微山三線船閘閘室尺度調整對水資源的節約作用研究

曹先樹 扶清成 王向東

一、區域航道建設現狀

京杭運河作為國家南北水運主通道和綜合運輸體系的重要組成部分，是《全國內河航道與港口布局規劃》確定的“兩橫一縱兩網十八線”高等級航道規劃中唯一縱向高等級航道，也是山東省內河航道總體規劃“一干多支”格局的核心。京杭運河山東段微山至臺兒莊段現為Ⅲ級航道標準（目前正在開展Ⅱ級航道建設工作），設有四個通航梯級，自上而下依次為：微山船閘、韓莊船閘、萬年閘船閘及臺兒莊船閘，建有微山一線及二線、韓莊一線、萬年閘一線、臺兒莊一線及復線共6 座船閘，船閘閘室有效尺度均采用230m×23m×5m。

二、工程概況

隨著京杭運河航道條件的逐步完善及規模經濟的內在驅動，近年來，京杭運河山東段船舶大型化發展迅速，尤其是千噸級以上船舶增速明顯，單艘船舶平均載量已由2000年的133t 增長至2014年的902t，最大單船載量已接近3000t。隨著京杭運河航道升級改造工程的實施，未來船舶將加速大型化發展，這對船閘的閘室尺度規模提出了新的要求，因此，新建的微山三線船閘閘室有效尺度采用280m×34m×5m，最大設計船型為1+2×2000t 頂推船隊。

三、不同閘室尺度的通過能力

計算船閘采用280m×34m 和230m×23m 兩種閘室尺度的通過能力。

1.一次過閘船舶平均載重噸位G

根據過閘船型艘次比例及尺度，采用計算機仿真的方法，構建船舶過閘排擋模型，在全部船型隨機通過情況下，對船舶過閘進行排擋。采用280m×34m 的閘室尺度，最大可允許2 艘2000t級 貨 船、或2 艘2000～3000t 級 駁 船、以 及2 艘100TEU 集裝箱船并排進入閘室。采用230m×23m的閘室尺度，最大可允許2 艘型寬為11m 的1000t級貨船、或2 艘1000t 級駁船并排進入閘室以及縱向停靠3 艘15.8m 寬的船舶。

2.一次過閘時間T

一次過閘時間包含閘門開啟時間t1、進閘時間t2（t2′）、閘室灌泄水時間t3、出閘時間t4（t4′）、船隊進閘或出閘間隔時間t5，單向一次過閘時間T1=4t1+t2+2t3+t4+2t5，雙向一次過閘時間T2=4t1+2t2′+2t3+2t4′+4t5。一次過閘時間根據單向過閘和雙向過閘的閘次比率確定，微山船閘雙向過閘比例占80%左右，T= 0.2×T1+0.8×（T2/2）。計算兩種閘室尺度的一次過閘時間：T280×34=54.84 min、T230×23=47.06 min。

3.日平均過閘次數n

微山二級壩水利航運樞紐船舶通過量大，船閘在飽和狀態下運行，開閘次數頻繁，考慮每天三班制，扣除交接班等時間，取τ=23 h，計算兩種閘室尺度的日平均過閘次數：n280×34=τ×60/T=23×60/54.84=25.2 次，n230×23=τ×60/T=23×60/47.06=29.3 次。

4.年通航天數N

年通航天數為全年日歷天數減去停航天數，停航因素主要包括檢修、事故、洪枯水及氣象影響等。結合已建船閘實際通航情況，船閘年通航總天數按338 天計算。

5.船舶裝載系數α 和運量不均衡系數β

船舶裝載系數與貨物種類、流向和批量有關。京杭運河貨運量下行基本滿載甚至超載，貨種以煤炭、礦建材料為主，考慮近年來除煤炭、礦建材外，其他貨種的比例在不斷上升，取α=0.9。根據資料統計，取β=1.2。

計算兩種閘室尺度的通過能力，計算結果見表2。

采用280m×34m 閘室尺度，設計水平年隨機通過全部船型時，船閘年單向通過能力為3650 萬t；采用230m×23m 閘室尺度，設計水平年船閘年單向通過能力為2124 萬t。

四、一次過閘用水量計算

1.計算公式

船閘每下行、上行一個過程就向下游下泄一定的水量，該下泄的水量即為一次過閘用水量。

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一次過閘用水量V 按照下式計算：

V下行= A×H-G×t

V上行= A×H+G×t

V雙向= A×H

式中：

A—閘室底板面積（m2），為閘室有效長度（m）×有效寬度（m）；

H—船閘運行時上下游水位差，見表3；

G—一次過閘船舶平均載重噸位，G280×34=11429，

G230×23=5717；

t—船舶總重排水量系數，取1.25。

目前，微山船閘雙向過閘比例占80%左右，每閘次用水量計算公式為：V=0.1V下行+0.1 V上行+0.8 V雙向/2=0.6 A×H

2.船閘運行平均水頭的計算

采用微山船閘1953～2014年歷年逐日實測閘上、閘下水位資料系列，剔除不能滿足通航要求的水位（最高通航水位：上游36.30m，下游35.80m，最低通航水位：上游32.80m，下游31.30m），計算不同保證率下的上下游水位差。

該系列共有5304 天水位不能滿足通航水位要求，計算滿足通航水位要求的上下游水位差，并進行頻率分析，計算結果見表3。

滿足通航水位要求的上下游水位差介于0.133～3.679m 之間，以平均水位差作為三線船閘運行時上下游平均水頭值，為1.774m。

表1 一次過閘平均載重、閘室平均利用率和一閘次平均船舶數表

表2 兩種閘室尺度的通過能力計算表

3.一次過閘用水量

計算兩種閘室尺度的一次過閘用水量：

V280×34=0.6×280×34×1.774=10133.1m3、V230×23=0.6×230×23×1.774=5630.7 m3。

五、規劃年貨運量下的用水量計算

根據京杭運河東平～濟寧段、濟寧～二級壩段貨物生成量，結合各支線航道整治、沿線港口發展現狀及布局規劃，預測2040年微山梯級單向過閘貨運量達8530 萬t。考慮微山梯級已建雙線船閘5000萬t 的單向通過能力，三線船閘采用280 m×34 m 的閘室尺度，完成3530 萬t 的通過能力需8236 閘次，年用水量為8346.0 萬m3；若采用230 m×23 m 的閘室尺度，需16466 閘次，年用水量為9271.2 萬m3。

因此，新建的微山三線船閘在完成規劃年3530萬t 的通過能力時，采用280 m×34 m 的閘室尺度比采用230 m×23 m 的閘室尺度年節約用水量925.2 萬m3，節水10.0%。微山三線船閘閘室尺度調整降低了船閘用水量，對水資源有節約作用。

表3 微山船閘滿足通航水位要求的上下游水位差頻率計算成果表

六、結語

雖然船閘工程用水而不耗水，但船閘用水量一般較大，為保證船閘及航道的正常運行，河道必須保持一定的水位和流量，且在南水北調調水區域，河道逐級建設有翻水站向上游翻水，而船閘的運行又將水量從上游向下游轉移，船閘用水對區域水資源的分配是有一定不利影響的。因此，為適應新時期節水優先的治水思路，確定船閘建設規模時不僅要考慮貨運量、船型發展、空間布置和建設代價等，還需要考慮船閘節水條件，科學、合理地選擇船閘閘室尺度，提高閘室平均利用率，降低船閘用水量，充分利用和保護水資源■