梯級樞紐調(diào)控下西江干線末端航道設(shè)計(jì)水位推算

覃昌佩，王 鑫，馮小香

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，南寧 530011；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

廣西境內(nèi)河流眾多，大多屬山區(qū)河流，河流平面形態(tài)復(fù)雜，河床組成多為砂卵石或基巖相間，汛期洪峰暴漲暴落，枯季流量小，枯洪水位及流量變幅大，河道水面比降及流速均較大，與平原河流相比航道等級普遍較低。考慮樞紐工程的實(shí)施可壅高上游水位形成優(yōu)良的深水庫區(qū)航道，并調(diào)節(jié)下游流量，從而提升航道等級。因此對于山區(qū)河流，通過流域梯級開發(fā)并輔以必要的航道整治是促進(jìn)航道建設(shè)的最有效途徑。針對西江水系，提出“一干七支”建設(shè)，截止至2014年年底，一干七支已建樞紐共40個(gè)。其中作為“一干”的西江航運(yùn)干線，貴港至梧州航道工程被規(guī)劃按照3 000 t航道進(jìn)行建設(shè)，其間長洲水利樞紐壩下至梧州界首河段為西江下游廣西境內(nèi)的工程末端，長洲水利樞紐對應(yīng)為最后一個(gè)梯級樞紐。

河流樞紐建設(shè)后，由于上游水庫蓄水?dāng)r沙，改變了河道原有的邊界條件，下游水沙的輸移特性會隨之改變，馮小香等[1]、阮成堂[2]指出三峽蓄水后，庫區(qū)泥沙落淤，出庫泥沙減小，清水下泄使得壩下存在處于嚴(yán)重次飽和狀態(tài)，河床出現(xiàn)長距離持續(xù)沖刷[3-4]。山區(qū)河流由于其河岸抗沖，河床受清水下泄作用，主槽以下切為主，引起壩下水位在同流量下的自然降落[5-6]。萬建國通過對萬安水庫壩下航道進(jìn)行原型觀測，提出壩下存在強(qiáng)烈沖刷段，且河床斷面普遍縮窄[7]。吳緒權(quán)等在航道航標(biāo)維護(hù)管理工作中發(fā)現(xiàn)，長洲水利樞紐至界首河段水位與流量發(fā)生了明顯變化，河床下切明顯[8]。張明、馮小香等針對西江梯級樞紐運(yùn)行壩下水沙特點(diǎn)進(jìn)行系列研究后指出長洲樞紐蓄水運(yùn)行后壩下枯水水位出現(xiàn)大幅下降，主要原因除自然沖刷外，人為無序采砂對西江干線河道河床形態(tài)影響亦不容忽視[9-10]。

考慮西江干線沿程已建或規(guī)劃建設(shè)梯級樞紐，本文以貴梧3 000 t級航道工程工可階段設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，充分考慮長洲樞紐運(yùn)行及人為采砂活動誘發(fā)的河床下切現(xiàn)象，對西江航運(yùn)干線貴港至梧州3 000 t級航道工程(長洲樞紐—界首段，如圖1)水文特性進(jìn)行分析，推算設(shè)計(jì)水位，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 西江航運(yùn)干線貴港至梧州3 000 t級航道工程(長洲樞紐—界首段)Fig.1 Xijiang 3 000 T Channel Project (Changzhou Water Project-Jieshou)

1 工程背景

西江航運(yùn)干線長洲樞紐—界首段屬西江下游，流域內(nèi)雨量充沛，多年平均雨量約1 376 mm，但年內(nèi)分配極不均勻，汛期5～10月降水量約占全年的70%～80%，年雨天一般約為160～180 d，造成流域較大洪水的暴雨，多出現(xiàn)在6～8月。

長洲樞紐—界首段基本水文站為位于西江干流與支流桂江匯合口下游約2 km處的梧洲水文站，以梧州水文站多年統(tǒng)計(jì)資料為依據(jù)進(jìn)行水文分析，測站特征水位如圖2所示。由圖表可知，多年平均最高水位20.73 m，多年平均最低水位3.07 m，年內(nèi)水位變幅較大。從圖中還可明顯看出，自2011年以來梧州水文站特征水位較之前有明顯降落，主要是由于西江梯級樞紐工程相繼建設(shè)且河道內(nèi)采砂[6]，樞紐調(diào)節(jié)、壩下沖刷等對本河段水位、流量影響明顯。結(jié)合表1，2009年長洲樞紐投入使用前，梧州水文站測得航道最高水位介于17.38～27.48 m，最低水位介于2.66～4.25 m；而2009年投產(chǎn)之后至今，天然航道水位下降明顯，航道最高水位最低降低至14.1 m，最低水位則低至1.6 m。

因此，針對貴梧3 000 t級航道工程建設(shè)，主要對2011年以來的水文統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析，以獲得本河段近期水文特征。

圖2 梧州水文站多年特征水位(85國家高程)Fig.2 Wuzhou hydrologic station characteristic stag(National Height Datum 1985)圖3 梧州水文站水位—流量關(guān)系曲線(85國家高程,2015-07-01～2016-06-26)Fig.3 Water level-discharge curve of Wuzhou hydrologic station(National Height Datum 1985,2015-07-01～2016-06-26)

2 設(shè)計(jì)最低通航水位及流量推求

2.1 基本水文站設(shè)計(jì)最低通航水位及流量

計(jì)算河段位于長洲樞紐壩下，梧州水文站為河段基本水文站，設(shè)計(jì)最低通航水位采用保證率頻率法計(jì)算確定[11]。

長洲樞紐自2009年投入運(yùn)行，按保證瞬時(shí)最小下泄流量不小于原天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位相應(yīng)的流量1 090 m3/s運(yùn)行。因此，梧州桂江河口以上河段設(shè)計(jì)流量取1 090 m3/s，其中龍圩水道外江設(shè)計(jì)流量為845 m3/s；梧州桂江河口以下河段設(shè)計(jì)流量由梧州水文站控制，采用梧州水文站保證率98%(5 a一遇天然流量)的流量1 100 m3/s為設(shè)計(jì)流量，根據(jù)水位-流量關(guān)系曲線(圖3)確定設(shè)計(jì)最低通航水位為1.528 m。

表1 長洲壩下、龍圩航道站及梧州航務(wù)處與梧州水文站水位相關(guān)成果表[12]Tab.1 Water level correlation between the fixed water gages and Wuzhou hydrologic station

在基本站分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用沿程并擁有完善逐日觀測資料的長洲壩下(1#)、龍圩航道站(2#)及梧州航務(wù)處(7#)3把固定水尺，分別建立其與梧州水文站(8#)水位相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行水位相關(guān)分析(如表1)[12]，各固定水尺與梧州水文站的相關(guān)曲線詳見圖4。

4-a 長洲壩下—梧州水文站(1#～8#)4-b 龍圩航道站—梧州水文站(2#～8#)4-c 梧州航務(wù)處—梧州水文站(7#～8#)圖4 水位相關(guān)曲線Fig.4 Water-level correlation curve

圖5 整治前沿程設(shè)計(jì)水位(85國家高程)Fig.5 Design water level before the project(National Height Datum 1985)

從圖表可以看出，各固定水尺水位與梧州水文站關(guān)系密切(相關(guān)系數(shù)R2>0.99)，因此根據(jù)長洲壩下、龍圩航道站、梧州航務(wù)處、梧州水文站四站對應(yīng)最小通航流量1 100 m3/s的水位值進(jìn)行插值，可得整治前沿程設(shè)計(jì)水位成果，如圖5。

由圖可看到，現(xiàn)階段河段沿程設(shè)計(jì)水位較前期工可階段出現(xiàn)明顯下降，長洲壩下水位降至3.23 m，梧洲航務(wù)處(8#水尺點(diǎn))水位降落達(dá)最大值，較前期工可階段降低1.059 m。經(jīng)分析，水位的明顯降落主要是由于長洲樞紐運(yùn)行對下游河床產(chǎn)生持續(xù)的沖刷下切，加之壩下河段嚴(yán)重的人為采砂造成的。

3 工程后設(shè)計(jì)水位推求

在確定設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)水位后，采用2010年地形資料及2011～2016年測得水文資料，根據(jù)各灘的整治方案(前期工可階段方案，如圖2所示)，建立水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動方程，計(jì)算航道整治開挖后的水面曲線，作為工程后的設(shè)計(jì)水位。

Q=BhV

(1)

(2)

圖6 整治后沿程設(shè)計(jì)水位(85國家高程)Fig.6 Design water level after the project(National Height Datum 1985)

全程以各固定水尺為依據(jù)，選取10個(gè)計(jì)算斷面，斷面平均間距約為2.1 km，進(jìn)行整治后水面線推算，如圖6。

由圖可知，計(jì)算河段在最小通航流量1 100 m3/s下，沿程水位較工程前均有所下降，其中工程后梧洲水文站在最小通航流量1 100 m3/s下，設(shè)計(jì)水位為1.488 m，較工程前1.528 m略有下降(下降0.04 m)；水位下降幅度隨距壩下距離越近而越大，最大水位下降幅度發(fā)生在長洲壩下，下降0.795 m。

4 結(jié)論

西江梯級樞紐的相繼建設(shè)，使得壩下河段易發(fā)生清水沖刷。對應(yīng)本文所考慮的西江干線廣西段末端(長洲壩下—界首)河段，自2009年長洲樞紐運(yùn)行后，加之人為無序采砂影響，水位較2009年前水位下降明顯。通過對貴梧3 000 t級航道工程方案實(shí)施后航道水位進(jìn)行計(jì)算，工程后航道設(shè)計(jì)水位較前期有所降低，因此貴梧3 000 t級(長洲壩下—界首)河段航道設(shè)計(jì)水位應(yīng)充分考慮長洲水利樞紐運(yùn)行導(dǎo)致河床下切以及航道整治開挖為3 000 t級航道共同影響引起的枯水期水位備降值。