基于梯級開發的賀江下游航道尺度提升潛力研究

秦 杰，吳 騰

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098; 2.港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，南京 210024)

賀江位于廣東和廣西境內，流域面積11 536 km2，是通往珠江三角洲的水上便捷通道。賀江廣東段自白沙至江口長115 km，在很長一段時間內均為沿江貨物運輸的主要通道，在該河段內先后修建了10余座水利樞紐以提高通航條件。限于當時的經濟條件和施工水平，各樞紐的通航設施等級較低。隨著河道的淤積發展，賀江下游局部航道水深較小，限制了航道的通過能力。目前該段航道按水深0.6 m、航寬15 m、彎曲半徑115 m的標準維護，通航保證率95%，僅通航50 t級船舶。近年來，隨著經濟的快速發展，該河段水運能力的提升成為各方面關注的重點。因此，有必要開展賀江下游通航條件的研究，分析提高通過能力的可行性，以適應現今經濟發展的需求，為賀江流域及廣東、廣西兩省經濟發展提供大運量、低成本的水運交通通道。

賀江具有典型山區性河道的特性，航道受地質構造、地形、地貌等因素影響較大，常具有比降大、流速快等特點，出現灘險的類型也十分復雜，主要包括：因達不到航道尺度要求而成為礙航淺灘；因流急坡陡，航船上行困難表現為急流灘；因河道太彎或者存在嚴重的橫流、滑梁水等礙航流態，致使航行十分危險而成為險灘[1]。開展急流灘險的水力特性、船舶上灘的動水特性、彎曲型汊道急流灘的研究，對提高山區航道整治的技術，促進我國航運事業的發展有重要的理論和實踐意義。針對山區河流通航的關鍵問題，有學者采用數學模型研究局部河段流速的變化規律[2-3]；也有學者通過物理模型試驗，概化急灘流、遙控自航船模上灘試驗，研究了山區河流急流灘險的水力特性及整治的相關技術問題[4-6]。另一方面，為了緩解山區河流的通航困難，許多山區河流修建了梯級電站或水庫，較大增加了通航水深。隨著經濟的發展，航道貨運量逐年增加，航道等級的提升也成為梯級航道的重點。對于航道等級的提升必須要因勢利導，相機實施整治工程，包括守護現有底坡邊灘[7]、穩定改善汊道[8]、塞支強干[9]、增建潛壩、丁壩、加高河心磧壩等整治措施[10-11]。文獻[12]應用理論方法分析研究了水電站回水長度隨流量的變化規律，然后應用水動力學模型對水庫回水長度進行了數值計算，一方面驗證理論分析結果，另一方面探討河道底坡變化對回水長度的影響，并就回水末端判別標準、回水長度及其變化規律的影響進行了深入討論，研究成果具有較好的參考意義。由于賀江的山區河流特征以及梯級水庫特征，上述研究成果應用于賀江還有一定局限性。因此，本文采用一維河網數學模型對賀江下游梯級航道通航條件進行了研究，分析梯級水庫運用條件下賀江梯級航道的通航狀況，為航道整治提供參考。

1 研究方法

1.1 基本方程[13]

本研究采用一維河網數學模型模擬賀江在不同通航等級條件下的航道特征。

水流連續方程

(1)

水流運動方程

(2)

式中：X為流程，m；t為時間，s；A為斷面過水面積；Q為流量，m3/s；ql為旁側入流量，m3/s ，負值表示流入；Zs為水位，m；Sf為水力坡度；α1為動量修正系數，可取1。

1.2 模型的驗證

一維河網數學模型從白沙到江口共115 km，計算范圍如圖1所示，采用2009年實測地形圖，模型計算共劃分229個斷面，斷面間距約500 m，時間步長3 min。計算邊界條件為上游給定流量，下游給定水位。賀江下游是四座樞紐控制的人工調節河段，從上至下分別為：文華電站、都平電站、白垢電站和江口電站。其中，文華電站不進行人工調節，壩體為滾水壩。

圖1 白沙至江口模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model from Baisha to Jiangkou

采用2012年1月10日實測的水位數據進行驗證。圖2為數學模型的驗證結果，圖中模型計算的任意時刻水位數值與原型實測水位誤差均在5 cm之內，驗證結果較好，該數學模型可以用于賀江的研究。

2-a 白沙至都平河段驗證2-b 都平至白垢河段驗證2-c 白垢至江口河段驗證圖2 數學模型驗證>Fig.2 Validation of the numerical model

2 賀江下游航道參數

2.1 最低通航水位

賀江下游文華-都平、都平-白垢、白垢-江口水利樞紐間基本上實現了全線渠化，僅江口水利樞紐以下河段呈天然河流屬性?，F狀條件下，白沙斷面最低通航水位34.64 m；文華電站壩上最低通航水位34.60 m，壩下32.00 m；都平電站壩上最低通航水位31.95 m，壩下23.70 m；白垢電站壩上最低通航水位23.20 m，壩下14.80 m；江口電站壩上最低通航水位11.80 m，壩下2.36 m，高程均為珠江基面。

2.2 賀江航道標準及航道尺度

依據《珠江干線貨運船舶船型主尺度系列》，賀江不同航道等級的航道尺寸如表1所示[8]。

表1 賀江不同航道等級尺寸[8]Tab.1 Requirements of different navigation levels in the Hejiang River m

3 樞紐運用時壩下水位分析

根據賀江廣東段四個樞紐三級控制的實際情況，按照賀江現行的樞紐運行調度方式，研究了賀江沿程樞紐的現狀水位問題。表2為不同樞紐控制條件以及在該控制條件下上游的水位。采用一維數學模型對幾種典型的工況進行計算，根據計算結果繪制賀江下游沿程最低水面線，如圖3所示。當沿程設計水位低于最低水位時(圖3)，則表明梯級樞紐下游水位滿足設計要求；當設計水位高于最低水位時，則需要對航道進行整治。計算結果表明：現狀條件下文華至江口河段樞紐壩下水位大于設計最低通航水位，能滿足通航要求。其中，文華樞紐壩下設計最低水位為32.5～34.1 m，實際運用過程中壩下水位為34.1～34.84 m；都平壩下設計最低水位為23.0～23.95 m，實際運用過程中水位為23.95～26.66 m；白垢壩下設計最低水位為11.8～14.5 m，實際運用水位為14.5～16.3 m。

表2 水電站調度下沿程水位變化Tab.2 Variation of water level along channel under the influence of reservoir operation

4 賀江下游航道尺度提升潛力研究

4.1 平均水深變化趨勢

將賀江廣東段沿程劃分為229個斷面，取斷面間距約500 m，統計各個斷面在現狀最低通航水位下的平均水深，水深如圖4所示。由圖可知，賀江沿程斷面平均水深在樞紐上游均有增大，樞紐下游平均水深有所減小，表明在樞紐上游由于大壩的攔截，水位抬升，水深增加，航道尺度條件較好，樞紐下游航道水深有所減小。

圖3 計算的沿程最低水位 圖4 設計低水位下沿程水深Fig.3 The lowest water level along channel Fig.4 Water depth along channel under design water level

4.2 不同等級航道水深對應的河寬變化

圖5為滿足不同等級航道水深時對應的河寬，表3為賀江白沙至江口河段分段通航尺度狀況。由統計結果可知，賀江白垢至江口樞紐河段通航尺度條件最好，全段可達四級航道通航標準，達到三級航道等級標準的斷面數占白垢至江口河段里程的98%。上游白沙至文華樞紐河段，在現有條件下通航尺度條件相對較好，全段可達五級航道通航標準，達到三級航道等級標準的斷面數可占白沙至文華河段里程的75%。賀江文華至都平樞紐和都平至白垢樞紐河段目前通航尺度條件較差，全段航道尺度僅基本達到六級航道通航標準，達到三級航道等級標準的斷面數分別占相應河段里程的75%和81%，并且在文華樞紐下游通航寬度較小，僅能滿足六級航道要求，需要通過治理才能提高航道等級。江口樞紐與西江的連接河口段，由于與西江銜接，處于河口入匯區域，受西江水位變化控制，該區域水深和河寬條件較差，目前按六級航道標準能滿足要求，通過整治措施提高到五級航道標準相對較易，但通過整治提高到四級航道標準的難度較大。賀江下游航道(廣東境內)低于五級航道標準的礙航淺灘長度約2.5 km，全線通過整治提高到五級航道尺度標準相對較易；小于和等于五級航道尺度標準的斷面數占全河段統計數的8.3%，低于四級航道標準的礙航淺灘長度約9.0 km，通過整治工程手段可以全線提高達到四級航道尺度標準；若將賀江航道全線提高到三級航道標準，小于和等于四級航道尺度標準的斷面數占全河段統計數的18.8%，低于三級航道標準的礙航淺灘長度約20.6 km，需要徹底整治江口樞紐至西江河口段及文華至白垢樞紐河段，整治難度較大。

表3 賀江白沙至江口河段分段通航尺度狀況Tab.3 Navigation conditions of each section from Baisha to Jiangkou in the Hejiang River

5-a 六級航道水深對應的河寬5-b 五級航道水深對應的河寬

5-c 四級航道水深對應的河寬5-d 三級航道水深對應的河寬圖5 不同等級航道滿足水深條件下的河寬Fig.5 River width along channel under different navigation levels

4.3 梯級航道相對寬度與相對水深關系

根據賀江航道擬提升的不同航道等級標準要求，在設計水位條件下統計賀江下游沿程229個斷面的平均水深和水面寬度。計算斷面平均水深h與不同等級航道要求標準水深H之比，以及設計水位條件下水面寬度b與航道寬度B之比，建立兩者的相關關系，如圖6～圖9所示。結果表明，航道的相對水深隨著相對寬度增大而減小，當相對寬度b/B≥2時，相對水深h/H關系趨向于穩定?？梢猿醪脚袛?，在設計水位條件下，當賀江航道寬度小于水面寬度的一半以上時，該河段基本可獲得相應等級航道所要求的設計水深。當賀江航道局部河流斷面出現不滿足上述相應關系時，則有可能出現相應局部礙航淺灘，需要采取相應工程措施進行整治，以達到相應的航道要求水深。

圖6 六級航道相對寬度與相對水深關系圖 圖7 五級航道相對寬度與相對水深關系圖Fig.6 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the sixth-level channel Fig.7 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the fifth-level channel

圖8 四級航道相對寬度與相對水深關系圖 圖9 三級航道相對寬度與相對水深關系圖Fig.8 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the fourth-level channel Fig.9 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the third-level channel

4.4 賀江下游航道尺度提升措施

根據數模計算結果，賀江廣東段航道在現有樞紐運行調度情況下，白垢至江口樞紐河段航道尺度最好，水深能滿足四級航道標準，白沙至文華段水深能滿足五級航道標準，全線低于四級航道標準的礙航淺灘長度約9.0 km?？刹捎脙煞N方法提升航道尺度：(1)針對典型礙航淺灘進行維護疏浚，疏浚區域包括：文化樞紐下游、都平樞紐下游和江口樞紐下游；(2)通過梯級樞紐的調度實現水位的抬升。如：通過抬高都平樞紐、白垢樞紐的最低通航水位實現文華樞紐、都平樞紐下游水深的增加，通過增大江口樞紐的下泄流量，提高下游的水深。

5 結論

通過數學模型對賀江下游梯級航道的通航條件進行了分析，研究結果表明：

(1)賀江下游航道沿程最低水位受梯級樞紐的運用影響明顯，在目前運用模式和設計最低水位條件下，賀江下游六級航道能全線通航。

(2)賀江下游沿程平均水深變化規律為：在樞紐上游較大，樞紐下游平均水深有所減小?，F狀條件下，賀江下游賀江白垢至江口樞紐河段通航尺度條件最好，可達四級航道通航標準，其余河段通航條件較差，只能滿足六級航道標準。

(3)按照現階段設計水位，賀江下游滿足五級航道標準的礙航淺灘長度為2.5 km，滿足四級航道標準的礙航淺灘長度為9.0 km，滿足三級航道標準的礙航淺灘長度為20.6 km。可通過航道疏浚和梯級樞紐聯合調度提升航道尺度等級。