微山三线船闸闸室尺度调整对水资源的节约作用研究

曹先树 扶清成 王向东

一、区域航道建设现状

京杭运河作为国家南北水运主通道和综合运输体系的重要组成部分，是《全国内河航道与港口布局规划》确定的“两横一纵两网十八线”高等级航道规划中唯一纵向高等级航道，也是山东省内河航道总体规划“一干多支”格局的核心。京杭运河山东段微山至台儿庄段现为Ⅲ级航道标准（目前正在开展Ⅱ级航道建设工作），设有四个通航梯级，自上而下依次为：微山船闸、韩庄船闸、万年闸船闸及台儿庄船闸，建有微山一线及二线、韩庄一线、万年闸一线、台儿庄一线及复线共6 座船闸，船闸闸室有效尺度均采用230m×23m×5m。

二、工程概况

随着京杭运河航道条件的逐步完善及规模经济的内在驱动，近年来，京杭运河山东段船舶大型化发展迅速，尤其是千吨级以上船舶增速明显，单艘船舶平均载量已由2000年的133t 增长至2014年的902t，最大单船载量已接近3000t。随着京杭运河航道升级改造工程的实施，未来船舶将加速大型化发展，这对船闸的闸室尺度规模提出了新的要求，因此，新建的微山三线船闸闸室有效尺度采用280m×34m×5m，最大设计船型为1+2×2000t 顶推船队。

三、不同闸室尺度的通过能力

计算船闸采用280m×34m 和230m×23m 两种闸室尺度的通过能力。

1.一次过闸船舶平均载重吨位G

根据过闸船型艘次比例及尺度，采用计算机仿真的方法，构建船舶过闸排挡模型，在全部船型随机通过情况下，对船舶过闸进行排挡。采用280m×34m 的闸室尺度，最大可允许2 艘2000t级 货 船、或2 艘2000～3000t 级 驳 船、以 及2 艘100TEU 集装箱船并排进入闸室。采用230m×23m的闸室尺度，最大可允许2 艘型宽为11m 的1000t级货船、或2 艘1000t 级驳船并排进入闸室以及纵向停靠3 艘15.8m 宽的船舶。

2.一次过闸时间T

一次过闸时间包含闸门开启时间t1、进闸时间t2（t2´）、闸室灌泄水时间t3、出闸时间t4（t4´）、船队进闸或出闸间隔时间t5，单向一次过闸时间T1=4t1+t2+2t3+t4+2t5，双向一次过闸时间T2=4t1+2t2´+2t3+2t4´+4t5。一次过闸时间根据单向过闸和双向过闸的闸次比率确定，微山船闸双向过闸比例占80%左右，T= 0.2×T1+0.8×（T2/2）。计算两种闸室尺度的一次过闸时间：T280×34=54.84 min、T230×23=47.06 min。

3.日平均过闸次数n

微山二级坝水利航运枢纽船舶通过量大，船闸在饱和状态下运行，开闸次数频繁，考虑每天三班制，扣除交接班等时间，取τ=23 h，计算两种闸室尺度的日平均过闸次数：n280×34=τ×60/T=23×60/54.84=25.2 次，n230×23=τ×60/T=23×60/47.06=29.3 次。

4.年通航天数N

年通航天数为全年日历天数减去停航天数，停航因素主要包括检修、事故、洪枯水及气象影响等。结合已建船闸实际通航情况，船闸年通航总天数按338 天计算。

5.船舶装载系数α 和运量不均衡系数β

船舶装载系数与货物种类、流向和批量有关。京杭运河货运量下行基本满载甚至超载，货种以煤炭、矿建材料为主，考虑近年来除煤炭、矿建材外，其他货种的比例在不断上升，取α=0.9。根据资料统计，取β=1.2。

计算两种闸室尺度的通过能力，计算结果见表2。

采用280m×34m 闸室尺度，设计水平年随机通过全部船型时，船闸年单向通过能力为3650 万t；采用230m×23m 闸室尺度，设计水平年船闸年单向通过能力为2124 万t。

四、一次过闸用水量计算

1.计算公式

船闸每下行、上行一个过程就向下游下泄一定的水量，该下泄的水量即为一次过闸用水量。

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一次过闸用水量V 按照下式计算：

V下行= A×H-G×t

V上行= A×H+G×t

V双向= A×H

式中：

A—闸室底板面积（m2），为闸室有效长度（m）×有效宽度（m）；

H—船闸运行时上下游水位差，见表3；

G—一次过闸船舶平均载重吨位，G280×34=11429，

G230×23=5717；

t—船舶总重排水量系数，取1.25。

目前，微山船闸双向过闸比例占80%左右，每闸次用水量计算公式为：V=0.1V下行+0.1 V上行+0.8 V双向/2=0.6 A×H

2.船闸运行平均水头的计算

采用微山船闸1953～2014年历年逐日实测闸上、闸下水位资料系列，剔除不能满足通航要求的水位（最高通航水位：上游36.30m，下游35.80m，最低通航水位：上游32.80m，下游31.30m），计算不同保证率下的上下游水位差。

该系列共有5304 天水位不能满足通航水位要求，计算满足通航水位要求的上下游水位差，并进行频率分析，计算结果见表3。

满足通航水位要求的上下游水位差介于0.133～3.679m 之间，以平均水位差作为三线船闸运行时上下游平均水头值，为1.774m。

表1 一次过闸平均载重、闸室平均利用率和一闸次平均船舶数表

表2 两种闸室尺度的通过能力计算表

3.一次过闸用水量

计算两种闸室尺度的一次过闸用水量：

V280×34=0.6×280×34×1.774=10133.1m3、V230×23=0.6×230×23×1.774=5630.7 m3。

五、规划年货运量下的用水量计算

根据京杭运河东平～济宁段、济宁～二级坝段货物生成量，结合各支线航道整治、沿线港口发展现状及布局规划，预测2040年微山梯级单向过闸货运量达8530 万t。考虑微山梯级已建双线船闸5000万t 的单向通过能力，三线船闸采用280 m×34 m 的闸室尺度，完成3530 万t 的通过能力需8236 闸次，年用水量为8346.0 万m3；若采用230 m×23 m 的闸室尺度，需16466 闸次，年用水量为9271.2 万m3。

因此，新建的微山三线船闸在完成规划年3530万t 的通过能力时，采用280 m×34 m 的闸室尺度比采用230 m×23 m 的闸室尺度年节约用水量925.2 万m3，节水10.0%。微山三线船闸闸室尺度调整降低了船闸用水量，对水资源有节约作用。

表3 微山船闸满足通航水位要求的上下游水位差频率计算成果表

六、结语

虽然船闸工程用水而不耗水，但船闸用水量一般较大，为保证船闸及航道的正常运行，河道必须保持一定的水位和流量，且在南水北调调水区域，河道逐级建设有翻水站向上游翻水，而船闸的运行又将水量从上游向下游转移，船闸用水对区域水资源的分配是有一定不利影响的。因此，为适应新时期节水优先的治水思路，确定船闸建设规模时不仅要考虑货运量、船型发展、空间布置和建设代价等，还需要考虑船闸节水条件，科学、合理地选择船闸闸室尺度，提高闸室平均利用率，降低船闸用水量，充分利用和保护水资源■