耿卓 何思遠(yuǎn) 董思遠(yuǎn) 王喬 張楠

摘 要：為了提高船閘用水量計(jì)算精度，基于單位船型法和一次過(guò)閘平均用水量，推導(dǎo)了年、月、日用水量計(jì)算公式，分析了用水系數(shù)的影響因素，研究了閘室利用率λ取值方法。研究表明，λ與船閘飽和度有關(guān)，船閘接近飽和時(shí)，λ為滿檔組合時(shí)閘室利用率λm，船閘飽和度較小時(shí)可取λ=50%。雙向過(guò)閘率越大，船舶裝載率越高，船閘飽和度越大，船舶噸級(jí)越高，用水量越省。宜采用最大月平均用水流量進(jìn)行水資源供需平衡分析。建議相關(guān)規(guī)范修訂時(shí)，補(bǔ)充年用水量、最大月用水量及其相應(yīng)用水流量的計(jì)算規(guī)定。

關(guān)鍵詞：船閘;閘室利用率;用水量;用水系數(shù);用水流量

1引言

在水資源匱乏地區(qū)，通航用水與發(fā)電、生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的矛盾將會(huì)制約航運(yùn)的發(fā)展。合理確定船閘的年、月或旬用水量是進(jìn)行水資源供需平衡分析[1]、航運(yùn)用水可行性分析[2]、省水船閘效益分析[3]的基礎(chǔ)工作。

船閘用水量主要與船閘貨運(yùn)量、一次過(guò)閘噸位、閘室水域面積、船閘水頭差以及省水措施有關(guān)。船閘的耗水量包括船舶過(guò)閘用水量和閘、閥門漏水量?jī)刹糠?，目前?guī)范[4]僅以一晝夜平均耗水量表示，是一個(gè)流量指標(biāo)，其中漏水量相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。本文結(jié)合小清河船閘用水量計(jì)算，引入用水系數(shù)，分別研究年、月、日用水量，提出用水流量計(jì)算方法和取值建議，研究結(jié)果可供船閘用水量計(jì)算和相關(guān)規(guī)范修訂時(shí)參考。

2小清河船閘通過(guò)能力

小清河復(fù)航工程起自濟(jì)南港主城港區(qū)，終于濰坊西港區(qū)羊口作業(yè)區(qū)，全長(zhǎng)169. 2 km，Ⅲ級(jí)航道設(shè)計(jì)船型為1000t級(jí)，沿途布置水牛韓、金家堰、金家橋、王道等4座Ⅱ級(jí)船閘。水牛韓基本尺度230m×23m×5.0 m（有效長(zhǎng)度×有效寬度×門檻水深），有效面積5290m2，其他3座船閘基本尺度280m×34m×5.0 m，有效面積9520m2。設(shè)計(jì)水頭分別為5.3m、5.4m、2.2m、4.9m。

1拖+6×1000噸級(jí)船隊(duì)、1頂+2×1000噸級(jí)船隊(duì)、1000噸級(jí)貨船、60 TEU集裝箱船（1050t）等4種設(shè)計(jì)代表船型，貨運(yùn)量分擔(dān)比pwi=60%、10%、28%、2%，艘（隊(duì)）數(shù)比pi= 22.3%、11.1%、62.4%、4.2%。

計(jì)算時(shí)，日通航時(shí)間τ=22h，晝夜內(nèi)非客運(yùn)、貨運(yùn)船過(guò)閘次數(shù)n0=0.5，年通航天數(shù)N=330d，運(yùn)量月不均衡系數(shù)β=1.3，上行船舶裝載系數(shù)α=0.90。預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)水平年上行貨運(yùn)量Fy，滿檔組合的一次過(guò)閘平均噸位 G、一次過(guò)閘平均時(shí)間T、日過(guò)閘次數(shù)n、上行年客貨運(yùn)通過(guò)能力P見(jiàn)表2所示，通過(guò)量飽和度ψ= Fy/P =60.1%～97.1%。

式中，S—閘室有效面積，m2;λ—有效面積平均利用率;g—船型平均噸位密度，t/ m2;pi、sj、Wj—第j種船型的艘（隊(duì)）數(shù)比、面積、載重噸。

3一次過(guò)閘平均用水量

單級(jí)船閘雙向過(guò)閘用水量小，且通過(guò)能力大，因此即使在多線船閘中，宜優(yōu)先采用雙向過(guò)閘方式，上行、下行來(lái)船不均衡時(shí)，采用單向過(guò)閘方式。連續(xù)多級(jí)船閘的雙向過(guò)閘時(shí)間長(zhǎng)、用水量大，因此很少采用。單向過(guò)閘時(shí)間短、用水量小，在連續(xù)多線船閘中，可盡量安排單向過(guò)閘方式。在單線多級(jí)船閘中，為了減少船舶待閘時(shí)間，以成批過(guò)閘方式為主，且閘次批量要適度控制。

從兼顧通過(guò)能力和用水量原則出發(fā)，單級(jí)船閘應(yīng)以雙向過(guò)閘為主，多線多級(jí)船閘應(yīng)以單向過(guò)閘為主。

4年、月、日用水量

船閘通過(guò)能力是在船閘、船舶、管理、環(huán)境等要素的約束條件下可能達(dá)到貨運(yùn)量最大值，而實(shí)際發(fā)生的年單向貨運(yùn)量Fy決定了實(shí)際總閘次數(shù)ny：

船閘年用水系數(shù)綜合反映了一次過(guò)閘用水系數(shù)ξa、船舶裝載率α、閘室利用率λ的影響。

計(jì)算船閘通過(guò)能力時(shí)，滿檔組合的λm是一個(gè)上限值，僅與閘室有效面積、過(guò)閘船舶的尺度和標(biāo)準(zhǔn)化程度有關(guān)。而λ實(shí)際值還與船舶組成結(jié)構(gòu)、船舶到達(dá)規(guī)律、船閘的繁忙程度、船閘運(yùn)行、調(diào)度和管理水平等有關(guān)。

在船閘運(yùn)行實(shí)踐中，為了盡可能地提高船閘的利用程度， 閘室利用率不可能一直維持在較低的水平; 同時(shí)， 由于船舶流量的隨機(jī)性， 為了使船舶盡快過(guò)閘， 閘室利用率也不可能長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)較高的水平。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，λ平均值一般在0.5～0.8之間[5]。

5小清河船閘用水量

小清河船閘雙向閘次比μ=0.5，采用普通船閘時(shí)E=0，ξa=0.75，ξΩ=1.13～1.19，ρ0=n0/n=1.49%～1.78%，λ= 69.9%～82.1%，HV=4.3～1.2m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3中可見(jiàn)qd

對(duì)小清河沿線水文站多年逐日流量資料，采用綜合歷時(shí)曲線法計(jì)算多年歷時(shí)保證率流量[6]。保證率95%設(shè)計(jì)流量依次為8.00m3/s、7.19m3/s、8.96m3/s、7.30 m3/s，除金家堰船閘以外，設(shè)計(jì)流量基本能滿足沿線船閘用水需要;保證率98%設(shè)計(jì)流量分別為6.55m3/s、4.17m3/s、5.04m3/s、4.18m3/s，設(shè)計(jì)流量不能滿足金家堰、王道船閘用水需求。

因此，小清河4座船閘中，水牛韓、金家堰、王道為省水船閘，金家橋?yàn)槠胀ùl。省水船閘均采用帶一個(gè)省水池的短廊道集中輸水系統(tǒng)布置方案，省水池水域面積與閘室水域面積相等，理論省水率可達(dá)33.3%。其中，水牛韓船閘預(yù)留省水池場(chǎng)地，隨著船閘飽和度的提高，可適時(shí)建設(shè)。

以金家堰省水船閘為例，每年可節(jié)約用水量6301萬(wàn)m3，用水流量降低為qm=7.90×2/3=5.27 m3/s，與設(shè)計(jì)流量相差1.1m3/s。小清河工程在每座船閘處設(shè)抽水泵站一座，在特枯水年利用泵站進(jìn)行回抽翻水，可進(jìn)一步提高小清河航道通航保證率。

6結(jié)論

（1）船閘通過(guò)量接近通過(guò)能力時(shí)，λ為滿檔組合時(shí)閘室利用率λm，船閘飽和度較小時(shí)，可維持在λ=50%。假設(shè)船閘實(shí)際運(yùn)行時(shí)λ在0.5～λm之間，與飽和度ψ成正比是合理的。

（2）年用水系數(shù)ky綜合反映了一次過(guò)閘用水系數(shù)ξa、船舶裝載率α、閘室利用率λ的影響。雙向過(guò)閘率越大，船舶裝載率越高，船閘飽和度越大，船舶噸級(jí)越高，用水量V越省。

（3）日最大過(guò)閘次數(shù)n，決定了日最大用水流量qdm，最大月平均用水流量qm，其次，年日平均用水流量qd最小。宜采用qm進(jìn)行水資源供需平衡分析、航運(yùn)用水可行性分析。

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