西江长洲枢纽下游近坝段水位下降特征及调控措施

庞雪松，杜敬民，假冬冬，张幸农，曹民雄

(1.广西壮族自治区港航管理局，广西 南宁 530012；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

西江长洲枢纽下游近坝段水位下降特征及调控措施

庞雪松1，杜敬民1，假冬冬2，张幸农2，曹民雄2

(1.广西壮族自治区港航管理局，广西 南宁 530012；2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

受清水下泄、河道采砂、航道疏浚等因素影响，长洲枢纽坝下河床冲刷下切，枯水期水位下降明显。依据梧州水文站水位、流量资料，对长洲枢纽下游近坝段水位下降特征及影响因素进行分析，并对减缓坝下水位下降的调控措施进行了模型试验研究。研究结果表明：2012年梧州水文站设计水位较原设计值下降1.30 m左右；2000-2006年水位下降主要受自然演变和采砂等影响；2007-2012年水位下降的主要影响因素包括枢纽运行、航道整治、采砂等，其中枢纽运行带来的影响随着时间的推移将逐渐减小。经资料分析与模型试验研究发现：深槽回填、修筑壅水丁坝对减缓坝下水位下降的作用有限，而枢纽调节(提高下泄流量、增加外江分流比）对延缓坝下水位下降则效果相对明显。

长洲枢纽；水位下降；河床下切；调控措施；西江；下游近坝段

枢纽工程的建设，将会改变原有河道形态与水沙条件的相对平衡，河床进入重新调整期。在枢纽运行初期，下游水流处于非饱和输沙状态，河道清水冲刷、水位下降，对沿江涉水工程造成明显影响，枯水位下降亦会降低航道通航保证率。因此，研究枢纽下游水位下降规律及其相应的调控措施，具有重要实践意义。

长洲枢纽自2007年运行以来，受清水下泄、河道采砂、航道疏浚等因素影响，坝下河床冲刷下切，同流量下梧州站水位明显降低。枢纽下游河床下切及水位下降问题是当前河流研究的共性和热点问题。张柏英等［1］从不同河床质组成出发，对枢纽下游河床极限冲刷以及水位下降研究成果进行了评述。陆永军等结合多家数学模型计算和物理模型试验成果，分析了三峡工程施工期及初期运用阶段葛洲坝枢纽近坝段水位下降及对通航的影响［2］。曹民雄等研究了赣江石虎塘枢纽坝下沿程水位的变化趋势与水位下降值，结果表明枢纽运行的前3年内水位下降幅度较大［3］。黄永葛等［4］对闽江水口枢纽坝下水位下降整治方法进行了研究。周作茂［5］采用比降法推算了长沙综合枢纽船闸下游远期通航低水位。李华国［6］分析了枢纽下游水位下降的主要因素。贾瑞敏研究了丹江口水库下游河床冲刷与水位下降对航道的影响［7］。文献［8］详细分析了赣江下游河段设计最低通航水位计算方法。杨国录等研究了长江中下游枯水位与河床冲淤变化特性［9］。

对于长洲枢纽下游近坝段来说，其水位下降影响因素众多，且各因素相互交叉，给现有航道的维护及长洲枢纽现有一、二线船闸的正常运行带来了不利影响。本文首先依据近年来梧州水文站水位、流量资料，对河段水位下降特征及影响因素进行分析；然后，采用物理模型试验的研究手段，对减缓坝下水位下降的调控措施进行研究。

1 长洲枢纽下游近坝段河道概况

长洲水利枢纽坝址位于珠江水系干流浔江下游河段的长洲岛上，下距梧州市约12 km。长洲至界首河段属桂梧航道下段，位于长洲水利枢纽下游，上游起于长洲水利枢纽坝址，下游止于梧州市下游12 km处的界首，全长约24 km(图1）。在长期的水流与河床相互作用下，该河段已形成单一河道为主、分汊为次的河势。窄段河宽一般为600～800 m，河道水深一般5.0 m以上，弯道段最大水深达20～30 m，宽段河宽一般为800～1 300 m，水深一般在5.0 m以下。河段内主要浅滩有龙圩水道、洗马滩、鸡笼洲和界首。河段河道枯水平均比降0.05‰，局部滩险较大为0.20‰，滩上流速一般为1.3～1.8 m/s。河岸为土质或石灰岩、沙岩组成，河势稳定。河床表层泥沙组成颗粒级配宽，中值粒径一般在0.2～5.0 mm之间；从河床质中值粒径沿程分布来看，上游龙圩水道和洗马滩相对较粗，下游鸡笼洲和界首略细。

图1 长洲枢纽至界首河段河势Fig.1 River regime of the reach from Changzhou hydro-junction to Jieshou

长洲水利枢纽属低水头径流式电站，水库本身调节能力较小，以发电为主，兼有航运、灌溉和养殖等综合效益，已于2007年开始蓄水运行。水库总库容56亿m3；设计洪水位28.21 m，校核洪水位30.88 m，正常蓄水位20.6 m，汛期运行最低水位18.6 m；汛期无调节性能，枯水期具有日调节特性，调节库容1.33亿m3。

本河段梧州水文站含沙量资料统计结果表明(表1），本河段平均含沙量的年变化可分为两个阶段：1993年以前，年平均含沙量相对较高，除1963和1989年外，其余年份平均含沙量均高于0.25 kg/m3；自1994年开始，年平均含沙量一直在0.25 kg/m3以下，并且2003-2010年连续8年平均含沙量低于0.12 kg/m3，2007年平均含沙量仅为0.057 kg/m3，为多年平均水平值的18.8%。随着上游水库的建设以及流域水土保持工作的开展，预计本河段含沙量在近期仍将维持相对较低水平。

表1 梧州水文站多年平均含沙量Tab.1 Sediment concentration measured at the Wuzhou hydrometric station

2 近坝段水位下降影响因素及规律

西江长洲枢纽下游近坝段在2007年以前基本为天然河段，2007年2月长洲枢纽中江截流，2007年10月27日，长洲水利枢纽第一台机组发电，实现了枢纽的流量调度。本文依据梧州水文站水位、流量资料，分别分析了2000-2006年以及2007-2012年两个阶段河段水位下降特征及影响因素。长洲水利枢纽坝下水位影响因素众多，本文主要从以下几方面进行初步分析：①清水下泄、坝下河床继续下切引起的水位下降；②下游河道采砂引起的水位下降；③下游航道整治(尤其是航槽开挖）引起的水位下降。

2.1 第一阶段：2000—2006年水位变化

西江长洲枢纽下游近坝段在2007年以前为天然河段，根据梧州水文站2000-2006实测水位资料(见图2）分析可知，2000年和2001年水位最高，随后水位呈逐年下降趋势。受自然演变和采砂因素影响，2003年较2002年降低0.27 m，降幅最大。此后，在2005年水位达到最低，2006年水位又有所增高，初步分析是因为下游整治工程的实施对水位有所抬高。总体来讲，坝下河段水位呈逐年降低趋势，根据实测水位流量关系，在设计流量(Q=1 140 m3/s）条件下2005年水位较2000年水位下降约0.30 m，年均降幅约0.05 m。本阶段长洲枢纽下游水位下降主要受自然演变和采砂因素影响，水位降落的特点以年降幅较小、个别年份水位陡降为主要特点。

2.2 第二阶段：2007—2012年水位变化

图2 梧州水文站2000-2006年水位流量关系Fig.2 Stage-discharge relationships given by the Wuzhou hydrometric station from 2000 to 2006

2007年2月长洲枢纽中江截流，2007年10月27日，长洲水利枢纽第一台机组发电，真正实现枢纽的流量调度。从河床演变情况［10］来看，2002-04-2008-12，枢纽坝下存在明显的冲刷现象，龙圩水道上段平均刷深0.91 m；2002-04-2009-07龙圩水道下段平均刷深2.10 m。2010-2011年，龙圩水道内河床仍有一定程度的冲刷下切，但受河床粗化的影响，多处冲深幅度已有所减小，平均冲深约0.20 m。其下游洗马滩、鸡笼洲仍处于冲刷下切状态，在2010-2011年，洗马滩冲深一般在0.50～1.00 m，鸡笼洲平均冲深约0.40 m。可见长洲枢纽建成后，坝下河床正发生着显著调整。此外，2006-2009年还实施了西江广西段长洲坝下至界首的以基建性疏浚为主的II级航道整治工程，2008-2010年实施了西江广东段界首至肇庆的II级航道整治工程。

图3 梧州水文站2007-2012年水位流量关系Fig.3 Stage-discharge relationship given by the Wuzhou hydrometric station from 2007 to 2012

根据梧州水文站2007-2012实测水位、流量资料分析可知(图3），梧州水文站原设计水位3.20 m，2012年设计流量对应的水位为1.90 m，下降1.30 m左右。2007年水位流量关系最高且年内变化明显，此时长洲枢纽处于运行初期，坝下冲刷明显，随后水位呈逐年下降趋势。该时段设计水位下降幅度比较大，2008年较2007年上限下降约0.30 m，与2007年下限相比相差不大，2009年较2008年下降0.05 m，2009年与2010年水位变化不大，枢纽清水下泄引起的坝下水位下降随着时间的推移将逐渐减小，2006-2010年期间实施的Ⅱ级航道整治和人工采砂等人类活动将会影响坝下水位变化。2011年水位年内变化明显，较2010年下降0.3～0.5 m，2010-2011年坝下至界首河床地形以冲刷为主，龙圩水道平均冲深约0.2 m左右，洗马滩冲深一般在0.5～1.0 m，鸡笼洲平均冲深约0.4 m［10］。2010年长洲枢纽坝下Ⅱ级航道整治工程已全部完工，可见，采砂对坝下河床下切及水位下降存在明显影响。2012年水位与2011年下限水位变化不大，也在一定程度上说明枢纽下泄引起的河床下切影响随时间推移有逐渐减小的趋势。

上述分析表明，本阶段影响因素最为复杂，且各因素互相交叉。2007-2010年坝下水位变化主要受枢纽清水下泄引起的河床下切、采砂及航道整治等方面的影响，2011-2012年坝下水位变化不大，水位趋于稳定。总体来讲，坝下枯水水位在现有条件下渐趋稳定，但将来受各种因素影响仍会出现不同程度的下降。

长洲枢纽至界首河段，受不同因素影响，河段枯水位有明显下降趋势；梧州水文站原设计水位为3.20 m，至2012年该值降为1.90 m，水位下降1.30 m左右。各阶段中，影响长洲枢纽下游近坝段水位下降的各主要因素分别如下：2000-2006年为长洲枢纽建成前，主要受自然演变和采砂影响等；2007-2012年的主要影响因素包括枢纽运行、航道整治、采砂等，其中枢纽运行引起的影响随着时间的推移将渐趋减小。

3 减缓长洲枢纽下游近坝段水位下降的调控措施

由前文分析可知，近年来长洲枢纽坝下河床冲刷下切，同流量下梧州站水位明显降低，给现有航道的维护及长洲枢纽现有一、二线船闸的正常运行带来了不利影响。为探讨减缓长洲枢纽下游近坝段水位下降的调控措施，本文从“填(深槽回填）”、“壅(修筑壅水丁坝）”、“调(调节枢纽下泄流量）”三个方面对河段水位的变化特征进行定床模型试验研究，探讨其水位调控效果。该物理模型模拟范围上起苍梧县，下至大巷口，模拟长洲枢纽下游近坝段长约30 km的河道；模型平面比尺为1：250，垂直比尺为1：60。模型验证结果表明，模型水流运动与天然河道具有较好的相似性［10］。

3.1 近坝段深槽回填措施及水位变化

结合长洲坝下河段的河床形态特征以及航线走向，拟定了近坝段四处深槽回填区域(见图1），以探讨河道沿程水位的变化规律。各填槽工程量见表2。试验过程中，对深槽回填后的沿程水位进行了观测。

表2 各填槽工程量Tab.2 Earthwork quantity of pool backfill

填槽措施实施前后，设计流量下(1 140 m3/s）各水尺水位变化如图4所示。由图可见，填槽实施后，河段水位有所提高。其中，1#填槽实施后，最大水位上升值为1 cm；2#填槽实施后，最大水位上升值为2 cm；3#填槽实施后，最大水位上升值为2 cm；4#填槽实施后，最大水位上升值为2 cm；1#～4#填槽均实施后，最大水位上升值为4 cm。应当指出，水位壅高仅在填槽附近较明显，其余河段水位变幅甚小。

图4 填槽后水位变化Fig.4 Variation of water level after pool backfill

3.2 壅水丁坝措施及水位变化

鉴于填槽措施实施后，水位上升幅度较小，结合长洲坝下河段已建工程情况、河床形态特征及航道线型走向，拟建6条壅水丁坝(具体位置见图1）。壅水丁坝的高程较设计水位高0.15 m，枯水期达到壅水目的，中、洪水期则淹没于水下。试验过程中，对壅水丁坝修建后的沿程水位进行量测。

壅水丁坝修筑前后，设计流量下(1 140 m3/s）各水尺水位变化如图5所示。由图可见，随着壅水丁坝的修筑，河段水位有所抬高。其中，1#壅水丁坝修建后，最大水位上升值为1 cm；2#壅水丁坝修建后，最大水位上升值为4 cm；3#壅水丁坝修建后，最大水位上升值为1 cm；4#壅水丁坝修建后，水位壅高幅度较大，最大水位上升值为7 cm；位于4#坝下游侧的5#壅水丁坝修建后，最大水位上升值为7 cm；6#壅水丁坝修建后，最大水位上升值为2 cm；1#～6#壅水丁坝修建后，最大水位上升值为11 cm。从单条丁坝壅水效果来看，2#，4#和5#丁坝壅水效果较好，考虑到4#丁坝与5#丁坝紧邻且5#丁坝位于下游，选择修建效果较好的2#与5#丁坝，修建后最大水位上升值为9 cm。

3.3 枢纽下泄流量调节措施及水位变化

图5 壅水丁坝修筑后水位变化Fig.5 Variation of water level after completion of groins

实施“填(深槽回填）”、“壅(修筑壅水丁坝）”措施后，长洲枢纽坝下近坝段水位下降得到了一定程度的缓解，但壅水幅值均有限。下面研究通过不同枢纽下泄流量调节方式，抬升河段枯水位。枢纽下泄流量调节方式主要有：①按照现有的内、外江分流比(内江22.5%，外江77.5%），逐步增加长洲枢纽最小下泄流量；②调节长洲枢纽下泄流量的内外江流量分配比例。具体调节方式见表3，模型试验中尾门水位保持不变，分析近坝段水位变化。

表3 枢纽下泄流量调节方式Tab.3 Control methods of released discharge (m3·s-1）

按方式①调节枢纽下泄流量后，河段沿程水位变化见图6(a）。由图可见，与流量1 090 m3/s情况相比较，下泄流量增加至1 150 m3/s时，沿程水位抬高了2～9 cm；下泄流量增加至1 200 m3/s时，沿程水位抬高了4～18 cm；下泄流量增加至1 250 m3/s时，沿程水位抬高了5～24 cm；下泄流量增加至1 300 m3/s时，沿程水位抬高了6～30 cm。在此基础上通过调节内外江分流比，即增大外江分流比以达到增加河段上游龙圩水道水位的目的。

调节长洲枢纽下泄流量的内外江分流比后，枢纽下游河段沿程水位变化见图6(b）。当提高外江分流比后，龙圩水道(外江）流量增大，水位相应抬高，但水位的影响仅发生在龙圩水道内(上游变化大、下游变化小），而内外江汇合后的下游河道水位未发生变化。从图中可以看出，外江分流比增大后，龙圩水道内各水尺水位均有所抬高。外江分流比增大至80.8%时，位于外江(龙圩水道）的水尺水位较原分流比(外江77.5%）时抬高1～5 cm；外江分流比增大至84.6%时，上游龙圩水道水位较原分流比(外江77.5%）时抬高1～10 cm；外江分流比增大至88.5%时，上游龙圩水道水位较原分流比(外江77.5%）时抬高1～14 cm。除此之外，下游水位未发生变化。

图6 增大下泄流量和外江分流比后沿程水位变化Fig.6 Variation of water level after increasing the discharge and diversion ratio of Waijiang waterway

综合分析“填(深槽回填）”、“壅(修筑壅水丁坝）”、“调(调节枢纽下泄流量）”三方面调控措施的研究成果表明：

(1）深槽回填措施实施后，水位略有抬高，但增幅较小，一般仅为1～3 cm；4处选定深槽均回填后，水位最大增幅为4 cm。

(2）壅水丁坝修筑后，河段水位有所抬高，水位增幅一般为1～7 cm；1#～6#壅水丁坝均修建后，水位最大增幅为11cm左右；选择效果较好的2#与5#丁坝修建后，最大水位增高值为9cm，其沿程壅水效果基本与1#～6#丁坝同时修建时相当。

(3）按照现有的内、外江分流比(内江22.5%，外江77.5%），长洲枢纽下泄流量增加至1 300 m3/s时，沿程水位较1 090 m3/s时抬高了6～30 cm，在此基础上将外江分流比增大至88.5%时，上游龙圩水道水位较原分流比(外江77.5%）时抬高1～14 cm。

4 结 语

依据近年来梧州水文站水位、流量资料，对河段水位下降特征及影响因素进行分析；然后，采用物理模型试验的研究手段，对减缓坝下水位下降的调控措施进行了研究。研究结果表明：

(1）2012年梧州水文站设计水位较原设计值下降1.30 m左右；2000-2006年为长洲枢纽建成前，水位下降主要受自然演变和采砂影响等；2007-2012年的主要影响因素包括枢纽运行、航道整治、采砂等，其中枢纽运行引起的影响随着时间的推移将逐渐减小。

(2）深槽回填、修筑雍水丁坝对减缓坝下水位下降的作用非常有限，相对而言，枢纽调节(提高下泄流量、增加外江分流比）则明显延缓水位下降。

应当指出，长洲枢纽下游近坝段水位下降影响因素众多，且各因素相互交叉。本文仅对此进行了初步分析，相关研究还有待进一步细化和深入，如：收集相关采砂资料并深入分析其影响、开展动床试验探讨枢纽下游水位下降的极限值等等。建议加强本河段的采砂管理，并结合上游梯级水库联合调度措施，对本河段河道治理和航道整治措施开展综合研究。

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Water level drop characteristics and its control measures for lower near-dam reaches of Changzhou hydro-junction on the Xijiang River

PANG Xue-Song1，DU Jing-min1，JIA Dong-dong2，ZHANG Xing-nong2，CAO Min-xiong2
(1.Guangxi Bureau of Port Management，Nanning 530012，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Riverbed degradation and considerable falling of water level along the downstream channel of the Changzhou hydro-junction are due to the factors of released clear water，sand mining and waterway dredging，etc. According to the measured water level and flow discharge data from Wuzhou hydrometric station，the characteristics of the water level drop and its influencing factors on the lower near-dam reaches of the Changzhou hydro-junction are analyzed.In addition，the control measures to slow down the water level drop have been investigated in the physical model tests.The design water level given by the Wuzhou hydrometric station in 2012 was approximate 1.30 m lower than the initial design value.The water level drop is mainly due to the natural evolution and sand mining during the period of 2000 to 2006.Reservior operation，waterway regulation and sand mining were the main influence factors from 2007 to 2012，however，the impact on the reservoir operation will gradually decrease. Analysis of data and model test studies show that the deep pool backfilling and construction of the spur dikes play a limited role in slowing down the water level drop；by contrast，the regulation of the hydro-junction(including raising the discharge，and increasing the diversion ratio of the outside river channel）can considerably slow down the water level drop along the lower near-dam reaches.

Changzhou hydro-junction；water level drop；riverbed degradation；control measures；Xijinag River；lower near-dam reaches

TV147 文献标心码：A

1009-640X(2014）03-0042-07

2013-11-23

国家自然科学基金资助项目(51109140，51109112）

庞雪松(1968-），男，广西南宁人，高级工程师，主要从事航道和港口管理工作。通信作者：假冬冬(E-mail：ddjia@nhri.cn）