內(nèi)河航道設(shè)計(jì)最低通航水位推求探討

趙燕

（江西省港航設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330008）

1 航道概況

長江源流某內(nèi)河航道長165km，流域地勢南高北低，并向東西向傾斜，流域險(xiǎn)灘段較多，流態(tài)復(fù)雜。當(dāng)前該航道通行等級(jí)僅為Ⅴ級(jí)，航道水深為1.8m，航彎40m，彎曲半徑320m，常年通行300～350t 船舶。按照《長江干線航道總體規(guī)劃綱要》所規(guī)定的建設(shè)目標(biāo)，至2025年應(yīng)將該航道建設(shè)成為Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，并形成大型船舶江海直達(dá)的目標(biāo)。為此必須按要求對(duì)該長江干線內(nèi)核航道進(jìn)行升級(jí)改建，使其達(dá)到1000t 級(jí)船舶通行的Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。該內(nèi)河航道主要分布有高江水文站和五橋水文站，前者與內(nèi)河河口相距25.8km，處于內(nèi)河河段末端，且河段內(nèi)并無較大支流匯入。本研究主要以高江水文站為依據(jù)站，進(jìn)行航道設(shè)計(jì)最低通航水位推求。

2 設(shè)計(jì)最小通航流量確定

2.1 依據(jù)站水文資料

2008年該內(nèi)河上游干流建成以灌溉和供水為主，兼具防洪、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等功能的坪壩水利樞紐，樞紐工程壩址以上控制流域面積24.13km2，總庫容及調(diào)節(jié)庫容分別為12.21×108m3和7.65×108m3。2012年該內(nèi)河上游支流又建成具有發(fā)電、防洪攔沙等作用的王溝水電站樞紐工程，總庫容及調(diào)節(jié)庫容分別為52.8×108m3和38.7×108m3。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，該內(nèi)河上流干流、支流梯級(jí)運(yùn)行對(duì)流域下游枯水期流量具備明顯的補(bǔ)償作用。

本文收集到高江水文站1990～2020年共30a日平均流量資料，根據(jù)河道內(nèi)坪壩水利樞紐和王溝水電站的建成時(shí)間，將高江水文站水文資料劃分成1990～2004年、2005～2011年、2012～2020年三個(gè)系列。三個(gè)系列月流量均值具體見圖1。

從圖中得知，河道內(nèi)坪壩水利樞紐和王溝水電站梯級(jí)建成后，高江水文站枯水期（11月～次年4月）月流量均值表現(xiàn)出較大幅度的增加，最枯月份（2月）的流量均值從梯級(jí)建成前的720m3/s 增大至1179m3/s；汛期（7～9月）流量均值則呈減小趨勢，徑流調(diào)節(jié)作用十分突出。這也說明河道上游坪壩水利樞紐和王溝水電站梯級(jí)建成后對(duì)高江水文站徑流一致性有較大影響。結(jié)合《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）的具體要求，本文主要以河道梯級(jí)建成后的2012～2020年的資料進(jìn)行該河道設(shè)計(jì)最小通航流量計(jì)算。

2.2 河道設(shè)計(jì)最小通航流量

根據(jù)該河道梯級(jí)建成后2012～2020年的水文資料繪制高江水文站流量歷時(shí)曲線，歷時(shí)保證率分別為98%和95%時(shí)的流量為897m3/s 和1031m3/s。相關(guān)學(xué)者所提出的該河段達(dá)到Ⅲ級(jí)通航能力所對(duì)應(yīng)的最小流量應(yīng)為940m3/s，綜合已有研究成果及流量歷時(shí)曲線分析結(jié)果，本文將河段航道整治設(shè)計(jì)最小通航流量確定為940m3/s，所對(duì)應(yīng)的歷時(shí)保證率98%。

3 設(shè)計(jì)最低通航水位推求

3.1 基本方法

該航道所在流域沿程水位受地形及流量影響較大，故在沿程水位推算時(shí)應(yīng)假設(shè)某一時(shí)段內(nèi)河道地形保持不變，水位主要受斷面流量的影響，且河道流量受河槽調(diào)蓄作用后衰減、坦化。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的相關(guān)分析法明確各斷面間水位相關(guān)關(guān)系，根據(jù)已知斷面水位推求其余斷面水位[1]。為保證水位計(jì)算精度，河段應(yīng)設(shè)置若干組基本水尺并進(jìn)行一個(gè)水文年的觀測，保證基本水尺的可靠。先構(gòu)建起基本水尺和依據(jù)站水位相關(guān)關(guān)系，基于依據(jù)站水文特征推算基本水尺水位特征，再構(gòu)建臨時(shí)水尺和基本水尺水位相關(guān)關(guān)系，得出臨時(shí)水尺水位特征值，根據(jù)上下水尺水位線性插值計(jì)算水尺間水位[2]。

在工程河段范圍內(nèi)設(shè)置JB1、JB2、JB3、JB4、JB5、JB6 共6 把基本水尺，并結(jié)合險(xiǎn)灘水流比降實(shí)際布設(shè)LS1～LS10 共10 把臨時(shí)水尺。從2020年3月1日～2021年2月31日開始逐時(shí)觀測水位。

3.2 水位流量關(guān)系

高江水文站河床基本為巖石，中低水位右岸為30m寬的平坦臺(tái)地，待測河段在斷面峽谷中段，河道在峽谷的約束下轉(zhuǎn)彎，高水控制作用明顯，歷年沖淤變化小，且水位流量關(guān)系線基本重合。因河床變化而引起的水位變化較小，所以年際間水位-流量轉(zhuǎn)換具有相同基礎(chǔ)。

3.3 基本水尺與水位相關(guān)線

根據(jù)高江水文站基本水尺同步觀測水位資料，繪制上下游水位逐時(shí)過程對(duì)比圖，基本水尺和該水文站水位過程表現(xiàn)出較好的峰谷對(duì)應(yīng)性。通過比較可知，以高江水文站分級(jí)進(jìn)行分段擬合的相關(guān)性比水位整體擬合的相關(guān)性更好，故以高江水文站基面水位264m 為分級(jí)水位進(jìn)行基本水尺與高江水文站相應(yīng)水位相關(guān)關(guān)系擬合。

3.4 臨時(shí)水尺與基本水尺水位相關(guān)線

為進(jìn)行險(xiǎn)灘設(shè)計(jì)最低通航水位推求，除在整治河段設(shè)置6 把基本水尺外，還增設(shè)10 把臨時(shí)水尺進(jìn)行水位逐時(shí)同步觀測，觀測時(shí)間3～7d。在綜合考慮水流傳播歷時(shí)、峰谷水位的基礎(chǔ)上構(gòu)建基本水尺和臨時(shí)水尺的相關(guān)關(guān)系線。

3.5 最低通航水位成果

根據(jù)對(duì)該內(nèi)河航道水文條件的分析發(fā)現(xiàn)，其河道內(nèi)坪壩水利樞紐和王溝水電站梯級(jí)建成后河道水文條件改變，枯水期流量顯著增大，應(yīng)選擇水文條件改變后具有代表性的資料。故設(shè)計(jì)最小通航流量取940m3/s，高江水文站設(shè)計(jì)最低通航水位為262.45m。根據(jù)高江站設(shè)計(jì)最低通航水位以及基本水尺和高江站水位相關(guān)關(guān)系計(jì)算基本水尺斷面設(shè)計(jì)通航水位；根據(jù)基本水尺設(shè)計(jì)最低通航水位以及臨時(shí)水尺和基本水尺水位相關(guān)關(guān)系計(jì)算臨時(shí)水尺斷面最低通航水位[3]。結(jié)合實(shí)測結(jié)果，觀測期內(nèi)河道流量基本穩(wěn)定在880～1100m3/s 范圍內(nèi)，與設(shè)計(jì)流量接近。基于水位相關(guān)線所推求的設(shè)計(jì)通航水位成果的合理性通過沿程實(shí)測水面線驗(yàn)證，結(jié)果詳見表1。通過水位相關(guān)線法所推求的設(shè)計(jì)通航水位和對(duì)應(yīng)流量下實(shí)測水面線成果基本吻合，差距最大僅為0.15m，這也表明水位相關(guān)線法對(duì)于內(nèi)河航道設(shè)計(jì)通航水位推求完全適用，且推求結(jié)果精度高。

表1 設(shè)計(jì)通航水位（設(shè)計(jì)最小通航流量940m3/s）

4 結(jié)論

綜上所述，內(nèi)河航道上游梯級(jí)建設(shè)對(duì)河道徑流存在明顯的調(diào)節(jié)作用，且對(duì)下游水文站徑流資料存在較大的一致性影響，也影響設(shè)計(jì)最低通航水位推求時(shí)資料的選取。本文應(yīng)用水位相關(guān)線法構(gòu)建起臨時(shí)水尺和基本水尺相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)基本水尺水位特征推求臨時(shí)水尺水位特征，通過插值計(jì)算水尺間水位，所得到的設(shè)計(jì)最低通航水位推求成果精度有保證。