受下游樞紐調度影響某內河碼頭設計水位分析

◎彭芬 江西省港航設計院有限公司

1.概述

內河港口是指不受潮汐影響或者潮汐影響不明顯的感潮河段上建立的供船舶安全進出和停泊的水工建筑物。某內河碼頭為散貨斜坡道碼頭，位于兩樞紐（兩樞紐間距約100km）之間，工程河段為內河非感潮河段，距下游樞紐約48km，上游約13km處設有水文站。

1.1 下游樞紐調度情況

樞紐位一座以防洪、發電為主，兼有航運、灌溉等綜合利用功能的水利樞紐工程，控制流域面積62710km2，多年平均流量1640m3/s。水庫正常蓄水位46.0m，未與石虎塘最低通航水位相銜接，死水位44.0m，汛限水位45.0m（由于庫區淹沒大，目前降低至44.5m），防洪高水位49.0m，設計洪水位49.0m，校核洪水位49.0m。樞紐調度運行規則為：

當壩址流量Q＜5000m3/s（防洪與興利運行分界流量）時，水庫在正常蓄水位（46.0m）至死水位（44.0m）之間運行，進行徑流調節；

當壩址來水流量介于5000～20000m3/s之間時，采取降低壩前水位運行并對壩前水位進行動態控制的洪水調度運行方式進行調度，具體調度方式見表1。

表1 樞紐上游不同來水流量與相應動態控制壩前水位范圍關系表

由于庫區淹沒大，樞紐上游正常蓄水位比規劃正常蓄水位降低了1.9m。

1.2 水文站情況

水文站位控制流域面積56223 km2。該站測驗河段大致順直，兩岸均為防洪堤。河床由塊石、中沙及卵石組成。上游3km有支流加入。

2.水文特性分析

分析水文站1957年后歷年流量水位資料，點繪水文站2000～2019年流量水位關系散點圖（見圖1），統計該站水位特征值（見表2）。

表2 水文站水位特征值統計表

圖1 水文站流量水位關系圖

由圖表可以明顯看出，2003年前（即下游樞紐蓄水前），水文站水位～流量關系線基本為單一線，且較穩定。2003～2008年，受最上游樞紐建成使用的影響，導致河段上游來沙量大量減少，河床有沖有淤，但沖淤變幅較小，一般小于±5cm，河段總體呈沖刷態勢。2008～2012年底，區間上游樞紐建設，對水文站水位基本無影響。2013年后，受下游樞紐建成蓄水的影響，水文站流量水位未遵循一一對應的關系，主要影響在枯水期。

3.設計水位分析

3.1 設計高水位

根據《港口與航道水文規范》和《河港總體設計規范》相關規定，本工程碼頭受淹損失類別按二類碼頭考慮。設計高水位一是采用重現期20年的高水位，并考慮下游樞紐運行對工程處水位的影響；二是樞紐上游河段港口碼頭設計高水位可根據樞紐壩前正常蓄水位或設計擋水位時的沿程回水曲線確定，并應計入河床可能淤積引起的水位抬高值。后者低于前者時，按前者確定。

圖2 水文站、樞紐壩前2019年水位過程線

分析水文站1999～2019年水位資料，采用頻率曲線法推算該站20年一遇的高水位為51.89m。根據下游樞紐對應壩前水位，計算出河段高水比降，再利用比降推算至碼頭處，得出碼頭處20年一遇的高水位為50.12m。

通過下游樞紐沿程回水曲線，推算工程處20年一遇高水位為51.15m，對應流量為19700m3/s。而分析水文站1964～2019年流量資料，采用起迄年法綜合分析確定該流量對應的歷史洪水重現期為100年，計算20年一遇洪水流量為16150m3/s，對應樞紐上游庫區10年一遇（對應流量為17400m3/s）流量，故采用樞紐上游庫區10年一遇（對應流量為17400m3/s）計算沿程回水曲線較合理。經推算，該情況下工程處水位為49.89m。

故工程處設計高水位取50.12m。

3.2 設計低水位

根據《港口與航道水文規范》和《河港總體設計規范》相關規定，本工程碼頭設計低水位應與所在航道的設計最低通航水位一致，采用多年歷時保證率98%的水位。同時，樞紐上游河段設計通航水位應采用98%保證率的入庫流量與相應的壩前消落水位組合，并采用壩前死水位或最低運行水位與相應的各級入庫流量組合，得出多組回水曲線，取其下包線作為沿程各點的設計最低通航水位，并應計入河床沖淤可能引起的水位變化值。

從上圖及2016年后水文站、樞紐壩前水位資料分析，近年來，樞紐并未按設計的特征水位運行，但其運行方式具有規律性，主要表現在每年的3～5月份，壩前水位降低至汛限水位運行，此時，壩前河段沿程水位受來流量不同而變化。6月份往往會出現最大洪峰流量，此時，樞紐敞泄洪水，壩前雖然可能會出現最低運行水位，導致近壩河段河道比降較大，但影響范圍僅出現在近壩河段，出現該情況歷時較短。汛后，樞紐恢復至44.5m左右運行，庫區河段水面比降較小。

由于建庫時間較短，水文站可參考水位資料年限較短，且缺乏壩前低水位時的回水曲線資料，但基本可以確定的是工程處出現最低水位的時間主要在汛前樞紐騰庫容時期。因此，工程處設計低水位主要結合水文站近年來水位資料及樞紐汛前運行方式確定。分析水文站2016年～2019年水位資料，保證率98%的水位為43.03m，參考樞紐壩前水位資料，汛前壩前水位降低至43m上下運行。故工程處設計低水位取43m。

4.結論

本文從工程應用的角度出發，充分考慮下游樞紐運行調度對上游碼頭設計水位的影響，為工程建設提供必要的參考。得出的主要結論如下：

（1）采用河段高水比降推算的設計高水與相應重現期流量對應回水曲線推算的設計高水比較，前者（50.12m）大于后者（49.89m），最終確定工程處設計高水位為：50.12m。

（2）充分考慮樞紐汛前運行方式（每年的3～5月份，壩前水位降低至汛限水位43m運行，），經與樞紐正常蓄水位（46m）比較，取小值。最終確定工程處設計低水位為：43m。