樞紐下游航道整治設(shè)計(jì)最小通航流量研究

吳文鳳，李家世，劉曉帆

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

對(duì)于天然河道，航道整治最小設(shè)計(jì)通航流量通過水文站的流量、水位的統(tǒng)計(jì)分析即可得到[1]。由于受樞紐調(diào)度運(yùn)行的影響，樞紐下游航道枯期流量較天然情況可能有所增加，這就給樞紐下游航道最小設(shè)計(jì)通航流量的確定帶來困難。

馮宏琳[2]根據(jù)水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)和航道工程學(xué)等理論，結(jié)合優(yōu)良河段的河相關(guān)系，建立了河流水力因素與航道開發(fā)可行性之間的數(shù)量關(guān)系，提出了航道整治開發(fā)潛能的穩(wěn)定航深估算法。張有林等[3]采用穩(wěn)定航深估算法估算了岷江下游河段不同設(shè)計(jì)流量下通過航道整治可能達(dá)到的航深，當(dāng)糙率為0.035、比降為0.55%時(shí)，岷江下段要達(dá)到2.4 m穩(wěn)定航深，需要的流量為660 m3s。但上述研究只是基于河相關(guān)系式的估算，并未分析上游樞紐聯(lián)合調(diào)度可能增加的流量，也沒有用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。因此，本文以岷江龍溪口—宜賓81 km航道整治工程為例，分析上游樞紐聯(lián)合調(diào)度可能達(dá)到的設(shè)計(jì)流量，采用平面二維水流模型研究不同設(shè)計(jì)流量下達(dá)到的航道尺度，得出岷江龍溪口—宜賓81 km航道整治設(shè)計(jì)最小通航流量。

1 河段概況

岷江是長(zhǎng)江上游的一級(jí)支流，位于四川盆地腹部區(qū)西部邊緣。岷江(樂山—宜賓段)航道作為國(guó)家內(nèi)河高等級(jí)航道，承擔(dān)著重裝設(shè)備運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，是特大件裝備產(chǎn)品進(jìn)出四川的唯一通道，在四川乃至中國(guó)西部具有重要的戰(zhàn)略地位。岷江(樂山—宜賓段)以航運(yùn)為主，按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，采用梯級(jí)渠化與航道整治相結(jié)合的開發(fā)方式。規(guī)劃自上而下布置老木孔、東風(fēng)巖、犍為、龍溪口四級(jí)低壩開發(fā)方案，為滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)和達(dá)氏鱘、胭脂魚、白鱘3種魚類的繁衍生息的需要，龍溪口以下81 km航道采用整治措施達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，全年通行1 000噸級(jí)船舶[4]。

2 上游樞紐聯(lián)合調(diào)度后可能達(dá)到的設(shè)計(jì)流量

2.1 分析方法

由于岷江干流擬建的老木孔、東風(fēng)巖、犍為、龍溪口4個(gè)梯級(jí)樞紐均為低水頭河床式開發(fā)，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力有限，無法調(diào)節(jié)汛期水量以提高枯期航道設(shè)計(jì)流量。本文對(duì)岷江干流、支流大渡河及青衣江等調(diào)節(jié)水庫(kù)的可調(diào)節(jié)庫(kù)容進(jìn)行分析，根據(jù)干支流水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容計(jì)算可增加的枯期流量；再根據(jù)犍為樞紐航運(yùn)基本徑流(簡(jiǎn)稱“基流”)和龍溪口樞紐可調(diào)節(jié)庫(kù)容計(jì)算出龍溪口樞紐日調(diào)節(jié)可達(dá)到的航運(yùn)基流。

2.2 干支流水庫(kù)可調(diào)節(jié)庫(kù)容

岷江都江堰以上規(guī)劃有紫平鋪等19級(jí)開發(fā)方案，其中具有季調(diào)節(jié)能力且控制流域面積相對(duì)較大的水庫(kù)有紫平鋪、十里鋪等，各水庫(kù)總調(diào)節(jié)庫(kù)容可達(dá)15.96億m3。

大渡河是岷江最大支流，在草鞋渡接納青衣江后于樂山烏尤寺注入岷江，干流規(guī)劃河段開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)。水電規(guī)劃推薦采用下爾呷、雙江口、猴子巖、長(zhǎng)河壩、大崗山、瀑布溝等形成主要梯級(jí)格局的22級(jí)開發(fā)方案，目前龔嘴、銅街子、瀑布溝水已建成。在22個(gè)梯級(jí)中，下爾呷為干流“龍頭”水庫(kù)，以雙江口為上游控制性水庫(kù)，以瀑布溝為中游控制水庫(kù)，上述3個(gè)水庫(kù)總調(diào)節(jié)庫(kù)容達(dá)77.22億m3。

青衣江為岷江右岸二級(jí)支流，在樂山城區(qū)北部草鞋渡注入大渡河。開發(fā)任務(wù)(飛仙關(guān)以上) 干支流以發(fā)電為主，其次為灌溉、防洪及水土保持，中下游(飛仙關(guān)以下) 則以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電和水源保護(hù)，干流河段規(guī)劃有磽磧等18個(gè)梯級(jí)。青衣江流域的瓦屋山水庫(kù)、磽磧水庫(kù)和鍋浪蹺水庫(kù)合計(jì)調(diào)節(jié)庫(kù)容為7.81億m3。

支流馬邊河規(guī)劃有官帽舟等9級(jí)開發(fā)方案，其中官帽舟調(diào)節(jié)庫(kù)容為2.94億m3。

根據(jù)岷江干流、支流大渡河及青衣江等調(diào)節(jié)水庫(kù)樞紐的規(guī)劃及工程建設(shè)情況，隨著大渡河及青衣江流域規(guī)劃調(diào)節(jié)水庫(kù)中的瀑布溝、瓦屋山、磽磧、鍋浪蹺、雙江口、下爾呷等水庫(kù)全部建成，總調(diào)節(jié)庫(kù)容103.91億m3。岷江干流及支流具有季調(diào)節(jié)能力且流域面積較大的水庫(kù)特性，見表1。

表1 岷江干流及支流主要水庫(kù)特性

續(xù)表1

2.3 干支流水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度可增加的枯期流量

根據(jù)枯水期調(diào)節(jié)時(shí)間段的不同，調(diào)節(jié)庫(kù)容可增加的流量不同，見表2。按枯期(1—3月)3個(gè)月調(diào)節(jié)時(shí)，每1億m3調(diào)節(jié)庫(kù)容可增加平均流量約12.9 m3s，枯期3個(gè)月可增加下游調(diào)節(jié)流量約1 336 m3s。按枯期(11月—次年4月)6個(gè)月調(diào)節(jié)時(shí)，每1億m3調(diào)節(jié)庫(kù)容可增加平均流量約6.4 m3s，枯期可增加下游調(diào)節(jié)流量約664 m3s。高場(chǎng)站11月—次年4月月均流量分別為1 710、1 130、798、745、876、1 300 m3s，則11月—次年4月月均流量可分別增至2 374、1 794、1 462、1 409、1 540、1 964 m3s。

表2 枯水期不同調(diào)節(jié)時(shí)間段總調(diào)節(jié)庫(kù)容增加的枯期流量

2.4 龍溪口樞紐日調(diào)節(jié)可達(dá)到的基流

由2.3可知，遠(yuǎn)期通過上游水庫(kù)的補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可以有效增加枯期流量。但由于上游各梯級(jí)開發(fā)任務(wù)不同，基本上以發(fā)電為主，電站調(diào)峰運(yùn)行，在負(fù)荷高峰時(shí)下泄流量大，在負(fù)荷低谷時(shí)下泄流量小，如果岷江各梯級(jí)航電樞紐不能對(duì)上游以發(fā)電為主的電站日負(fù)荷流量較大幅度的變化進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)期枯期流量的增大幅度將受到限制。

根據(jù)《岷江龍溪口航電樞紐工程初步設(shè)計(jì)》[5]，龍溪口樞紐的開發(fā)任務(wù)為以航運(yùn)為主，航電結(jié)合，兼顧防洪、供水、環(huán)保等綜合利用。為滿足下游航道整治最小通航流量的要求，龍溪口樞紐設(shè)置2 450萬m3的調(diào)節(jié)庫(kù)容進(jìn)行反調(diào)節(jié)。由于上游犍為樞紐擬定的航運(yùn)基流為544 m3s[6]，根據(jù)犍為樞紐每日內(nèi)航運(yùn)基流下運(yùn)行時(shí)間的不同，利用龍溪口樞紐可調(diào)節(jié)庫(kù)容計(jì)算出其下游能達(dá)到的航運(yùn)基流，見表3。

表3 龍溪口樞紐調(diào)節(jié)后可下泄航運(yùn)基流

若假定犍為樞紐基流下運(yùn)行24、18、12、8 h，在此期間利用龍溪口樞紐反調(diào)節(jié)庫(kù)容可以為下游增加流量284、378、567、851 m3s，航運(yùn)基流可以增至828、922、1 111、1 395 m3s。可見，當(dāng)上游日均來流量大于900 m3s情況下，通過龍溪口樞紐的反調(diào)節(jié)作用，基本可保證龍溪口下泄流量在900 m3s以上。

3 不同設(shè)計(jì)流量下達(dá)到的航道尺度計(jì)算

依據(jù)《岷江(龍溪口—宜賓)航道整治工程可行性研究報(bào)告》[7]推薦的航道整治方案，選取610 m3s(高場(chǎng)水文站保證率98%)、684 m3s(高場(chǎng)水文站保證率95%)、806 m3s(高場(chǎng)水文站保證率85%)和900 m3s(龍溪口樞紐下泄基流) 4級(jí)流量，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型[8]開展不同流量下整治方案后可能達(dá)到的航道尺度研究。

3.1 航道概況

岷江龍溪口—宜賓81 km航道，總落差44.3 m，平均比降0.55‰，其中龍溪口樞紐—斑竹林為單一河槽與汊流相間的寬淺型河道，水流不集中是灘險(xiǎn)水深不足的根本原因，該段枯水河寬150～350 m。斑竹林以下河流進(jìn)入峽谷，河岸固定，水面窄、水流平順。但是，河口段的銅鑼灣灘群受無序采沙影響，原較為穩(wěn)定的邊灘被破壞，導(dǎo)致水流分散、航槽易變，灘情明顯惡化。岷江龍溪口—宜賓段主要分布有干龍子、龍溪口、老君磧等28個(gè)礙航灘險(xiǎn)。枯水期除霸王灘、銅鑼灣灘彎曲半徑不足而外，其余灘段以水淺槽窄礙航，中洪水期新開河—令牌石河段上水船舶困難，總體上以淺為主。

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

3.2.1模型建立

本文采用一種基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限元隱式離散算法，求解二維淺水水流控制方程，并利用了計(jì)算機(jī)并行技術(shù)，克服計(jì)算效率較低的缺點(diǎn)，很好地發(fā)揮了二維模型細(xì)致模擬水流的特點(diǎn)，使模擬效率得到大幅提升。

模型計(jì)算范圍起自龍溪口樞紐壩址，下至岷江河口，研究河段全長(zhǎng)約81 km，模型計(jì)算時(shí)上游開邊界由實(shí)測(cè)流量控制，下游開邊界由水位控制。通過糙率調(diào)整，對(duì)研究河段實(shí)測(cè)水位和流速進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證誤差控制在規(guī)范規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。

結(jié)合研究河段幾何屬性，數(shù)學(xué)模型采用自適應(yīng)邊界較好的四邊形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算域的剖分，模型計(jì)算空間的邊長(zhǎng)為5～80 m，共有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)107 136個(gè)，單元104 857個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)為3.6 s。模型建立采用的地形資料為2012年1:2 000實(shí)測(cè)地形資料。

3.2.2模型驗(yàn)證

研究河段分別于2012年枯水期(3月)、中水期(7月)和洪水期(8月)進(jìn)行了3次水文觀測(cè)，其中水位斷面46個(gè)，流速斷面15個(gè)，3次觀測(cè)對(duì)應(yīng)的流量分別為1 275、4 000和8 950 m3s。針對(duì)上述3個(gè)測(cè)次進(jìn)行水位和斷面流速分布驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，觀測(cè)點(diǎn)水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，誤差在±0.10 m以內(nèi)，模型流速分布趨勢(shì)和實(shí)測(cè)資料吻合較好，符合規(guī)范要求。因此本模型可用于模擬整治后的航道尺度。

3.3 結(jié)果分析

提取各級(jí)流量下航槽中水深值進(jìn)行對(duì)比，是否滿足Ⅲ級(jí)航道水深2.4 m的要求。900 m3s流量下沿程水位及水深變化見圖1。工程建成后受整治建筑物及疏浚工程等影響，沿程水位發(fā)生較大調(diào)整，水位以降落為主要特征，隨著流量的增加，水位降落的現(xiàn)象逐漸緩解。流量610和684 m3s時(shí)，水位最大降落了0.97和0.91 m，上游的干龍子灘段、中游的新開河灘段、霸王灘段和下游的銅鑼灣灘段等多處灘段大范圍航深不滿足2.4 m要求。流量806 m3s時(shí)，水位最大降落了0.69 m，上游的干龍子灘段、中游的新開河灘段、霸王灘段和下游的銅鑼灣灘段等多處灘段仍零星存在航深不足的問題。900 m3s流量時(shí)，水位最大降落了0.54 m，各灘段航深得到有效改善，滿足航深2.4 m要求。從二維水流數(shù)學(xué)模型應(yīng)用來看，最小設(shè)計(jì)通航流量為900 m3s時(shí)，研究河段可以達(dá)到Ⅲ級(jí)航道航深2.4 m的要求。

圖1 900 m3s流量下水面線及航道水深變化

4 結(jié)論

1)遠(yuǎn)期，通過岷江上游干支流水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，可有效增加枯期流量。若按枯期(11月—次年4月)6個(gè)月調(diào)節(jié)考慮，枯期可增加下游調(diào)節(jié)流量約664 m3s，平均流量可增加至1 757 m3s。但由于上游干支流水庫(kù)開發(fā)任務(wù)基本上以發(fā)電為主，電站調(diào)峰運(yùn)行，如果岷江各航電樞紐不能對(duì)上游以發(fā)電為主的電站日負(fù)荷流量較大幅度的變化進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)期枯期流量的增大幅度將受到限制。

2)根據(jù)上游犍為樞紐每日內(nèi)航運(yùn)基流(544 m3s)運(yùn)行時(shí)間的不同，利用龍溪口樞紐可調(diào)節(jié)庫(kù)容計(jì)算出其下游能達(dá)到的航運(yùn)基流。當(dāng)上游日均來流量大于900 m3s情況下，通過龍溪口樞紐的反調(diào)節(jié)作用，基本可保證龍溪口下泄基流在900 m3s以上。

3)平面二維水流數(shù)學(xué)模型研究表明，岷江下段整治工程實(shí)施后，受整治建筑物及疏浚工程等影響，沿程水位發(fā)生較大調(diào)整，水位以降落為主要特征，隨著流量的增加，水位跌落的現(xiàn)象逐漸緩解，流量為900 m3s時(shí)，各灘段航深得到有效改善，滿足Ⅲ級(jí)航道2.4 m的航深要求。

4)為保障岷江龍溪口—宜賓81 km航道整治效果，使其達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，岷江下段航道整治最小通航流量應(yīng)為900 m3s。岷江下段來流量主要受龍溪口樞紐下泄流量影響，研究成果可為擬定龍溪口樞紐調(diào)度運(yùn)行方式提供參考。