韓江干流航道設計最低通航水位探討

徐錫榮,白金霞,陳界仁,何建華

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098;2.珠江航務管理局,廣東 廣州 510110)

在航道工程建設中,航道設計通航水位是重要的考慮參數(shù)。設計通航水位包括設計最低通航水位和設計最高通航水位。前者是確定枯水期航道通航標準水深的起算水位,后者是確定跨河建筑物底部最低點凈空高度的起算水位和確定通航建筑物標高的依據(jù)[1]。對于主要受徑流影響的天然河流,其設計通航水位一般可按現(xiàn)行 JTJ214—2000《內河航道與港口水文規(guī)范》和 GBJ50139—2004《內河通航標準》中的有關規(guī)定確定[2-3]。沿海地區(qū)主要受海洋潮汐和氣象因素的影響,其設計通航水位一般按照現(xiàn)行的JTJ213—1998《海港水文規(guī)范》和 JTJ311—1997《通航海輪橋梁通航標準》中的有關規(guī)定確定[4-5]。但是,對于人類活動影響明顯的河道,設計通航水位不僅受徑流影響,而且還受人類活動影響,其河段航道條件具有其特殊性。因此,在確定其設計通航水位時,一方面依據(jù)規(guī)范和標準中的有關規(guī)定,另一方面還應結合河段水文及人類活動影響特性,具體問題具體分析。筆者以樞紐調節(jié)影響較明顯的韓江干流河段航道設計通航水位為研究對象,在河段水流條件分析的基礎上,依據(jù)規(guī)范和標準中的有關規(guī)定,對航道設計中的最低通航水位進行分析。

1 河道現(xiàn)狀條件

韓江為廣東省第二大河流,由梅江和汀江匯合而成(圖1),是粵東地區(qū)最主要的水上運輸通道。韓江干流從三河壩到潮州市全長106.5km,河段設有三河壩、留隍和潮安3個水文(位)站。從20世紀90年代開始,隨著流域綜合整治開發(fā)的展開,韓江上游梅江、汀江分別建成了蓬辣灘和青溪等水電站。由于蓬辣灘和青溪等水電站均為日調節(jié)徑流式水電站,在實際運行過程中,水電站對下游韓江干流航道無基流保證。同時,由于枯水期梅江和汀江絕大部分時間來水量小于水電站單機發(fā)電流量,水電站運行只能將來水先蓄留在水庫中,待蓄留一定庫容后才發(fā)電。因此,水電站每天可能存在有部分時間不發(fā)電致使下游韓江干流航道無基流保證。另一方面,20世紀80年代末以來隨著經濟建設的發(fā)展,韓江下游潮州河段、汕頭河段出現(xiàn)了人為在河床中大量采沙的活動,過量采沙造成潮州河段河床嚴重下切。

圖1 韓江流域示意圖

2 設計最低通航水位分析

2.1 設計通航水位存在的問題

依據(jù)規(guī)范和標準中的有關規(guī)定[6],對干流河段的三河壩、留隍和潮安 3個水文站分別選用綜合歷時曲線法和保證率頻率法進行設計最低通航水位計算。綜合歷時曲線法和保證率頻率法采用的保證率均為90%,2種方法均以日平均水位作為計算系列。為便于分析比較,計算分別采用 1970—2006年、1981—2006年、1994—2004年、1994—2006年等系列(表 1)。

表1 不同系列設計最低通航水位結果 m

計算結果表明:①相同系列采用不同的計算方法,其結果存在差異,綜合歷時曲線法計算的結果均低于保證率頻率法計算的結果。這一差異有悖于一般采用這2種計算方法所得結果,即綜合歷時曲線法的計算結果一般要高于保證率頻率法的計算結果。②對于三河壩和留隍2個水文站,采用綜合歷時曲線法和保證率頻率法所得設計水位相差不大。但從航道維護部門反映的情況看,計算結果與實際維護不太一致,上述設計最低通航水位偏高。③從不同系列計算的結果看,潮安站的設計最低通航水位存在明顯差異,且隨著統(tǒng)計系列年接近近期,同一種計算方法所得設計最低通航水位不斷降低。

2.2 設計最低通航水位影響因素

2.2.1 不穩(wěn)定流影響因素分析

天然河流的水流條件在沒有外來因素影響下總是遵循自身規(guī)律漲落變化,如枯水期和枯洪過渡期水位是穩(wěn)定回升或降落,尤其在枯季水流穩(wěn)定,水位變化很小。依據(jù)規(guī)范和標準的有關規(guī)定確定設計最低通航水位。然而,韓江受梅江、汀江的蓬辣灘水電站和青溪水電站的調節(jié)影響。由于蓬辣灘水電站和青溪水電站均為日調節(jié)徑流式水電站,一方面水電站擔任調峰發(fā)電任務,機組運行時間不確定;另一方面,水電站為了提高經濟效益,大多選擇長時間蓄水、集中發(fā)電運行。因此,枯水期在水電站發(fā)電時,下游河道才有流量保證,不發(fā)電時就沒有流量保證,同時也造成下游韓江干流的流量時大時小,水位陡漲陡落,產生所謂的不穩(wěn)定流(圖2)。不穩(wěn)定流的日內變化受調峰發(fā)電影響,使河道水位陡漲陡落,水位日內變幅大,與天然河流的水流條件有很大差異[7]。韓江原型實測資料(表2)顯示,中枯水期三河壩站水位日內變幅達1.95m,留隍站水位日內變幅為0.82m。由于不穩(wěn)定流傳播沿程呈現(xiàn)衰減趨勢,所以潮安站受不穩(wěn)定流影響較小。

圖2 3個水文站實測水位過程

表2 水位特征值統(tǒng)計 m

2.2.2 河床下切影響因素分析

河流在天然情況下,由于長期的水沙條件作用,河床沖淤交替,相對平衡。在河床中人為大量采沙造成河段河床下切[8]。從潮安站不同年份水位～流量(H～Q)曲線(圖 3)可以看出,該站1990年以前H～Q關系比較穩(wěn)定,1970年,1980年,1990年3條H～Q曲線比較接近,且個別部位還出現(xiàn)了重疊的現(xiàn)象,但1990年以后,H～Q曲線都出現(xiàn)了大幅度下移。同一流量對應的水位都有明顯的下降。統(tǒng)計表明,1995年的H～Q曲線比1990年的平均下降了0.56m,2000年的H～Q曲線比1990年的平均下降了1.52m,2004年的H～Q曲線比2000年的平均下降了0.56m。究其原因主要是人為大量采沙引起河床嚴重下切以及相同流量條件下的水位降低。依據(jù)規(guī)范和標準進行設計最低通航水位計算,以日平均水位作為計算系列,造成計算結果隨著統(tǒng)計系列年接近近期,所得設計最低通航水位不斷降低。

圖3 潮安站中枯季 H～Q關系曲線

3 設計最低通航水位修正

3.1 不穩(wěn)定流對設計最低通航水位的影響

根據(jù)資料調查,枯水期航行于不穩(wěn)定流河道中的船舶,駕駛人員為提高船舶載重率,一般選擇候水通航方式,即利用峰流,避開低谷的行船方案。因此,對于受不穩(wěn)定流影響的三河壩站、留隍站,枯水期日最低水位是一個重要參數(shù)。采用日最低水位累積頻率法(P=90%)分別進行設計最低通航水位計算,枯水期日最低水位資料選用上游青溪及蓬辣灘水電站建成正常運行后的2002—2006年系列,計算結果見表3。

表3 設計最低通航水位結果 m

從計算結果看,相同系列采用累積頻率法得到的日最低水位比采用綜合歷時曲線法得到的日最低水位低。其中,三河壩站低0.46m,留隍站低0.19m?；谌站慌c最低水位有上述差別,且韓江運輸主要是在水電站調峰發(fā)電的狀態(tài)下開展,因此日最低水位應作為衡量航道水深的重要參數(shù)。經上述分析,最低水位累積頻率法與綜合歷時曲線法之差即可認為是水電站調峰對水位的影響。

3.2 河床下切對設計最低通航水位的影響

航道整治中常用的設計最低通航水位是設計最小流量的相應水位,并以此來衡量航道尺度[9-10]。但由于設計最小流量資料不易為人們直接獲得,而水位則只要觀讀水尺就能很容易知道,因此,航道工作者一般是以設計最低通航水位來衡量航道的尺度。潮安河段由于大規(guī)模采沙,使河床過水斷面形狀及尺度發(fā)生了較大的變化,引起了相同流量條件下水位逐年下降,使規(guī)范中以水位系列為基礎資料的計算所得結果不符合實際情況。但依據(jù)規(guī)范[6-10],設計最低通航水位是設計最小流量相應的水位。從定義上來看,設計最低通航水位是以流量為基礎的,只要上游來水情況不變,流量基本不會隨河床的下切而發(fā)生大的變化。因此,筆者以流量系列為基礎,首先確定設計最小通航流量,然后依據(jù)近期水位～流量關系曲線確定設計最低通航水位。

3.3 設計最低通航水位的確定

綜上分析,三河壩站設計最低通航水位采用綜合歷時曲線法與累計頻率法計算結果的平均值(取1994—2006年系列),考慮其受不穩(wěn)定流影響,不穩(wěn)定流影響值可采用 0.46m。同樣,留隍站的設計最低通航水位采用綜合歷時曲線法與累計頻率法計算結果的平均值(取1994—2006年系列),另外應考慮不穩(wěn)定流的影響值0.16m。潮安站由于受不穩(wěn)定流影響程度較小,其水位下降主要為人為挖沙影響。因此,潮安站設計最低通航水位的確定采用流量保證率～頻率法,即先確定設計流量,然后由設計流量依據(jù)水位～流量關系曲線查得水位,以該水位作為設計最低通航水位[11-12]。本文計算資料系列采用與上述相同系列(即1994—2006年系列),以計算流量225.1m3/s作為設計流量,然后由設計流量在該站的水位～流量關系曲線上查得該站的設計最低通航水位為3.65m。

根據(jù)以上計算分析,結合韓江干流河段不穩(wěn)定流、人為采沙的影響,確定各水文站設計最低通航水位:三河壩站設計最低通航水位為33.69m,留隍站設計最低通航水位為14.18m,潮安站設計最低通航水位為3.65m。

4 結 語

隨著社會的發(fā)展,河流資源不斷得到開發(fā)。在河流資源開發(fā)的同時,人類活動對河道水文特性的影響也越來越大。河道水文特性的變化直接影響航道尺度的改變。在深入分析依據(jù)規(guī)范方法計算的韓江設計最低通航水位的基礎上,針對不穩(wěn)定流的影響及人為采砂、河床大幅度下切等河道特性的變化,對干流水文站的設計最低通航水位進行深入分析,得出了較符合實際的韓江干流三河壩、留隍和潮安站的設計最低通航水位,其成果可為韓江及類似航道設計提供參考。

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