道口門2.01 m。

4)工程前沿程多處水深不滿足4.1 m要求，工程后沿程水深在4.7 m以上，滿足4.5 m開挖水深要求并有所富余。