浦阳江航道设计最高通航水位计算分析

2022-06-29朱军政

水运工程 2022年6期

朱军政，刘冰

(1.浙江水利水电学院，浙江杭州 310018；2.浙江海洋大学，浙江舟山 316022；3.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，浙江杭州 310018)

浦阳江流域位于浙江省中北部、萧绍宁地区西部，西、南两面靠龙门山及余脉，东接会稽山，北滨太湖杭州湾，主流长151 km，流经义乌、浦江、诸暨、萧山4个县、市(区)。浦阳江系天然渠化航道，是浙江省20条内河骨干航道之一，起源于绍兴诸暨境内，沿江而下经过萧山后与富春江一起汇入钱塘江，过三堡船闸和京杭运河进入浙北内河航道网。

根据《浙江省内河航运发展规划》和《浙江省内河水运“十二五”发展规划》，浦阳江是钱塘江的主要支流，连接钱塘江和杭甬运河，沿线地区经济发达、资源较丰富，近年来货运量得到了一定发展。浦阳江航道现为VI级及以下航道，考虑该航道的开发条件和运输需求，纳入骨干航道规划布局，规划为IV级航道。

浦阳江航道养护工程将对金浦桥至杭甬运河新坝船闸上游引航道喇叭口段按天然Ⅳ级航道标准进行养护疏浚，全长约23.16 km。金浦桥至杭甬运河新坝船闸的航道升级改造工程将有效提高浦阳江全线的航道等级，进一步改善浦阳江航道通航条件。同时由于浦阳江航道的改造升级，原有航道设计通航水位应适时进行相应调整[1]。

沈保根等[2]探讨采用水位频率法和设计流量法所确定的设计最高通航水位对涡河航道通航的影响；郑静等[3]针对平原河网地区跨航道桥梁改建实施难度大的问题，探讨降低设计最高通航水位取值的可能性，并提出按通航保证率进行设计最高通航水位取值；王国欣等[4]采用高潮位频率法分别计算剡江、东江控制点的设计最高通航水位；李国通等[5]通过对西江航运干线跨河桥梁现状、水文特征、不同洪水重现期水位及历时、不同洪水重现期水位与封航水位对比、降低跨河桥梁高度对社会经济的影响等分析，结合航道最高通航水位要求，提出符合西江航运干线实际的跨河桥梁最高通航水位标准。本文采用GB 50139—2014《内河通航标准》[6]中的高潮位频率法，通过建立二维水动力数学模型进行通航水位计算，考虑浦阳江河道状况、航道等级、水流条件和桥梁通航净空等条件，结合上下游河段设计水位、防汛特征水位、历时水位统计等资料，提出符合浦阳江实际的最高通航水位。

1 水文情势

浦阳江系钱塘江支流，在闻家堰上游约3 km的三江口汇入钱塘江，三江口距钱塘江河口的澉浦118 km(图1)。东海潮汐沿途受杭州湾特别是钱塘江河段内的地形、流量的影响，潮汐上溯一直影响到浦阳江的临浦、湄池。郑国诞等[7]指出，浦阳江临浦、湄池站的洪水位除受浦阳江上游洪峰流量影响外，还受汇合口处闻家堰洪水位的控制，而闻家堰的洪水位变化又受钱塘江上游洪水流量大小、下游潮汐强弱和江道冲淤变化等多种因素所影响，导致临浦、湄池站的洪水位变化规律十分复杂。

图1 浦阳江水系及航道位置

浦阳江湄池以下至临浦段河床的冲淤幅度较小，各段容积的变化幅度均小于5%。各断面滩槽基本稳定，主槽基本呈“U”形，多年来冲淤幅度一般在2.0 m以下，且主槽位置变化不大。该河段江道较为稳定，多年维持动态平衡。

2 通航水位计算方法

最高通航水位是设计采用的允许标准船舶或船队正常通航的最高水位，根据《内河通航标准》，不受潮汐影响和受潮汐影响不明显的河段，设计最高通航水位采用表1规定的各级洪水重现期的水位。对于潮汐影响明显的河段，设计最高通航水位采用年最高潮位频率为5%的潮位，按极值Ⅰ型分布律计算确定。

表1 设计最高通航水位的洪水重现期

在河口地区，设计通航水位的计算首先要分析判断河段的感潮属性。潮汐影响明显的河段指多年月平均潮位年变幅小于或等于多年平均潮差的河段。

根据JTS 145-1—2011《内河航运工程水文规范》[8]，受潮汐影响河段有明显和不明显的区别，主要取决于月平均水位年变幅多年平均值ΔZ1与多年平均潮差ΔZ2之比。对于设计通航高水位，ΔZ1/ΔZ2≥1时，属潮汐影响不明显的河段，反之则属潮汐影响明显的河段；对于设计通航低水位，根据二者之比可分为常年潮流段、季节性潮流段和常年径流段，其中ΔZ1/ΔZ2<1为潮汐影响明显河段，1≤ΔZ1/ΔZ2≤5时为季节性潮流段，ΔZ1/ΔZ2>5时为不受潮汐影响的常年径流段。月平均潮位年变幅多年平均值ΔZl按式(1)计算：

(1)

式中：n为统计年数；Zi1为统计年内某年最高月平均潮位(m)；Zi2为统计年内某年最低月平均潮位(m)。

依据GB 50139—2014《内河通航标准》和JTS 145-1—2011《内河航运工程水文规范》，关于水文资料应以工程所在和相邻水文站的水文实测资料为主要依据，统计相关水位站的特征值水位。当基本站资料具有良好的一致性时，应取近期连续资料系列，取用年限不短于20 a。浦阳江临浦设有长期水文观测站。选取浦阳江临浦站1990—2012年实测资料进行统计分析，该站点ΔZ1/ΔZ2为2.31，月平均水位变幅大于多年平均潮差，ΔZ1/ΔZ2值在1～5，由此判断该河段属于季节性潮流段，受潮汐影响不明显，因此设计最高通航水位论证采用表1规定的各级洪水重现期的水位。

3 数学模型计算

3.1 二维数学模型

浦阳江江道相对较为宽浅，其水流运动可用非恒定沿垂线积分的平面二维守恒型浅水运动方程来描述：

(2)

(3)

(4)

上述方程组的初始条件：

(5)

边界条件：

水边界

z(x，y，t)=z*(x，y，t)

(6)

式中：“*”表示已知值；

陆边界

Vn=0

(7)

法线方向流速为0。

有了以上条件，即可用一定的离散格式求出方程的解。鉴于三角形网格具有比较容易拟合复杂的边界、网格布设灵活、局部加密方便、适应性强的特点，本次计算选用基于三角形网格的有限体积法离散。

3.2 模型验证

二维数学模型上边界为富阳，下边界为闸口，浦阳江上边界在湄池，二维数学模型主要计算浦阳江各代表点通航水位。模型计算区域见图2。

图2 模型计算区域概化

验证采用2011年6月的实际洪水过程，上边界富阳站和湄池站采用一维水动力数学模型推算的6月13—18日流量过程，下边界闸口采用实测潮位过程。计算地形富春江采用2011年3月1:10 000的实测地形，浦阳江以2008年4月1:5 000的实测地形。经多次试算，确定糙率0.025～0.035，沿程各站点水位过程验证结果见图3。由图3可知，计算值与实测值吻合良好，最大计算误差为0.08 m。水位验证和流量验证结果表明，二维水动力模型计算精度良好，符合《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》[9]的要求，可用于方案计算。

图3 2011年6月洪水过程验证

3.3 设计最高通航水位计算

按照JTS 145-1—2011《内河航运工程水文规范》，在计算设计最高通航水位时，对于Ⅳ级航道采用10 a洪水重现期的洪水流量，但山溪性河流可下降到3～5 a洪水重现期；对于Ⅵ级航道采用5 a洪水重现期的洪水流量，山溪性河流可下降到2～3 a洪水重现期。

为便于航道管理和上下游航道的衔接，本次设计通航高水位论证采用二维数学模型分别计算了流量为720、620、540 m3/s的5、3和2 a洪水重现期洪水条件下浦阳江沿程的洪水位。浦阳江湄池至闻家堰长31.2 km，其沿程洪水位计算结果见图4。由图4可知，各工况下沿程水位总体上有自上游向下游降低的趋势，水面较为平顺，上下游形成较明显的水面坡降。

图4 设计最高通航水位沿程分布

3.4 设计最高通航水位推荐值

根据浙江省水文局提供的数据资料[10]，浦阳江临浦站和闻家堰站警戒水位分别为7.18和7.06 m，当航道水位达到控制水位时，将限制浦阳江中的船舶通航，以保证通航安全。分析发现，5、3 a洪水重现期条件下，临浦站水位均超出警戒水位值；而2 a洪水重现期条件下，临浦站水位为7.18 m，与警戒水位值刚好相吻合，闻家堰站计算水位为6.95 m，亦低于警戒水位值。故2 a洪水重现期方案时沿程计算水位均能满足防洪要求，保证船舶通航安全。

由于浦阳江航道上部分桥梁建设时间较早，桥梁底高程较低，按5、3 a洪水重现期设计最高通航水位值计算，已建桥梁除近年新建的3座外，其余桥梁通航净空均达不到规定的Ⅳ级航道通航净空应大于7.0 m的要求。按2 a设计最高通航水位值计算，新建及已许可的跨河桥梁的通航净空均大于7.0 m，其他桥梁则需结合航道标准按要求逐步分批拆除重建。

以临浦水位为代表站点分析，从通航时间保证率来看，1991—2012年的22 a间浦阳江临浦站水位超过5、3、2 a洪水重现期水位的总天数分别为8、18、28 d，三者的多年平均保证率都在99%以上。

考虑浦阳江河道状况、航道等级、水流条件和重要性等，结合上下游河段设计水位、防汛特征水位、历时水位统计等资料，推荐以浦阳江2 d洪水重现期水位作为设计最高通航水位。部分不满足净空尺度要求的桥梁应按Ⅳ级航道对应的设计高水位标准逐渐完成拆除或重建，规划期内桥梁分批逐步改造的具体思路是：新建或改建桥梁应按照7.0 m净高标准一次到位；其他桥梁选择碍航严重的优先改造，其余逐步分期分批改造到7.0 m净高。