徐錫榮,白金霞,陳界仁,何建華

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.珠江航務(wù)管理局,廣東 廣州 510110)

在航道工程建設(shè)中,航道設(shè)計(jì)通航水位是重要的考慮參數(shù)。設(shè)計(jì)通航水位包括設(shè)計(jì)最低通航水位和設(shè)計(jì)最高通航水位。前者是確定枯水期航道通航標(biāo)準(zhǔn)水深的起算水位,后者是確定跨河建筑物底部最低點(diǎn)凈空高度的起算水位和確定通航建筑物標(biāo)高的依據(jù)[1]。對(duì)于主要受徑流影響的天然河流,其設(shè)計(jì)通航水位一般可按現(xiàn)行 JTJ214—2000《內(nèi)河航道與港口水文規(guī)范》和 GBJ50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定確定[2-3]。沿海地區(qū)主要受海洋潮汐和氣象因素的影響,其設(shè)計(jì)通航水位一般按照現(xiàn)行的JTJ213—1998《海港水文規(guī)范》和 JTJ311—1997《通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定確定[4-5]。但是,對(duì)于人類活動(dòng)影響明顯的河道,設(shè)計(jì)通航水位不僅受徑流影響,而且還受人類活動(dòng)影響,其河段航道條件具有其特殊性。因此,在確定其設(shè)計(jì)通航水位時(shí),一方面依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定,另一方面還應(yīng)結(jié)合河段水文及人類活動(dòng)影響特性,具體問題具體分析。筆者以樞紐調(diào)節(jié)影響較明顯的韓江干流河段航道設(shè)計(jì)通航水位為研究對(duì)象,在河段水流條件分析的基礎(chǔ)上,依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定,對(duì)航道設(shè)計(jì)中的最低通航水位進(jìn)行分析。

1 河道現(xiàn)狀條件

韓江為廣東省第二大河流,由梅江和汀江匯合而成(圖1),是粵東地區(qū)最主要的水上運(yùn)輸通道。韓江干流從三河壩到潮州市全長106.5km,河段設(shè)有三河壩、留隍和潮安3個(gè)水文(位)站。從20世紀(jì)90年代開始,隨著流域綜合整治開發(fā)的展開,韓江上游梅江、汀江分別建成了蓬辣灘和青溪等水電站。由于蓬辣灘和青溪等水電站均為日調(diào)節(jié)徑流式水電站,在實(shí)際運(yùn)行過程中,水電站對(duì)下游韓江干流航道無基流保證。同時(shí),由于枯水期梅江和汀江絕大部分時(shí)間來水量小于水電站單機(jī)發(fā)電流量,水電站運(yùn)行只能將來水先蓄留在水庫中,待蓄留一定庫容后才發(fā)電。因此,水電站每天可能存在有部分時(shí)間不發(fā)電致使下游韓江干流航道無基流保證。另一方面,20世紀(jì)80年代末以來隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,韓江下游潮州河段、汕頭河段出現(xiàn)了人為在河床中大量采沙的活動(dòng),過量采沙造成潮州河段河床嚴(yán)重下切。

圖1 韓江流域示意圖

2 設(shè)計(jì)最低通航水位分析

2.1 設(shè)計(jì)通航水位存在的問題

依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定[6],對(duì)干流河段的三河壩、留隍和潮安 3個(gè)水文站分別選用綜合歷時(shí)曲線法和保證率頻率法進(jìn)行設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算。綜合歷時(shí)曲線法和保證率頻率法采用的保證率均為90%,2種方法均以日平均水位作為計(jì)算系列。為便于分析比較,計(jì)算分別采用 1970—2006年、1981—2006年、1994—2004年、1994—2006年等系列(表 1)。

表1 不同系列設(shè)計(jì)最低通航水位結(jié)果 m

計(jì)算結(jié)果表明:①相同系列采用不同的計(jì)算方法,其結(jié)果存在差異,綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算的結(jié)果均低于保證率頻率法計(jì)算的結(jié)果。這一差異有悖于一般采用這2種計(jì)算方法所得結(jié)果,即綜合歷時(shí)曲線法的計(jì)算結(jié)果一般要高于保證率頻率法的計(jì)算結(jié)果。②對(duì)于三河壩和留隍2個(gè)水文站,采用綜合歷時(shí)曲線法和保證率頻率法所得設(shè)計(jì)水位相差不大。但從航道維護(hù)部門反映的情況看,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際維護(hù)不太一致,上述設(shè)計(jì)最低通航水位偏高。③從不同系列計(jì)算的結(jié)果看,潮安站的設(shè)計(jì)最低通航水位存在明顯差異,且隨著統(tǒng)計(jì)系列年接近近期,同一種計(jì)算方法所得設(shè)計(jì)最低通航水位不斷降低。

2.2 設(shè)計(jì)最低通航水位影響因素

2.2.1 不穩(wěn)定流影響因素分析

天然河流的水流條件在沒有外來因素影響下總是遵循自身規(guī)律漲落變化,如枯水期和枯洪過渡期水位是穩(wěn)定回升或降落,尤其在枯季水流穩(wěn)定,水位變化很小。依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定確定設(shè)計(jì)最低通航水位。然而,韓江受梅江、汀江的蓬辣灘水電站和青溪水電站的調(diào)節(jié)影響。由于蓬辣灘水電站和青溪水電站均為日調(diào)節(jié)徑流式水電站,一方面水電站擔(dān)任調(diào)峰發(fā)電任務(wù),機(jī)組運(yùn)行時(shí)間不確定;另一方面,水電站為了提高經(jīng)濟(jì)效益,大多選擇長時(shí)間蓄水、集中發(fā)電運(yùn)行。因此,枯水期在水電站發(fā)電時(shí),下游河道才有流量保證,不發(fā)電時(shí)就沒有流量保證,同時(shí)也造成下游韓江干流的流量時(shí)大時(shí)小,水位陡漲陡落,產(chǎn)生所謂的不穩(wěn)定流(圖2)。不穩(wěn)定流的日內(nèi)變化受調(diào)峰發(fā)電影響,使河道水位陡漲陡落,水位日內(nèi)變幅大,與天然河流的水流條件有很大差異[7]。韓江原型實(shí)測(cè)資料(表2)顯示,中枯水期三河壩站水位日內(nèi)變幅達(dá)1.95m,留隍站水位日內(nèi)變幅為0.82m。由于不穩(wěn)定流傳播沿程呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),所以潮安站受不穩(wěn)定流影響較小。

圖2 3個(gè)水文站實(shí)測(cè)水位過程

表2 水位特征值統(tǒng)計(jì) m

2.2.2 河床下切影響因素分析

河流在天然情況下,由于長期的水沙條件作用,河床沖淤交替,相對(duì)平衡。在河床中人為大量采沙造成河段河床下切[8]。從潮安站不同年份水位～流量(H～Q)曲線(圖 3)可以看出,該站1990年以前H～Q關(guān)系比較穩(wěn)定,1970年,1980年,1990年3條H～Q曲線比較接近,且個(gè)別部位還出現(xiàn)了重疊的現(xiàn)象,但1990年以后,H～Q曲線都出現(xiàn)了大幅度下移。同一流量對(duì)應(yīng)的水位都有明顯的下降。統(tǒng)計(jì)表明,1995年的H～Q曲線比1990年的平均下降了0.56m,2000年的H～Q曲線比1990年的平均下降了1.52m,2004年的H～Q曲線比2000年的平均下降了0.56m。究其原因主要是人為大量采沙引起河床嚴(yán)重下切以及相同流量條件下的水位降低。依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算,以日平均水位作為計(jì)算系列,造成計(jì)算結(jié)果隨著統(tǒng)計(jì)系列年接近近期,所得設(shè)計(jì)最低通航水位不斷降低。

圖3 潮安站中枯季 H～Q關(guān)系曲線

3 設(shè)計(jì)最低通航水位修正

3.1 不穩(wěn)定流對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的影響

根據(jù)資料調(diào)查,枯水期航行于不穩(wěn)定流河道中的船舶,駕駛?cè)藛T為提高船舶載重率,一般選擇候水通航方式,即利用峰流,避開低谷的行船方案。因此,對(duì)于受不穩(wěn)定流影響的三河壩站、留隍站,枯水期日最低水位是一個(gè)重要參數(shù)。采用日最低水位累積頻率法(P=90%)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算,枯水期日最低水位資料選用上游青溪及蓬辣灘水電站建成正常運(yùn)行后的2002—2006年系列,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)最低通航水位結(jié)果 m

從計(jì)算結(jié)果看,相同系列采用累積頻率法得到的日最低水位比采用綜合歷時(shí)曲線法得到的日最低水位低。其中,三河壩站低0.46m,留隍站低0.19m?；谌站慌c最低水位有上述差別,且韓江運(yùn)輸主要是在水電站調(diào)峰發(fā)電的狀態(tài)下開展,因此日最低水位應(yīng)作為衡量航道水深的重要參數(shù)。經(jīng)上述分析,最低水位累積頻率法與綜合歷時(shí)曲線法之差即可認(rèn)為是水電站調(diào)峰對(duì)水位的影響。

3.2 河床下切對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的影響

航道整治中常用的設(shè)計(jì)最低通航水位是設(shè)計(jì)最小流量的相應(yīng)水位,并以此來衡量航道尺度[9-10]。但由于設(shè)計(jì)最小流量資料不易為人們直接獲得,而水位則只要觀讀水尺就能很容易知道,因此,航道工作者一般是以設(shè)計(jì)最低通航水位來衡量航道的尺度。潮安河段由于大規(guī)模采沙,使河床過水?dāng)嗝嫘螤罴俺叨劝l(fā)生了較大的變化,引起了相同流量條件下水位逐年下降,使規(guī)范中以水位系列為基礎(chǔ)資料的計(jì)算所得結(jié)果不符合實(shí)際情況。但依據(jù)規(guī)范[6-10],設(shè)計(jì)最低通航水位是設(shè)計(jì)最小流量相應(yīng)的水位。從定義上來看,設(shè)計(jì)最低通航水位是以流量為基礎(chǔ)的,只要上游來水情況不變,流量基本不會(huì)隨河床的下切而發(fā)生大的變化。因此,筆者以流量系列為基礎(chǔ),首先確定設(shè)計(jì)最小通航流量,然后依據(jù)近期水位～流量關(guān)系曲線確定設(shè)計(jì)最低通航水位。

3.3 設(shè)計(jì)最低通航水位的確定

綜上分析,三河壩站設(shè)計(jì)最低通航水位采用綜合歷時(shí)曲線法與累計(jì)頻率法計(jì)算結(jié)果的平均值(取1994—2006年系列),考慮其受不穩(wěn)定流影響,不穩(wěn)定流影響值可采用 0.46m。同樣,留隍站的設(shè)計(jì)最低通航水位采用綜合歷時(shí)曲線法與累計(jì)頻率法計(jì)算結(jié)果的平均值(取1994—2006年系列),另外應(yīng)考慮不穩(wěn)定流的影響值0.16m。潮安站由于受不穩(wěn)定流影響程度較小,其水位下降主要為人為挖沙影響。因此,潮安站設(shè)計(jì)最低通航水位的確定采用流量保證率～頻率法,即先確定設(shè)計(jì)流量,然后由設(shè)計(jì)流量依據(jù)水位～流量關(guān)系曲線查得水位,以該水位作為設(shè)計(jì)最低通航水位[11-12]。本文計(jì)算資料系列采用與上述相同系列(即1994—2006年系列),以計(jì)算流量225.1m3/s作為設(shè)計(jì)流量,然后由設(shè)計(jì)流量在該站的水位～流量關(guān)系曲線上查得該站的設(shè)計(jì)最低通航水位為3.65m。

根據(jù)以上計(jì)算分析,結(jié)合韓江干流河段不穩(wěn)定流、人為采沙的影響,確定各水文站設(shè)計(jì)最低通航水位:三河壩站設(shè)計(jì)最低通航水位為33.69m,留隍站設(shè)計(jì)最低通航水位為14.18m,潮安站設(shè)計(jì)最低通航水位為3.65m。

4 結(jié) 語

隨著社會(huì)的發(fā)展,河流資源不斷得到開發(fā)。在河流資源開發(fā)的同時(shí),人類活動(dòng)對(duì)河道水文特性的影響也越來越大。河道水文特性的變化直接影響航道尺度的改變。在深入分析依據(jù)規(guī)范方法計(jì)算的韓江設(shè)計(jì)最低通航水位的基礎(chǔ)上,針對(duì)不穩(wěn)定流的影響及人為采砂、河床大幅度下切等河道特性的變化,對(duì)干流水文站的設(shè)計(jì)最低通航水位進(jìn)行深入分析,得出了較符合實(shí)際的韓江干流三河壩、留隍和潮安站的設(shè)計(jì)最低通航水位,其成果可為韓江及類似航道設(shè)計(jì)提供參考。

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