西江航運干線（廣西段）設計最高通航水位標準探討

普曉剛，韋巨球，劉俊濤

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.廣西壯族自治區(qū)港航管理局，南寧530012）

西江航運干線（廣西段）設計最高通航水位標準探討

普曉剛1，韋巨球2，劉俊濤1

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.廣西壯族自治區(qū)港航管理局，南寧530012）

依據(jù)南寧、貴港、大湟江口和梧州水文站多年實測水位、流量資料，分析了西江航運干線（廣西段）水文特征，統(tǒng)計分析了各站不同洪水重現(xiàn)期洪水位及歷時，依據(jù)現(xiàn)行《內(nèi)河通航標準》（GB50139-2014），結合研究河段山區(qū)河流特點，探討了研究河段I級航道設計最高通航水位的洪水重現(xiàn)期采用5 a的可行性，并分析了其對西江航運干線通航的影響。

最高通航水位；洪水重現(xiàn)期；標準；西江

內(nèi)河設計最高通航水位是指河流中標準船舶或船隊容許在港口、航道、船閘、升船機和船廠水工建筑物等進行正常營運作業(yè)時的上限臨界水位。對于無潮暢流河道設計最高通航水位的確定方法，國際上的計算方法大體上可分為高水保證率（或歷時率）法、頻率-保證率法、頻率（或重現(xiàn)期）法和警示水位法等［1-2］。我國現(xiàn)行《內(nèi)河通航標準》規(guī)定，不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設計最高通航水位采用洪水頻率法確定，如I～III級航道設計最高通航水位的洪水重現(xiàn)期采用20 a［3］。然而，國內(nèi)不少學者對于內(nèi)河設計最高通航水位確定的方法提出了不同觀點，例如，唐存本［4］提出對于山區(qū)天然河流應根據(jù)其實際情況由頻率法改成保證率法較合理；郝嶺［5］研究探討了采用高水通航歷時保證率法確定內(nèi)河船閘設計最高通航水位的可行性和合理性，并對嘉陵江IV級船閘水位選用標準提出了高水通航歷時保證率99%的建議值。本文主要結合西江航運干線（廣西段）水文特點，依據(jù)現(xiàn)行《內(nèi)河通航標準》，探討了研究河段I級航道設計最高通航水位的洪水重現(xiàn)期建議標準值，并分析了其對西江航運干線通航的影響，供其他類似項目參考。

1 西江航運干線概況

西江航運干線由郁江、潯江、西江、珠江組成，西起南寧，過貴港、梧州，東達廣州，全長851 km，為我國內(nèi)河高等級航道“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”主骨架中的“一橫”，根據(jù)《珠江流域綜合規(guī)劃（2012～2030年）》，西江航運干線為Ⅰ級航道。

西江航運干線廣西段航道里程570 km，起于南寧市民生碼頭，止于兩省界。經(jīng)過多次航道規(guī)劃技術等級提升和多年航道建設，廣西段現(xiàn)基本達到了Ⅱ級航道標準。其中，2009年12月，貴港至梧州Ⅱ級航道工程建成，廣西首條Ⅱ級航道通航，航道建設尺度為3.5 m×80 m×550 m。南寧至貴港Ⅱ級航道工程于2011年11月正式開工建設，航道建設尺度為3.5 m×80 m×550 m，已于2013年底試通航，2 000 t級船舶或船隊可從南寧港直航粵港澳，聯(lián)通我國大西南和粵港澳的西江航運干線“水上大動脈”運能將大幅提升。

西江航運干線沿江已建成了西津水利樞紐、貴港航運樞紐、桂平航運樞紐和長洲水利樞紐，樞紐上、下游水位基本銜接，渠化了航道里程547 km，為Ⅰ級航道建設打下了較好基礎。

2 水文特征

西江航運干線（廣西段）自上至下分別有南寧、貴港、大湟江口、梧州等4個水文站（以下統(tǒng)稱“站”），水文特征分析依據(jù)各站1986～2012年共27 a的逐日水位、流量資料。

2.1 徑流特征

（1）徑流年內(nèi)分配不均，季節(jié)差異較大。

研究河段所處的西江流域徑流主要由降雨形成，流域內(nèi)干、支流的洪、枯水出現(xiàn)與降雨時空分布具有同一規(guī)律性，汛期為5～10月，枯水期為11月～次年4月初。徑流年內(nèi)分配主要集中在汛期，汛期水量占年總量的80%，其中6～8月最大，占55%，枯水期11～次年4月僅占年總水量的20%。

（2）徑流年際變化較小，年極值變化較大。

南寧、貴港、大湟江口、梧州等4站的年平均流量基本圍繞著多年平均值變動，多年來基本穩(wěn)定，年際變化較小，各站多年最大年平均流量為最小年平均流量的2.4倍左右。各站最大與最小流量相差均較大，其中，貴港站日均流量極值比最大，為213，日均流量最大為16 000 m3/s，最小為75 m3/s；大湟江口站日均流量極值比最小，為71，日均流量最大為43 700 m3/s，最小為616 m3/s。

2.2 洪枯水特征

通過對南寧、貴港、大湟江口、梧州等4站多年逐日水位過程線分析，結果表明各站年內(nèi)洪水變幅較大，具有山區(qū)河流洪水暴漲暴落的特點。以各站2004年水位過程線為例（圖1），各站年內(nèi)日均最高洪水出現(xiàn)在7月23～24日，最高洪水位前后4 d水位變幅統(tǒng)計見表1。可以看出，各站漲水期日均水位變幅大于落水期，各站洪峰前4 d漲水期水位累計漲幅為4.94～10.76 m，日均變幅在1.2～2.7 m；洪峰后4 d落水期累計降幅為3.26～6.49 m，日均變幅在0.8～1.6 m。

各站逐年最高、最低水位變化分析結果表明，年最高水位不同年份變化幅度均較大，介于10～13 m；年最低水位不同年份間變化幅度較小，一般介于1～2 m。

圖12004年4站日均水位過程線Fig.1Daily average water level hydrographs of 4 hydrological stations in 2004

3 不同重現(xiàn)期洪水位及歷時分析

3.1 不同重現(xiàn)期洪水位特征分析

（1）分析資料系列。

根據(jù)《內(nèi)河通航標準》和《內(nèi)河航運工程水文規(guī)范》［6］關于對設計通航水位資料要求的規(guī)定：“當基本站資料具有良好的一致性時，應取近期連續(xù)資料系列，取用年限不短于20年”。雖然研究河段基本為渠化或即將被渠化河段，但沿江已建梯級除西津樞紐外，基本為徑流式樞紐，洪水期泄水閘敞泄，河道基本恢復天然狀態(tài)，洪水期水位具有較好的一致性；而西津樞紐建成年代較早（1961年開始蓄水），不影響上游南寧水文站洪水位資料的一致性。因此，采用各水文站1986～2012年27 a資料進行分析，符合標準規(guī)范的要求。

（2）分析方法及成果。

采用洪水水位頻率法分析，即將歷年最高水位按大小排列，計算經(jīng)驗頻率，點繪頻率曲線，采取皮爾遜Ⅲ型曲線計算理論頻率進行適線，并確定取值。分析得各站洪水重現(xiàn)期2 a、3 a、4 a、5 a、10 a、15 a、20 a的特征水位如表2、表3。

可以看出，各站同一級別重現(xiàn)期水位的差值接近，且相鄰重現(xiàn)期水位差值均隨洪水重現(xiàn)期的減小逐漸增加。以南寧水文站為例，洪水重現(xiàn)期20 a與15 a間水位差值為0.53 m，相鄰重現(xiàn)期年均差值約為0.11 m；洪水重現(xiàn)期10 a與5 a間水位差值為1.64 m，相鄰重現(xiàn)期年均差值約為0.33 m；洪水重現(xiàn)期5 a與4 a間水位差值增至0.55 m，而洪水重現(xiàn)期3 a與2 a間水位差值最增至1.28 m。

表12004年4站最高洪水位前后4 d水位變幅統(tǒng)計Tab.1Water levels changes in 4 d before and after the highest flood water level of 4 hydrological stations in 2004

表2各站不同洪水現(xiàn)期水位Tab.2Different flood recurrence intervals in hydrological stations m

表3各站不同洪水現(xiàn)期水位之間差值Tab.3Differences between flood recurrence intervals in hydrological stations m

3.2 不同重現(xiàn)期洪水位歷時分析

采用上述各站1986～2012年27 a逐日平均水位資料，各站歷年洪水位高于不同洪水重現(xiàn)期對應水位的歷時統(tǒng)計結果見表4?？梢钥闯?，研究河段具有洪峰歷時短的山區(qū)河流特征，高于某一特征洪水歷時隨重現(xiàn)期的減小而增加。以貴港水文站為例，高于20 a、5 a、2 a一遇水位的多年累積歷時分別為9 d、29 d、116 d，平均每年分別為0.3 d、1.1 d、4.3 d。

此外，通過對各站不同重現(xiàn)洪水位與歷時進行相關分析（圖2），可以看出，在5 a一遇洪水附近存在一處臨界點，即重現(xiàn)期大于5 a一遇和小于5 a一遇時，洪水水位與高于該水位的歷時服從不同的線性相關。

表4各站1986～2012年高于各洪水重現(xiàn)期水位歷時統(tǒng)計Tab.4Duration statistics of which the water level was higher than that in flood recurrence intervals in hydrological stations during 1986 to 2012d

圖2不同水文站特征洪水歷時與重現(xiàn)期進行相關性Fig.2Correlation between durations and recurrence intervals in hydrological stations

當重現(xiàn)期大于5 a一遇時，隨洪水位增加，高于相應洪水位的歷時雖有所減小，但幅度不大，南寧、貴港、大湟江口、梧州等4站，特征洪水位與歷時線性相關中K值分別為-8.60、-7.44、-6.33、-6.04，即水位每升高1 m，統(tǒng)計27 a間洪水歷時分別減少8.60、7.44、6.33、6.04 d，年均減少0.32、0.28、0.23、0.22 d。

而重現(xiàn)期小于5 a一遇時，隨洪水水位減小，洪水歷時明顯增加，4站特征洪水位與歷時線性相關中K值分別為-23.93、-39.06、-20.03、-24.36，即水位每降低1 m，年均增加0.89、1.45、0.74、0.90 d，約為前者的3～5倍。

4 不同重現(xiàn)期水位與封航水位對比分析

廣西主要通航河流多屬山區(qū)性河流，在大洪水期間河道水流急、流態(tài)差，漂浮物多。因此，在發(fā)生大洪水期間，為確保船舶航行安全，海事部門將根據(jù)河流水流實際情況，發(fā)布通航應急預警，當洪水位超過當?shù)亟剿缓?，采取應急封航措施，禁止船舶航行。根?jù)廣西海事部門提供的資料，各航區(qū)封航水位見表5?？梢钥闯觯骱絽^(qū)封航水位均低于5 a一遇洪水位。其中，南寧航區(qū)與5 a一遇洪水位相當；貴港航區(qū)與4 a一遇洪水位相當；梧州航區(qū)低于4 a一遇洪水位，稍高于3 a一遇洪水位。

表5各航區(qū)封航水位與不重洪水期水位對比表Tab.5Comparison of navigational bound water level and the varied flood recurrence interval water levels in hydrological stations m

5 Ⅰ級航道設計最高通航水位建議標準值

現(xiàn)行《內(nèi)河通航標準》已經(jīng)注意到平原河流和山區(qū)河流水文過程特點的差異，對于較低等級的航道，標準規(guī)定：“對出現(xiàn)高于設計最高通航水位歷時很短的山區(qū)河流，Ⅲ級航道洪水重現(xiàn)期可采用10年；Ⅳ級和Ⅴ級航道可采用5-3年；Ⅵ級和Ⅶ級航道可采用3-2年”。

由前述分析可知，研究河段屬于山區(qū)河流，其具有以下特點：①洪水暴漲暴落，洪峰歷時短；②因洪水期水流急、流態(tài)差，海事管理機構為了確保船舶通航安全發(fā)布封航通告禁止船舶航行，實際上降低了最高通航水位標準。

根據(jù)研究河段各站不同重現(xiàn)期洪水位及歷時特征分析，洪水重現(xiàn)期小于5 a一遇時，高于不同重現(xiàn)期對應水位的歷時隨重現(xiàn)期的減小顯著增加；此外，各航區(qū)封航水位均低于5 a一遇洪水位，即設計最高通航水位洪水重現(xiàn)期標準取5 a已大于實際通航標準。因此，提出西江航運干線（廣西段）設計最高通航水位標準重現(xiàn)期5 a的建議值。

6 建議標準值對船舶運輸影響分析

為對比分析前述提出的西江航運干線（廣西段）設計最高通航水位建議標準值對船舶運輸影響，4站1986～2012年歷年洪水位高于5 a一遇洪水歷時進行了統(tǒng)計，并與《內(nèi)河通航標準》規(guī)定20 a一遇洪水及各航區(qū)封航水位進行對比分析，結果如表6。

可以看出，各站高于5 a一遇水位的多年累積歷時介于10～35 d，平均每年0.4～1.3 d，洪水保證率介于99.64～99.99%；高于20 a一遇水位的多年累積歷時介于0～9 d，平均每年0～0.3 d，洪水保證率介于99.91～100%；高于封航水位多年累積歷時介于43～45 d，平均每年約1.6 d，洪水保證率約99.55%。因此，最高通航水位洪水重現(xiàn)期標準為5 a與20 a相比，對船舶運輸影響平均每年相差僅1 d左右，而高于各航區(qū)封航水位的要求。因此，提出的西江航運干線（廣西段）設計最高通航水位標準對船舶運輸影響較小。

表6不同最高通航水位標準對應的多年平均歷時及洪水保證率對比Tab.6Comparison of the multiyear average flood duration and the flood guaranteed rate corresponding to different highest navigable stage standards

7 結語

（1）西江航運干線（廣西段）具有洪水暴漲暴落、洪峰歷時短的山區(qū)河流特征，特征洪水歷時隨重現(xiàn)期的減小而增加。在5 a一遇洪水附近存在一處臨界點，即重現(xiàn)期大于5 a一遇和小于5 a一遇時，洪水水位與高于該水位的歷時服從不同的線性相關。當重現(xiàn)期大于5 a一遇時，高于不同重現(xiàn)期對應水位的歷時隨重現(xiàn)期的增加稍有增加；而重現(xiàn)期小于5 a一遇時，高于不同重現(xiàn)期對應水位的歷時隨重現(xiàn)期的減小顯著增加。

（2）依據(jù)《內(nèi)河通航標準》，結合（1）水文特點及洪水期封航的實際情況，提出西江航運干線（廣西段）設計最高通航水位的洪水重現(xiàn)期選取5 a的建議值。最高通航水位洪水重現(xiàn)期標準為5 a與20 a相比，對船舶運輸影響平均每年相差僅1 d左右，影響較小，而高于各航區(qū)封航水位的要求。

（3）建議對于洪峰期歷時短的山區(qū)河流，可根據(jù)不同洪水重現(xiàn)期水位以上的歷時情況，考慮采用適當降低洪水重現(xiàn)期的方法，確定設計最高通航水位標準。

［1］閔朝斌.關于內(nèi)河設計最高通航水位的標準和計算方法的研究［J］.水運工程，2004，366（7）：52-55. MIN C B.Research on Standards and Calculation Methods of Designed Highest Navigable Water Level of Inland River［J］.Port& Waterway Engineering，2004，366（7）：52-55.

［2］閔朝斌.從美國橋梁的最高通航設計水位談起［J］.水運工程，2007，402（5）：83-85. MIN C B.On the Maximum Navigable Designed Water Level of Bridge in the USA［J］.Port&Waterway engineering，2007，402（5）：83-85.

［3］GB50139-2014.內(nèi)河通航標準［S］.

［4］唐存本，貢炳生，張賢明.山區(qū)天然河流設計最高通航水位確定方法的探討［J］.水運工程，2007，401（4）：66-69. TANG C B，GONG B S，ZHANG X M.On Methods for Determining the Design Highest Navigable Stage of Natural Rivers in Moun?tain Areas［J］.Port&Waterway Engineering，2007，401（4）：66-69.

［5］郝嶺，譚先澤，吳文鳳.山區(qū)河流船閘設計最高通航水位研究［J］.水運工程，2005，375（4）：52-55. HAO L，TAN X Z，WU W F.Designed Highest Navigable Stage of Shiplock in Mountainous River［J］.Port&Waterway Engineer?ing，2005，375（4）：52-55.

［6］JTS 145-1-2011，內(nèi)河航運工程水文規(guī)范［S］.

Discussion on designed highest navigable stage standard of Xijiang River trunk route in Guangxi

PU Xiao?gang1,WEI Ju?qiu2,LIU Jun?tao1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Port and Shipping Administration Bureau,Nanning 530012,China）

Based on the multiyear measured water level and discharge data of the Nanning,Guigang,Da?huangjiangkou and Wuzhou hydrological stations,the hydrological characteristics of Xijiang River trunk route in Guangxi and the flood duration and water level in different flood recurrence intervals of varied hydrological stations were analyzed in this paper.In accordance with currentStandards for Inland Navigation(GB50139-2014)and com?bined with understudied mountain river channel features,the paper discussed the feasibility of which the flood re?currence interval of the highest navigable stage in the understudied river channel would be five years and analyzed how would the flood recurrence interval affect the navigation in the Xijiang River main channels.

the highest navigable stage;flood recurrence interval;standard;Xijiang River

U 612；TV 135

A

1005-8443（2015）06-0550-05

2015-08-11；

2015-10-28

交通運輸部科技項目重大專項黃金水道通過能力提升技術（2011 328 000 80）

普曉剛（1979-），男，河南省周口市人，副研究員，主要從事水利工程及航道工程研究。Biography：PU Xiao?gang（1979-），male，associate professor.