提升船舶通过三峡船闸吃水控制研究
2014-10-24周建武张义军
周建武+张义军
摘要：通过分析三峡船闸各级闸槛水深特点，提出了最小槛上水深提升前提，以及在该前提下水深提升方法。在合理调整船闸运行程序参数，优化补水转换条件和补水策略后，能够提高三峡船闸的最小槛上水深，进而有效增加允许过闸船舶的吃水深度，产生航运效益。
关键词：三峡船闸 吃水控制 槛上水深
三峡蓄水成库后，航运条件得到大幅改善，刺激了长江航运经济的发展，2011年开始，通过三峡船闸年单向货运量达到设计值。受长江干线船型标准化政策和市场机制的影响，通过三峡船闸的船舶大型化趋势日益明显，船舶型深、满载吃水也越来越大。平均额定载重吨位4000吨以上的船舶超过半数，尤其是5000吨以上的船舶达到1/3。船舶越来越大，加之长江中游航道整治，维护水深的提高，航运业对船舶过闸吃水控制也提出了新的更高要求。据调研，一般情况下载重4000吨的船舶满载吃水达到4.3m，载重5000-6000吨的船舶满载吃水超过4.5m。
目前通航管理部门对外发布的船舶允许过闸吃水由三峡船闸最小槛上水深决定，当三峡船闸最小槛上水深6.0m及以上时按4.5m、最小槛上水深5.5 m及以上时按4.3 m、最小槛上水深5.125-5.5 m之间时按4.0 m、最小槛上水深5.0-5.125m之间按3.9m控制船舶最大吃水（危险品船舶吃水相应减少0.1m）。三峡船闸设计槛上水深5m。如果要实现全年船舶吃水4.3m或4.5m，则需相应采取措施将最小槛上水深常年保证在5.5m或6.0m以上，根据三峡水库蓄水及消落过程中水深的理论计算，全年约70天时间最小槛上水深低于5.5m，遇枯水年份，如果水位消落过快，最小槛上水深5.5m以下的天数将增加到100多天，此期间过闸船舶吃水按4.0m控制，半数以上船舶无法满载过闸，对航运的影响巨大。因此，如何充分挖掘三峡河段水资源潜力，提升船舶通过三峡船闸的吃水控制，是通航管理部门服务长江航运企业的一项重大举措。
三峡船闸槛上水深现状
三峡船闸采用“只补不溢”的水级划分方案，闸室水体来自上游，逐级下放，最后大部分排入长江主河道，少量水体由辅助输水廊道排入下游航道，充、泄水过程由输水廊道的输水阀控制。在某些特定的水位组合情况下，首级闸室的水量注入下一级闸室使两闸室水位保持平齐，若不能满足最小通航水深的要求时，需要直接由上游向下一级闸室补充一定水量，称为补水。
1、各级闸首底槛高程
三峡船闸各闸首（室）底高程分别为：1#闸首139m，2#闸首139m，3#闸首119.25m，4#闸首98.5m，5#闸首77.75m，6#闸首57m。
2、运行水位
三峡工程蓄水至175m以后，上游水位常年维持在145m（汛期最低降至144.9m）至175m之间运行。下游设计通航水位62m，根据现有的通航调度规程，三峡坝下最低通航水位为62.5m，最高通航水位为73.8m。
3、实际最小水深
现行条件下，三峡船闸存在四级不补水、五级补水和五级不补水三种运行方式。根据有关设计资料，当三峡船闸四级运行级差小于22.6m时船闸可以采取四级不补水运行方式，第一闸室作为过船通道。当四级运行级差大于22.6m则须转换为五级运行方式。当前，三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件为：五级运行情况下，当二闸室向三闸室泄水，水位平齐后二闸室水位低于145m则采取五级补水运行方式，对二闸室补水至145m，如水位高于145m时则采取五级不补水运行方式。目前，如果下游水位按照设计62.0m保持，则最小槛上水深为5m，下游水位按62.5m保持，则最小槛上水深为5.125m，但是现实运行中下游水位一般高于63.5m，最小槛上水深一般在5.3m以上。
最小槛上水深提升前提
当前三峡船闸补水程序由系统根据上下游水库水位自动启动，如果不作任何程序改动，要实现最小槛上水深5.5m和6.0m的目标，必须保证下游水位分别维持在64.0m和66.0m以上，这对调度部门的水库调峰提出了更高、更严的要求，很难与发电调度协调一致。
在三峡船闸实际运行中，中间闸首水深不足可以通过补水方式由上游补充，首尾闸首（1#闸首和6#闸首）水深仅分别与上游水位和下游水位相关。根据首尾闸首的实际高程，最小槛上水深常年保证在5.5m和6.0m的前提条件为：上游水位不低于分别144.5m和145.0m，下游水位分别不低于62.5m和63.0m。只有满足上述前提条件下，最小槛上水深才具备提升可能。该条件下，可以通过开展工程改造，升级船闸运行输水控制软件，将中间各闸首的水深也保证在5. 5m或6.0m以上。
2010年三峡水库蓄水至175m以来的统计资料显示，三峡坝上实际水位最低为145.09m，三峡坝下实际水位最低位63.64m，因此，协调水库调度部门来保持上游水位不低于145.0m和下游水位不低于63.0m（特殊困难条件下不低于62.5m）条件的难度不大。在此基础上调整船闸运行控制程序，优化补水转换条件和补水方式，适当增加补水深度，来实现提升最小槛上水深至5.5m甚至6.0m的目的。
最小槛上水深提升实现
1、最小槛上水深分布特点
设x、y表示船闸上、下游水位，N表示多级船闸运行级数、表示运行级差，为各闸首槛上水深（i=1、2…N+1），各闸首底槛高程为。则有：■；根据运行原理，各级闸首槛上水深与上下游水位及底槛高程关系式可表述为：
■（1）
对应三峡船闸不同运行方式，四级不补水：■；五级不补水：■。根据式（1）分别建立三峡船闸五级不补水（式（2））、四级不补水（式（3））情况下各闸首槛上水深的计算函数关系式。
■（2） ■（3）
结合上下游水位控制要求分析，得出船闸在五级不补水和四级不补水情况下的最小槛上水深位置和水位条件如下：
1.1五级运行期间水深最低位置及水位条件
三峡船闸五级不补水运行情况下，当上下游水位差介于98.75～103.75m时，最小槛上水深可能低于5.5m，发生在第三闸首，水深值为■m。
2.2四级运行期间水深最低位置及水位条件
三峡船闸四级不补水运行情况下，当上下游水位差介于79～83m时，最小槛上水深可能低于5.5m，发生在第三闸首，水深值为■m。
2、水深提升方法
掌握不补水运行条件下三峡船闸最小槛上水深分布规律后，通过设置目标水深，重新确定出船闸补水运行边界条件及所需的补水深度参数指标，优化船闸运行及补水控制策略，提高补水目标水位，增加补水深度，实现最小槛上水深的提升。
2.1补水运行转换边界条件
假设水深提升目标为T，将上述两式与T相比较，即对五级不补水、四级不补水情况分别假设■和■，可知五级不补水运行情况下，当上下游水位关系满足■时，四级不补水运行情况下当上下游水位关系满足■时，最小槛上水深可以保证T，不需补水。相反，五级不补水运行情况下如果当上下游水位关系达到■时，四级不补水运行情况下当如果上下游水位关系达到■时，必须采取补水运行方式，才能保证最小槛上水深T的要求。
2.1.1最小槛上水深提升至5.5m转换条件
取T值为5.5m，可以推断出，当三峡船闸五级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■，四级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■。
对应下游水位y为62.5、63、63.5、64等特征值时，分别得出三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件分别为上游水位低于166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峡船闸由四级运行转换为四级补水运行的条件分别为上游水位x低于145.5m、145.34m、145.17m和145m。
2.1.2最小槛上水深提升至6.0m转换条件
同理，取T值为6.0m得到，当三峡船闸五级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■，四级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■。
对应下游水位y为63、63.5、64等特征值时，分别得出三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件分别为上游水位低于166.75m、166.42m和166.09m。三峡船闸由四级运行转换为四级补水运行的条件分别为上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。
2.2补水策略
2.2.1五级运行补水实现
五级运行情况下，当二闸室向三闸室泄水，假设水位平齐后二闸室水位低于某一水位M后，则采取五级补水运行方式，对二闸室补水至M，级差■。根据式（1），各闸首槛上水深的计算函数关系式为：
■（4）
其最小值发生在三闸首，假设■，则有■。
取T为5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，则有■ 。因此五级补水运行时，如果二闸室水位由原来的145m提高至145.5m，则可保持五级运行期间船闸最小门槛水深5.5m。
取T为6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，则有■ 。因此五级补水运行时，如果二闸室水位提高至146m，则可保持五级运行期间船闸最小门槛水深6.0m。
2.2.2四级运行补水实现
三峡船闸四级运行时，同理假设当三闸室向四闸室泄水，水位平齐后三闸室水位低于某一水位M后，则自动转换为补水运行方式，对三闸室补水至M。级差■。此时各闸首槛上水深模型变化为：
■（5）
最小槛上水深发生在三闸首，假设■，则有■。
取T为5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，则有■。因此四级补水运行条件下，如果三闸室水位低于124.75m时，对其补水至124.75m，则可保持整个四级运行期间船闸最小槛上水深5.5m。
取T为6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，则有■。因此四级补水运行条件下，如果三闸室水位提高至125.25m，则可保持整个四级运行期间船闸最小槛上水深6.0m。
结束语
通过协调水库调度部门将三峡船闸下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同时开展工程改造，升级船闸运行控制程序，调整补水转换参数，优化程序补水策略，增加补水深度后，能保持三峡船闸最小槛上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峡过闸吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。
参考文献：
[1]刘紫凌、李思远.三峡河段过闸船舶大型化趋势明显 5000吨以上船舶首超1/3[N].新华社2014-3-4
[2]唐国民、黄环.长江中游航道维护水深进入5米运行 达历史最高点[N].中新社2012-6-1
[3]长江三峡通航管理局.三峡船闸过闸船舶吃水控制标准关键技术研究报告[R]2011.
[4]长江航务管理局.三峡（初期运行期）—葛洲坝水利枢纽通航调度规程[Z].2006.
[5]张义军.三峡船闸允许过闸船舶最大吃水的确定[J].水运管理.2014（2），22—24
（作者单位：长江三峡通航管理局）
1.1五级运行期间水深最低位置及水位条件
三峡船闸五级不补水运行情况下，当上下游水位差介于98.75～103.75m时，最小槛上水深可能低于5.5m，发生在第三闸首，水深值为■m。
2.2四级运行期间水深最低位置及水位条件
三峡船闸四级不补水运行情况下，当上下游水位差介于79～83m时，最小槛上水深可能低于5.5m，发生在第三闸首，水深值为■m。
2、水深提升方法
掌握不补水运行条件下三峡船闸最小槛上水深分布规律后，通过设置目标水深，重新确定出船闸补水运行边界条件及所需的补水深度参数指标，优化船闸运行及补水控制策略，提高补水目标水位，增加补水深度，实现最小槛上水深的提升。
2.1补水运行转换边界条件
假设水深提升目标为T，将上述两式与T相比较，即对五级不补水、四级不补水情况分别假设■和■，可知五级不补水运行情况下，当上下游水位关系满足■时，四级不补水运行情况下当上下游水位关系满足■时，最小槛上水深可以保证T，不需补水。相反，五级不补水运行情况下如果当上下游水位关系达到■时，四级不补水运行情况下当如果上下游水位关系达到■时，必须采取补水运行方式，才能保证最小槛上水深T的要求。
2.1.1最小槛上水深提升至5.5m转换条件
取T值为5.5m，可以推断出，当三峡船闸五级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■，四级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■。
对应下游水位y为62.5、63、63.5、64等特征值时，分别得出三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件分别为上游水位低于166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峡船闸由四级运行转换为四级补水运行的条件分别为上游水位x低于145.5m、145.34m、145.17m和145m。
2.1.2最小槛上水深提升至6.0m转换条件
同理，取T值为6.0m得到，当三峡船闸五级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■，四级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■。
对应下游水位y为63、63.5、64等特征值时，分别得出三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件分别为上游水位低于166.75m、166.42m和166.09m。三峡船闸由四级运行转换为四级补水运行的条件分别为上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。
2.2补水策略
2.2.1五级运行补水实现
五级运行情况下，当二闸室向三闸室泄水，假设水位平齐后二闸室水位低于某一水位M后，则采取五级补水运行方式，对二闸室补水至M，级差■。根据式（1），各闸首槛上水深的计算函数关系式为：
■（4）
其最小值发生在三闸首，假设■，则有■。
取T为5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，则有■ 。因此五级补水运行时，如果二闸室水位由原来的145m提高至145.5m，则可保持五级运行期间船闸最小门槛水深5.5m。
取T为6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，则有■ 。因此五级补水运行时，如果二闸室水位提高至146m，则可保持五级运行期间船闸最小门槛水深6.0m。
2.2.2四级运行补水实现
三峡船闸四级运行时，同理假设当三闸室向四闸室泄水，水位平齐后三闸室水位低于某一水位M后，则自动转换为补水运行方式，对三闸室补水至M。级差■。此时各闸首槛上水深模型变化为：
■（5）
最小槛上水深发生在三闸首，假设■，则有■。
取T为5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，则有■。因此四级补水运行条件下，如果三闸室水位低于124.75m时，对其补水至124.75m，则可保持整个四级运行期间船闸最小槛上水深5.5m。
取T为6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，则有■。因此四级补水运行条件下，如果三闸室水位提高至125.25m，则可保持整个四级运行期间船闸最小槛上水深6.0m。
结束语
通过协调水库调度部门将三峡船闸下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同时开展工程改造，升级船闸运行控制程序，调整补水转换参数，优化程序补水策略，增加补水深度后，能保持三峡船闸最小槛上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峡过闸吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。
参考文献：
[1]刘紫凌、李思远.三峡河段过闸船舶大型化趋势明显 5000吨以上船舶首超1/3[N].新华社2014-3-4
[2]唐国民、黄环.长江中游航道维护水深进入5米运行 达历史最高点[N].中新社2012-6-1
[3]长江三峡通航管理局.三峡船闸过闸船舶吃水控制标准关键技术研究报告[R]2011.
[4]长江航务管理局.三峡（初期运行期）—葛洲坝水利枢纽通航调度规程[Z].2006.
[5]张义军.三峡船闸允许过闸船舶最大吃水的确定[J].水运管理.2014（2），22—24
（作者单位：长江三峡通航管理局）
1.1五级运行期间水深最低位置及水位条件
三峡船闸五级不补水运行情况下，当上下游水位差介于98.75～103.75m时，最小槛上水深可能低于5.5m，发生在第三闸首，水深值为■m。
2.2四级运行期间水深最低位置及水位条件
三峡船闸四级不补水运行情况下，当上下游水位差介于79～83m时，最小槛上水深可能低于5.5m，发生在第三闸首，水深值为■m。
2、水深提升方法
掌握不补水运行条件下三峡船闸最小槛上水深分布规律后，通过设置目标水深，重新确定出船闸补水运行边界条件及所需的补水深度参数指标，优化船闸运行及补水控制策略，提高补水目标水位，增加补水深度，实现最小槛上水深的提升。
2.1补水运行转换边界条件
假设水深提升目标为T，将上述两式与T相比较，即对五级不补水、四级不补水情况分别假设■和■，可知五级不补水运行情况下，当上下游水位关系满足■时，四级不补水运行情况下当上下游水位关系满足■时，最小槛上水深可以保证T，不需补水。相反，五级不补水运行情况下如果当上下游水位关系达到■时，四级不补水运行情况下当如果上下游水位关系达到■时，必须采取补水运行方式，才能保证最小槛上水深T的要求。
2.1.1最小槛上水深提升至5.5m转换条件
取T值为5.5m，可以推断出，当三峡船闸五级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■，四级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■。
对应下游水位y为62.5、63、63.5、64等特征值时，分别得出三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件分别为上游水位低于166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峡船闸由四级运行转换为四级补水运行的条件分别为上游水位x低于145.5m、145.34m、145.17m和145m。
2.1.2最小槛上水深提升至6.0m转换条件
同理，取T值为6.0m得到，当三峡船闸五级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■，四级运行状况下，由不补水运行转换为补水运行的条件为：上下游水位关系达到■。
对应下游水位y为63、63.5、64等特征值时，分别得出三峡船闸由五级不补水运行转换为五级补水运行的条件分别为上游水位低于166.75m、166.42m和166.09m。三峡船闸由四级运行转换为四级补水运行的条件分别为上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。
2.2补水策略
2.2.1五级运行补水实现
五级运行情况下，当二闸室向三闸室泄水，假设水位平齐后二闸室水位低于某一水位M后，则采取五级补水运行方式，对二闸室补水至M，级差■。根据式（1），各闸首槛上水深的计算函数关系式为：
■（4）
其最小值发生在三闸首，假设■，则有■。
取T为5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，则有■ 。因此五级补水运行时，如果二闸室水位由原来的145m提高至145.5m，则可保持五级运行期间船闸最小门槛水深5.5m。
取T为6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，则有■ 。因此五级补水运行时，如果二闸室水位提高至146m，则可保持五级运行期间船闸最小门槛水深6.0m。
2.2.2四级运行补水实现
三峡船闸四级运行时，同理假设当三闸室向四闸室泄水，水位平齐后三闸室水位低于某一水位M后，则自动转换为补水运行方式，对三闸室补水至M。级差■。此时各闸首槛上水深模型变化为：
■（5）
最小槛上水深发生在三闸首，假设■，则有■。
取T为5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，则有■。因此四级补水运行条件下，如果三闸室水位低于124.75m时，对其补水至124.75m，则可保持整个四级运行期间船闸最小槛上水深5.5m。
取T为6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，则有■。因此四级补水运行条件下，如果三闸室水位提高至125.25m，则可保持整个四级运行期间船闸最小槛上水深6.0m。
结束语
通过协调水库调度部门将三峡船闸下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同时开展工程改造，升级船闸运行控制程序，调整补水转换参数，优化程序补水策略，增加补水深度后，能保持三峡船闸最小槛上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峡过闸吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。
参考文献：
[1]刘紫凌、李思远.三峡河段过闸船舶大型化趋势明显 5000吨以上船舶首超1/3[N].新华社2014-3-4
[2]唐国民、黄环.长江中游航道维护水深进入5米运行 达历史最高点[N].中新社2012-6-1
[3]长江三峡通航管理局.三峡船闸过闸船舶吃水控制标准关键技术研究报告[R]2011.
[4]长江航务管理局.三峡（初期运行期）—葛洲坝水利枢纽通航调度规程[Z].2006.
[5]张义军.三峡船闸允许过闸船舶最大吃水的确定[J].水运管理.2014（2），22—24
（作者单位：长江三峡通航管理局）
