梯級樞紐聯(lián)合調(diào)度下通航水位的確定分析

唐繼彬 黃偉榮 胡穎 鄭景琦 汪路瑤

摘要：文章通過建立桂江航道京南樞紐至旺村樞紐長河段二維水流數(shù)學(xué)模型，基于兩樞紐調(diào)度規(guī)則和實際調(diào)度情況，分析不同水情下研究河段沿程水位特征，并確定了采用樞紐聯(lián)合運行各組水位下包絡(luò)線作為該河段的設(shè)計最低通航水位，重現(xiàn)期10年一遇的洪水位作為該河段的設(shè)計最高通航水位，為該航段整治工程提供了技術(shù)支撐。研究成果可為類似梯級樞紐聯(lián)合調(diào)度下航道設(shè)計水位的確定提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：桂江航道；樞紐；梯級；聯(lián)合調(diào)度；通航水位

中圖分類號：U641.7+3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-487（2024）04-0213-04

0 引言

航道通航水位是水域交通規(guī)劃和工程設(shè)計中的重要參數(shù)［1-2］，一般包括設(shè)計最低通航水位和設(shè)計最高通航水位［3］。其中，最低通航水位直接關(guān)系著船舶航行的通航保證率［2，4-6］，最高通航水位主要關(guān)系到通航建筑物或跨河建筑物的通過能力等［7-12］，其合理確定直接影響船舶的安全通行和水上交通系統(tǒng)的運行效率。科學(xué)且綜合地制定通航水位，可以為航道規(guī)劃和工程設(shè)計提供堅實的基礎(chǔ)，促進(jìn)水域交通的發(fā)展和優(yōu)化。

兩樞紐間航道設(shè)計通航水位的確定是航道設(shè)計的關(guān)鍵。本文的研究河段位于桂江航道京南樞紐和旺村樞紐兩梯級間。區(qū)別于受徑流控制的天然河道，研究河段沿程水位受兩樞紐聯(lián)合運行影響，具體表現(xiàn)為受到上游京南樞紐的出庫流量與下游旺村樞紐壩上運行水位共同控制，沿程水位變化復(fù)雜，水位流量關(guān)系并非單調(diào)的變化趨勢。

本文通過建立桂江京南樞紐至旺村樞紐長河段二維水流數(shù)學(xué)模型，深入剖析兩樞紐調(diào)度規(guī)則和實際調(diào)度情況，分析研究河段在不同水情下的沿程水位分布特征，并確定研究河段的沿程設(shè)計通航水位。研究成果可為本河段航道整治提供技術(shù)支撐，也為類似梯級樞紐聯(lián)合調(diào)度下航道設(shè)計通航水位的確定提供技術(shù)參考。

本文高程數(shù)據(jù)如無特殊說明為1985國家高程系統(tǒng)。

1 研究河段概況

桂江位于廣西壯族自治區(qū)東北部，作為珠江水系西江干流的主要支流之一，是西江黃金水道的重要組成部分，是溝通桂江流域桂林、賀州、梧州與西江干線的重要航運通道，也是《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要（2021—2035）》高等級航道“四縱”之一的漢—湘—桂通道的重要組成航段。目前桂江已建成巴江口、昭平、下福、金牛坪、京南和旺村共計6個梯級，基本實現(xiàn)渠化，為航道提檔升級提供了有利條件。

研究河段位于桂江京南樞紐-旺村樞紐區(qū)間，河段全長約42.3 km。桂江京南樞紐是桂江干流（平樂以下河段）的第5個梯級，位于桂江下游的蒼梧縣京南鎮(zhèn)，距梧州市68 km，以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合利用效益。京南梯級工程于1993年9月動工，1997年3月一期工程完成，1997年6月28日第一臺機組發(fā)電。桂江旺村樞紐是桂江干流（平樂以下河段）的第6個梯級，也是桂江開發(fā)的最末一個梯級電站，位于桂江下游梧州市長洲區(qū)倒水鎮(zhèn)平浪村附近，距桂江河口24.3 km，是一座以發(fā)電為主，結(jié)合航運，兼顧其他綜合利用的水電樞紐工程。旺村梯級工程于2006年12月18日正式開工建設(shè)，2011年12月31日船閘通航。

在本次桂江航道擴能升級工程中，研究河段按內(nèi)河Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。航通航保證率95%，航道尺度為3.5 m×60 m×480 m（航道設(shè)計水深×通航寬度×最小彎曲半徑）。

2 研究河段基本水情分析

2.1 水文站點水位流量關(guān)系

研究河段設(shè)有京南水文站，位于京南樞紐壩下，于1999年1月設(shè)立并開始觀測水文觀測項目。考慮旺村電站尾水影響，對水位觀測不便，于2009年1月1日起，將觀測水尺移至壩址下游3 km處。

根據(jù)京南水文站移站后2009—2020年間的水位流量關(guān)系（圖2）可以看出，研究河段來流量一般集中在0～5 000 m3/s，2009—2014年京南水文站水位流量關(guān)系未發(fā)生顯著變化，2014—2017年，旺村樞紐蓄水初期，水位逐步上升，爾后在2018—2020年水位流量關(guān)系基本未發(fā)生顯著變化。可見，表明研究河段河床總體保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)旺村樞紐投入運行后壩上水位流量關(guān)系可以看出（圖3），旺村樞紐投入運行后蓄水初期，運行水位從12.43 m逐步抬升，至2017年蓄水期末期逐步抬升至17.13 m以上；汛期提前騰庫，水位下降，＜17.13 m；遇船閘檢修時水位下降至13 m以下。

2.2 旺村樞紐運行調(diào)度情況

研究河段位于京南樞紐至旺村樞紐區(qū)間，在京南水流出庫流量一定的條件下，旺村樞紐壩上運行水位將直接影響著區(qū)間內(nèi)的沿程水位。因此主要分析旺村樞紐壩上運行水位的運行方式。

根據(jù)《旺村電站水庫調(diào)度運行規(guī)程》（Q/GGSD112.019-2017），梳理研究河段下游旺村樞紐壩上水位運行方式。

旺村樞紐壩上正常蓄水位為18.13 m，水庫水位必須嚴(yán)格控制在正常水位以下運行。在無泄洪要求時，水庫水位須高于水庫最低運行死水位17.13 m。當(dāng)來水量大于742.5 m3/s后，為減少上游回水淹沒，通過發(fā)電或開啟泄水閘提前騰庫，以降低水庫運行水位，水位逐步下降。當(dāng)來流量大于4 700 m3/s時，機組全停，水庫敞泄，河道恢復(fù)天然狀態(tài)。

旺村壩上運行水位具體見表1。

2.3 旺村樞紐實際運行調(diào)度分析

鑒于缺少旺村樞紐歷史入庫流量資料，因此根據(jù)2014—2020年京南水文站流量資料和旺村壩上運行水位分析旺村樞紐壩上實際運行情況。

旺村樞紐于2013年投入運行，2014—2017年初蓄水期庫區(qū)低水位運行，壩上運行水位在極限死水位13.65 m附近；2017年以來，除因設(shè)備檢修等原因以13 m以下低水位運行外，非汛期運行水位基本能夠維持在17.13～18.13 m。如圖4所示。

總體上看，旺村實際運行方式基本符合調(diào)度規(guī)程的運行方式。

3 設(shè)計通航水位計算分析

與天然河道不同，兩梯級間河道水位同時受上游梯級出庫流量和下游梯級壩上運行水位共同控制，沿程水位與上游來流量未必呈單調(diào)變化趨勢。因此，需要厘清梯級樞紐運行調(diào)度規(guī)則和實際運行情況，分析研究河段水位情況，采用二維水流數(shù)學(xué)模型計算推求可能出現(xiàn)的多組回水曲線［3］，方能合理確定梯級樞紐間的通航水位。

根據(jù)研究河段相關(guān)設(shè)計文件，該河段按內(nèi)河Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，航通航保證率95%。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》：Ⅲ級航道取為重現(xiàn)期20年一遇洪水位，對出現(xiàn)高于設(shè)計最高通航水位歷時很短的山區(qū)性河流，Ⅲ級航通可采用10年。

3.1 二維水流數(shù)學(xué)模型簡介

研究河段二維水流數(shù)學(xué)模型范圍上起京南樞紐壩址，下至旺村樞紐，模型全長約43.2 km，模型范圍如圖5所示。

桂江京南樞紐至旺村樞紐段模型地形采用2022年12月至2023年2月實測的1∶2 000和局部河段1∶500水下地形資料。根據(jù)京南樞紐平面布置、河道地形特征對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計算網(wǎng)格由無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成。網(wǎng)格尺寸一般在5～30 m。整個計算網(wǎng)格節(jié)點約105 362個，單元208 422個。模型上游采用流量邊界，下游采用水位邊界控制，區(qū)間內(nèi)考慮龍江支流入?yún)R。結(jié)合京南樞紐與旺村樞紐下泄流量關(guān)系，分配龍江流量。沿程河道主槽內(nèi)糙率為0.023～0.028，灘上糙率取0.028～0.040。如圖5所示。

模型采用2023年1月12日實測水文資料進(jìn)行了枯水驗證。考慮到本河段河床總體穩(wěn)定，采用2020年汛后地形及京南水文站水位對模型進(jìn)行中、洪水補充驗證，結(jié)果表明模型能夠滿足《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T232-98）要求，計算精度能夠較好地反映研究河段的沿程水位。具體驗證過程在此不一一贅述。

3.2 研究河段沿程水位變化規(guī)律

3.2.1 計算水位流量組合的確定

桂江京南樞紐至旺村樞紐段，受兩級樞紐運行調(diào)度共同影響，結(jié)合樞紐調(diào)度原則，從京南樞紐最小通航流量（95%保證率流量）～最大通航流量（十年一遇洪水流量）間選取特征流量級作為本次計算條件的組合。

（1）最小通航流量：根據(jù)桂江工可報告，京南樞紐壩下最小通航流量60 m3/s（95%保證率），結(jié)合旺村樞紐運行調(diào)度規(guī)程，旺村壩上運行水位17.63 m。基于最低通航水位的不利考慮，最小通航流量條件下下游選取非汛期正常運行死水位17.13 m。

（2）最大通航流量：10年一遇洪水流量條件下，旺村樞紐敞泄，河道恢復(fù)天然狀態(tài)。

總體上看，最小通航流量～旺村樞紐敞泄流量條件下，上游來流量逐步增加，而下游旺村樞紐運行水位逐步降低，沿程水位呈現(xiàn)出非單調(diào)變化。根據(jù)旺村樞紐運行調(diào)度規(guī)則，上游來流量大于1 600 m3/s后隨著流量的增大旺村壩上水位不斷下降，至4 700 m3/s電站停止發(fā)電，上游水位應(yīng)≥13.63 m。因此，通過在這最低、最高通航流量級之間增設(shè)多級流量，通過不同水位流量組合條件下沿程水位的上、下包絡(luò)線，以確定研究河段的最高、最低通航水位。如表2所示。

3.2.2 沿程水位分布特征

研究河段最小通航流量（95%保證率流量）～最大通航流量（十年一遇洪水流量）沿程水位計算結(jié)果如圖6所示。

最小通航流量～旺村樞紐敞泄流量4 700 m3/s之間，區(qū)別于天然河道水位與來流量的單調(diào)變化，受京南樞紐下泄流量和旺村樞紐壩上水位雙重控制的影響，研究河段上下游表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。隨著上游京南樞紐來流量的增大，河道上游水位逐步抬升，即上游水位受來流量主導(dǎo)，隨流量的增加呈單調(diào)遞增趨勢；而旺村樞紐壩上運行水位自非汛期正常運行死水位17.13 m不斷下降至汛期最低運行死水位13.63 m，下游水位逐步下降，即下游水位主要受旺村壩上運行水位影響主導(dǎo)，盡管來流量增加，但水位仍隨旺村樞紐壩上運行水位的降低而單調(diào)遞減趨勢。從圖6可以看出，上、下游水位反向變化的轉(zhuǎn)折點位于京南樞紐壩下20～30 km，且隨著上游來流量的增大逐步向下游移動，表明沿程水位受流量主導(dǎo)的范圍逐步增大。

旺村樞紐敞泄流量后（流量＞4 700 m3/s），旺村樞紐壩上水位控制取消，該河段恢復(fù)天然河道水流特性，隨著流量的增大，沿程水位總體呈上升。至2年一遇洪水流量條件以上，旺村樞紐處天然水位已超過旺村壩上正常蓄水位。

3.3 設(shè)計通航水位的確定

根據(jù)上述沿程水位的變化規(guī)律，最終確定本河段的設(shè)計通航水位。

3.3.1 設(shè)計最低通航水位

根據(jù)上一節(jié)沿程水位特征，枯水期上游水位較低，而汛期旺村樞紐提前騰庫，壩上運行水位下降，引起下游庫區(qū)水位的降低。因此本河段設(shè)計最低通航水位并非發(fā)生于同一水情條件下。采用前文各組水位的下包絡(luò)線作為本河段的設(shè)計最低通航水位。其中，0～20 km段最低通航水位對應(yīng)設(shè)計最小通航流量下水位，該段也是航槽開挖主要集中的區(qū)域，鑒于水面比降趨近于0，采取平挖方式疏浚后基本不會引起本段的枯水位降落；20～30 km段為各組回水曲線的下包絡(luò)線，該段航深條件良好；30～42.3 km段最低通航水位對應(yīng)旺村樞紐敞泄流量下水位，此時旺村樞紐壩上運行水位降至極限死水位。

3.3.2 設(shè)計最高通航水位

根據(jù)前文沿程水位特征，洪水期當(dāng)入庫流量達(dá)到2年一遇洪水流量以上時，旺村樞紐處天然水位已超過壩上正常蓄水位。因此可直接采用重現(xiàn)期10年一遇的洪水位作為該河段的設(shè)計最高通航水位，同時也是重現(xiàn)期10年一遇的洪水位與多組回水曲線的上包絡(luò)線。

4 結(jié)語

航道設(shè)計水位是航道規(guī)劃設(shè)計的重要參數(shù)。本文針對桂江京南樞紐至旺村樞紐河段Ⅲ級航道建設(shè)中通航水位的確定，采用二維水流數(shù)學(xué)模型，計算分析了梯級樞紐間受上游流量和下游水位雙控條件下沿程水位變化規(guī)律，并確定了研究河段的最低和最高通航水位。主要結(jié)論如下：

（1）2017年下游旺村樞紐運行進(jìn)入蓄水期末期，受水庫非恒定泄流影響，京南壩下枯水期水位流量關(guān)系散亂，而洪水期水位流量關(guān)系相對單一。水位流量關(guān)系年際總體穩(wěn)定，表明研究河段河床總體保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）研究河段在旺村樞紐敞泄以前，受上游京南樞紐下泄流量和下游旺村樞紐壩上運行水位共同控制，上游水位受流量主導(dǎo)，隨流量的增加呈單調(diào)遞增趨勢；下游水位主要受旺村壩上運行水位影響主導(dǎo)，盡管來流量增加，但水位仍隨旺村樞紐壩上運行水位的降低而單調(diào)遞減趨勢。旺村樞紐敞泄流量后，旺村樞紐壩上水位控制取消，該河段恢復(fù)天然河道水流特性，隨著流量的增大，沿程水位總體呈上升。

（3）結(jié)合京南和旺村樞紐調(diào)度規(guī)則，選取樞紐聯(lián)合運行各組水位的下包絡(luò)線作為該河段的設(shè)計最低通航水位，采用重現(xiàn)期10年一遇的洪水位作為該河段的設(shè)計最高通航水位，該航段整治工程提供技術(shù)支撐。

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作者簡介：唐繼彬（1974—），工程師，主要從事航道工程管理、航道養(yǎng)護(hù)、航道水文等方面工作。