山区河流梯级渠化通航设计若干问题探讨

尹维清，戴昌军，钱 俊

(水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010)

长江上游航道多为山区河流，流经峡谷、丘陵和阶地间，河道平面形态复杂，水下礁石密布，航道急、弯、浅、险并存，航行条件较差，航运效能较低。山区河流航道维护难度大，如交通部于上世纪70—90年代对重庆至宜宾进行航道整治后，部分滩险航槽出现回淤，航道条件又开始恶化。从水资源综合利用的角度，通过河段梯级开发渠化河流航道，淹没碍航滩险，结合库尾航道整治工程措施，是山区河流航道建设的有效途径。

金沙江、川江、嘉陵江及乌江等山区河流开发表明，梯级电站通航设计中通航水位、流量、水位变幅等参数的合理确定较为困难:山区河流洪水期历时短、陡涨陡落，水流形态较差，按规范确定的最大通航流量(水位)往往难以满足枢纽下游引航道通航水流条件要求［1］;按电网需求进行电站调峰调度时，枢纽下游河段水位变幅可能难以满足航运部门的要求［2］;枢纽上下游最低通航流量(水位)确定要与上下游梯级枢纽水位衔接，并需考虑已建枢纽调节的影响［3］。

笔者结合山区河流通航设计实践，以乌江为例，对山区河流梯级渠化通航设计若干问题进行了探讨，并提出了有关通航设计的建议。

1 枢纽最大通航流量及水位的确定

根据 GB 50139—2004《内河通航标准》［4］，最大通航流量(水位)一般采用洪水频率方法确定。通航建筑物上游设计最高通航水位应采用枢纽正常蓄水位或设计挡水位和按规定的洪水重现期计算的水位中的高值，下游设计最高通航水位应为相应洪水重现期计算的枢纽下泄流量所对应的最高水位。

山区河流洪水期船舶航行困难，通常以洪水频率方法确定的最大通航流量难以保证航道本身通航水流条件要求。根据SL 104—95《水利工程水利计算规范》［5］有关规定，过坝设计最大通航流量应根据不同通航流量可能受水流条件限制的停航或减载历时，经分析论证拟定。但规范中没有给出不同等级通航建筑物的停航天数等保证率指标。某山区河流电站不同流量级保证率统计成果显示(表1)，20年一遇和2年一遇洪水位差约5.63 m，而高于该流量的历时保证率差仅为0.33%，即年均天数差仅为1.2天。因此，不同洪水频率设计标准对通航建筑物最高通航设计水位影响较大，但通航保证率影响相对较小。

表1 某山区河流电站不同流量级保证率统计成果Tab.1 Parameters of seepage property for sandstone

以乌江为例分析，乌江渡以下规划为IV级航道，按构皮滩、思林、沙沱、彭水、银盘和白马等6级开发。根据GB 50139—2004《内河通航标准》，对出现高于设计最高通航水位历时很短的IV和V级通航建筑物，洪水重现期可采用5～3年。水文计算分析结果表明，构皮滩、思林、沙沱、彭水、银盘、白马坝址5年一遇设计洪峰流量分别为11 100，11 500，12 300，14 400，15 100，17 500 m3/s。

乌江构皮滩以下河段各枢纽通航模型试验和船模试验成果表明:①构皮滩水电站在右岸河道整治基础上，采用分层透水隔流堤后，流量小于2 500 m3/s时，下游引航道停泊段水流条件满足通航标准，口门区内回流流速可满足通航要求，局部范围横向流速超标，但超标范围不大;当流量大于2 500 m3/s时，下游引航道停泊段及口门区内水流条件不能满足通航标准。②思林及沙沱枢纽在下泄流量超过5 000 m3/s时，下游航道流速超过3.0 m/s，难以保障航运安全;当流量为4 420 m3/s时，基本满足流速流态的要求。③彭水水电站在不超过5 000 m3/s流量时，下游引航道口门区航道中心线左侧以回流为主、右侧以斜流为主，大部分范围内的流速值满足要求。虽有少数测点超标，但自航船模仍然能顺利进出口门。当流量进一步增加时，船舶安全过坝难以保障。④银盘水电站距彭水水电站约53 km，区间有郁江汇入，白马水电站距银盘水电站约51 km，根据模型试验和洪水特性分析相应安全通航流量分别为5 500 m3/s和6 000 m3/s。

乌江梯级渠化通航设计表明，若按规范规定的洪水频率方法确定最大通航流量，枢纽下游引航道及口门区水流条件难以满足通航要求。由于山区性河流洪水陡涨陡落的特点，如彭水水电站各典型设计洪水从5 000 m3/s上涨到5年一遇设计洪峰流量15 100 m3/s所需时间一般为2～3天，实际在洪水期也是不通航的，现状年通航保证率约70% ～90%。目前，美国及欧洲均采用历时保证率方法确定最大通航流量，根据模型试验成果，乌江构皮滩、思林、沙沱、彭水、银盘、白马坝址设计最大通航流量分别 采 用 2 500，4 420，4 420，5 000，5 500，6 000 m3/s时，相应历时保证率分别为 96.5%，96.7%，96.5%，96.9%，97%，96.7%，较天然情况提高较多，且基本能够满足船舶安全通航要求。

分析研究表明，规范规定的洪水频率法确定山区河流最大通航流量标准偏高，而规范中最小通航流量及相应水位就是按通航保证率确定的，同一性质问题采用2种方法确定，值得进一步商榷［6］。根据乌江、嘉陵江、川江等枢纽通航设计成果分析，山区河流梯级电站通航建筑物最大通航流量可在模型试验的基础上结合通航历时保证率分析确定，根据航道等级和通航标准，一般可取95% ～99%，且不应低于通航建筑物修建前的通航保证率。

2 枢纽最小通航流量及水位的确定

梯级渠化通航设计中，最小通航流量及相应水位确定关系到枢纽综合效益的发挥，各级枢纽最小通航流量还需相协调，航运部门希望增加最小通航流量以更大程度的改善坝下游的航道条件，发电部门则希望枢纽下泄过程能够与电网调度规则同步。按照GB 50139—2004《内河通航标准》的规定，枢纽上游设计最低通航水位应采用水库死水位和最低运行水位中的低值;下游设计最低通航水位应采用满足一定通航保证率的枢纽瞬时最小下泄流量对应的水位，并计入河床下切和电站日调节等因素引起的水位变化值。当枢纽下游有梯级枢纽时，应考虑与下一梯级的上游设计最低通航水位衔接。历时保证率可采用综合历时曲线法或保证率频率法计算确定，已有研究成果显示［7］，2种方法计算结果存在一定差异，建议交通部门在《内河通航标准》修订时，明确最小通航水位确定的基本方法，避免工程设计中因2种计算成果差异引起发电及航运部门之间的矛盾。本次乌江梯级枢纽采用综合历时曲线法计算最低通航水位。

以乌江为例，构皮滩下游最低通航水位与思林水电站死水位衔接，即为431 m(考虑思林水库淤积回水)，构皮滩水库可不设最小通航流量;思林、沙沱水电站坝下最小通航流量分别为193、228 m3/s，相应流量历时保证率为 98%;彭水、银盘、白马水电站坝下最小通航流量分别为280、345、385 m3/s，相应流量历时保证率为 95%。设计最低通航水位采用上述通航保证率的枢纽瞬时最小下泄流量对应的水位，并计入河床下切和电站日调节等因素引起的水位变化值。其中，银盘水电站建成后，其运行水位与彭水水电站尾水基本衔接，并对彭水水电站的日调峰运行进行反调节，可进一步改善彭水至银盘河段的通航条件，彭水水电站可不设置最低通航流量。

乌江梯级水电站通航水位及流量如表2。

表2 乌江梯级水电站通航水位及流量Tab.2 Parameters of seepage property for sandstone

3 电站调峰调度与坝下游水位变幅

对枢纽下游航道而言，由于水库的调蓄作用，增加了下游枯水期流量，提高枯水期通航水位，改善航运条件。但电站调峰时，根据非恒定流计算分析，对山区性河道，枢纽下泄的非恒定流水位变化幅度较大，可能难以满足航运部门的要求。根据乌江航运管理部门提供的资料，乌江下游河段通航日水位变幅不超高8 m、小时水位变幅不超过1 m。

以乌江为例分析:①构皮滩坝下至思林库区。在思林水库水位为431(死水位)～435 m(汛限水位)时，构皮滩水电站下游河段水位最大日变幅为10.27～7.08 m，水位最大小时变幅小于1 m。②思林坝下至沙沱库区。考虑沙沱水电站回水影响，思林水电站坝下思南县城港口处水位日最大变幅为0.21 ～1.75 m、时段最大变幅为 0.05 ～0.37 m。③沙沱坝下至彭水库区。考虑彭水水电站回水影响，沙沱水电站坝下港口水位日最大变幅为1.23 m、时段最大变幅为0.42 m。④彭水坝下河段。不考虑银盘水电站回水影响，彭水水电站下游彭水港水位最大日变幅7.19 m，最大小时变幅1.58 m。⑤银盘坝下河段。不考虑白马水电站回水影响，银盘水电站坝下游武隆港水位最大日变幅2.37 m，最大小时变幅0.34 m。⑥白马坝下河段，近坝河段水位最大日变幅1.0 m，最大小时变幅0.39 m。

分析表明，乌江梯级水电站不能完全满足航运水位变幅要求。相关研究表明，采取限制电站出力小时变动变幅的措施，可改善整个乌江河段的航运水流条件，使航运作业基本不受影响，但乌江梯级电站以发电为主，是国家西电东送的重要的水电能源基地，限制电站出力将使构皮滩和彭水在电网中不能充分发挥其容量效益;若采用电站调峰通知制度，可使水电站调峰运行时航运限制较少，电站发电运行各项能力大大增加，但在一定时间内，坝下游水位小时变动幅度可能超过航运部门的要求，需要提前通知航运管理部门，发布有关航行通告。

4 结论与建议

以乌江为例，分析了山区河流梯级渠化通航设计中的有关通航流量、水位等，提出了山区河流梯级枢纽通航设计的有关建议。

1)按规范要求采用设计洪水标准来确定山区河流最大通航流量(水位)标准偏高，根据分析，可按规范推荐的最低通航流量(水位)确定方法，在模型试验的基础上结合历时保证率分析确定，根据航道等级和通航标准，历时保证率一般可取95%～99%，且不应低于通航建筑物修建前的通航保证率。

2)枢纽下游最低通航流量(水位)确定可按综合历时曲线法或保证率频率法确定，由于计算成果存在差异，为避免工程设计中发电及航运部门之间的矛盾，建议交通部门在进行《内河通航标准》修订时，明确最小通航水位确定的基本方法。

3)山区性河道弯曲，槽窄水急，电站调度时非恒定流下泄，下游河段水位变化幅度较大，可能难以满足航运部门的要求，其影响主要表现为港区作业，可采取限制电站出力小时变动幅度、增加航运基荷和电站调峰通知制度等措施减缓或消除电站调峰对航运的影响。

4)梯级枢纽通航设计中应考虑上下游梯级通航设计参数的衔接与协调。在枢纽运行期，应做好水库库区及坝下游水文泥沙及通航情况的观测工作，在实船试验的基础上，进一步确定合理的航运条件，保证通航安全。

致谢:衷心感谢参与乌江梯级枢纽通航建筑物数学模型试验、水工模型试验的有关单位。

［1］郝岭，谭先泽，吴文凤.山区河流船闸设计最高通航水位研究［J］.水运工程，2005(4):52－55.HAO Ling，TAN Xian-ze，WU Wen-feng.Designed highest navigable stage of shiplock in mountainous river［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2005(4):52 －55.

［2］罗斌.乌江银盘水电站预泄调度研究［J］.人民长江，2008(2):8－13.LUO Bing.Pre-discharge research of Wujiang yinpan hydropower station［J］.Yangtze River，2008(2):8 － 13.

［3］赖茂存.河道水文条件变化对最低通航水位的影响［J］.中国水运，2009(5):24－25.LAI Mao-cun.River hydrological conditions change on the influence of the lowest navigable water level［J］.China Water Ttansport，2009(5):24 －25.

［4］GB 50139—2004内河通航标准［S］.北京:中华人民共和国建设部，中华人民共和国家质量监督检验检疫总局，2004.

［5］SL 104—95水利工程水利计算规范［S］.北京:中华人民共和国水利部布，1995.

［6］唐存本，贡炳生，张贤明.山区天然河流设计最高通航水位确定方法的探讨［J］.水运工程，2007(4):66－69.TANG Cun-ben，GONG Bing-sheng，ZHANG Xian-ming.On methods for determining the desigh highest navigable stage of natural rivers in mountain areas［J］.Port＆ Waterway Engineering，2007(4):66－69.

［7］闵朝斌.关于最低通航设计水位计算方法的研究［J］.水运工程，2002(1):29－33.MING Chao-bin.An approach to the design lowest navigable water level［J］.Port Waterway Engineering，2002(1):29－33.