淮安四線船閘最低通航水位研究

李菁，張晨鋮

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029；2.南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106）

近年來隨著水路運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，京杭運(yùn)河蘇北段的貨運(yùn)量也呈現(xiàn)上升趨勢，淮安船閘貨運(yùn)量指數(shù)連年創(chuàng)新高，由于京杭運(yùn)河蘇北段特別是淮安船閘下游在六七月份的灌溉期，經(jīng)常發(fā)生因船舶吃水不夠的問題導(dǎo)致堵?lián)?，為減輕京杭運(yùn)河蘇北段的船只擁堵現(xiàn)狀，提高淮安船閘運(yùn)量，淮安四線船閘工程進(jìn)入前期階段[1]。

GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[2]，基本站資料系列的取用應(yīng)該具有一致性，否則應(yīng)該分析其發(fā)展趨勢和變化原因后，再確定資料系列的取用年限。所以，淮安四線船閘最低通航水位的分析應(yīng)先確定資料系列，在對(duì)水文站觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)下，根據(jù)規(guī)范推薦方法計(jì)算最低通航水位，綜合工程實(shí)際情況確定最低通航水位取用。

1 工程概況

擬建淮安四線船閘位于蘇北灌溉總渠與京杭大運(yùn)河交匯處，船閘上游為蘇北灌溉總渠，船閘下游為京杭運(yùn)河。蘇北灌溉總渠具有防洪、灌溉、南水北調(diào)輸水任務(wù)及通航的綜合功能，設(shè)計(jì)灌溉流量500m3/s，行洪流量800m3/s，設(shè)計(jì)行洪水位高良澗至淮安11.45m～10.8m。京杭運(yùn)河北起北京，南至杭州，全長1797km，是國家水運(yùn)主通道。其中，京杭運(yùn)河江蘇段全長約687km，是長江三角洲地區(qū)“兩縱六橫”高等級(jí)航道網(wǎng)中的“一縱”京杭運(yùn)河的重要航段，也是《江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃》（2017-2035 年）中“縱一”京杭運(yùn)河通道的重要組成部分。現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅱ級(jí)，具有航道等級(jí)高、通航貨流密度大、生態(tài)環(huán)保要求高等特點(diǎn)。

船閘周邊分布有運(yùn)東閘、淮安引江閘、沙莊引江閘等水利工程。運(yùn)東閘共7 孔，每孔凈高5.5m，凈寬9.2m，設(shè)計(jì)流量800m3/s，主要用于控制運(yùn)東閘上80 萬畝和閘下120 萬畝自流灌區(qū)的灌溉水位和水量、泄洪800m3/s入海。淮安引江閘共4 孔，每孔凈高3.9m，凈寬8.0m，主要用于供運(yùn)東閘下游總渠沿線淮安部分地區(qū)及鹽城地區(qū)170 萬畝糧田的灌溉任務(wù)。沙莊引江閘共6 孔，每孔凈高3.9m，凈寬6.0m，主要用于從里運(yùn)河引江水180 m3/s 經(jīng)淮安站抽提入灌溉總渠，供工農(nóng)業(yè)和航運(yùn)用水。

2 水位站資料系列分析

擬建淮安四線船閘上下游均設(shè)有水文站，運(yùn)東閘（閘上游）水位站代表船閘閘上水位，距離淮安四線船閘上游約1.8km，淮安大引江閘（閘上游）水位站代表船閘閘下水位，距離淮安四線船閘下游約0.7km。兩個(gè)水位站均為流域或地區(qū)控制作用的基本站網(wǎng)，皆由國家水文部門設(shè)立。運(yùn)東閘（閘上游）水位站的水位觀測資料系列為1954 年～2019 年，淮安大引江閘（閘上游）水位站的水位觀測資料系列為1984 年～2019 年。

2.1 年特征值統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)運(yùn)東閘（閘上游）、淮安大引江閘（閘上游）水位站觀測系列的年最高水位、年最低水位、年平均水位統(tǒng)計(jì)見表1，并繪制觀測系列以來逐年最高、最低水位變化過程圖見圖1、圖2。

圖1 運(yùn)東閘（閘上游）年最高、最低水位變化過程

圖2 淮安大引江閘（閘上游）年最高、最低水位變化過程

表1 水文站年最高、最低水位表

運(yùn)東閘（閘上游）多年最高水位值為10.18m，發(fā)生時(shí)間在1961 年，多年最低水位值為6.47m，發(fā)生時(shí)間在1955 年。根據(jù)最高、最低水位變化過程圖，年最高水位在1975 年前呈緩慢下降，在1975 年后趨于平穩(wěn)在9.6m 左右；年最低水位在1970 年之前除個(gè)別枯水年基本呈上升趨勢，在1970 年后穩(wěn)步抬升，2000 年后趨于平穩(wěn)在8.8m 左右。

淮安大引江閘（閘上游）多年最高水位值為7.91m，發(fā)生時(shí)間在1990 年，多年最低水位值為3.88m，發(fā)生時(shí)間在1985 年。根據(jù)最高、最低水位變化過程圖，年最高水位趨勢性不明顯，年最低水位呈緩慢上升，基本在4.5m～5.5m。

2.2 一致性分析

依據(jù)規(guī)范[2]，基本站資料系列的取用應(yīng)該具有一致性。根據(jù)前文最高、最低水位變化過程，水文站觀測資料存在趨勢性，需在水文資料一致性分析的基礎(chǔ)上[3-4]確定合適的系列長度。本文選取運(yùn)東閘（閘上游）、淮安大引江閘（閘上游）水位站2000 年～2019 年、1990 年～2019 年兩個(gè)系列作趨勢性分析。采用Mann-Kendall 法[5]（簡稱M-K 檢驗(yàn)）對(duì)各站年最高、年最低水位進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)。

Mann-Kendall 檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法，原假設(shè)0：序列無趨勢性變化，對(duì)于樣本容量為n 的時(shí)間序列x1，x2，…，xn，構(gòu)造如下統(tǒng)計(jì)量：

當(dāng)n ≥10 時(shí)，統(tǒng)計(jì)量近似服從正太分布，其標(biāo)準(zhǔn)化后的統(tǒng)計(jì)量由下式計(jì)算：

在置信度α 給定的情況下，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得到。如果，即拒絕原假設(shè)，認(rèn)為序列存在趨勢變化；否則，接受序列無趨勢變化的原假設(shè)。

取顯著性水平α=0.05，M-K 檢驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

表3 水位趨勢檢驗(yàn)結(jié)果（2000 年～2019 年）

從M-K 檢驗(yàn)方法的結(jié)果來看，2000 年～2019 年數(shù)據(jù)系列比1990 年～2019 年數(shù)據(jù)系列的一致性更好。運(yùn)東閘（閘上游）、淮安大引江閘（閘上游）2000年～2019年數(shù)據(jù)系列小于顯著性水平α=0.05 對(duì)應(yīng)的臨界值，趨勢性不顯著。運(yùn)東閘（閘上游）、淮安大引江閘（閘上游）1990 年～2019 年年最高水位數(shù)據(jù)系列大于顯著性水平α=0.05 對(duì)應(yīng)的臨界值，趨勢性顯著；淮安大引江閘（閘上游）1990 年～2019 年年最低水位數(shù)據(jù)系列大于顯著性水平α=0.05 對(duì)應(yīng)的臨界值，趨勢性顯著，淮安大引江閘（閘上游）1990 年～2019 年年最高水位數(shù)據(jù)系列小于顯著性水平α=0.05 對(duì)應(yīng)的臨界值，趨勢性不顯著。

3 最低通航水位分析

3.1 最低通航水位計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[2]，不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設(shè)計(jì)最低通航水位應(yīng)采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算確定。在滿足水文資料一致性的基礎(chǔ)上，采用基本站2000 年～2019 年水位資料觀測系列，運(yùn)東閘（閘上游）98%保證率水位為8.86m，淮安大引江閘（閘上游）98%保證率水位為5.21m。

3.2 最低通航水位取值合理性分析

已建成的淮安一、二、三號(hào)船閘的閘上最低通航水位為8.33m，低于運(yùn)東閘（閘上游）98%保證率水位8.86m，考慮到與已建工程的銜接并為最低通航水位留有余地，閘上最低通航水位取8.33m。已建成的淮安一、二、三號(hào)船閘的閘下最低通航水位為6.63m，高于淮安大引江閘（閘上游）98%保證率水位為5.21m，閘下最低通航水位取5.21m 以滿足通航保證率要求。

根據(jù)基本站逐日水位資料，統(tǒng)計(jì)逐年小于最低通航水位的天數(shù)，了解河道實(shí)際水位情況，為通航水位保證率的情況提供參考。根據(jù)運(yùn)東閘（閘上游）2000 年～2019年逐日平均水位，每年逐日平均水位小于閘上最低通航水位8.33m 的統(tǒng)計(jì)天數(shù)為零，可見經(jīng)過周邊水利工程調(diào)度作用，閘上年最低水位均高于8.33m。

根據(jù)淮安大引江閘（閘上游）2000 年～2019 年逐日平均水位，每年逐日平均水位小于閘上最低通航水位5.21m 的統(tǒng)計(jì)天數(shù)基本在10 天以下，在2001 年統(tǒng)計(jì)天數(shù)為近20 年來最多，達(dá)到46 天，而2012 年之后18 年每年統(tǒng)計(jì)天數(shù)基本在10 天以下，可以滿足航道的通航保證率要求，閘下最低通航水位取5.21m 基本合理。

4 結(jié)語

淮安四線船閘最低通航水位的分析先確定資料系列，在對(duì)水文站觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)下，根據(jù)規(guī)范推薦方法計(jì)算最低通航水位，綜合工程實(shí)際情況確定最低通航水位取用。

本文對(duì)船閘上下游基本站的最高、最低水位變化情況進(jìn)行了分析，由分析結(jié)果可知，水文站觀測資料存在趨勢性，需在水文資料一致性分析的基礎(chǔ)上確定合適的系列長度。采用M-K 檢驗(yàn)對(duì)各站年最高、年最低水位進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，2000 年～2019 年數(shù)據(jù)系列比1990年～2019 年數(shù)據(jù)系列的一致性更好。

基于2000 年～2019 年水位資料觀測系列采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算，并結(jié)合周邊水道航道整治工程建設(shè)、相關(guān)規(guī)范要求，閘上最低通航水位取8.33m，閘下最低通航水位取5.21m。上述兩個(gè)基本站設(shè)計(jì)最低通航水位的分析結(jié)果，可作為該河段船閘建設(shè)的參考。