三峡—葛洲坝梯级枢纽安全高效绿色通航技术与实践

齐俊麟 汪洋 张勇

摘 要：三峡—葛洲坝梯级通航系统承载着服务交通强国和长江经济带发展两大国家战略的时代重任。基于三峡—葛洲坝梯级通航40年的探索与实践，总结了梯级枢纽安全、高效、绿色通航的主要技术方法，取得了一系列创新成果与示范应用，并结合国家战略和科技发展提出了今后的主要研究方向。

關键词：三峡—葛洲坝；梯级枢纽；通航

中图法分类号：U697                                                文献标志码：A

长江航运，贯通东西，辐射南北，作为世界上运量最大的内河黄金水道，支撑着长江经济带的发展。随着葛洲坝工程及三峡工程的相继建成投入使用，形成的三峡双线连续五级船闸、高提升大载量三峡升船机、葛洲坝多线单级三座船闸与坝上30 m水位变幅及大水深库区航道、两坝间汛期大坝泄洪和电站调峰叠加作用复杂流态下山区航道、坝下冲刷河床下切航道，共同构筑了连续落差高达140 m、通航环境极其复杂多变的梯级枢纽通航系统。该通航系统是连接长江上游水上运输的唯一通道，承载着服务交通强国和长江经济带发展两大国家战略的时代重任，也是长江干线通航环境最复杂、高效通航压力最大、安全及绿色管控要求最高的咽喉要道。

近几十年的探索与实践中，三峡通航管理局充分利用三峡—葛洲坝梯级枢纽通航系统模型和原型相统一的1：1科研平台，发挥三峡—葛洲坝梯级枢纽通航综合管理优势，加强船闸、海事、航道、锚地等多个基层业务单位的相互融合[1]，开展了梯级枢纽安全、高效、绿色通航等一系列的科技创新与实践，为我国内河枢纽通航起到了良好的示范作用。

1 梯级枢纽安全通航技术与实践

三峡—葛洲坝梯级枢纽通航系统投入使用以来，通航安全面临着严峻挑战。一是葛洲坝船闸设备已持续运行40年，关键设备设施老化、故障率增加，且两坝船闸长期超设计条件（年通航335天、每天通航22小时）全天候溢负荷运行，确保设备处于良好状态的难度大；二是两坝间“四滩一弯一关”流态恶劣，受大坝泄洪、电站调峰叠加等综合影响，水位陡升陡降，航道流态紊乱，枢纽河段蜿蜒曲折、山高壁峭，监管设备信号受限因素多，确保船舶航行安全及安全监管难度大；三是船型大型化带来超设计船型标准的大尺度、大吃水、大载量船舶过闸，影响到船闸设施及过闸船舶安全，对船舶吃水、船高等限制极为严格，实现船舶有效监管的难度大。围绕影响梯级枢纽通航安全的通航设施、通航环境和船舶行为三大要素，进行了一系列技术研发，实现了船闸关键设备与系船柱运行状态的有效监测、梯级枢纽通航的智能监管以及船舶行为的有效管控，尽量降低超设计标准大型化重载船舶对船闸设施安全的影响。

1.1 通航设施安全监测

1.1.1 闸阀门及其启闭机状态检测

闸阀门及其启闭机械是船闸的关键运行设施。为了解闸阀门及启闭机械的运行状态，研建了三峡—葛洲坝船闸关键设备设施服役状态运行状态监测系统，系统构架如图1所示。利用光纤光栅传感器，实现应变、变形、裂纹、温度等多参数动态测量，通过对监测数据的分析，为维修方案制订提供技术支持。

该技术主要应用于船闸人字门门体结构、顶底枢、人字门启闭机等机械及金属结构动态监测。根据提取的设备运行状态参数进行分析、诊断，预判设备运行过程中各组件损坏、齿轮啮合、点蚀、断齿、轴不对中、轴弯曲、联轴器等机械故障，帮助设备运维人员进行维护决策。

1.1.2 浮式系船柱系缆力监测

浮式系船柱是船舶系缆、保障船舶安全过闸的重要设施，如果系船柱卡阻不能随着水位变化上下浮动，可能会造成翻船等安全事故。采用浮式系船柱监测系统可以实现在低能见度、船间遮挡等客观条件下，对船舶系缆力进行有效的、定量化的监测[2]。

该系统是在浮式系船柱前端通过点焊式应变计进行应力测量，测量值通过无线方式进行可视范围内的传输（约300～500 m），控制器在远端进行数据接收，最终通过上位机软件完成系缆力角度、卡阻情况报警、参数设置、报警设置等数据的计算处理和闸室整体系缆情况及单个系船柱系缆力的实时功能展示，可24 h不间断自动监测船方打缆不规范、浮式系船柱卡阻等情况，有效预防由于系船柱设备应力损坏导致船舶失控的情况发生。

1.2 通航环境智能监测

三峡—葛洲坝枢纽河段蜿蜒曲折、山高壁峭、信号易丢失、定位不精准、多源信号不统一、航迹预判难，多船型、多航线、多通道、多货种、编组复杂，综合监管和高效组织难，针对这些特点，研发了通航环境综合监管信息服务平台。该技术主要包括：

（1）多传感器互相补盲、目标态势统一的多源目标融合和异类雷达数据归一化技术。系统目标处理容量大于35 000个，雷达视频加载延时小于100 ms，解决了峡谷河段船舶连续跟踪可靠性低、信号易丢失、雷达信号模/数混合视频转换和不同制式雷达数据无法交互的技术难题。

（2）多功能北斗船载智能终端，打破单一功能模式，实现了北斗导航、过闸申报、船员远程核验、通航信息服务等多重功能。

（3）基于航迹状态估计的回波融合目标的航迹关联方法和船舶稳性实时监测方法，构建了集VTS、AIS、CCTV、北斗于一体的综合监管信息服务平台，实现了雷达回波重叠区的融合处理和雷达回波远端的信号融合、船舶精准识别、可靠连续跟踪、航迹预判和安全预警。

1.3 船舶行为智能检测

1.3.1 船舶吃水自动检测

船舶“超载”“超吃水”易造成船闸闸室门槛及底部设施因擦蹭和碰撞而受损，更甚者还可能导致船舶闸室内搁浅和沉没等海损事故。为此利用超声传感、通讯网络、信息与数据处理等技术建设了船舶吃水自动检测装置，检测精度可达0.1 m[3]。

船舶吃水自动检测装置根据采集得到的船舶过闸吃水数据，经优化处理后，生成船体三维吃水轮廓图，再根据船舶的静水力计算获得吃水和排水量相关数据，利用MATLAB软件，拟合出船舶排水量多项式，已知船舶吃水深度和空船重量情况下可用来计算船舶排水量、载货量以及载货率[4-6]。

1.3.2 船舶限高檢测

船闸和升船机顶部设有桥梁、检修闸门等设施，船舶超高易造成船舶碰撞上述设施的安全事故。遮挡式激光检测系统利用在预警高度安装激光发射器及激光接收器，以是否遮挡接收器来判断过往船舶是否超高（见图2）。该系统透雾性强、不受天气影响、灵敏度高，1 000 m范围内反射率大于70%，可以检测到5～100 mm的障碍物[7-8]。在三峡坝下68 m水位处、升降机173 m水位处、葛洲坝坝上66 m水位处均设置有该系统，实时为超高船舶进行预警，提供限高保护。

1.3.3 船舶越界探测及报警

船闸禁停线是保证船闸及船舶安全运行的警戒线，过闸船舶在闸室内等待过闸时须停靠在禁停线内。国内现有船闸禁停线基本是在闸墙涂刷涂料或镶嵌瓷砖进行标识，船闸运行一段时间后，水位变动区内的禁停线会变得模糊不清，难以辨认。采用激光扫描测量设备进行禁停线断面自动连续扫描，实时采集禁停线断面轮廓数据，根据检测工艺流程，结合船闸运行状态，对过闸船舶越界进行检测和报警，越线监测报警正确率99.99%。目前该系统已在葛洲坝2号船闸下游禁停线投入试运行。

1.3.4 升船机船厢船速船距一体化检测

三峡升船机船厢断面系数较小、船舶进出船厢时的阻塞效应明显，船速过快带来的船厢内的水面波动及船舶下沉量过大，极易发生船舶触底事故。采用船速船距一体化检测装置对进入升船机的船舶速度及距离进行检测，速度误差≤0.03 m/s，距离误差≤1.3 m。该装置分别在升船机船厢上、下游导航墙进行安装。其中测速、测距单元主要由船速、船距探测装置和可调支架组成，用于获取船舶的速度和位置信息；预警显示播报单元由LED双面显示屏和广播喇叭组成。

1.3.5 过闸智能安检

根据《长江三峡水利枢纽过闸船舶安全检查暂行办法》规定，从2018年6月1日起过闸船舶安检比例从以往的5%抽查上升到100%全检[9]。过闸安检主要包含船舶、船员、货物等。为提高安检质量和效率，减轻安检人员工作强度，以数字化、信息化为引领，借助新一代北斗智能船载终端，打破单一功能模式，融合多种功能，实现所有安检项目自助安检、综合分析、智能判断等一体化的过闸安检方式（见图3）。

2 梯级枢纽高效通航技术与实践

三峡—葛洲坝梯级枢纽是长江黄金水道的咽喉要道，是制约长江航运特别是中上游航运的瓶颈河段。2003年6月三峡船闸建成通航以后，枢纽通航运量迅猛提升，提前19年（2011年）达到1亿t/a的设计运量，2021年运量已超过了1.5亿t，面临着两坝枢纽多线多级、不同规模与尺度、不同通航建筑物（船闸和升船机）之间的协同匹配，以及超设计规划通过能力50%以上时的船舶交通组织和高效过闸等重大挑战。为此，从交通组织调度、进闸效率提升、船闸快速检修等方面进行了科技创新与技术攻关。

2.1 交通组织调度

针对枢纽河段通航环境复杂、船舶种类多、两坝联合精确调度困难的特点，提出了匹配两坝间不均衡交通流的交通组织方法，研制了基于自回归移动平均模型的枢纽交通流仿真平台，发明了适配枢纽通航船舶高效集泊排档方法和快速成组链接装置，调度水域从59 km延长到542 km，研建了船闸溢负荷条件下三峡—葛洲坝梯级枢纽通航调度系统。同时，实施了乐天溪和莲沱段航道整治，将两坝间限制性通航流量标准由25 000 m3/s提升至30 000 m3/s，两坝间的汛期通航运量提升了21.60%。提出了适用于大流量、大水位变幅的安全停泊锚地工程技术方案，并研建了相应的低桩承台靠船墩、高桩墩台靠船墩结构，满足了高效通航对锚地的多功能需求。

2.2 进闸效率提升

2.2.1 船舶吃水控制优化及排档优化

船舶吃水深度关系到船舶载货重量，在确保过闸安全的前提下，提高过闸船舶吃水深度将为船方带来明显的经济效益。通过模型试验及船舶下沉量实船测试，建立了船舶下沉量函数关系式

式中：δ为船舶下沉量（m），H为槛上水深（m），α、b为船型系数（大长宽船舶取2.14、b取0），V为船舶船速（m/s），n为断面系数。

通过计算，如果将现行规范槛上水深不低于船舶吃水的1.6倍值调整到1.3倍值以下，过闸船舶吃水控制标准将由3.4 m提升到4.3 m，通过三峡船闸的船舶载重吨位可提高近30%，同时对葛洲坝三江航道枯水期船舶吃水进行动态调整控制，有效提高了三峡船闸和葛洲坝船闸通过能力。

闸室面积利用率直接决定了过闸船舶数量及船舶尺度。采用基于遗传算法的闸室编排快速算法来代替人工排档方法，提高了闸室利用率。三峡南线船闸的平均闸室利用率由71.39%提高到72.73%，平均待闸时间减少约1.46 h。

2.2.2 船舶同步快速进出船闸控制

船舶进出船闸时间是决定船闸通过能力的重要指标，设计通过能力通常以标准船队进出船闸的时间来计算。为适应过闸船舶单船化、多样化需求，降低船舶进出船闸时间，发明了船舶快速过闸系列技术，三峡船闸日均运行闸次从12闸次提高16闸次。一是虚拟闸室技术，在导航墙及其上游水域按照单个闸室有效尺度设置两个虚拟闸室（见图4），用于过闸船舶编组和待闸；二是船舶并排同步进闸和同步移泊技术[10]，将虚拟闸室待闸的同一闸次船舶成队列、低速进入闸室，实现一个闸次船舶过闸时的同步移泊；三是一闸室待闸技术，当三峡船闸按四级运行时，将下行待闸船舶调入一闸室内等待过闸[11]。这些技术很好地解决了单船进出船闸以及在多级船闸闸室间移动时间太长的问题，在三峡船闸、葛洲坝船闸、广西长洲船闸等通航枢纽得到了推广应用。

2.2.3 自适应进出闸船舶跟随编队控制

单船航行速度和船舶间距控制是保证船舶安全航运、降低船舶进出闸时间的重要因素。通过毫米波激光雷达测距测速单元、主机转速采集单元、定位定姿单元、通信单元、控制单元和数据处理单元等多种装置和自动控制算法，实现列队中的每条单船都可作为主体，自动感知船舶周围状态信息和自身状态信息，并根据算法和阈值自动操作该船车钟，实现该船对前船距离和速度的精确控制，进而整体实现多船自动同步安全、高效地从待闸锚地发航直至进出闸。同时，该技术还解决了船舶过闸低速航行时舵效差、难以操控的问题，通过双主机不同转速进行差速控制，实现船舶低速过闸时的航向、航速调整。

2.3 船闸快速检修

船闸停航检修时该闸无法投入使用，造成待闸船舶的大量积压，影响船闸通过能力及交通组织。采取两坝船闸同步停航检修、同步维护的检修方案，创建了“预检预修、运修兼顾”的船闸检修组织模式，发明了背拉杆自动加力调整、顶底枢拆装转移、底枢异形橡皮止水安装等快速检修专用装备，首创了人字闸门支枕垫块表面修补、背拉杆调整、输水廊道混凝土蚀损修补等系列船闸检修工艺方法，发明的同步升降装置实现1 h内将门体顶升680 mm高度、同步精度0.2 mm。上述船闸快速检修技术大大提高了船闸检修效率，三峡及葛洲坝船闸的计划性停航检修工期缩短50%以上[12]。

3 梯级枢纽绿色通航技术与实践

三峡—葛洲坝梯级枢纽水域贯穿中华鲟核心保护区、风景名胜区、国家地质公园、饮用水源地，生态敏感。每年4万余艘次船舶通航，待闸排放集中；近1 000万t危险品通过，船舶溢油风险高，急流污染扩散迅速、应急处置要求高，绿色通航面临着严峻挑战。为全面落实《长江保护法》及“生态优先、绿色发展”有关要求，在新能源船舶研发、岸电建设、船舶污染检测等方面进行了研究。

3.1 新能源船舶

3.1.1 纯电池动力工作船

纯电动船具有零污染、零排放、低噪音、低振动、高度信息化等优点，通过与科研机构合作，将以柴油机为动力的“海巡12909”改造为纯电动船，并先后建造了20 m级和30 m级的纯电池动力安检船，设计最高航速分别为23 km/h、29 km/h，续航里程分别为115 km和154 km，并已在现场安检工作中发挥重要作用[13]。

3.1.2 LNG燃料動力船舶

LNG是压缩天然气的升级换代产品，具有燃烧充分、环境污染小、营运成本低等优点，近年来成为替换柴油的新型能源。为此，大力推行LNG等绿色动力船舶过闸优先政策，助力长江航运高质量发展。2020年6月19日，下行“新长江26007”“江船港盛10057”轮安全平稳驶出三峡南线闸室，标志着三峡船闸通过LNG动力船的零突破。

3.2 绿色通航服务

3.2.1 船舶岸电

长期以来，船舶在锚地待闸停泊期间利用柴油发电机发电，尾气集中排放造成大气污染，同时发电机噪音及振动也造成水环境干扰。为此在三峡大坝上游研建了船舶岸电系统，攻克了三峡库区水位落差达30 m、不同锚泊方式需用不同的供电方案、水位波动下电源接口要求高、多船并联供电等技术难题，开发了多场景自适应调节的岸电接口箱、水位自适应电缆柔性收放装置的船舶智能化岸电供电系统（见图5），船岸电气连接时间<2 min、并靠级联供电船舶10艘，实现了不同锚泊方式下的船舶岸电供应技术全覆盖。利用岸电技术于2019年完成了长江三峡通航综合岸电示范区建设。船舶由传统的发电机发电改为电网供电后，年可替代燃油1 855 t，减少气体排放5 844 t。

3.2.2 船舶污染远程监控

《长江保护法》要求“加大对长江干线的水污染防治、监管力度，预防、控制和减少水环境污染”。船舶污染远程监控技术利用高效能无人船平台搭载水下侧扫声纳、水上视频设备、水质传感器、在线流动分析仪等检测设备进行船舶污水检测，利用红外监测技术或长光程监测技术进行船舶尾气排放检测，利用无人机对待闸船舶尾气进行“组合布点、全景监控、快速锁定”。通过“区域巡测、重点抽测、人工检测”，实现远程监控与人工现场检查相结合，对船舶排污进行有效监管。

3.2.3 清洁能源综合运用

部分工作趸船地处偏远，岸电连接十分不便，为此利用风能、太阳能及水流能在时间、气候和地域上的互补性，合理配置风电、光电和水电的发电系统资源，提高了系统供电的可靠性，有效解决了无岸电供应的山区河流水上设施供电难题，在三峡坝区河段平善坝锚地建设了趸船新能源复合供电应用示范系统。自2013年7月投入运行以来，各模块工作正常，对外输出电压稳定，可满足大部分时间的趸船日常生产、生活供电需求，每年可减少约10 t的柴油消耗。系统运行时无噪声，大大改善了趸船值守人员的工作、休息环境。

3.3 污染物应急处置

3.3.1 船舶污染物检测

与科研机构共建船舶污染检测实验室，配备燃油硫含量快速检测仪、烟气分析仪、声级计等设备，向船方提供船舶含油污水、尾气排放、噪声等检测服务，进一步提升监管监测水平，最大程度减少船舶待闸期间的排放污染。

3.3.2 应急设备库建设

三峡坝区船舶污染防治一期工程建设于2009年完成，并组建三峡水上应急救助中心，具备300 t/h的油污水回收能力和100 t溢油的应急处置能力，24 h处于应急待命状态。包含有仙人桥应急设备库、南津关设备配置点、长江三峡船舶流动污染源三峡监测站等，配备多功能环保回收船1艘、应急救援平台2艘、围油栏、收油机等设备设施，设置了监测实验室、应急反应决策支持系统机房、应急设备库库房、训练场地、设备清洗场地、污水处理站等配套设施。

3.3.3 船舶溢油应急处置

针对峡谷急流河段船舶溢油事故应急处置过程中设备下水时间长、围油栏展布效率低等问题，研发了适合内河水域的日常船舶污染和事故应急污染防治技术，构建了由监视监测、应急决策和应急清污等多个系统组成的内河船舶污染防治体系，建立了兼顾溢油和化学品泄漏事故应急的内河船舶污染事故应急辅助决策系统，设计建造了集应急设备储存、装卸、运输和作业等功能于一体的多功能船舶溢油应急救援平台，应急设备下水时间由2 h缩短至30 min，实现了三峡水库蓄水以来三峡河段船舶环境污染零事故。

4 展望

40多年来，三峡—葛洲坝梯级枢纽在安全、高效、绿色通航等方面进行了一系列的科技创新与实践，已累计通过货物16亿t，实现了“零死亡、零沉船、零污染事故”的目标，相关技术还推广应用到京杭运河、西江、乌江、汉江、嘉陵江等枢纽通航领域，为国内外枢纽通航系统安全高效绿色科技创新与技术进步提供了规范化、体系化和标准化的示范引领作用，进一步巩固了中国在世界枢纽通航领域的地位。

结合国家战略和科技发展，今后的研究方向主要有：①助力国家自主开发计划，实现船闸、升船机等运行控制系统核心传感器、控制器、控制网络的“国产化”升级，从根本上解决核心元器件“卡脖子”问题；②进一步研发“船—闸—岸”协同新一代智慧梯级枢纽通航系统。基于北斗定位、5G和自动驾驶等新技术，开展内河航运船舶特殊航段辅助管理和自动驾驶方案研究，打造一流枢纽通航调度技术体系和一流综合交通运输服务体系；③研发三峡通航大数据基础平台建设及服务技术，通过三峡基础数据平台构建智能化的应用体系，为长江智能航运发展提供基础支撑。

参考文献：

[1]孙辉.三峡通航信息化现状分析及展望[J].中国水运，2022（6）：56-57.

[2]李峰，魏巳杰，温钰珊，等.船舶系缆力无线监测及预警系统设计[J].船海工程，2013，42（6）：196-199.

[3]罗宁.内河船舶吃水自动检测装置研究及应用前景[J].中国水运（下半月），2012，12（2）：86-88.

[4]李禄.通航船舶三维吃水动态检测技术的研究[D].大连：大连海事大学，2012.

[5]熊木地，朱四印，李禄，等.通航船舶吃水实时检测系统数据处理方法研究[J].仪器仪表学报，2012，33（1）：173-180.

[6]熊木地，于兆輝，何颖秋.船舶吃水检测系统的数据处理研究[J].水资源与水工程学报，2019，30（3）：160-164.

[7]吕云壮.过闸船舶离船安检智能一体化研究[D].大连：大连海事大学，2020.

[8]赵蒙，胡志芳，胡朔.三峡河段船舶过闸限高检测技术研究[J].中国水运，2021（2）：70-72.

[9]《长江三峡水利枢纽过闸船舶安全检查暂行办法》政策解读[J].中国海事，2018（3）：20-21.

[10]胡亚安，王新，李中华.三峡船闸4.5m吃水大长宽比船舶同步移舶过闸实船试验[J].水运工程，2020（11）：26-33.

[11]胡亚安，张瑞凯，李云，等.提高三峡船闸完建期通过能力措施研究[J].水利水运工程学报，2009（4）：105-115.

[12]耿希明.三峡船闸快速检修关键技术研究[J].中国水运，2014（7）：30-31.

[13] 汤文军，陶秋霞，冯声，等.三峡过闸船舶安检设备购置项目20米级和30米级纯电池动力安检船方案设计报告[R].武汉：武汉长江船舶设计院有限公司，2019.

Safe，Efficient and Green Navigation at Three Gorges-Gezhouba Cascades：Technologies and Practices

QI Junlin，WANG Yang，ZHANG Yong

（Three Gorges Navigation Authority，Yichang 443000，China）

Abstract：The Three Gorges and Gezhouba cascade navigation system bears the important task of serving the construction of transportation power and development of Yangtze River Economic Belt. Based on the exploration and practice of the Three Gorges and Gezhouba cascade navigation over the past four decades，we summarized the main technologies and methods of safe，efficient and green navigation of cascade hub，and introduced the innovative achievements and their applications. In line with national strategy and sci-tech development，we put forward the main research directions in future.

Key words：Three Gorges and Gezhouba；cascade hub；navigation