三峽升船機上下游水情分析及運行應對建議

張銀婷，彭享文，陳 新

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

自三峽升船機試運行以來，上下游水位變化及水位波動一直是影響升船機運行安全及運行效率的重要因素。如船廂與航道連通后，若水位波動劇烈，會導致船廂水深過高或過低，影響船舶通行安全，也對升船機設備設施產生影響。當上下游水位變化超過當前門位的適應水位范圍時，須調整上、下閘首工作門門位，升船機運行短時中斷，影響升船機運行效率。因此，研究上、下游水情變化規律，明確水情變化對運行的影響，并采取相關運行應對措施，對提高三峽升船機的運行安全及運行效率具有十分重要的意義。

目前，針對因三峽水利樞紐泄洪、電站調峰、三峽船閘充泄水而產生的非恒定流對升船機運行安全及運行效率的影響，已有許多研究：楊文俊等[1-4]從三峽工程壩區河段河勢特點及上、下引航道布置等實際情況出發，對大壩泄洪及船閘充泄水等產生的非恒定流對通航的影響進行了試驗研究，并提出減小非恒定流對運行影響的改善措施；李中華等[5-6]從應對水位變動、降低三峽升船機船廂對接安全風險的角度出發，提出對接安全預警措施。上述研究對明確上、下游水情變化對運行的影響及提出相應的運行應對建議具有指導意義。

本文從三峽升船機上、下游水情的變化特點出發，對上、下游水情變化對運行產生的影響進行量化分析，并從運行管理的角度，提出相應的運行應對建議。

1 水情變化特點

1.1 出入庫流量變化

2019年，三峽水利樞紐出入庫流量變化曲線如圖1所示。

圖1 2019年三峽水利樞紐出入庫流量變化曲線

三峽水利樞紐消落期時段為1月1日—6月10日。期間，出入庫流量整體偏小，平均出庫流量較平均入庫流量大，因此上游水位逐步消落。

三峽水利樞紐汛期時段為6月10日—9月10日。期間，因降雨較多，三峽水利樞紐出入庫流量較其他時期明顯偏大，平均出入庫流量基本保持平衡。當三峽水利樞紐入庫流量超56 700 m3/s或三峽水利樞紐出庫流量超45 000 m3/s時，出入庫流量超過升船機設計允許通航流量，三峽升船機須停航。

三峽水利樞紐蓄水期時段為9月10日—12月31日。期間，出入庫流量處于中間水平，較消落期高，但比汛期低。平均入庫流量較平均出庫流量大，因此上游水位逐步上升。其中9月10日—10月30日，入庫流量較出庫流量明顯偏大，上游水位快速抬升，至10月底11月初，上游水位上升至175 m正常蓄水位。此后，出、入庫流量保持基本平衡，上游水位維持在175 m正常蓄水位附近。

1.2 上、下游水位變化

1.2.1上游水位變化

2019年三峽升船機上游水位變化曲線如圖2所示。

圖2 2019年三峽升船機上游水位變化曲線

三峽水利樞紐消落期，三峽升船機上游水位持續下降，其中1—4月，水位下降緩慢，3月前后受春季梅雨季節影響，水位還會出現小幅度的短時上漲。5月至6月10日，上游水位快速消落，根據防洪調度要求，三峽水庫水位應在6月10日前消落至防洪限制水位145 m。

三峽水利樞紐汛期水位按防洪限制水位145 m控制運行，因此在沒有防洪調度需求時，上游水位基本處于145 m左右，當有防洪需求時，根據入庫流量及下游防洪控制水位要求進行實時調度，期間上游水位會快速漲落。2019年最大洪峰于7月18日到來，上游水位從7月18日的145.69 m上漲至7月27日的155.59 m，日均漲幅達1.1 m。

三峽水利樞紐蓄水期，上游水位持續上升直至蓄水位175 m。根據2019年蓄水曲線可知,9月蓄水較快，水位日均漲幅達0.8 m，日最大漲幅為1.9 m；10月蓄水變緩，水位日均漲幅為0.4 m；至10月底，上游水位蓄至175 m；此后，上游水位始終保持在高水位運行。

1.2.2下游水位變化

2019年三峽升船機下游水位變化曲線如圖3所示。

圖3 2019年三峽升船機下游水位變化曲線

從圖3可知，三峽升船機下游水位在三峽水利樞紐消落期及蓄水期基本處于下閘首工作門5#鎖定位區間，對應的水位范圍為63.95～65.92 m。

在三峽水利樞紐汛期，因出庫流量整體偏大，下游水位較其他時期有一定程度的上升，且會大幅波動。期間，下游水位大部分時段處于下閘首工作門4#鎖定位區間，較其他時期提高了一個鎖定位，對應的水位范圍為65.92～67.89 m。部分時段內因三峽樞紐泄洪，下游水位會陡漲，達3#鎖定位區間。汛期因三峽樞紐下泄流量調節明顯，下游水位會大幅波動，為適應水位變化可能出現頻繁調整下閘首工作門門位的情況。

2 上、下游水情變化對運行的影響

2.1 上游水情變化對運行的影響

上游水情變化對運行的影響主要體現在2個方面:1)為適應全年上游水位的周期性變化，根據運行需要，須及時調整上閘首工作門門位，門位調整過程中三峽升船機運行短時中斷；2)當上游水位處于150 m及以下時，上游引航道隔流堤露出，上游引航道變窄，受三峽船閘首級閘室充水影響，三峽升船機上游航道水位會發生較大幅波動，影響運行安全。

2.1.1上閘首工作門門位調整

上閘首工作門由一扇工作大門和7節工作疊梁門組成，最大可適應上游30 m水位變化，每個門位可適應單節工作疊梁門高度3.75 m的水位變化。當上游水位變幅超出當前門位的適應范圍時，則通過增加或減少工作疊梁門的方式適應上游的水位變化。

2019年，為適應上游水位變化，全年共進行上閘首工作門門位調整18次，其中消落期調整7次、汛期調整4次、蓄水期調整7次，每次調門平均約需5 h。其中，汛期因上游水位在調門臨界水位波動，且水位變動趨勢不明，導致升船機暫停運行約24 h。2019年因調門及水位在調門臨界水位波動導致升船機暫停運行約4.75 d。

2.1.2上游水位在150 m及以下時

2019年，上游水位低于150 m天數達82 d，占汛期總天數的88%。當上游水位低于150 m時，因上游引航道隔流堤露出，將升船機與船閘的共用引航道與主庫區隔開，船閘首級閘室充水時會在上游引航道內引起頻繁且較大的水位波動，當上游水位30 min變幅達0.3 m時，船廂與上閘首無法準確對接、船廂對接位置偏離合適位置、對接狀態下水位變化迅速導致船廂水深超限、船廂解除對接須調整船廂水深等問題，均會對升船機的運行安全及效率產生影響。其中，水位波動對運行影響的可量化直接表現是：上游水位30 min變幅超0.3 m的時長明顯增長，且下行有載廂次中調整船廂水深次數增加。

2019年，上游水位30 min變幅超0.3 m的時長占當月總時長比例的變化曲線如圖4所示。

圖4 30 min變幅超0.3 m的時長占當月總時長比例

由圖4可以看出，上游水位30 min變幅超0.3 m的時間主要是在汛期，其他時間上游水位波動較小，基本平穩。波動較為頻繁的月份集中在主汛期7—9月，上游水位30 min變幅超0.3 m的時長占當月總時長的比例均超過了10%，最大達13.5%。

在船廂解除對接工藝流程中，船廂門關閉后，當船廂水深≤3.36 m時，須進行船廂補水，補至3.38 m；當船廂水深≥3.53 m時，須進行船廂排水，排至3.51 m。2019年，因上游水位波動，下行有載廂次中發生調整船廂水深次數的占比變化曲線如圖5所示。

圖5 下行有載廂次中發生調整船廂水深次數的占比

從圖5可以看出，有載下行廂次中發生調整船廂水深的情況主要集中在汛期，其他時期較汛期明顯偏低。全年有載下行廂次中發生調整船廂水深的月度平均次數為15次，月度平均占比為14.5%。但汛期期間，調整船廂水深次數占比均超過了20%，平均占比約為27%，最大占比達39%。

2.2 下游水情變化對運行的影響

下游水情變化對運行的影響主要體現在2個方面:1)為適應下游水位變化，須及時調整下閘首工作門鎖定位，以滿足運行需求，期間三峽升船機運行暫時中斷；2)受三峽電廠調峰或泄洪的影響，下游水位全年都會出現不同程度的水位波動，對運行安全及運行效率產生直接影響。

2.2.1下閘首工作門鎖定位調整

下閘首工作門最大可適應下游11.8 m的水位變化，下閘首工作門門槽從上至下共設有6個鎖定位，每個鎖定位可適應1.97 m水位變化。當下游水位變幅超過當前鎖定位的適應范圍時，工作大門由液壓啟閉機帶壓操作，調整門位，適應水位變化。

2019年，為適應下游水位變化，全年共調整下閘首工作門鎖定位104次，其中汛期共調整72次，約占全年總調整次數的70%，日最高調整次數可達5次。每次調整平均需25 min左右，其中設備動作需10 min左右，剩余的15 min為等待下游浮動標志鏡與下游水位齊平的時間。

2019年因下游水位變化進行門位調整導致升船機暫停運行約1.79 d，頻繁的鎖定位調整對下閘首工作門設備穩定性有一定的影響，可能導致設備疲勞或損壞。

2.2.2下游水位波動

下游水位波動與上游水位波動的不同點在于，上游水位波動主要存在于上游水位低于150 m的時期，但下游水位波動幾乎全年都存在，且波動幅度及波動頻率均較上游明顯。當上游水位30 min變幅達0.3 m，甚至60 min變幅超0.5 m時，水位變動對運行的影響與上游基本相同，也會對升船機的運行安全及效率產生一定的影響。其中，水位波動對運行影響的可量化直接表現是下游水位30 min變幅超0.3 m的時長、60 min變幅超0.5 m的時長及上行有載廂次中調整船廂水深次數。

2019年，下游水位30 min變幅超0.3 m時長及60 min變幅超0.5 m時長占當月總時長比例的變化曲線如圖6所示。

圖6 30 min變幅超0.3 m時長及60 min變幅超0.5 m時長占當月總時長比例

由圖6可以看出，下游水位以30 min變幅超0.3 m的波動為主，經統計月度30 min變幅超0.3 m的波動時長平均是60 min變幅超0.5 m的波動時長的9倍。

其中，30 min變幅超0.3 m的波動在非汛期明顯高于汛期，而60 min變幅超0.5 m的波動卻是在汛期普遍高于非汛期。因此可知：在汛期，下游水位以60 min變幅超0.5 m的波動為主；而在非汛期，下游水位以30 min變幅超0.3 m的波動為主。

在船廂解除對接工藝流程中，下游調整船廂水深的條件與上游相同。2019年，因下游水位波動，上行有載廂次中發生調整船廂水深次數的占比變化曲線如圖7所示。

圖7 上行有載廂次中發生調整船廂水深次數的占比

從圖7可以看出，月度調整水深次數占比大部分時段穩定在40%左右。經統計，2019年有載上行廂次中發生調整船廂水深的月度平均次數為53次，月度平均占比為39.4%。

3 結論

1)為適應上、下游水位變化，須及時調整上、下閘首工作門門位。上閘首工作門門位調整非汛期較汛期頻繁，下閘首工作門門位調整汛期較非汛期頻繁。為能及時準確調整上閘首工作門門位，須加強與外部水情預測部門的聯系溝通，做好水位預判。

2)為確保船廂對接時船舶與設備安全，須加強水位波動預測，選擇合適對接時機。上游水位波動主要集中在汛期上游水位低于150 m以下時，主要由船閘首級閘室充水引起，因此須加強與三峽船閘集控室的聯系，掌握閘室充水時刻，做好水位波動預測及對接時機選擇；下游水位波動全年都存在，汛期以大幅波動為主，非汛期以小幅波動為主，因此要加強已有水位數據信息系統的運用，做好常態化的水位波動預測工作，利用水位信息系統做好整體水位變化趨勢預測，運用水位數據庫系統做好水位波動精細預測。兩個系統的聯合運用可大大提高船廂與上、下游的對接成功率，確保運行安全。