長江宜昌站設(shè)計最低通航水位有關(guān)問題探討

洪強(qiáng) 黃建九 廣州海建工程咨詢有限公司

宜昌水文站是長江中、上游分界處的基本水文站，也是長江葛洲壩和三峽水利樞紐規(guī)劃、設(shè)計的水文泥沙資料的基本依據(jù)站。鑒于葛洲壩和三峽水利樞紐施工期和投入運(yùn)行后改變了宜昌以下長江干線的來水來沙條件，因此，在計算分析宜昌以下長江干線各基本水文站的設(shè)計最低通航水位時，首先必須了解和研究宜昌站的設(shè)計最低通航水位計算、確定與應(yīng)用情況；以及三峽水利樞紐正常運(yùn)行期枯水季節(jié)加大葛洲壩水利樞紐下泄流量的彌補(bǔ)措施后，對宜昌以下河段航道邊界條件的影響因素。

30余年來，長江中、上游干支流除赤水河外均興建了水利樞紐。支流與湖泊多因素聯(lián)動調(diào)節(jié)作用的水沙條件變化極為復(fù)雜，筆者雖然過去參與過幾處航道設(shè)計最低通航水位的計算、分析和應(yīng)用實(shí)踐，但僅局限于局部河段，不具備全局觀。為此，僅對熟悉的長江干線宜昌站的設(shè)計最低通航水位計算成果和相關(guān)問題進(jìn)行探討。

1.宜昌站的設(shè)計最低通航水位計算與確定

1973年長江航道局計算的宜昌站設(shè)計最低通航水位為39.35m（凍結(jié)吳淞高程，多年歷時保證率98%）。

1978年的長江葛洲壩水利樞紐修改初步設(shè)計報告中，葛洲壩水利樞紐二、三號船閘和下游引航道的設(shè)計最低通航水位為39.0m（資用吳淞高程，本文其它水位值如無特別說明均采用此高程），相應(yīng)設(shè)計流量為3200m3/s。該設(shè)計還闡明樞紐投入運(yùn)行后，壩下河床下切水位下降值不超過1.0m。

宜昌水文站歷史悠久，建站時所采用的高程系統(tǒng)為凍結(jié)吳淞高程，而葛洲壩和三峽水利樞紐所采用的高程系統(tǒng)為資用吳淞高程。宜昌水文站的高程系統(tǒng)換算關(guān)系為：凍結(jié)吳淞高程-0.364m=資用吳淞高程。由此可見，宜昌站設(shè)計最低通航水位39.35m（凍結(jié)吳淞高程），換算為資用吳淞高程為凍結(jié)吳淞高程39.35m-0.364m≈資用吳淞高程39.0m，與葛洲壩三江航道及二、三號船閘下游設(shè)計最低通航水位39.0m是基本一致的；后者是設(shè)計階段的具體應(yīng)用。

2.葛洲壩水利樞紐投入運(yùn)行前后宜昌站水位下降和航道運(yùn)行管理情況

2.1 宜昌站水位下降情況

葛洲壩水利樞紐工程大江截流前，長江航道局組建川江測量總隊適時對長江重慶至宜昌河段自上而下進(jìn)行航道測量，當(dāng)測量到巴東至宜昌河段時，宜昌站設(shè)計最小通航流量3200m3/s的相應(yīng)水位已下降了0.3m，所以巴東至宜昌航道圖按流量3200m3/s時的實(shí)測水面線繪制（即設(shè)計最低通航水位以下的水深圖）。該測圖在當(dāng)時特定條件下水面線的應(yīng)用，反映了經(jīng)辦人對設(shè)計最低通航水位的概念和航道水深圖的機(jī)理具有獨(dú)立的見解，能將水文學(xué)、航道測量學(xué)和航道工程學(xué)的知識有機(jī)地結(jié)合，并在實(shí)際工作中準(zhǔn)確運(yùn)用。該圖后來成為葛洲壩和三峽水利樞紐有關(guān)科研項目的基礎(chǔ)資料，在物理模型研究項目驗證時經(jīng)受住了檢驗。

1981年葛洲壩水利樞紐主河床截流前宜昌站水位下降的原因，曾引起了當(dāng)時有關(guān)單位科技人員的關(guān)注，葛洲壩水文實(shí)驗站于1985年前后進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)論是宜都河段大量開采砂卵石用于葛洲壩工程施工，是導(dǎo)致葛洲壩下游近壩河段河床下切水位下降的主要原因。該調(diào)研報告曾在葛洲壩工程第二次科技成果會議上交流。

表1 長江宜昌站設(shè)計最低通航水位計算、確定與應(yīng)用情況表

2.2 航道運(yùn)行管理情況

葛洲壩水利樞紐投入運(yùn)行前兩年，長江航道局在宜昌設(shè)立宜昌航道分局，從事葛洲壩樞紐航道運(yùn)行（維護(hù)）管理的專職工作。

葛洲壩水利樞紐三江航道投入運(yùn)行時，在長江航道局指導(dǎo)下，宜昌航道分局將航道測圖標(biāo)注方式改為高程圖式（與設(shè)計資料一致采用資用吳淞高程），改變了我國航道測圖的傳統(tǒng)水深圖式（即設(shè)計最低通航水位以下的水深圖）的習(xí)慣作法。今天看來，這個決策對運(yùn)行資料的收集與分析工作是高瞻遠(yuǎn)矚，具有前瞻性和預(yù)見性。實(shí)踐證明，葛洲壩水利樞紐壩下游近壩河段的河床下切水位下降過程中，以及1982年觀測出三江下引航道的不穩(wěn)定流等水文特性下，其航道測圖則不適應(yīng)采用水深圖式。

三江航道投入運(yùn)行后，航道部門結(jié)合葛洲壩樞紐引航道的特點(diǎn)和實(shí)際情況，摸索性地開展航道維護(hù)管理工作，逐步形成全新的工作模式：每年在汛前、沖沙前后、汛后進(jìn)行引航道水下地形測量，年終收集宜昌站年度逐日平均水位、流量、含沙量、輸沙率等資料，進(jìn)行沖沙時機(jī)、流量、歷時與引航道沖淤演變關(guān)系的分析，提出汛后清淤計劃；還進(jìn)行了三江下引航道不穩(wěn)定流的觀測與分析、壩下河床下切水位下降分析，研究了各種因素對枯水期航道尺度的影響和技術(shù)措施，以確保航道正常運(yùn)行和通航安全。

1986～1987年枯水期宜昌站流量3200m3/s時的水位相對原設(shè)計值約下降0.85m，幾年以后下降值約達(dá)1.0m，與修改初步設(shè)計的預(yù)測值基本一致。

3.三峽水利樞紐論證、設(shè)計和運(yùn)行階段對葛洲壩樞紐下游設(shè)計最低通航水位的研究與確定

3.1 論證、設(shè)計階段

長江三峽水利樞紐正常蓄水位補(bǔ)充論證報告提出了枯水季節(jié)葛洲壩水利樞紐下泄平均調(diào)節(jié)流量不宜過小，應(yīng)維持在5000m3/s以上，以彌補(bǔ)葛洲壩下游因河床沖刷可能引起水位下降的影響；長江三峽水利樞紐初步設(shè)計報告（樞紐工程）明確三峽工程運(yùn)行后，葛洲壩水利樞紐最小下泄流量增大至5400m3/s。

3.2 運(yùn)行階段

三峽水利樞紐正常運(yùn)行期調(diào)度規(guī)程的有關(guān)條款規(guī)定：

三峽（正常運(yùn)行期）—葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程（試行版，送審稿，2009年7月）7.3.3條：葛洲壩水利樞紐下游，三江船閘及船閘下游最低通航水位應(yīng)滿足過壩船舶安全正常航行的要求，按39.0m（采用廟咀水位）控制。

長江宜昌站設(shè)計最低通航水位計算、確定與應(yīng)用情況如表1所示。

4.幾點(diǎn)認(rèn)識

4.1 宜昌站設(shè)計最低通航水位“失而復(fù)原”是三峽工程論證中航運(yùn)專題的重要成果

長江葛洲壩水利樞紐投入運(yùn)行前后，雖然經(jīng)歷了壩下河床下切水位下降約1.0m（宜昌站流量3200m3/s時）的過程，但設(shè)計和運(yùn)行單位仍堅持設(shè)計最低通航水位39.0m不變。

在長江三峽水利樞紐工程論證與設(shè)計階段，對通航技術(shù)問題進(jìn)行了深入地研究和討論，確定了枯水季節(jié)加大葛洲壩水利樞紐下泄流量，以彌補(bǔ)壩下因河床沖刷而引起水位下降對葛洲壩三江下游航道通航水深的影響。三峽工程建成后，正常運(yùn)行期葛洲壩樞紐下游最低通航水位按原設(shè)計值39.0m（以廟咀水位為準(zhǔn)）控制，從而確保了葛洲壩三江下游航道過壩船舶正常航行的要求。葛洲壩水利樞紐屬徑流式電站，沒有調(diào)節(jié)庫容，單獨(dú)運(yùn)行期的與天然狀況一樣，枯水季節(jié)約有3～4個月下泄流量只有3200～4000m3/s。三峽樞紐正常運(yùn)行期庫水位蓄至175.0m，通過水庫調(diào)度調(diào)節(jié)下泄流量，葛洲壩樞紐下游最低通航水位按原設(shè)計值39.0m控制時，相應(yīng)的下泄流量約為5400m3/s，下游流量的增幅最大時達(dá)2200m3/s，避免采用工程措施來保證壩下最低通航水位的問題，也有利于改善宜昌以下河段的通航條件；兼顧了發(fā)電與通航的綜合效益。

葛洲壩水利樞紐下游宜昌站的設(shè)計最低通航水位“失而復(fù)原”，是三峽工程論證階段開放、透明論證中航運(yùn)專題的重要成果；也是設(shè)計階段科研、設(shè)計單位和航運(yùn)部門的科技人員共同努力的結(jié)果。是通過科學(xué)地研究三峽水利樞紐調(diào)節(jié)庫容作用、河流水沙條件、河床沖淤演變、水位流量關(guān)系、船舶噸級、航道通航條件、統(tǒng)籌兼顧防洪和發(fā)電及航運(yùn)綜合效益等因素的基礎(chǔ)上而取得的重大成果之一。宜昌站的設(shè)計最低通航水位獲得“失而復(fù)原”的成果，其機(jī)理是通過梯級調(diào)度，并兼顧防洪、發(fā)電、航運(yùn)等多因素影響和采取遏制葛洲壩下游河床沖刷的工程措施。對于我國大多數(shù)中、小山區(qū)河流而言，在興建水利（航運(yùn)）樞紐后而產(chǎn)生的壩下河床下切（主要原因是清水下泄和大量采砂）水位下降的問題，主要受樞紐調(diào)節(jié)庫容較小的影響，解決枯水期壩下航道水深問題的技術(shù)難度會更大一些。

4.2 葛洲壩水利樞紐壩下基本水位站的選取

葛洲壩水利樞紐修改初設(shè)和三峽水利樞紐初設(shè)、現(xiàn)行梯級調(diào)度規(guī)程等3個階段中均明確葛洲壩水利樞紐下游航道設(shè)計最低通航水位為39.0m，但是在文字表述上略有差異，各階段有關(guān)資料對該設(shè)計最低通航水位的論述情況如下：

設(shè)計單位、航道部門論證時采用的都是宜昌站的水文資料，所不同的是：航道部門在葛洲壩水利樞紐初設(shè)階段明確提出的是宜昌站水位；設(shè)計單位在葛洲壩水利樞紐修改初設(shè)中提出的是二、三號船閘和下游引航道，當(dāng)時未明確水位站名；2009年的梯級調(diào)度規(guī)程則明確是廟咀水位。

廟咀水位站位于葛洲壩三江下引航道口門區(qū)右岸，下距宜昌站約2km，原本是觀測葛洲壩水利樞紐下游航道水位最合適的位置，但因三江下引航道的最小通航水深受葛洲壩2#、3#船閘泄水形成的不穩(wěn)定流影響，水位波動的規(guī)律較為復(fù)雜，且隨著邊界條件的變化而不斷變化。因此，建議今后還要注意進(jìn)一步觀測與研究。

4.3 葛洲壩水利樞紐三江下游引航道最小水深彌補(bǔ)措施的思考

葛洲壩水利樞紐下游出現(xiàn)河床下切水位下降，以及1982年觀測到三江下引航道不穩(wěn)定流對航道通航條件的影響后，在不可能提高設(shè)計最低通航水位的客觀條件下，長江航道局三峽辦曾研究過是否可以改造三江下引航道，降低航道底標(biāo)高以增加通航水深；前幾年長委設(shè)計院還進(jìn)行過改造三江下游航道的專題研究。將來仍可作為一個研究的選項。

4.4 水利樞紐壩下基本水文站的控制作用

葛洲壩水利樞紐是長江干流上興建的第一壩，通航建筑物的最低通航水位、最小通航水深是長江干線航道的控制點(diǎn)，因此宜昌水文站自然成為研究長江干線設(shè)計最低通航水位的控制站，其因果關(guān)系將成為上、下游航道的制約因素。因此，在研究整個長江干線的設(shè)計最低通航水位時，離不開宜昌站的基礎(chǔ)條件。由此說明，興建了水利（航運(yùn)）樞紐的河流上所使用的設(shè)計最低通航水位的概念和內(nèi)涵，要比天然河流復(fù)雜得多，需要擺脫“思維定勢”和“路徑依賴”，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，追根溯源，不斷地去發(fā)現(xiàn)新情況，探索新問題。

5.需要探討的新問題

5.1 設(shè)計最低通航水位的使用年限問題

從航道工程的實(shí)踐情況來看，由于興建水利（航運(yùn)）樞紐等原因，改變了河道的水沙邊界條件，若要使設(shè)計最小流量下最低通航水位的誤差小于0.1m，可能以當(dāng)年的資料計算后只能用上一年時間左右，甚至更短一些，所以需要不斷地分析研究，往往多年的水文資料只能作為分析判斷之用，即可用于定性分析而不能用于定量。

表2 設(shè)計最小通航流量下基本水位站水位變化情況表

表3 韓江三河壩站2005年枯水季5天的水位、流量特征值表

在航道工程實(shí)踐中遇到的設(shè)計最小通航流量下基本水位站水位變化情況如表2所示。

上述實(shí)例說明，對于水沙條件變化較大的河段，負(fù)責(zé)航道管理的部門需要配備航道水文方面的技術(shù)力量，逐月、逐年進(jìn)行水文泥沙分析，不間斷地調(diào)整對設(shè)計最低通航水位變化的認(rèn)識，并準(zhǔn)確地運(yùn)用于航道運(yùn)行管理工作中，才能及時解決實(shí)際工作中遇到的問題。

5.2 水利（航運(yùn)）樞紐壩下河道不穩(wěn)定流對航道通航條件影響的問題

1982年初，通過對葛洲壩三江下引航道發(fā)生的客輪擱淺事故的調(diào)查，經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)了下引航道不穩(wěn)定流及其對航道通航條件的影響，設(shè)計單位已將其科研成果應(yīng)用于三峽工程，將三峽五級連續(xù)船閘泄水方式采用雙箱涵排于下引航道之外的主河道。

三峽工程科研階段，也揭示了三峽大壩和葛洲壩兩壩之間河道存在不穩(wěn)定流的問題，但未見到葛洲壩水利樞紐壩下河道不穩(wěn)定流的觀測與研究資料。

2014年收集到廣東韓江三河壩站的壩下河道不穩(wěn)定流資料，概況如表3所示。

上述工程實(shí)例表明：枯水期高水頭船閘下引航道受船閘泄水波影響，其瞬時最低水位可能會對通航水深造成影響，船舶在引航道內(nèi)航行時，如遇不穩(wěn)定流的波谷與船舶動吃水疊加，可能面臨著船舶擱淺的潛在風(fēng)險，給通航安全埋下隱患；水利（航運(yùn)）樞紐壩下河道不穩(wěn)定流枯水季具有水位、流量日變幅很大和下泄流量減小后沿時間、沿程衰減的水文特征，該特征不但對淺灘演變、航道通航條件帶來影響，也給內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計最低通航水位、航道整治工程措施與思路等的研究提出了新課題。

5.3 《水運(yùn)工程測量規(guī)范》中航道測圖的適用性問題

對于興建有水利（航運(yùn)）樞紐的非天然河流的內(nèi)河航道，鑒于水沙條件發(fā)生了明顯的變化，建議《水運(yùn)工程測量規(guī)范》明確該類航道的測圖不再適用設(shè)計最低通航水位以下的水深圖式，宜改為河床高程圖式，其水面線則應(yīng)另外組織觀測與研究。