北江石角站不同洪水條件下通航保證率研究

羅淼通　申其國　王亞妮

摘 要：根據歷史數據，分析石角站水位流量關系，并基于2011年-2013年日均水位數據，對北江石角站不同洪水條件下通航保證率進行研究。石角站水位具有大洪水暴漲暴落、持續時間短等山區河流特性，2年一遇洪水條件相較10年一遇洪水條件，通航保證率相差不大，但水位下降較多，對橋梁適應性更好。在山區河流航道建設過程中，對于不滿足凈高要求且暫無條件改造的橋梁，在滿足通航保證率的情況下，建議采用2年一遇洪水條件確定設計最高通航水位。結論可供山區航道建設參考。

關鍵詞：北江;山區河流;通航保證率;設計最高通航水位

中圖分類號：U612? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0141-03

北江是珠江水系第二大河流，位于廣東省中、北部，在廣東省朝南流經韶關曲江、英德、清遠等縣市，在三水思賢滘口與西江匯合進入珠江三角洲網河地區后注入南海。北江干流全長約184km，平均坡降0.22‰，河道順直，兩岸峽谷與河谷盆地相間，河道寬窄、深淺變化較大，河床覆蓋層以沙為主，間有卵石層，中游河段有峽谷。目前已建有孟洲壩、濛浬、白石窯、飛來峽、清遠五座水利樞紐。

石角水文站，位于清遠市清城區石角鎮，地理坐標東經112°57′，北緯23°34′，位于清遠樞紐壩下4.17km，距河口52km。按照珠江流域“上蓄、中防、下泄”的防洪概念，石角水文站處在“中防”的位置，也是北江大堤的始端，是北江干流控制站和國家重要水文站，同時也是北江大堤防汛水情的代表站。石角水文站測報項目齊全，包括降水量、水位、流量、懸移質含沙量、懸移質顆粒分析、水化等項目，擔負著向國家防總、省市各防汛機構拍發水情的任務。

本研究來源于北江航道擴能升級工程科研項目《北江航道擴能升級工程關鍵技術研究——專題二：多梯級船閘擴建的高等級航道建設關鍵技術研究》。為分析北江石角站不同洪水條件下通航保證率，本文主要收集了2011年至2013年石角站日均水位數據。

1石角站水位流量關系

根據石角站1989年～2010年22年實測流量成果和洪水要素資料，分析北江中下游河段河道下切情況，1989年～1999年11年間北江中下游河道斷面變化不大，2000年以后，河道斷面變化較大，水位流量關系下降明顯，石角站歷年實測水位流量關系變化見圖2[1]。

由于飛來峽樞紐建成后對下游河道的沖刷作用和河道采砂影響，1999年后石角站水位流量關系呈現出連續下降的特點，從1999年至2010年12年間，水位流量關系平均每年下降0.28m;特別是2005年以來，低水部分每年下降幅度約0.5m，累積下降1.0m左右。

2石角站設計水位的確定

北江航道擴能升級工程設計與施工階段，依據《內河通航標準》[2]、《內河航運工程水文規范》[3]的有關規定，確定河段設計通航水位如下：

2.1設計最高通航水位

研究河段受潮汐影響不明顯，根據《內河通航標準》以及《內河航運工程水文規范》要求：內河Ⅰ～Ⅲ級航道，洪水重現期為20年，對出現高于設計最高通航水位歷時很短的山區性河流，Ⅲ級航道洪水重現期可采用10年（10%洪水）?？紤]到北江具有山區河流特性，洪水期洪峰流量大，歷時短，而目前已建設的橋梁通航凈高起算水位以洪水重現期10年推算。因此，北江航道擴能升級工程設計最高通航水位采用洪水重現期10年進行頻率計算確定，對于受樞紐影響的河段，設計最高通航水位根據上述規范要求按規定重現期洪水水位與相應壩上水位、樞紐上下游運行水位等推求。

由于清遠樞紐～三水河口河段近年地形變化劇烈，且下游無樞紐控制，歷史水位流量關系難以反映河段現狀情況及未來演變趨勢。由于石角站距離上游新建清遠樞紐較近，受上游清遠樞紐下泄水流影響較大，因此數值模擬成果更能反映水位變化情況。

工程設計階段數模研究模擬了清遠樞紐十年一遇洪水條件（流量11700m3/s）下，清遠樞紐～三水河口的水位情況，計算確定石角站的設計最高通航水位為10.5m（85高程，下同）。

2.2設計最低通航水位

根據規范要求，設計最低通航水位可采用綜合歷時曲線法和保證率頻率法計算確定：對于內河Ⅲ級航道（天然河道），綜合歷時曲線法多年歷時保證率98%～95%;保證率頻率法年保證率為98%～95%，重現期為5～4年。因此，北江航道擴能升級工程最低通航水位采用綜合歷時曲線法計算，保證率取98%。

石角水文站位于清遠樞紐壩下4.17km，所在河段受挖砂、樞紐運行等人類活動影響，河床下切、水位下降[4]，因此，石角站的水位資料一致性較差，而流量資料不受河床下切影響，所以石角站設計最低通航水位采用流量保證率進行計算。

經數模計算，在清遠樞紐下游航道通航最小設計流量（237m3/s）下，石角站水位為0.42m，即為設計最低通航水位。

3 2年一遇洪水條件水位與設計高水位的對比

北江具有山區河流特性，在2年一遇洪水條件（50%洪水）下，水面比降與洪水流速均較大，大部分河段已經不適宜通航。據調研，當北江洪水流量達到1000m3/s時，上游段樞紐即要開閘泄洪，海事部門將實行封航措施。

根據北江山區河流特性，結合實際通航管理，本研究提出采用2年一遇洪水條件推算研究河段沿線設計最高通航水位，并與10年一遇洪水條件確定的設計最高通航水位進行對比，分析其適應性。

根據設計階段確定的研究河段延程2年一遇洪水流量，石角站為9220m3/s，結合石角站年最大洪峰流量頻率曲線圖、水位流量關系曲線表等，推算石角站2年一遇洪水位為8.61m。若設計最高通航水位采用2年一遇洪水條件，則石角站設計最高通航水位為8.61m，較原設計高水位10.5m低1.89m，詳見下表1。

4不同洪水條件下通航保證率研究

本研究收集了2011年-2013年石角站的日均水位資料，繪制各年日均水位過程如圖3至5所示，同時統計日均水位大于2年或10年一遇洪水位的天數，詳見表2。由圖、表可知：

（1）石角站所在的北江河段具有明顯的山區河流特征，洪水期水位高、在2m以上，枯水期水位低、在1m左右，大洪水時水位暴漲暴落、持續時間較短;

（2）2011年-2013年，石角站日均水位均在設計最低通航水位0.42m以上;

（3）2011年石角站共有3天日均水位大于2年一遇洪水位、通航保證率為99.18%，未出現大于10年一遇洪水位的日均水位;

（4）2012年分別有4天、2天日均水位大于2年、10年一遇洪水位，通航保證率分別為98.9%、99.45%，2年一遇洪水位的通航保證率僅降低0.55%;

（5）2013年分別有7天、3天日均水位大于2年、10年一遇洪水位，通航保證率分別為98.08%、99.54%，2年一遇洪水位的通航保證率僅降低1.1%。

（6）2011年-2013年三年間，日均水位高于2年一遇洪水位且低于10年一遇洪水位的天數僅9天，年均3天，通航保證率僅降低0.82%，且2年一遇洪水位條件下通航保證率達98.72%，滿足規范及設計要求的98%。

5 結論

（1）石角站位于北江下游，具有明顯的山區河流特性，洪水水位較枯水水位高，大洪水時水位暴漲暴落、持續時間較短。

（2）根據2011年-2013年日均水位資料，三年間石角站日均水位大于10年一遇洪水位的天數為5天，通航保證率為99.54%;大于2年一遇洪水位的天數為14天，通航保證率為98.72%。說明2年一遇洪水條件下通航保證率，與10年一遇洪水條件下保證率相差不大，且滿足規范及設計要求的98%保證率，但2年一遇洪水位較10年一遇洪水位下降1.89m，對橋梁適應性更好。

（3）在山區河流航道建設過程中，由于2年一遇洪水時水面比降與流速大，航道已不適宜通航，對于不滿足凈高要求且暫無條件改造的橋梁，在滿足通航保證率的情況下，建議采用2年一遇洪水條件確定設計最高通航水位。

參考文獻：

[1] 中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司， 中水珠江規劃勘測設計有限公司. 北江（烏石至三水河口）航道擴能升級工程可行性研究報告（報批稿）[R].廣州：中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司. 2013-11.

[2] GB50139-2014，內河通航標準[S].

[3] JTS 145-1-2011，內河航運工程水文規范[S].

[4] 謝凌峰，申其國，徐治中.20世紀80年代以來珠江三角洲網河區河性演變[J].水利水電科技進展，2015，35（4）：10-13.