跨水利分區(qū)航道整治工程特征水位研究
——以新江海河航道整治工程為例

沈 穎，孫詩游，許 荔

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

在構(gòu)建“一帶一路”交匯點建設(shè)新格局的背景下，江蘇省推出《高質(zhì)量推進(jìn)“一帶一路”交匯點建設(shè)的意見》，明確支持南通市建成重要出海門戶，大力推進(jìn)通州灣港區(qū)建設(shè)。作為區(qū)域骨干航道的新江海河，定位通州灣港區(qū)疏港航道，必須加快整治建設(shè)進(jìn)度。分析計算出合理可靠的航道特征水位，不僅是新江海河航道整治的重要技術(shù)支撐，也有利于水利部門構(gòu)筑保障經(jīng)濟社會安全和發(fā)展的防洪除澇減災(zāi)體系、水資源供給體系、水環(huán)境保護體系和水利管理體系，同時要滿足航道運行安全及可靠性要求。

1 航道工程概況

新江海河起自通呂運河口，終點新江海河閘，連接通海港區(qū)，全長27km，2018 年列入《江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃（2017—2035）》，現(xiàn)狀航道等級為五級，規(guī)劃三級。航道現(xiàn)狀條件較好，河面寬60～90m，水深約2.7m，穿越南通市九呂區(qū)及通啟區(qū)（通啟西片）兩個水利分區(qū)，在入江口和與通啟河交匯口分別建有新江海河閘和雙橋套閘兩座控制建筑物，雙橋套閘屬內(nèi)河套閘，是九呂區(qū)和通啟區(qū)控制線上的重要建筑物。

2 區(qū)域水文特點

項目區(qū)地處副熱帶北緣，受高空西風(fēng)環(huán)流和太平洋副熱帶高壓兩種大氣環(huán)流的影響和控制，具有明顯的季風(fēng)氣候特征，降水量在年際之間變化大，年內(nèi)汛期降雨量集中，6—9 月降雨量約占年降雨量的60%左右，容易出現(xiàn)突發(fā)性的、災(zāi)害性的暴雨洪水及干旱。由于近海，主要干流又與長江相通，受海潮的頂托，水流方向不定，經(jīng)常作往返流動。水位高低除受本地降水影響外，還和各涵閘引排水情況有關(guān)，通江、通海河道大多建閘控制，內(nèi)河水位受人為調(diào)控影響大。

南通市水系分為七個水利分區(qū)，新江海河涉及九呂區(qū)及通啟區(qū)兩個分區(qū)。九呂區(qū)常水位2.2m，通啟區(qū)常水位1.8m，兩區(qū)常水位相差約0.4m。九呂片引水主要由南通節(jié)制閘、九圩港閘引長江水，通過九圩港、遙望港、通呂運河等骨干河道輸送到區(qū)域內(nèi)部。該片澇水可經(jīng)由九圩港閘、南通節(jié)制閘入江或者經(jīng)由遙望港閘、東灶港閘、大洋港閘入海，沿江片區(qū)直排入江。通啟運河及新江海河現(xiàn)狀基本不承擔(dān)九呂區(qū)排水任務(wù)，只在特大暴雨區(qū)間相機排水。

通啟西片由于受到咸水上溯的影響，目前主要通過營船港閘引水，適當(dāng)通過新江海河閘引水。該片沿江各農(nóng)場和圩區(qū)均為沿江獨立排水區(qū)，澇水直接入江；其余片區(qū)澇水由營船港閘、新江海河閘及海門港閘排水入江。

3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

3.1 特征水位研究內(nèi)容

特征水位研究主要包括通航水位和設(shè)計洪水位分析。

通航水位包括設(shè)計最高通航水位和設(shè)計最低通航水位。新江海河航道規(guī)劃等級為III 級，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）的規(guī)定，設(shè)計最高通航水位應(yīng)采用洪水重現(xiàn)期為20 年一遇的設(shè)計水位；內(nèi)河側(cè)設(shè)計最低通航水位的多年歷時保證率為98%～95%，外河側(cè)即潮汐影響明顯的河段設(shè)計最低通航水位的多年歷時保證率為90%。

項目所在區(qū)域防洪達(dá)到50 年一遇，高低水系控制線建筑物達(dá)到防御50 年一遇高水位的標(biāo)準(zhǔn)。分析提出航道沿線20 年一遇、50 年一遇洪水位及建筑物擋洪水位。

3.2 特征水位研究技術(shù)路線

該段航道特征水位研究以淮河流域防洪規(guī)劃、江蘇省近期防洪規(guī)劃、南通地區(qū)水利規(guī)劃以及沿海水利規(guī)劃等流域性、區(qū)域性防洪、除澇供水規(guī)劃為基礎(chǔ)，抓住重點、難點問題深入調(diào)查研究，了解交通和水利部門的要求，鼓勵地方參與。擬定主要技術(shù)路線是：調(diào)查研究、找準(zhǔn)問題；抓住重點，專題分析。

（1）調(diào)查研究、找準(zhǔn)問題。通過沿線調(diào)查，掌握翔實的資料，充分利用和銜接協(xié)調(diào)已有規(guī)劃及研究成果，了解沿線水利工程的現(xiàn)狀和規(guī)劃實施情況。

（2）抓住重點，專題分析。新江海河線利用現(xiàn)有航道（河道）擴浚，河道均具有綜合利用功能。航道擴大后，河道的主要功能將有所改變，供水、排澇功能的變化對航道沿線水位將產(chǎn)生較大影響，由于水利規(guī)劃存在逐步實施的過程，航道特征水位將在一定范圍內(nèi)變幅，應(yīng)根據(jù)具體條件加以分析。

4 特征水位研究

4.1 特征水位分析方法

采用頻率分析法和綜合歷時曲線法分析航道特征水位。

防洪水位、最高通航水位和沿江最低潮位，采用常用的頻率分析法計算。用矩法分別計算出系列均值和Cv值作為初選值，采用Cs/Cv經(jīng)驗值，利用皮爾遜Ⅲ型曲線通過點據(jù)適線，根據(jù)適線情況，調(diào)整Cv值和Cs值，使設(shè)計頻率曲線與經(jīng)驗點據(jù)配合較好。頻率計算適線時，除了注意曲線通過點群中心外，重點考慮所選時段點據(jù)的擬合，最后確定線型。

根據(jù)內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)，不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設(shè)計最低通航水位采用綜合歷時曲線法或保證率頻率法計算確定。綜合歷時曲線法將系列資料逐日平均水位從大到小降序排列，計算出累積頻率。通過累積頻率計算，分析設(shè)計水位在系列中出現(xiàn)的頻次，對設(shè)計水位進(jìn)行參考對比。

4.2 水文測站選擇

頻率分析法和綜合歷時曲線法都必須以實際監(jiān)測水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，新江海河、通呂運河、東灶新河航道位于通南沿江地區(qū)，航道水位分析計算涉及水文站主要有：通呂運河南通閘（閘上）站、貨隆鎮(zhèn)站；通啟運河營船港閘（閘上）站、常樂閘（閘上）站；新江海河閘（閘上）站；長江的天生港、青龍港。

4.3 水文資料系列確定

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）中水位資料的取用“應(yīng)取近期連續(xù)資料系列，取用年限不短于20 年”的規(guī)定，根據(jù)資料情況，計算長系列采用1978—2018 年。

站點資料來源于江蘇省水文水資源勘測局，資料可靠性較好。

4.4 各站年最高水位代表性分析

根據(jù)實測水位資料，采用差積曲線法，進(jìn)行水位系列代表性分析，差積曲線計算結(jié)果表明各站水位系列豐枯交替變化，具有較好的代表性。各點分析方法完全相同，本文僅附營船港閘最高水位模比系數(shù)差積曲線示意圖（見圖1）予以說明。

圖1 營船港閘（閘上）站年最高水位模比系數(shù)差積曲線圖

4.5 各站年最高水位系列一致性檢驗

采用Spearman 秩次相關(guān)檢驗法對各站年最高水位進(jìn)行一致性檢驗。

Spearman 秩次相關(guān)檢驗也是一種非參數(shù)檢驗方法。對研究的序列構(gòu)造一個統(tǒng)計量T：

式中：T 為時序；r為序列的秩序相關(guān)系數(shù)。

式中：n 為序列長度；dt為秩序Rt與時序t 之差。Rt為序列從大到小排列時所對應(yīng)序號。

如果秩序Rt和時序t 相近時，dt趨于零，秩序相關(guān)系數(shù)趨于1，趨勢顯著。T 服從自由度（n-2）的t 分布，采用t 檢驗法，在顯著水平α=0.05 下，檢查|T|>tα/2是否成立，如果成立，則序列趨勢成分顯著，否則，趨勢不顯著，資料一致性較好。Spearman 秩次相關(guān)檢驗法結(jié)果見表1。從檢驗結(jié)果來看，1978—2018 系列，營船港（閘上）、天生港、青龍港年最高水位系列一致性較好；常樂閘（閘上）、新江海河閘（閘上）一致性稍差，其計算成果僅用作對比分析。

表1 Spearman 秩次相關(guān)法水位趨勢檢查結(jié)果表

4.6 特征水位確定

新江海河上有兩個重要梯級，新江海河閘和雙橋閘，分析特征水位時，以兩個梯級作為對象加以分析。

新江海河船閘周邊水系分布有營船港閘（閘上）、常樂閘（閘上）和新江海河（閘上）三個水位站點，雙橋閘上下游沒有實測水位資料，通常按照附近站點距離內(nèi)插設(shè)計水位，但通過對比三站的逐日水位情況，通啟運河及新江海河存在雙向流，該段航道水位不能簡單通過三站水位內(nèi)插，因此雙橋閘下至新江海河閘上航道設(shè)計水位需綜合考慮。

新江海河航道提升以后，雙橋套閘將改建為一座雙橋節(jié)制閘及一座雙橋船閘。雙橋節(jié)制閘承擔(dān)原雙橋套閘所有水利功能，包括水系控制、水情調(diào)度、改善水質(zhì)等。因此其水位組合根據(jù)其上下游河道運行情況而定。采用設(shè)計水位方案見表2，設(shè)計水位成果見表3、表4。

表2 船閘通航特征水位及組合方案表

表3 雙橋梯級取消前航道沿線設(shè)計水位計算成果表

表4 長江側(cè)防洪設(shè)計水位表

5 結(jié)語

（1）航道整治工程中特征水位分析必須以實測水文數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)資料系列的連續(xù)性、準(zhǔn)確性對分析結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。需要根據(jù)航道所在水利分區(qū)情況，科學(xué)合理地選取水文站點，并對各站點水文資料進(jìn)行分析，確保采用資料的可靠性、代表性和一致性。

（2）對于跨越不同水利分區(qū)的航道，需要準(zhǔn)確梳理各水利分區(qū)的引排現(xiàn)狀，分析交通部門航道整治與水利部門防洪排澇的關(guān)系，進(jìn)而提出合理可靠的通航設(shè)計水位和防洪水位，確保水位既滿足通航需求，又符合區(qū)域水利要求。

（3）跨水利分區(qū)航道的特征水位仍然以傳統(tǒng)的頻率分析法為基礎(chǔ)，但是需要綜合考慮航道上重要的梯級及其水利功能，同時要全面考慮航道所在區(qū)域的水流特點，對于雙向流地區(qū)不能簡單插值，而是要根據(jù)重要建筑物上下游河道運行情況確定水位組合后綜合分析特征水位