龐雪松，杜敬民，假冬冬，張幸農(nóng)，曹民雄

(1.廣西壯族自治區(qū)港航管理局，廣西 南寧 530012；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

西江長洲樞紐下游近壩段水位下降特征及調(diào)控措施

龐雪松1，杜敬民1，假冬冬2，張幸農(nóng)2，曹民雄2

(1.廣西壯族自治區(qū)港航管理局，廣西 南寧 530012；2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

受清水下泄、河道采砂、航道疏浚等因素影響，長洲樞紐壩下河床沖刷下切，枯水期水位下降明顯。依據(jù)梧州水文站水位、流量資料，對長洲樞紐下游近壩段水位下降特征及影響因素進行分析，并對減緩壩下水位下降的調(diào)控措施進行了模型試驗研究。研究結果表明：2012年梧州水文站設計水位較原設計值下降1.30 m左右；2000-2006年水位下降主要受自然演變和采砂等影響；2007-2012年水位下降的主要影響因素包括樞紐運行、航道整治、采砂等，其中樞紐運行帶來的影響隨著時間的推移將逐漸減小。經(jīng)資料分析與模型試驗研究發(fā)現(xiàn)：深槽回填、修筑壅水丁壩對減緩壩下水位下降的作用有限，而樞紐調(diào)節(jié)(提高下泄流量、增加外江分流比）對延緩壩下水位下降則效果相對明顯。

長洲樞紐；水位下降；河床下切；調(diào)控措施；西江；下游近壩段

樞紐工程的建設，將會改變原有河道形態(tài)與水沙條件的相對平衡，河床進入重新調(diào)整期。在樞紐運行初期，下游水流處于非飽和輸沙狀態(tài)，河道清水沖刷、水位下降，對沿江涉水工程造成明顯影響，枯水位下降亦會降低航道通航保證率。因此，研究樞紐下游水位下降規(guī)律及其相應的調(diào)控措施，具有重要實踐意義。

長洲樞紐自2007年運行以來，受清水下泄、河道采砂、航道疏浚等因素影響，壩下河床沖刷下切，同流量下梧州站水位明顯降低。樞紐下游河床下切及水位下降問題是當前河流研究的共性和熱點問題。張柏英等［1］從不同河床質(zhì)組成出發(fā)，對樞紐下游河床極限沖刷以及水位下降研究成果進行了評述。陸永軍等結合多家數(shù)學模型計算和物理模型試驗成果，分析了三峽工程施工期及初期運用階段葛洲壩樞紐近壩段水位下降及對通航的影響［2］。曹民雄等研究了贛江石虎塘樞紐壩下沿程水位的變化趨勢與水位下降值，結果表明樞紐運行的前3年內(nèi)水位下降幅度較大［3］。黃永葛等［4］對閩江水口樞紐壩下水位下降整治方法進行了研究。周作茂［5］采用比降法推算了長沙綜合樞紐船閘下游遠期通航低水位。李華國［6］分析了樞紐下游水位下降的主要因素。賈瑞敏研究了丹江口水庫下游河床沖刷與水位下降對航道的影響［7］。文獻［8］詳細分析了贛江下游河段設計最低通航水位計算方法。楊國錄等研究了長江中下游枯水位與河床沖淤變化特性［9］。

對于長洲樞紐下游近壩段來說，其水位下降影響因素眾多，且各因素相互交叉，給現(xiàn)有航道的維護及長洲樞紐現(xiàn)有一、二線船閘的正常運行帶來了不利影響。本文首先依據(jù)近年來梧州水文站水位、流量資料，對河段水位下降特征及影響因素進行分析；然后，采用物理模型試驗的研究手段，對減緩壩下水位下降的調(diào)控措施進行研究。

1 長洲樞紐下游近壩段河道概況

長洲水利樞紐壩址位于珠江水系干流潯江下游河段的長洲島上，下距梧州市約12 km。長洲至界首河段屬桂梧航道下段，位于長洲水利樞紐下游，上游起于長洲水利樞紐壩址，下游止于梧州市下游12 km處的界首，全長約24 km(圖1）。在長期的水流與河床相互作用下，該河段已形成單一河道為主、分汊為次的河勢。窄段河寬一般為600～800 m，河道水深一般5.0 m以上，彎道段最大水深達20～30 m，寬段河寬一般為800～1 300 m，水深一般在5.0 m以下。河段內(nèi)主要淺灘有龍圩水道、洗馬灘、雞籠洲和界首。河段河道枯水平均比降0.05‰，局部灘險較大為0.20‰，灘上流速一般為1.3～1.8 m/s。河岸為土質(zhì)或石灰?guī)r、沙巖組成，河勢穩(wěn)定。河床表層泥沙組成顆粒級配寬，中值粒徑一般在0.2～5.0 mm之間；從河床質(zhì)中值粒徑沿程分布來看，上游龍圩水道和洗馬灘相對較粗，下游雞籠洲和界首略細。

圖1 長洲樞紐至界首河段河勢Fig.1 River regime of the reach from Changzhou hydro-junction to Jieshou

長洲水利樞紐屬低水頭徑流式電站，水庫本身調(diào)節(jié)能力較小，以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉和養(yǎng)殖等綜合效益，已于2007年開始蓄水運行。水庫總庫容56億m3；設計洪水位28.21 m，校核洪水位30.88 m，正常蓄水位20.6 m，汛期運行最低水位18.6 m；汛期無調(diào)節(jié)性能，枯水期具有日調(diào)節(jié)特性，調(diào)節(jié)庫容1.33億m3。

本河段梧州水文站含沙量資料統(tǒng)計結果表明(表1），本河段平均含沙量的年變化可分為兩個階段：1993年以前，年平均含沙量相對較高，除1963和1989年外，其余年份平均含沙量均高于0.25 kg/m3；自1994年開始，年平均含沙量一直在0.25 kg/m3以下，并且2003-2010年連續(xù)8年平均含沙量低于0.12 kg/m3，2007年平均含沙量僅為0.057 kg/m3，為多年平均水平值的18.8%。隨著上游水庫的建設以及流域水土保持工作的開展，預計本河段含沙量在近期仍將維持相對較低水平。

表1 梧州水文站多年平均含沙量Tab.1 Sediment concentration measured at the Wuzhou hydrometric station

2 近壩段水位下降影響因素及規(guī)律

西江長洲樞紐下游近壩段在2007年以前基本為天然河段，2007年2月長洲樞紐中江截流，2007年10月27日，長洲水利樞紐第一臺機組發(fā)電，實現(xiàn)了樞紐的流量調(diào)度。本文依據(jù)梧州水文站水位、流量資料，分別分析了2000-2006年以及2007-2012年兩個階段河段水位下降特征及影響因素。長洲水利樞紐壩下水位影響因素眾多，本文主要從以下幾方面進行初步分析：①清水下泄、壩下河床繼續(xù)下切引起的水位下降；②下游河道采砂引起的水位下降；③下游航道整治(尤其是航槽開挖）引起的水位下降。

2.1 第一階段：2000—2006年水位變化

西江長洲樞紐下游近壩段在2007年以前為天然河段，根據(jù)梧州水文站2000-2006實測水位資料(見圖2）分析可知，2000年和2001年水位最高，隨后水位呈逐年下降趨勢。受自然演變和采砂因素影響，2003年較2002年降低0.27 m，降幅最大。此后，在2005年水位達到最低，2006年水位又有所增高，初步分析是因為下游整治工程的實施對水位有所抬高。總體來講，壩下河段水位呈逐年降低趨勢，根據(jù)實測水位流量關系，在設計流量(Q=1 140 m3/s）條件下2005年水位較2000年水位下降約0.30 m，年均降幅約0.05 m。本階段長洲樞紐下游水位下降主要受自然演變和采砂因素影響，水位降落的特點以年降幅較小、個別年份水位陡降為主要特點。

2.2 第二階段：2007—2012年水位變化

圖2 梧州水文站2000-2006年水位流量關系Fig.2 Stage-discharge relationships given by the Wuzhou hydrometric station from 2000 to 2006

2007年2月長洲樞紐中江截流，2007年10月27日，長洲水利樞紐第一臺機組發(fā)電，真正實現(xiàn)樞紐的流量調(diào)度。從河床演變情況［10］來看，2002-04-2008-12，樞紐壩下存在明顯的沖刷現(xiàn)象，龍圩水道上段平均刷深0.91 m；2002-04-2009-07龍圩水道下段平均刷深2.10 m。2010-2011年，龍圩水道內(nèi)河床仍有一定程度的沖刷下切，但受河床粗化的影響，多處沖深幅度已有所減小，平均沖深約0.20 m。其下游洗馬灘、雞籠洲仍處于沖刷下切狀態(tài)，在2010-2011年，洗馬灘沖深一般在0.50～1.00 m，雞籠洲平均沖深約0.40 m?？梢婇L洲樞紐建成后，壩下河床正發(fā)生著顯著調(diào)整。此外，2006-2009年還實施了西江廣西段長洲壩下至界首的以基建性疏浚為主的II級航道整治工程，2008-2010年實施了西江廣東段界首至肇慶的II級航道整治工程。

圖3 梧州水文站2007-2012年水位流量關系Fig.3 Stage-discharge relationship given by the Wuzhou hydrometric station from 2007 to 2012

根據(jù)梧州水文站2007-2012實測水位、流量資料分析可知(圖3），梧州水文站原設計水位3.20 m，2012年設計流量對應的水位為1.90 m，下降1.30 m左右。2007年水位流量關系最高且年內(nèi)變化明顯，此時長洲樞紐處于運行初期，壩下沖刷明顯，隨后水位呈逐年下降趨勢。該時段設計水位下降幅度比較大，2008年較2007年上限下降約0.30 m，與2007年下限相比相差不大，2009年較2008年下降0.05 m，2009年與2010年水位變化不大，樞紐清水下泄引起的壩下水位下降隨著時間的推移將逐漸減小，2006-2010年期間實施的Ⅱ級航道整治和人工采砂等人類活動將會影響壩下水位變化。2011年水位年內(nèi)變化明顯，較2010年下降0.3～0.5 m，2010-2011年壩下至界首河床地形以沖刷為主，龍圩水道平均沖深約0.2 m左右，洗馬灘沖深一般在0.5～1.0 m，雞籠洲平均沖深約0.4 m［10］。2010年長洲樞紐壩下Ⅱ級航道整治工程已全部完工，可見，采砂對壩下河床下切及水位下降存在明顯影響。2012年水位與2011年下限水位變化不大，也在一定程度上說明樞紐下泄引起的河床下切影響隨時間推移有逐漸減小的趨勢。

上述分析表明，本階段影響因素最為復雜，且各因素互相交叉。2007-2010年壩下水位變化主要受樞紐清水下泄引起的河床下切、采砂及航道整治等方面的影響，2011-2012年壩下水位變化不大，水位趨于穩(wěn)定?？傮w來講，壩下枯水水位在現(xiàn)有條件下漸趨穩(wěn)定，但將來受各種因素影響仍會出現(xiàn)不同程度的下降。

長洲樞紐至界首河段，受不同因素影響，河段枯水位有明顯下降趨勢；梧州水文站原設計水位為3.20 m，至2012年該值降為1.90 m，水位下降1.30 m左右。各階段中，影響長洲樞紐下游近壩段水位下降的各主要因素分別如下：2000-2006年為長洲樞紐建成前，主要受自然演變和采砂影響等；2007-2012年的主要影響因素包括樞紐運行、航道整治、采砂等，其中樞紐運行引起的影響隨著時間的推移將漸趨減小。

3 減緩長洲樞紐下游近壩段水位下降的調(diào)控措施

由前文分析可知，近年來長洲樞紐壩下河床沖刷下切，同流量下梧州站水位明顯降低，給現(xiàn)有航道的維護及長洲樞紐現(xiàn)有一、二線船閘的正常運行帶來了不利影響。為探討減緩長洲樞紐下游近壩段水位下降的調(diào)控措施，本文從“填(深槽回填）”、“壅(修筑壅水丁壩）”、“調(diào)(調(diào)節(jié)樞紐下泄流量）”三個方面對河段水位的變化特征進行定床模型試驗研究，探討其水位調(diào)控效果。該物理模型模擬范圍上起蒼梧縣，下至大巷口，模擬長洲樞紐下游近壩段長約30 km的河道；模型平面比尺為1：250，垂直比尺為1：60。模型驗證結果表明，模型水流運動與天然河道具有較好的相似性［10］。

3.1 近壩段深槽回填措施及水位變化

結合長洲壩下河段的河床形態(tài)特征以及航線走向，擬定了近壩段四處深槽回填區(qū)域(見圖1），以探討河道沿程水位的變化規(guī)律。各填槽工程量見表2。試驗過程中，對深槽回填后的沿程水位進行了觀測。

表2 各填槽工程量Tab.2 Earthwork quantity of pool backfill

填槽措施實施前后，設計流量下(1 140 m3/s）各水尺水位變化如圖4所示。由圖可見，填槽實施后，河段水位有所提高。其中，1#填槽實施后，最大水位上升值為1 cm；2#填槽實施后，最大水位上升值為2 cm；3#填槽實施后，最大水位上升值為2 cm；4#填槽實施后，最大水位上升值為2 cm；1#～4#填槽均實施后，最大水位上升值為4 cm。應當指出，水位壅高僅在填槽附近較明顯，其余河段水位變幅甚小。

圖4 填槽后水位變化Fig.4 Variation of water level after pool backfill

3.2 壅水丁壩措施及水位變化

鑒于填槽措施實施后，水位上升幅度較小，結合長洲壩下河段已建工程情況、河床形態(tài)特征及航道線型走向，擬建6條壅水丁壩(具體位置見圖1）。壅水丁壩的高程較設計水位高0.15 m，枯水期達到壅水目的，中、洪水期則淹沒于水下。試驗過程中，對壅水丁壩修建后的沿程水位進行量測。

壅水丁壩修筑前后，設計流量下(1 140 m3/s）各水尺水位變化如圖5所示。由圖可見，隨著壅水丁壩的修筑，河段水位有所抬高。其中，1#壅水丁壩修建后，最大水位上升值為1 cm；2#壅水丁壩修建后，最大水位上升值為4 cm；3#壅水丁壩修建后，最大水位上升值為1 cm；4#壅水丁壩修建后，水位壅高幅度較大，最大水位上升值為7 cm；位于4#壩下游側的5#壅水丁壩修建后，最大水位上升值為7 cm；6#壅水丁壩修建后，最大水位上升值為2 cm；1#～6#壅水丁壩修建后，最大水位上升值為11 cm。從單條丁壩壅水效果來看，2#，4#和5#丁壩壅水效果較好，考慮到4#丁壩與5#丁壩緊鄰且5#丁壩位于下游，選擇修建效果較好的2#與5#丁壩，修建后最大水位上升值為9 cm。

3.3 樞紐下泄流量調(diào)節(jié)措施及水位變化

圖5 壅水丁壩修筑后水位變化Fig.5 Variation of water level after completion of groins

實施“填(深槽回填）”、“壅(修筑壅水丁壩）”措施后，長洲樞紐壩下近壩段水位下降得到了一定程度的緩解，但壅水幅值均有限。下面研究通過不同樞紐下泄流量調(diào)節(jié)方式，抬升河段枯水位。樞紐下泄流量調(diào)節(jié)方式主要有：①按照現(xiàn)有的內(nèi)、外江分流比(內(nèi)江22.5%，外江77.5%），逐步增加長洲樞紐最小下泄流量；②調(diào)節(jié)長洲樞紐下泄流量的內(nèi)外江流量分配比例。具體調(diào)節(jié)方式見表3，模型試驗中尾門水位保持不變，分析近壩段水位變化。

表3 樞紐下泄流量調(diào)節(jié)方式Tab.3 Control methods of released discharge (m3·s-1）

按方式①調(diào)節(jié)樞紐下泄流量后，河段沿程水位變化見圖6(a）。由圖可見，與流量1 090 m3/s情況相比較，下泄流量增加至1 150 m3/s時，沿程水位抬高了2～9 cm；下泄流量增加至1 200 m3/s時，沿程水位抬高了4～18 cm；下泄流量增加至1 250 m3/s時，沿程水位抬高了5～24 cm；下泄流量增加至1 300 m3/s時，沿程水位抬高了6～30 cm。在此基礎上通過調(diào)節(jié)內(nèi)外江分流比，即增大外江分流比以達到增加河段上游龍圩水道水位的目的。

調(diào)節(jié)長洲樞紐下泄流量的內(nèi)外江分流比后，樞紐下游河段沿程水位變化見圖6(b）。當提高外江分流比后，龍圩水道(外江）流量增大，水位相應抬高，但水位的影響僅發(fā)生在龍圩水道內(nèi)(上游變化大、下游變化?。?，而內(nèi)外江匯合后的下游河道水位未發(fā)生變化。從圖中可以看出，外江分流比增大后，龍圩水道內(nèi)各水尺水位均有所抬高。外江分流比增大至80.8%時，位于外江(龍圩水道）的水尺水位較原分流比(外江77.5%）時抬高1～5 cm；外江分流比增大至84.6%時，上游龍圩水道水位較原分流比(外江77.5%）時抬高1～10 cm；外江分流比增大至88.5%時，上游龍圩水道水位較原分流比(外江77.5%）時抬高1～14 cm。除此之外，下游水位未發(fā)生變化。

圖6 增大下泄流量和外江分流比后沿程水位變化Fig.6 Variation of water level after increasing the discharge and diversion ratio of Waijiang waterway

綜合分析“填(深槽回填）”、“壅(修筑壅水丁壩）”、“調(diào)(調(diào)節(jié)樞紐下泄流量）”三方面調(diào)控措施的研究成果表明：

(1）深槽回填措施實施后，水位略有抬高，但增幅較小，一般僅為1～3 cm；4處選定深槽均回填后，水位最大增幅為4 cm。

(2）壅水丁壩修筑后，河段水位有所抬高，水位增幅一般為1～7 cm；1#～6#壅水丁壩均修建后，水位最大增幅為11cm左右；選擇效果較好的2#與5#丁壩修建后，最大水位增高值為9cm，其沿程壅水效果基本與1#～6#丁壩同時修建時相當。

(3）按照現(xiàn)有的內(nèi)、外江分流比(內(nèi)江22.5%，外江77.5%），長洲樞紐下泄流量增加至1 300 m3/s時，沿程水位較1 090 m3/s時抬高了6～30 cm，在此基礎上將外江分流比增大至88.5%時，上游龍圩水道水位較原分流比(外江77.5%）時抬高1～14 cm。

4 結 語

依據(jù)近年來梧州水文站水位、流量資料，對河段水位下降特征及影響因素進行分析；然后，采用物理模型試驗的研究手段，對減緩壩下水位下降的調(diào)控措施進行了研究。研究結果表明：

(1）2012年梧州水文站設計水位較原設計值下降1.30 m左右；2000-2006年為長洲樞紐建成前，水位下降主要受自然演變和采砂影響等；2007-2012年的主要影響因素包括樞紐運行、航道整治、采砂等，其中樞紐運行引起的影響隨著時間的推移將逐漸減小。

(2）深槽回填、修筑雍水丁壩對減緩壩下水位下降的作用非常有限，相對而言，樞紐調(diào)節(jié)(提高下泄流量、增加外江分流比）則明顯延緩水位下降。

應當指出，長洲樞紐下游近壩段水位下降影響因素眾多，且各因素相互交叉。本文僅對此進行了初步分析，相關研究還有待進一步細化和深入，如：收集相關采砂資料并深入分析其影響、開展動床試驗探討樞紐下游水位下降的極限值等等。建議加強本河段的采砂管理，并結合上游梯級水庫聯(lián)合調(diào)度措施，對本河段河道治理和航道整治措施開展綜合研究。

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Water level drop characteristics and its control measures for lower near-dam reaches of Changzhou hydro-junction on the Xijiang River

PANG Xue-Song1，DU Jing-min1，JIA Dong-dong2，ZHANG Xing-nong2，CAO Min-xiong2
(1.Guangxi Bureau of Port Management，Nanning 530012，China；2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Riverbed degradation and considerable falling of water level along the downstream channel of the Changzhou hydro-junction are due to the factors of released clear water，sand mining and waterway dredging，etc. According to the measured water level and flow discharge data from Wuzhou hydrometric station，the characteristics of the water level drop and its influencing factors on the lower near-dam reaches of the Changzhou hydro-junction are analyzed.In addition，the control measures to slow down the water level drop have been investigated in the physical model tests.The design water level given by the Wuzhou hydrometric station in 2012 was approximate 1.30 m lower than the initial design value.The water level drop is mainly due to the natural evolution and sand mining during the period of 2000 to 2006.Reservior operation，waterway regulation and sand mining were the main influence factors from 2007 to 2012，however，the impact on the reservoir operation will gradually decrease. Analysis of data and model test studies show that the deep pool backfilling and construction of the spur dikes play a limited role in slowing down the water level drop；by contrast，the regulation of the hydro-junction(including raising the discharge，and increasing the diversion ratio of the outside river channel）can considerably slow down the water level drop along the lower near-dam reaches.

Changzhou hydro-junction；water level drop；riverbed degradation；control measures；Xijinag River；lower near-dam reaches

TV147 文獻標心碼：A

1009-640X(2014）03-0042-07

2013-11-23

國家自然科學基金資助項目(51109140，51109112）

龐雪松(1968-），男，廣西南寧人，高級工程師，主要從事航道和港口管理工作。通信作者：假冬冬(E-mail：ddjia@nhri.cn）