北江清遠(yuǎn)樞紐～三水河口設(shè)計(jì)最低通航水位分析與預(yù)測(cè)

趙學(xué)問(wèn)，車(chē)進(jìn)勝，林超明，覃益官

(廣東省綜合交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510115)

0 前言

北江是珠江水系的第二大河流，其主流湞水發(fā)源于江西省信豐縣石碣大茅坑，干流在三水河口與西江連通后進(jìn)入珠江三角洲，干流全長(zhǎng)468 km，流域面積38 362 km2作為連接廣東省北部和珠江三角洲地區(qū)唯一水上通道，北江水運(yùn)歷史悠久，為沿河兩岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用。特別是隨著北江下游清遠(yuǎn)水利樞紐開(kāi)工建設(shè)，自韶關(guān)市～清遠(yuǎn)水利樞紐河段將基本渠化，為北江中、下游(韶關(guān)市～三水河口)航道等級(jí)的提升創(chuàng)造了契機(jī)。而清遠(yuǎn)樞紐以下河段仍屬于天然河道，近年來(lái)受人類(lèi)活動(dòng)的影響河床和水位變化劇烈［1］，分析并合理預(yù)測(cè)該河段設(shè)計(jì)最低通航水位是航道等級(jí)提升的基礎(chǔ)條件。

根據(jù)《廣東省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》［2］北江濛里～三水河口規(guī)劃為內(nèi)河Ⅲ級(jí)，清遠(yuǎn)樞紐～三水河口屬于其下游河段，本文有關(guān)水文分析均基于該航道規(guī)劃等級(jí)進(jìn)行。以下根據(jù)清遠(yuǎn)樞紐～三水河口河段基本水文站的水文資料，對(duì)該河段設(shè)計(jì)最低通航水位進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。

1 基本水文站水位變化分析

清遠(yuǎn)樞紐～三水河口河段全長(zhǎng)58 km，其中三水水文站位于三水河口，石角水文站位于三水河口上游55 km，北下游示意圖見(jiàn)圖1。上述兩個(gè)水文站的水文資料基本能反映該河段水位變化情況。

圖1 北江(清遠(yuǎn)樞紐～三水河口)地理位置示意圖

1.1 三水水文站

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，珠江三角洲地區(qū)河道受人類(lèi)采砂活動(dòng)的影響，河床普遍下切，引起中、上游干流河道水位顯著下降。為此，收集了三水水文站1990—2010年日均水位、流量和潮位資料。

統(tǒng)計(jì)該站1990—2010年年均流量和年均水位變化情況見(jiàn)圖2。由圖2可知，1993年以前以及2003年以后該站年均流量和年均水位相對(duì)關(guān)系較為穩(wěn)定，其中1993年以前年均水位曲線位于上部，2003年以后年均水位曲線位于下部，而1993—2003年期間年均流量和年均水位相對(duì)關(guān)系較為錯(cuò)亂，相同年均流量對(duì)應(yīng)年均水位逐年下降。因此，2003—2010年短系列的水位資料能更反映該站近期實(shí)際情況。

圖2 三水水文站1990—2010年年均流量和年均水位情況

統(tǒng)計(jì)該站2003—2010年月平均潮位年變幅均值為2.68 m，多年平均潮差為0.60 m，月平均潮位年變幅均值/多年平均潮差＞1，可見(jiàn)該站所在河段受潮汐影響不明顯。根據(jù)規(guī)范［3］［4］的規(guī)定，對(duì)于天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位，若受潮汐影響不明顯則可采用綜合歷時(shí)曲線法或保證率頻率法計(jì)算確定。

如前文所述，年平均流量與年均水位自2003年以后基本穩(wěn)定的情況，且屬于受潮汐影響不明顯河段。因此，其設(shè)計(jì)最低通航水位采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算，統(tǒng)計(jì)該站2003—2010年日均水位多年綜合歷時(shí)曲線見(jiàn)圖3，其中保證率90%、95%、98%的水位分別為0.07 m、0.00 m和 -0.08 m(珠江基面，下同)。

圖3 三水水文站2003—2010年日均水位綜合歷時(shí)保證率曲線

1.2 石角水文站

相對(duì)三水水文站而言，近年來(lái)石角水文站水位與流量關(guān)系穩(wěn)定程度更差，見(jiàn)圖4。由圖4可知，自1990—2010年期間歷年年均流量位于多年平均流量(1349m3/s)上下波動(dòng)，一致性良好，但相同年均流量對(duì)應(yīng)的年均水位卻普遍呈逐年下降趨勢(shì)。如1993年和2010年年均流量均為1 500 m3/s，對(duì)應(yīng)的年均水位卻分別為12.5 m和8.86 m，下降幅度超過(guò)3.6 m。

圖4 石角水文站1990—2010年年均流量和年均水位情況

根據(jù)規(guī)范［4］的規(guī)定，當(dāng)基本站所處河段河床和水文條件出現(xiàn)明顯變化時(shí)，應(yīng)采用流量系列統(tǒng)計(jì)分析確定設(shè)計(jì)流量，通過(guò)近期水位流量關(guān)系推求設(shè)計(jì)水位。

圖5 石角站1990—2010年日均流量綜合歷時(shí)保證率曲線

統(tǒng)計(jì)該站1990—2010年日均水位多年綜合歷時(shí)曲線見(jiàn)圖5，其中保證率90%、95%、98%的流量分別為290 m3/s、250 m3/s和198 m3/s，根據(jù)該站2010年水位流量關(guān)系得到相應(yīng)水位分別為0.58 m、0.43 m和0.16 m。同時(shí)，根據(jù)清遠(yuǎn)樞紐設(shè)計(jì)文件，該樞紐設(shè)計(jì)航運(yùn)基流為237 m3/s，根據(jù)2010年下半年水位～流量關(guān)系查得該流量對(duì)應(yīng)的水位為0.38 m。

但是，由于石角水文站河段河床仍處于變化中，河道的進(jìn)下切將進(jìn)一步導(dǎo)致水位繼續(xù)下降，航道整治或水利工程均需一定的建設(shè)周期，屆時(shí)該站水位又將發(fā)生變化。

2 設(shè)計(jì)最低通航水位預(yù)測(cè)與取值

2.1 三水水文站

從前有關(guān)三水水文站水位變化分析可知，該站年均流量與年均水位關(guān)系在2003年以后趨于穩(wěn)定，其2003—2010年日均水位應(yīng)能反映所在河段水位情況，設(shè)計(jì)最低通航水位可按航道規(guī)劃等級(jí)按規(guī)范［4］選擇相應(yīng)保證率的水位值。

同時(shí)，考慮到三水水文站位于珠江三角洲與珠江干流交界位置，而與之連通的東平水道在該位置設(shè)計(jì)最低通航水位為日最低潮年保證率98%，5年一遇的日最低潮水位-0.37 m(水位系列為1990—2006年)。目前北江中、下游正在開(kāi)展千噸級(jí)航道整治工程前期研究工作，設(shè)計(jì)最低通航水位保證率與東平水道可保持一致?？紤]到2003年以后河床下切對(duì)水位影響較小，并將水文系列延長(zhǎng)，按綜合歷時(shí)曲線法復(fù)核1999—2010年三水水文站日最低潮累積頻率98%對(duì)應(yīng)水位為-0.50 m?？梢?jiàn)三水水文站近年來(lái)低潮也基本保持穩(wěn)定，變化幅度甚小。

為與東平水道設(shè)計(jì)最低通航水位保持銜接，基于上述分析，三水水文站設(shè)計(jì)最低通航水位可與東平水道設(shè)計(jì)最低通航水位保持一致，取-0.37 m。

2.2 石角水文站

如前所述，石角水文站水位流量關(guān)系一直處于變化中，目前尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)論保證率98%的流量或清遠(yuǎn)樞紐設(shè)計(jì)航運(yùn)基流對(duì)應(yīng)的水位未來(lái)仍將進(jìn)一步下降。因此，僅僅基于流量保證率出發(fā)，按現(xiàn)狀水位流量關(guān)系推算石角水文站位置設(shè)計(jì)最低通航水位不合適。

為此，收集并分析了北江下游河段歷年河道地形測(cè)量圖，其中2007年河床下切自三水河口已上溯至界牌洲附近河段。同時(shí)，該年度北江三水河口～飛來(lái)峽水利樞紐河段開(kāi)展了枯水水文測(cè)驗(yàn)工作，其中三水河口～界牌洲河床已下切河段水面落差僅為0.12 m。

因此，考慮到目前北江下游河段河床下切尚未完全上溯至石角水文站位置，宜參考下游已下切河段水面比降進(jìn)行推算，根據(jù)三水水文站取值情況，據(jù)此預(yù)測(cè)石角水文站的設(shè)計(jì)最低通航水位為-0.22 m。亦即當(dāng)該水文站日均水位保證率98%的水位下降至-0.22 m左右時(shí)將趨于穩(wěn)定，不再出現(xiàn)顯著變化。

3 結(jié)語(yǔ)

前文根據(jù)有關(guān)水文分析技術(shù)規(guī)范，對(duì)北江清遠(yuǎn)樞紐～三水河口河段三水水文站和石角水文站的水位近年變化情況進(jìn)行了分析。由分析結(jié)果可知，三水水文站近年來(lái)水位流量關(guān)系基本穩(wěn)定，基于近期的水位資料推算該站所在位置的設(shè)計(jì)最低通航水位是合適的;而石角水文站近年來(lái)水位流量關(guān)系仍處于變化中，隨著河床下切未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)該站所在位置的水位仍將繼續(xù)下降，因此該站最低通航水位宜參考下游水位流量關(guān)系已趨于穩(wěn)定的河段進(jìn)行。

綜合上述分析，并結(jié)合相關(guān)水文測(cè)驗(yàn)、水利樞紐和周邊水道航道整治工程建設(shè)情況，三水水文站設(shè)計(jì)最低通航水位取-0.37 m，并預(yù)測(cè)石角水文站設(shè)計(jì)最低通航水位未來(lái)將在-0.22 m左右達(dá)到穩(wěn)定。上述兩個(gè)基本水文站設(shè)計(jì)最低通航水位的分析結(jié)果，可作為該河段航道整治或水利工程建設(shè)的參考。

［1］彭鉅新.北江下游枯水河床下切與水位下降分析［J］.水運(yùn)工程，2004(07):56-58.

［2］廣東省發(fā)改委.廣東省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃［R］.廣東省發(fā)展和改革委員會(huì)，2011.

［3］中華人民共和國(guó)交通部.GB50139—2004內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國(guó)交通部.JTS 145—1—2011內(nèi)河航運(yùn)工程水文規(guī)范［S］.北京:中國(guó)交通出版社，2011.