芜申线下坝船闸改建省水船闸方案初探

刘 利，叶 荣，黄红兵

(1. 南京市交通运输综合行政执法监督局，南京 211512；2. 江苏省下坝船闸管理所，南京 211318)

1 基本情况

芜申线航道位于长江三角洲河网地区，自西向东途经安徽、江苏、上海两省一市，是长江三角洲地区高等级航道网“二纵六横”和江苏省干线航道网“两纵五横”中的重要省际干线航道。2016年，芜申线航道南京高溧段已按Ⅲ级航道标准基本建成，自上而下有两个通航梯级，分别为杨家湾船闸、下坝船闸，均位于南京市高淳区。

下坝船闸为双线船闸，位于高淳区东坝街道下坝村，是芜申线航道高溧段自上而下的第2个通航梯级建筑物。下坝一线船闸为Ⅴ级船闸，于1989年建成，建设规模为160 m×12(14) m×2.5 m(闸室长×口门宽×槛上最小水深)，最大设计船型为300 t 级，设计通过能力为600万t/年。2015年，为改善航道的通航条件，满足大吨级船舶的通航需要，芜申线航道高溧段提档升级，下坝二线船闸建成。下坝二线船闸为Ⅲ级船闸，船闸规模为230 m×23 m×4 m(闸室长×口门宽×槛上最小水深)，最大设计船型为1 000 t级，设计通过能力为1 890 万t/年。一线船闸与二线船闸按中心轴线平行布置，两闸中心线间距为140 m，一线船闸位于闸区北侧，东侧与横跨下闸首的闸桥中心线对齐。下坝一线船闸、下坝二线船闸的相对位置示意图如 图1 所示。

图1 下坝一线船闸、下坝二线船闸的相对位置示意图

根据下坝船闸管理所的过闸船舶统计数据，下坝二线船闸自2015年建成以来,过闸船舶通过量和货运量逐年增长，2021年实际船舶通过量已达 3 732 万t。随着近年来芜申线航道高溧段船舶大型化发展，一线船闸受槛上水深较小的限制，目前只能通过一些较小的空船，常年只有二线船闸在运行，船舶待闸情况比较严重，迫切需要提升下坝船闸的整体通过能力。为提升下坝船闸的通航能力，应充分利用下坝船闸闸位所在地的土地资源，对一线船闸进行扩能升级，既可以有效节约土地资源，又能解决因船舶过闸出现的堵塞问题。

2 省水船闸建设意义及发展

2.1 建设意义

船闸是为解决船舶在有水头差的航道通行而修建的通航建筑物，通过调整闸室内水位，使其与上游或下游的水位齐平，从而保证上游或下游的船舶通过。在水头差较大的航道，船闸运行一次的泄水量较大，对水资源紧缺的航段，建设省水船闸有利于节约和综合利用水资源。省水船闸是一种经济、便捷且符合生态要求的通航建筑物型式，能有效节省过闸用水量、综合利用水资源，与非省水船闸相比可节省33%～70%的水量，采用工程措施甚至可以节省90%以上的用水量。

与国外相比，我国受经济发展水平、生态环境、环保理念等因素的制约，内河船闸较少采用省水船闸型式，随着我国环保理念的加强、经济实力的提升、科学技术的快速发展，建设省水船闸越来越符合当下交通航运的可持续发展方向。结合船闸所在地的地质条件、自然条件和综合利用水资源的需要，在新建、扩建船闸或改造旧闸时，将船闸建成省水船闸型式，不仅能节省用水量，还能够较好地缓解我国水资源紧张流域农业生产与发电、航运之间的用水矛盾。

2.2 发展过程

20世纪60年代起，我国相关科研机构及研究学者就针对省水船闸进行了相应的实验和研究，如60年代，天津大学针对长江三峡船闸进行了省水船闸方案设计及三峡船闸节水问题的分析等研究；70年代，南京水利科学研究所进行了郑家岗省水船闸模型试验[1]；80年代，天津水运工程科学研究所对国内省水船闸有关问题进行了总结。2000年以后，重庆交通大学进行了乌江银盘省水船闸水动力学研究[2，3]；山西水利水电勘测设计研究院进行了桂林市春天湖双线双向省水船闸运行研究[4]；天津水运工程科学研究院进行了西江航运干线长洲水利枢纽三线四线船闸输水系统等研究[5]。这些研究为省水船闸在我国内河航道整治工程建设中的应用打下了基础。

2.3 适应形势创新发展

江苏省船闸数量众多，交通船闸有80余座，但同样存在着水资源保护与航运用水的矛盾，为促进绿色航运发展，保障船舶安全、及时、有序过闸，并兼顾地方农业用水，应在下坝船闸扩建改造时考虑省水船闸的建设。建设省水船闸既能满足国家节能减排的要求和可持续发展战略的需要，又可填补江苏船闸大省在省水船闸设计、施工与运维方面的空白，为今后省内老闸的改造积累经验、提供借鉴。

3 下坝船闸建设省水船闸的探讨

3.1 必要性

3.1.1 特殊的地理条件

芜申线航道高溧段的杨家湾船闸、下坝船闸与芜申线航道芜湖段的澛港船闸一同连接起长江、水阳江、青弋江、太湖等水系，其中杨家湾船闸和下坝船闸两个通航梯级的间距约为30 km，两闸之间的航道由官溪河航段、固城湖湖区航段和胥河(上)航段组成。

固城湖是南京高淳区的主要调蓄湖泊和入江通道，汇水区西部与水阳江之间为平原圩区，地势低平，海拔在5.0～7.0 m(吴淞高程，以下同)，属于冲积平原水网圩区，东部以茅山余脉为分水岭。芜申线航道高溧段经整治后，杨家湾船闸以西上游设计最低河底标高(0.50 m)，下坝船闸以东下游设计河底标高(-0.48 m)，两座船闸间的航段设计河底标高为4.80 m，由于两闸之间的地势比两闸外的地势高，一年中除汛期外大部分时间水流是由固城湖区向杨家湾船闸和下坝船闸两闸外流动。

3.1.2 水文条件

下坝船闸为江苏省内承受最大设计水位差的船闸，设计最大水位差达9.78 m，历来是江苏省和南京市防汛关注的重点，防汛地位十分重要。水位差大意味着船闸在灌泄水时的耗水量大，丰水期时对通航的影响不大，但枯水期或遇夏季干旱，为保障居民生活用水和农业生产用水，有时需停航保水，这给航运及区域经济带来较大不利影响。

下坝二线船闸通航6年来，随着下游桥梁堵点的打通，船舶的过闸通过量逐年增长。根据下坝船闸管理所的过闸船舶统计数据，2020年通过闸次(上下行)为5 587闸次，船舶通过量为2 140万t；2021年通过闸次(上下行)为7 754闸次，船舶通过量为3 732万t；2022年1月至6月通过闸次(上下行)为 4 401 闸次，船舶通过量为2 147万t，按此增长趋势，预计2022年通过闸次(上下行)在8 000闸次以上。

根据下坝船闸的实际运行情况，统计了下坝船闸建成后运营期间上下游水头差情况，下坝船闸2016—2021年年度水头差统计情况表如表1所示。由表1可知，2016—2021年，下坝船闸的月度最高水头平均数约为6.6 m，如2017年12月、2018年1月及2月，其中2016年7月31日的水头差最高有7.8 m；月度最低水头平均数约为3.9 m，如2016年6月；年度平均水头差约为5.3 m；低于固城湖调控水位8.0 m的年平均天数约为43天。按40天/年，每天放闸泄水次数11闸，计算低于调控水位8 m的泄水量约为：23 m×230 m×5.3 m×11×40≈1 233.6万m3/年。

表1 下坝船闸2016—2021年年度水头差统计情况表

3.1.3 农业用水情况

根据《芜申运河固城湖段通航特征水位分析报告》的统计数据，随着固城湖周边农业产业结构的调整，种植面积、养殖面积发生变化，主要是螃蟹等水产养殖面积大幅增加，传统作物种植面积减小。目前固城湖周边水产养殖面积约为25万亩，用水集中在12月至次年6月，用水量约为580万m3；农作物种植面积约为33万亩，用水集中在3月、6月和10月，用水量约为250万m3。由于固城湖周边农业用水主要依赖固城湖蓄水量，枯水期或遇干旱年份，水资源供需矛盾加剧，应当首先满足城乡居民生活用水和农业生产需求用水再兼顾航运需要。

3.2 可行性

3.2.1 省水船闸平面布置条件

下坝二线船闸位于下坝一线船闸南侧，其中心线平行于一线船闸中心线，两闸中心线相距140 m，闸区外部交通由跨闸公路桥的接线道路相接。综合考虑现有建筑设施功能布置闸区，综合楼等主要管理用房布置在闸区北侧，配电房、机修间布置在双线船闸中间的东侧。从双线船闸及建筑物的布置现状看，无论采用哪种型式的省水船闸都能满足省水船闸平面布置的场地条件，必要时可利用现有一线船闸、二线船闸之间的场地对个别单体建筑物适当调整位置。

3.2.2 地质条件

由《芜申线航道下坝复线船闸施工图设计地质勘察报告》可知，本区50 m以浅分为第四系覆盖层和下伏的白垩系泥岩，上部第四系厚为10～15 m，分为全新统和上更新统，土性为灰黄、黄色(见杂白色)粉质黏土或粉土，底部与泥岩接触部分分布少量小砾石。从一线船闸、二线船闸的实际施工情况看，船闸闸位所在区域的工程地质条件总体较好，采取适当的工程措施(如地连墙)即可实施改造。

3.2.3 通航条件保障

轮流对双线船闸进行改造，改造施工期间不影响船闸梯级的正常运行，具体先改造一线老闸，施工期间利用二线船闸通航，待二线船闸改造时再利用一线船闸通航。改造施工期间，需加强船闸运行调度和工程改造管理，做好综合协调工作。

3.3 实施方案建议

3.3.1 省水船闸的类型

目前水运工程中, 具有省水功能的通航建筑物船闸有以下几种类型：带调节水池的省水船闸、不待航船闸、灌(泄)水共用互补的双线船闸、具有中间渠道的船闸等[6]。根据下坝船闸的现场实际情况，可考虑以下三种类型：

(1) 带调节水池的省水船闸

带调节水池的省水船闸工作原理示意图如图2所示。根据闸室结构、上下游水位和上下游水头差情况，在两线船闸中间或两侧布置2级同闸宽(或半宽)、同闸长的省水池，每级省水池高度按2～2.5 m 考虑。当船闸需要充灌水时,由省水池向闸室充灌水，且先由低处的第2省水池向闸室4部位充灌水，再由高处的第1省水池向闸室3部位充灌水，省水池的水不足部分则由上游补充；当船闸需要泄水时, 泄水的顺序同充灌水的顺序相反，先把闸室1部位泄向高处的第1省水池，再把闸室2部位的水泄向低处的第2省水池，多余部分则泄向下游。该类型省水船闸是利用省水池反复灌泄水来实现省水的目的。

图2 带调节水池的省水船闸工作原理示意图

(2) 灌(泄) 水共用互补的双线船闸

一般情况下，如果某一个通航梯级建设有双线省水船闸，采用灌(泄)水共用互补的双线船闸型式是最节约水资源的方式。该类型省水船闸是通过输水廊道沟通两个船闸闸室进行输水灌水或泄水克服水位差,设置阀门控制灌泄水过程中的流量进出。

下坝船闸现有一线船闸、二线船闸两座，在不中断下坝船闸的正常通航情况下，根据两座船闸的最小槛上水深情况，若采用灌(泄) 水共用互补的双线船闸型式，可在先期建设一线船闸时，同步设计其输水系统工程内容，并为二线船闸预留灌泄水时需要的输水廊道，待二线船闸建设完成时再连成一体。

(3) 灌泄水自流加泵送输水的省水船闸

考虑克服最大设计水位差时闸室所需的灌泄水量及水量的损耗，在一线船闸与二线船闸的闸室之间设置满足用水需求的省水池，并通过输水廊道将省水池与闸室相连，在完成灌泄水自流的基础上，通过水泵从省水池抽水对闸室进行灌泄水，省水池内的水全部可以重复利用，从而实现水资源的最大化利用，该类型的省水船闸只需要设置一级省水池。

3.3.2 实施方案初步分析

随着芜申线航道船舶通过量的逐年增长，日通过闸次受船闸灌泄水时间长的影响，目前已出现船舶待闸时间较长的问题，为缓解这一情况，紧急时会启用原一线老闸，放行一些小型空载船舶过闸，但这样会增加耗水量。预计未来芜申线航道的船舶通过量还会进一步增长，为保障船舶安全、及时过闸，一线船闸的改造提档升级十分必要，且二线船闸建成运行已有7年半，通常运行10年需进行一次大修。

考虑一线老闸因通航标准低需进行改造、二线新闸运行10年也需进行大修，确定省水船闸的改造方案后，先对一线老闸按Ⅲ级标准(省水船闸型式)进行改造，建设周期约为30个月，改造完成即启用；随后结合二线船闸的大修改造，对局部结构进行省水结构改造，再与已改造完毕的一线船闸贯通，经调试满足要求后再正式投入使用。

4 结语

随着全球气候变暖，极端气候事件频发，水利、交通等相关部门需要把握新时期对水资源的战略需求，统筹协调水资源，构建更有效的水资源配置机制，缓解农业用水需求与航运用水需求的矛盾，更好地平衡水资源的供需矛盾，实现环境友好、科学发展和可持续发展，适应自然与未来社会的发展需要。

根据下坝二线船闸通航6年来船舶通过量的增长趋势推断，未来随着芜申线全线航道的贯通，沿线码头作业区陆续建成并投入使用，船闸船舶流量还会进一步增长。由于现有一线船闸建成时间早，其建设标准和规模较低，只能放行一些小型空载船舶过闸，且二线船闸的通过能力已处于饱和状态，船舶待闸现象时有发生，下坝船闸的整体通过能力已不能适应船舶大型化和货运量快速增长的需求，迫切需要对下坝船闸进行扩建。鉴于本文前述，在进行扩建可行性研究时，从综合利用水资源的角度出发，充分考虑下坝船闸所处地理位置的特殊性与水资源的供需矛盾，开展省水船闸的可行性及布置方案研究是十分必要也有意义的。