京杭運(yùn)河棗莊段汛期泄洪定量分析及交通管制建議

◎邵學(xué)良 石巖 棗莊市港航和機(jī)場建設(shè)發(fā)展中心 高進(jìn) 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

1.引言

山東省棗莊市是一座運(yùn)河古城，素有“魯南明珠”之稱，大運(yùn)河流經(jīng)該市，沿線文化遺產(chǎn)資源豐富，文化底蘊(yùn)深厚。京杭運(yùn)河棗莊段地處山東最南端，南與江蘇省接壤，不僅承載著航運(yùn)功能，還承擔(dān)了每年南四湖汛期泄洪、防洪的重任。近年來隨著現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，各類船舶的數(shù)量不僅越來越多，大型化程度也越來越高，汛期泄洪水流對(duì)船舶的通航安全影響的重要性日漸凸顯。京杭運(yùn)河棗莊段每年汛期泄洪期間，都不可避免地出現(xiàn)安全隱患甚至是險(xiǎn)情及安全事故。如2021年棗莊市水上救援搜救中心共接警27起，主要事故為擱淺、碰撞、走錨失控事故（三者占全部事故的74%）。事故發(fā)生時(shí)間主要集中在汛期。

為保障汛期通航安全與通航效率，棗莊市地方海事局也制定了《京杭運(yùn)河棗莊段汛期實(shí)施水上交通管制的通告》，提出當(dāng)京杭運(yùn)河主航道泄洪流量大于600m/s時(shí)全面禁航。但因數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)論證，曾多次被船民認(rèn)為數(shù)據(jù)偏保守，降低了通航效率。

汛期相關(guān)內(nèi)河交通管制研究是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。針對(duì)汛期珠江口水域船舶通航事故問題，胡建軍通過分析泊船斷纜離綁等原因，從汛期、船舶、碼頭等多角度進(jìn)行了綜合分析，給出了防范性建議，以降低汛期事故的發(fā)生。李紅剛等探討了汛期徑流預(yù)測問題，構(gòu)建了徑流數(shù)學(xué)模型，為梯級(jí)水電站水庫群聯(lián)合調(diào)度提供了基礎(chǔ)。王迎飛等基于注意力機(jī)制的LSTM深度學(xué)習(xí)模型，研究了長江汛期水位預(yù)測，提高了水位預(yù)測的精度，為長江航道、港航管理部門提供了參考方法。陳東元針對(duì)三峽到葛洲壩兩壩間汛期船舶通航問題，采用實(shí)船實(shí)驗(yàn)的方法，通過分析大量實(shí)船測試數(shù)據(jù)，給出了汛期船舶性能參數(shù)數(shù)據(jù)，為汛期船舶交通管理提供了樣本數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。謝云云等針對(duì)三峽河段汛期船舶交流流量開展研究，重點(diǎn)分析了船舶交通流量突變特征，為三峽河段汛期交通組織優(yōu)化和通航安全提供了重要方法支撐。馮志濤等人針對(duì)三峽河段2020年汛期數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，給出了險(xiǎn)情的主要成因，并提出了一系列建議措施保障通航安全。孟曉君以長江江陰段為例分析了汛期船舶與岸基碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

為保障京杭運(yùn)河棗莊段汛期泄洪時(shí)段的通航安全，本文通過對(duì)通航環(huán)境相關(guān)要素、汛期泄洪水流對(duì)船舶通航的影響等進(jìn)行分析，構(gòu)建泄洪流量與水流的定量化分析，并據(jù)此給出通航建議，為下一步航道通航安全管理提供依據(jù)和建議，以進(jìn)一步發(fā)揮京杭運(yùn)河棗莊段二期通航、蓄水、防洪等綜合功能和效益。

2.京杭運(yùn)河棗莊段介紹

京杭運(yùn)河棗莊段已建有兩個(gè)航運(yùn)樞紐——臺(tái)兒莊船閘和萬年閘船閘，分別為京杭運(yùn)河長江以北第九個(gè)梯級(jí)和第十個(gè)梯級(jí)。本文將京杭運(yùn)河棗莊段分為韓莊船閘（濟(jì)寧）～萬年閘船閘，萬年閘～臺(tái)兒莊船閘，臺(tái)兒莊船閘～蘇魯省界三部分進(jìn)行評(píng)估。具體情況如下：

（1）韓莊船閘～萬年閘船閘。本段航道長約15.6km，航道口寬約225m，航道較為順直，彎曲半徑600～800m。兩側(cè)防洪大堤沿河布設(shè)，大堤外側(cè)灘地寬不小于100m，高程在▽30.0～▽34.0。本段河道底寬平均200 m，底高程平均約▽24.3，水深平均約5.1m，水下邊坡多數(shù)在1:3～1:5之間。

（2）萬年閘船閘～臺(tái)兒莊船閘。本段航道長17.3km，航道口寬約150 m，航道較為順直，轉(zhuǎn)彎半徑600～800m，兩岸灘地寬不小于200m，高程在▽30～▽26.5，水深3.5m左右。

（3）臺(tái)兒莊船閘～蘇魯省界。本段航道約長5.5km，航道較為順直，口寬約130m，兩岸灘地寬不小于200m，高程約在▽26.0，航道右岸有一處臺(tái)兒莊船閘下游遠(yuǎn)調(diào)站。該段河底高程▽15.8，水深平均約5.4m，水下邊坡多數(shù)在1:4～1:8之間。

在萬年閘船閘～臺(tái)兒莊船閘區(qū)間還有兩條重要支汊河流——大沙河、伊家河。兩條支汊河流對(duì)京杭運(yùn)河主航道的船舶通航也有一定的影響。

3.模型構(gòu)建與求解

3.1 京杭運(yùn)河棗莊段二期航道基礎(chǔ)條件

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》（JTJ 312—2003）對(duì)航道的通航水流條件有明確的規(guī)定：

1）航道內(nèi)的最大縱向表面流速和局部比降宜滿足設(shè)計(jì)船舶或船隊(duì)自航上灘的要求。

2）取水工程的進(jìn)口和排水工程的出口處，航道橫向流速不應(yīng)超過0.3 m/s，回流流速不應(yīng)超過0.4m/s。

圖1 京杭運(yùn)河棗莊段的支汊河流

3）航道內(nèi)的滑梁水、剪刀水、泡漩水和掃彎水等不良流態(tài)不得影響船舶安全航行。

京杭運(yùn)河棗莊段主航道規(guī)劃等級(jí)為二級(jí)。目前，京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程正在實(shí)施，韓莊運(yùn)河全線將按Ⅱ級(jí)雙線航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治，設(shè)計(jì)最大船舶等級(jí)2000t。根據(jù)《京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程初步設(shè)計(jì)》，航道寬度采用以下公式計(jì)算：

其中，

B——直線段雙線航道寬度（m）；

B——下行船舶或船隊(duì)航跡帶寬度（m）；

B——上行船舶或船隊(duì)航跡帶寬度（m）；

d——下行船舶或船隊(duì)外舷至航道邊緣的安全距離（m）；

d——上行船舶或船隊(duì)外舷至航道邊緣的安全距離（m）；

C——船舶或船隊(duì)會(huì)船時(shí)的安全距離（m）；

B——下行船舶或船隊(duì)寬度（m）；

L——下行頂推船隊(duì)長度或者貨船長度（m）；

β——船舶或船隊(duì)航行漂角（°)，I～Ⅴ級(jí)航道可取3°，Ⅵ、Ⅶ級(jí)航道可取2°；

B——上行船舶或船隊(duì)寬度（m）；

L——上行頂推船隊(duì)長度或者貨船長度（m）。

代表船型選1 頂+2×2000 t 頂推船隊(duì)計(jì)算時(shí)，B最大。其船隊(duì)主尺度為180×13.8，代入公式得B=74.9m。由此可以得出京杭運(yùn)河棗莊段二期航道寬度。

3.2 泄洪流量模型

經(jīng)調(diào)研，汛期流量較大且對(duì)京杭運(yùn)河棗莊段主航道有影響的支汊河流為大沙河和伊家河。大沙河河道與京杭運(yùn)河主航道夾角約為63°。伊家河河道與京杭運(yùn)河主航道夾角約為22°。

圖2 船舶受橫流作用示意圖

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）“船閘引航道、口門區(qū)及連接段應(yīng)避免出現(xiàn)影響船舶、船隊(duì)航行和停泊安全的泄水波、泡漩和紊流等不良水流條件”，“船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大流速限制應(yīng)符合表1的規(guī)定”。

表1 口門區(qū)水流表面最大流速限值（單位：m/s）

航線附近的斜向水流在航線上的垂直分量即為橫向流速，其大小與斜流流速、斜流與航線的夾角有關(guān)，且斜流流速越大、斜流與航線夾角越大，橫流流速就越大，如式2表示：

其中，V為橫向流速；V為斜流流速；θ為水流與航線之間的夾角。

目前京杭運(yùn)河棗莊段Ⅱ級(jí)航道整治工程還未完工，本文未能實(shí)時(shí)測量主航道水流流速，采用泄洪流量/航道斷面面積推算水流流速。

1）萬年閘船閘。根據(jù)《京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程（馬蘭大橋以上）施工圖設(shè)計(jì)》，萬年閘船閘上游引航道口門處航道與水流的夾角θ為23°，因通航允許最大橫流為0.3 m/s，反推最大流速為V=0.768m/s。

再根據(jù)京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程（馬蘭大橋以上）航道截面圖計(jì)算航道截面面積。京杭運(yùn)河棗莊段馬蘭大橋以上航道半幅斷面圖如圖3所示。

圖3 京杭運(yùn)河棗莊段馬蘭大橋以上航道半幅斷面圖

因萬年閘船閘上游引航道口門處寬約224m，萬年閘船閘閘門頂高程30.5m，河道底高程為24.6m，計(jì)算萬年閘船閘上游引航道口門處斷面面積為1321.6m。

綜上可得，最大泄洪流量為1014.99m/s。因此，當(dāng)萬年閘節(jié)制閘泄洪流量達(dá)到1014.99m/s時(shí)，萬年閘船閘應(yīng)禁航。

2）臺(tái)兒莊船閘。京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程涉及優(yōu)化臺(tái)兒莊船閘上游口門處的通航條件，施工方案對(duì)京杭運(yùn)河主航道的伊家河口至臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門處拓寬，以加大臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門處的河道過水面積，從而減小水流流速，降低水流對(duì)船舶通航的影響。目前該項(xiàng)工作已完成施工圖設(shè)計(jì)。故分別計(jì)算竣工前后臺(tái)兒莊船閘允許通航的最大流量。

①竣工前。臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門處航道寬約150m，伊家河上游航道寬約170m，臺(tái)兒莊節(jié)制閘的閘門頂標(biāo)高25.9m，因此，萬年閘船閘—臺(tái)兒莊船閘段實(shí)際最高通航水位不高于25.9m。

根據(jù)《京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程（馬蘭大橋以下）施工圖設(shè)計(jì)》，臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門處航道與水流的夾角θ為17°，因通航允許最大橫流為0.3m/s，反推最大流速為V=1.026m/s。

根據(jù)京杭運(yùn)河棗莊段二級(jí)航道整治工程（馬蘭大橋以下）航道截面圖計(jì)算河道截面面積。京杭運(yùn)河棗莊段馬蘭大橋以下航道半幅斷面圖如圖4所示。計(jì)算臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門處斷面面積為733.75m。

圖4 京杭運(yùn)河棗莊段馬蘭大橋以下航道半幅斷面圖

綜上可得，臺(tái)兒莊船閘允許通航的最大泄洪流量為752.8275m/s。因此，當(dāng)臺(tái)兒莊節(jié)制閘泄洪流量達(dá)到752.8275m/s時(shí)，臺(tái)兒莊船閘應(yīng)禁航。

②竣工后。根據(jù)《京杭運(yùn)河棗莊段（馬蘭大橋以下）二級(jí)航道整治工程施工圖設(shè)計(jì)》，將現(xiàn)伊家河口至臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門處運(yùn)河主航道由原有150m拓寬至200m，如圖5所示。該工程完工后，該段河道橫截面積為991.25m，對(duì)應(yīng)的允許通航的流量為1017.0225m/s。

圖5 臺(tái)兒莊船閘上游引航道竣工后航道寬度示意圖

因此，當(dāng)伊家河口至臺(tái)兒莊船閘上游引航道口門拓寬工程竣工后，臺(tái)兒莊船閘允許通航最大泄洪流量可增至1017.0225m/s。

4.交通管制方案

本文綜合考慮萬年閘船閘與臺(tái)兒莊船閘目前允許通航的最大流量，建議選取兩者較小的752.8m/s作為京杭運(yùn)河棗莊段允許通航的最大流量。結(jié)合已制定的《棗莊市港航和機(jī)場建設(shè)發(fā)展中心防汛應(yīng)急預(yù)案》《京杭運(yùn)河棗莊段汛期實(shí)施水上交通管制的通告》，以及結(jié)合計(jì)算結(jié)論和現(xiàn)場伊家河口、大沙河口的情況，建議禁、限行方案如下：

（一）當(dāng)泄洪流量≥100m/s，≤200m/s時(shí)，嚴(yán)禁所有在航船舶相互追越、齊頭并進(jìn)以及橋下交會(huì)。

（二）當(dāng)泄洪流量＞200m/s，≤700m/s，晚18時(shí)至早6時(shí)，禁止所有船舶過閘；早6時(shí)至晚18時(shí)，可允許具備安全條件的單機(jī)船以及上行船隊(duì)過閘，禁止下行船隊(duì)過閘。在建水運(yùn)工程停止水上項(xiàng)目施工。

（三）京杭運(yùn)河棗莊段泄洪流量＞700m/s時(shí)，京杭運(yùn)河棗莊段24小時(shí)全線禁航，禁止在建水運(yùn)工程水上項(xiàng)目及運(yùn)河沿岸項(xiàng)目施工。

（四）伊家河泄洪流量達(dá)到100m/s時(shí)，禁止臺(tái)兒莊船閘調(diào)度下行船隊(duì)過閘。

（五）大沙河泄洪流量達(dá)到100m/s時(shí)，應(yīng)禁止船隊(duì)通過大沙河與京杭運(yùn)河主航道交匯口。

建議響應(yīng)等級(jí)如下：

響應(yīng)等級(jí)

（一）三級(jí)是指：當(dāng)臺(tái)兒莊節(jié)制閘、萬年閘節(jié)制閘、劉莊節(jié)制閘中有一座節(jié)制閘開始泄洪且小于每秒200立方米時(shí)。

（二）二級(jí)是指：當(dāng)臺(tái)兒莊節(jié)制閘、萬年閘節(jié)制閘、劉莊節(jié)制閘中有一座節(jié)制閘泄洪流量大于每秒200立方米且小于700立方米時(shí)。

（三）一級(jí)是指：當(dāng)臺(tái)兒莊節(jié)制閘、萬年閘節(jié)制閘中有一座節(jié)制閘泄洪流量大于每秒700立方米時(shí)。

5.結(jié)論與展望

本文依據(jù)京杭運(yùn)河棗莊段二期航道基礎(chǔ)條件，提出了京杭運(yùn)河棗莊段二期航道泄洪流量模型，給出了汛期交通管制量化方案。首先，通過分析京杭運(yùn)河棗莊段二期航道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得出設(shè)計(jì)航道寬度；其次，綜合運(yùn)用航道施工數(shù)據(jù)和水流計(jì)算方法，構(gòu)建了泄洪流量計(jì)算模型，計(jì)算得出京杭運(yùn)河棗莊段二期航道不同船閘段間的最大泄洪流量；最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合已有管理部門應(yīng)急預(yù)案，給出汛期量化交通管制方案。

由于現(xiàn)場勘查的限制，在研究過程中仍存在一些不足之處，后續(xù)工作可從以下兩個(gè)方面展開：

（1）本文所利用的水流和航道數(shù)據(jù)反應(yīng)航道總量趨勢(shì)，針對(duì)各季節(jié)的動(dòng)態(tài)變化未做細(xì)化計(jì)算。如何進(jìn)行更精細(xì)動(dòng)態(tài)計(jì)算，后續(xù)還需要進(jìn)一步研究。

（2）本文方法在應(yīng)用過程中，還需進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法構(gòu)建動(dòng)態(tài)邊界，進(jìn)一步提升算法的智能化。