临淮岗复线船闸设计最低通航水位分析

徐军辉,王 平,刘长波

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.长江航道整治中心，湖北 武汉 430000)

随着我国经济的快速发展，水运量急剧增加，许多河流已建船闸通过能力已不能满足日益增长的水运量需求，许多枢纽开始新建复线船闸。经过多年的运行，枢纽的调度运行工况可能与最初的设计工况并不完全相同，因此一线船闸的设计最低通航水位一般不适用于复线船闸，复线船闸设计最低通航水位应重新进行计算。

与大部分一线船闸设计条件不同，复线船闸设计最低通航水位计算所依据的水文资料包含了枢纽投入运营后的实测数据，但由于我国大部分枢纽建成时间不长，该系列数据年限较短，因此设计最低通航水位统计样本存在非一致性问题。针对非一致性条件下新的最低通航水位确定，学者们提出的主要改进方法有：流量法、还原法、剔除法、水文比拟法、水沙数学模型法[1-6]。然而，上述计算方法均有一定的局限性，本质上是对单一站点或特殊河段的资料进行替换或截取[7]。流量法须存在稳定的水位流量关系；还原法须通过分析计算将影响因素量化并消除水位序列非一致性影响；剔除法会导致资料年限不足；水文比拟法需要两个水电站的来流条件、调度规则、水文特征都比较接近；水沙数学模型法所需资料条件难以满足。

GB 50139—2014《内河通航标准》规定，当工程河段的水文条件受人类活动和自然因素影响发生明显变化时，应通过分析研究，选取变化后有代表性的资料进行最低通航水位的计算。这一规定属于非一致性最低通航水位设计的剔除法。但代表性的资料如何选取，取用年限多少，规范对此没有明确的规定。

枢纽的投入运行后上、下游水位主要受人为因素影响，导致上、下游水位样本出现非一致性。因此，复线船闸设计最低通航水位计算的代表性的资料的确定应在水文资料进行统计分析的基础上，结合近远期的调度方案以及工程的实际情况综合确定。本文以临淮岗复线船闸为例，讨论船闸上下游设计最低通航水位的确定。

1 工程概况

淮河干流临淮岗洪水控制工程为现有500吨级一线船闸。近年来，随着淮河沿线地区经济社会的发展，过闸船舶大型化趋势明显，1 000吨级船舶通航保证率低、待闸时间长，已成为制约淮河水运发展的瓶颈。为充分提高临淮岗枢纽货运通过能力、适应船舶大型化发展的趋势，须建设复线Ⅱ级(2 000 t)船闸。

1.1 枢纽概况

临淮岗洪水控制工程位于淮河中游六安市境内，是具有灌溉和防洪效益的大型枢纽工程，工程于1958年动工兴建，后由于诸多因素，于1962年停建，停建时已完成了10孔深孔闸、49孔浅孔闸、500吨级船闸及部分主副坝、上下游引河工程。主体工程于2001年12月正式开工，临淮岗一线船闸于2005年建成使用，闸室有效尺度为130 m×12 m×2.6 m(长×宽×槛上水深)，为500吨级船闸，其技术参数：闸上、闸下最高通航水位分别为26.9、26.7 m，闸上、闸下最低通航水位分别为17.6、17.4 m，门槛高程为14.8 m[8]。

1.2 调度方式

临淮岗洪水控制工程作为防洪工程，其主要任务是防御淮河大洪水，一般情况下维持河道自然泄流，临淮岗洪水控制工程设计运行方式为常年敞泄，遇大洪水时控泄以减轻下游的行洪压力。

为解决流域水资源紧缺、区域干旱缺水严重、干流生态基流不足等问题，2010年临淮岗洪水控制工程管理局进行了试验性蓄水，在此基础上安徽省水利水电勘测设计院提出了《临淮岗工程综合利用实施方案》[9]。根据蓄水方案，非汛期临淮岗洪水控制工程近期蓄水位23.0 m，远期视用水情况逐步提高至24.0 m。

与此同时，考虑到临淮岗洪水控制工程与蚌埠闸来水、用水存在水量及时段差异，水利部门规划对临淮岗与蚌埠闸进行水资源联合调度，根据调度方案，临淮岗预留最低生态水位20.0 m。

1.3 水文站分布

水利部门在淮河干流设有多处水文(位)站点(图1)，临淮岗上游30 km有润河集站，下游29 km有鲁台子站，临淮岗洪水控制工程及下游蚌埠枢纽的上下游均有较长系列的水位观测资料。

图1 淮河干流水文站点分布

2 设计最低通航水位确定方法

目前，水文统计分布规律都是基于物理成因一致且观测样本相互独立的一致性水文序列，临淮岗洪水控制工程的建设并投入运行以及调度改变了河道水位的物理成因，导致水位数据出现非一致性。根据前文所述，针对非一致性条件下最低通航水位确定方法均是对现有资料进行截取和替换，而资料替换在本项目中不具备条件，因此只能截取部分资料进行统计计算。按照一致性原则，统计样本应剔除非一致性的数据。然而这将导致样本数量减少，其结果将增加最低通航水位设计计算的抽样误差，因此如何最大程度利用现有资料是研究的重点。

分析步骤为：首先对上游来水变化趋势进行分析，判断上游来水条件对水位是否具有趋势性的影响；对已有资料进行统计，结合外部环境分析水位变化规律以及水位资料出现非一致性原因，分析非一致性影响因素对水位影响程度，结合历史径流情况，选取合适的系列作为计算样本初步确定设计最低通航水位；根据近远期的调度方案以及工程的实际情况对设计最低通航水位进行综合评价。

3 设计最低通航水位确定

3.1 径流量分析

刘玉年等[10]采用指数平滑和聚类分析法对淮河中游主要控制水文站进行径流量分析，结果表明：1957—2007年径流量在较长时间内比较接近，聚类分析结果中没有发现显著的阶梯变化，淮河中游径流量在较长的时间内基本保持稳定。

图2 鲁台子站流量变化过程

3.2 水位分析

2007—2018年临淮岗洪水控制工程闸上日均水位见图3。可看出，2007年以来临淮岗洪水控制工程闸上总共出现过1次极端低水位17.23 m，其余时段水位均高于目前一线船闸设计最低通航水位17.60 m，说明复线船闸设计条件与一线船闸相比发生了明显的变化。

图3 临淮岗洪水控制工程闸上日均水位

本次收集了临淮岗洪水控制工程上游润河集站及下游鲁台子站近20 a的日均水位资料。统计两站各年保证率98%的水位见图4。

图4 年保证率98%的水位变化过程

由图4a)可看出，2001、2011年由于淮河流域发生极端干旱，保证率98%的水位相对较低。不考虑极端年份，润河集站以2007及2012年为分界，存在2个较为明显的上升阶梯。而这2个年份与临淮岗洪水控制工程正式投入运行以及非汛期蓄水事件相吻合，说明人为因素导致了临淮岗闸上水位数据出现非一致性现象。临淮岗洪水控制工程投入运行以及非汛期蓄水阻断了河道自然下泄，导致上游水位壅高。

对比上游，2012年以后临淮岗洪水控制工程下游存在小幅上升阶梯，但总体变化幅度不大，见图4b)。这是由于临淮岗洪水控制工程下游水位主要受蚌埠枢纽控制，蚌埠枢纽1960年建成，其调度运行方式相对较为稳定，故特征水位相对变化不大。

综上所述，临淮岗洪水控制工程的建设并投入运行以及非汛期蓄水改变了河道水位的物理成因，是导致水位数据出现非一致性现象的主要原因。

3.3 水文系列的选取

按照一致性原则，应剔除2012年之前的数据。然而2012年之前的数据剔除后，虽然统计样本的一致性较好，但代表性较差。主要表现在2012年至今年限较短，无法反映一个周期的来水变化过程，尤其对于淮河历史上发生多次严重干旱，若设计最低通航水位统计样本未考虑该工况，将对后期船闸的运行造成重大隐患。2010—2012年淮河发生50 a一遇大旱，将该系列数据统筹考虑有利于减小统计样本的抽样误差。2007—2012年临淮岗洪水控制工程非汛期蓄水方案未定，处于调试阶段，虽然也存在一定的非一致性，但其属于上游来水量总体变化不大的条件下调度的结果，水位数据具有一定的统计意义。

与非汛期蓄水相比，临淮岗洪水控制工程的建设并投入运行从根本上改变了河道的天然特性，使河道上下游水位进入人工调控状态，对水位数据的非一致性影响最大。从图4a)可看出，2007年前后润河集站年98%保证率水位由17.5 m增大到19.5 m，2012年前后年98%保证率水位由19.5 m增大到20.5 m，临淮岗洪水控制工程的建设并投入运行对水位数据的非一致性影响很大，应该剔除该部分数据。

根据鲁台子站1957年以来的径流量资料，淮河干流水量存在丰枯交替现象。而2007—2018年系列年际径流量在平均径流量附近波动。2007—2018年系列统计样本中包含试验性蓄水以来12 a的资料，同时包含了2011—2012年连续枯水年份，因此选取该系列作为设计最低通航水位的统计系列具有一定的代表性。

3.4 设计最低通航水位计算

根据JTJ 305—2001《船闸总体设计规范》，Ⅰ、Ⅱ级船闸上游设计最低通航水位可取98%～99%保证率水位，并与枢纽的死水位和最低运行水位相比取低值；闸下游设计最低通航水位，在下游为天然河道时采用98%～99%保证率水位，在下游有衔接梯级时，采用下一梯级上游设计最低通航水位回水到船闸的相应水位。

按照上述标准，由于临淮岗洪水控制工程无死水位和最低运行水位，闸上设计最低通航取2007—2018年系列多年历时98%保证率水位19.27 m。临淮岗洪水控制工程闸下设计最低通航水位应采用蚌埠闸闸上相应保证率水位回水到临淮岗洪水控制工程闸下的水位。选取蚌埠闸闸上2007—2016年系列98%保证率水位16.82 m，并考虑非汛期蚌埠闸回水至临淮岗洪水控制工程闸下0.1～0.4 m水位差(2007—2015年非汛期水位计算得到)，计算得到临淮岗洪水控制工程闸下水位16.92～17.22 m。该水位值与临淮岗洪水控制工程闸下2007—2018年98%保证率水位17.14 m基本一致。综合考虑，临淮岗复线船闸闸下设计最低通航水位取17.14 m。

3.5 设计最低通航水位取值合理性分析

虽然临淮岗洪水控制工程2005年建成不足20 a，但在上游来水总体稳定的基础上，水资源的综合利用方案经过十余年的调度运行实践已经趋于稳定，同时水位系列资料包含了2011—2012年的连续枯水年份，因此现有的水位资料对闸上、闸下设计最低通航水位的确定具有一定的代表性。

根据《临淮岗工程综合利用实施方案》，非汛期临淮岗洪水控制工程近期蓄水位23.0 m，远期视用水情况逐步提高至24.0 m。根据引江济淮工程调度方案，当蚌埠闸上水位低于17.40 m时，无论受水区是否缺水，均开机抽水，以维持蚌埠闸水位不低于17.40 m。远期，经临淮岗洪水控制工程非汛期调度以及引江济淮工程调度，对枯水期低水位有效控制后，可预见设计最低通航水位将进一步提高。

然而考虑到目前蓄水方案仍然处于待批阶段，引江济淮工程目前也处于实施阶段，后期仍须不断调试。因此，从安全角度出发，基于现有的资料系列计算选取设计最低通航水位，远期设计最低通航水位进一步提高后，为航道提升等级留有发展余地。

4 结论

1)近年来的实测资料表明，受人为因素影响，临淮岗洪水控制工程上下游水位与一线船闸设计条件相比发生了变化，一线船闸设计最低通航水位已不适用于复线船闸，应重新进行计算。

2)临淮岗洪水控制工程的建设并投入运行以及非汛期蓄水改变了河道水位的物理成因，是导致水位数据出现非一致性现象的主要原因。

3)通过综合分析，选取2007—2018年系列资料作为设计最低通航水位计算样本，最终计算得到闸上、闸下设计最低通航水位分别为19.27、17.14 m。