枢纽下游航道整治设计最小通航流量研究

吴文凤，李家世，刘晓帆

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

对于天然河道，航道整治最小设计通航流量通过水文站的流量、水位的统计分析即可得到[1]。由于受枢纽调度运行的影响，枢纽下游航道枯期流量较天然情况可能有所增加，这就给枢纽下游航道最小设计通航流量的确定带来困难。

冯宏琳[2]根据水力学、河流动力学和航道工程学等理论，结合优良河段的河相关系，建立了河流水力因素与航道开发可行性之间的数量关系，提出了航道整治开发潜能的稳定航深估算法。张有林等[3]采用稳定航深估算法估算了岷江下游河段不同设计流量下通过航道整治可能达到的航深，当糙率为0.035、比降为0.55%时，岷江下段要达到2.4 m稳定航深，需要的流量为660 m3s。但上述研究只是基于河相关系式的估算，并未分析上游枢纽联合调度可能增加的流量，也没有用数学模型进行验证。因此，本文以岷江龙溪口—宜宾81 km航道整治工程为例，分析上游枢纽联合调度可能达到的设计流量，采用平面二维水流模型研究不同设计流量下达到的航道尺度，得出岷江龙溪口—宜宾81 km航道整治设计最小通航流量。

1 河段概况

岷江是长江上游的一级支流，位于四川盆地腹部区西部边缘。岷江(乐山—宜宾段)航道作为国家内河高等级航道，承担着重装设备运输的重要任务，是特大件装备产品进出四川的唯一通道，在四川乃至中国西部具有重要的战略地位。岷江(乐山—宜宾段)以航运为主，按Ⅲ级航道标准，采用梯级渠化与航道整治相结合的开发方式。规划自上而下布置老木孔、东风岩、犍为、龙溪口四级低坝开发方案，为满足生态环境保护和达氏鲟、胭脂鱼、白鲟3种鱼类的繁衍生息的需要，龙溪口以下81 km航道采用整治措施达到Ⅲ级航道标准，全年通行1 000吨级船舶[4]。

2 上游枢纽联合调度后可能达到的设计流量

2.1 分析方法

由于岷江干流拟建的老木孔、东风岩、犍为、龙溪口4个梯级枢纽均为低水头河床式开发，水库调节能力有限，无法调节汛期水量以提高枯期航道设计流量。本文对岷江干流、支流大渡河及青衣江等调节水库的可调节库容进行分析，根据干支流水库调节库容计算可增加的枯期流量；再根据犍为枢纽航运基本径流(简称“基流”)和龙溪口枢纽可调节库容计算出龙溪口枢纽日调节可达到的航运基流。

2.2 干支流水库可调节库容

岷江都江堰以上规划有紫平铺等19级开发方案，其中具有季调节能力且控制流域面积相对较大的水库有紫平铺、十里铺等，各水库总调节库容可达15.96亿m3。

大渡河是岷江最大支流，在草鞋渡接纳青衣江后于乐山乌尤寺注入岷江，干流规划河段开发任务是以发电为主，兼顾防洪、航运。水电规划推荐采用下尔呷、双江口、猴子岩、长河坝、大岗山、瀑布沟等形成主要梯级格局的22级开发方案，目前龚嘴、铜街子、瀑布沟水已建成。在22个梯级中，下尔呷为干流“龙头”水库，以双江口为上游控制性水库，以瀑布沟为中游控制水库，上述3个水库总调节库容达77.22亿m3。

青衣江为岷江右岸二级支流，在乐山城区北部草鞋渡注入大渡河。开发任务(飞仙关以上) 干支流以发电为主，其次为灌溉、防洪及水土保持，中下游(飞仙关以下) 则以灌溉、防洪为主，兼顾发电和水源保护，干流河段规划有硗碛等18个梯级。青衣江流域的瓦屋山水库、硗碛水库和锅浪跷水库合计调节库容为7.81亿m3。

支流马边河规划有官帽舟等9级开发方案，其中官帽舟调节库容为2.94亿m3。

根据岷江干流、支流大渡河及青衣江等调节水库枢纽的规划及工程建设情况，随着大渡河及青衣江流域规划调节水库中的瀑布沟、瓦屋山、硗碛、锅浪跷、双江口、下尔呷等水库全部建成，总调节库容103.91亿m3。岷江干流及支流具有季调节能力且流域面积较大的水库特性，见表1。

表1 岷江干流及支流主要水库特性

续表1

2.3 干支流水库联合调度可增加的枯期流量

根据枯水期调节时间段的不同，调节库容可增加的流量不同，见表2。按枯期(1—3月)3个月调节时，每1亿m3调节库容可增加平均流量约12.9 m3s，枯期3个月可增加下游调节流量约1 336 m3s。按枯期(11月—次年4月)6个月调节时，每1亿m3调节库容可增加平均流量约6.4 m3s，枯期可增加下游调节流量约664 m3s。高场站11月—次年4月月均流量分别为1 710、1 130、798、745、876、1 300 m3s，则11月—次年4月月均流量可分别增至2 374、1 794、1 462、1 409、1 540、1 964 m3s。

表2 枯水期不同调节时间段总调节库容增加的枯期流量

2.4 龙溪口枢纽日调节可达到的基流

由2.3可知，远期通过上游水库的补偿调节，可以有效增加枯期流量。但由于上游各梯级开发任务不同，基本上以发电为主，电站调峰运行，在负荷高峰时下泄流量大，在负荷低谷时下泄流量小，如果岷江各梯级航电枢纽不能对上游以发电为主的电站日负荷流量较大幅度的变化进行有效调节，远期枯期流量的增大幅度将受到限制。

根据《岷江龙溪口航电枢纽工程初步设计》[5]，龙溪口枢纽的开发任务为以航运为主，航电结合，兼顾防洪、供水、环保等综合利用。为满足下游航道整治最小通航流量的要求，龙溪口枢纽设置2 450万m3的调节库容进行反调节。由于上游犍为枢纽拟定的航运基流为544 m3s[6]，根据犍为枢纽每日内航运基流下运行时间的不同，利用龙溪口枢纽可调节库容计算出其下游能达到的航运基流，见表3。

表3 龙溪口枢纽调节后可下泄航运基流

若假定犍为枢纽基流下运行24、18、12、8 h，在此期间利用龙溪口枢纽反调节库容可以为下游增加流量284、378、567、851 m3s，航运基流可以增至828、922、1 111、1 395 m3s。可见，当上游日均来流量大于900 m3s情况下，通过龙溪口枢纽的反调节作用，基本可保证龙溪口下泄流量在900 m3s以上。

3 不同设计流量下达到的航道尺度计算

依据《岷江(龙溪口—宜宾)航道整治工程可行性研究报告》[7]推荐的航道整治方案，选取610 m3s(高场水文站保证率98%)、684 m3s(高场水文站保证率95%)、806 m3s(高场水文站保证率85%)和900 m3s(龙溪口枢纽下泄基流) 4级流量，采用平面二维水流数学模型[8]开展不同流量下整治方案后可能达到的航道尺度研究。

3.1 航道概况

岷江龙溪口—宜宾81 km航道，总落差44.3 m，平均比降0.55‰，其中龙溪口枢纽—斑竹林为单一河槽与汊流相间的宽浅型河道，水流不集中是滩险水深不足的根本原因，该段枯水河宽150～350 m。斑竹林以下河流进入峡谷，河岸固定，水面窄、水流平顺。但是，河口段的铜锣湾滩群受无序采沙影响，原较为稳定的边滩被破坏，导致水流分散、航槽易变，滩情明显恶化。岷江龙溪口—宜宾段主要分布有干龙子、龙溪口、老君碛等28个碍航滩险。枯水期除霸王滩、铜锣湾滩弯曲半径不足而外，其余滩段以水浅槽窄碍航，中洪水期新开河—令牌石河段上水船舶困难，总体上以浅为主。

3.2 数学模型的建立与验证

3.2.1模型建立

本文采用一种基于非结构化网格的有限元隐式离散算法，求解二维浅水水流控制方程，并利用了计算机并行技术，克服计算效率较低的缺点，很好地发挥了二维模型细致模拟水流的特点，使模拟效率得到大幅提升。

模型计算范围起自龙溪口枢纽坝址，下至岷江河口，研究河段全长约81 km，模型计算时上游开边界由实测流量控制，下游开边界由水位控制。通过糙率调整，对研究河段实测水位和流速进行验证，验证误差控制在规范规定的误差范围内。

结合研究河段几何属性，数学模型采用自适应边界较好的四边形网格进行计算域的剖分，模型计算空间的边长为5～80 m，共有网格节点107 136个，单元104 857个，时间步长为3.6 s。模型建立采用的地形资料为2012年1:2 000实测地形资料。

3.2.2模型验证

研究河段分别于2012年枯水期(3月)、中水期(7月)和洪水期(8月)进行了3次水文观测，其中水位断面46个，流速断面15个，3次观测对应的流量分别为1 275、4 000和8 950 m3s。针对上述3个测次进行水位和断面流速分布验证。验证结果表明，观测点水位计算值与实测值吻合较好，误差在±0.10 m以内，模型流速分布趋势和实测资料吻合较好，符合规范要求。因此本模型可用于模拟整治后的航道尺度。

3.3 结果分析

提取各级流量下航槽中水深值进行对比，是否满足Ⅲ级航道水深2.4 m的要求。900 m3s流量下沿程水位及水深变化见图1。工程建成后受整治建筑物及疏浚工程等影响，沿程水位发生较大调整，水位以降落为主要特征，随着流量的增加，水位降落的现象逐渐缓解。流量610和684 m3s时，水位最大降落了0.97和0.91 m，上游的干龙子滩段、中游的新开河滩段、霸王滩段和下游的铜锣湾滩段等多处滩段大范围航深不满足2.4 m要求。流量806 m3s时，水位最大降落了0.69 m，上游的干龙子滩段、中游的新开河滩段、霸王滩段和下游的铜锣湾滩段等多处滩段仍零星存在航深不足的问题。900 m3s流量时，水位最大降落了0.54 m，各滩段航深得到有效改善，满足航深2.4 m要求。从二维水流数学模型应用来看，最小设计通航流量为900 m3s时，研究河段可以达到Ⅲ级航道航深2.4 m的要求。

图1 900 m3s流量下水面线及航道水深变化

4 结论

1)远期，通过岷江上游干支流水库联合调度，可有效增加枯期流量。若按枯期(11月—次年4月)6个月调节考虑，枯期可增加下游调节流量约664 m3s，平均流量可增加至1 757 m3s。但由于上游干支流水库开发任务基本上以发电为主，电站调峰运行，如果岷江各航电枢纽不能对上游以发电为主的电站日负荷流量较大幅度的变化进行有效调节，远期枯期流量的增大幅度将受到限制。

2)根据上游犍为枢纽每日内航运基流(544 m3s)运行时间的不同，利用龙溪口枢纽可调节库容计算出其下游能达到的航运基流。当上游日均来流量大于900 m3s情况下，通过龙溪口枢纽的反调节作用，基本可保证龙溪口下泄基流在900 m3s以上。

3)平面二维水流数学模型研究表明，岷江下段整治工程实施后，受整治建筑物及疏浚工程等影响，沿程水位发生较大调整，水位以降落为主要特征，随着流量的增加，水位跌落的现象逐渐缓解，流量为900 m3s时，各滩段航深得到有效改善，满足Ⅲ级航道2.4 m的航深要求。

4)为保障岷江龙溪口—宜宾81 km航道整治效果，使其达到Ⅲ级航道标准，岷江下段航道整治最小通航流量应为900 m3s。岷江下段来流量主要受龙溪口枢纽下泄流量影响，研究成果可为拟定龙溪口枢纽调度运行方式提供参考。