秦 杰，吳 騰

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098; 2.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024)

賀江位于廣東和廣西境內(nèi)，流域面積11 536 km2，是通往珠江三角洲的水上便捷通道。賀江廣東段自白沙至江口長(zhǎng)115 km，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均為沿江貨物運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，在該河段?nèi)先后修建了10余座水利樞紐以提高通航條件。限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件和施工水平，各樞紐的通航設(shè)施等級(jí)較低。隨著河道的淤積發(fā)展，賀江下游局部航道水深較小，限制了航道的通過(guò)能力。目前該段航道按水深0.6 m、航寬15 m、彎曲半徑115 m的標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)，通航保證率95%，僅通航50 t級(jí)船舶。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該河段水運(yùn)能力的提升成為各方面關(guān)注的重點(diǎn)。因此，有必要開(kāi)展賀江下游通航條件的研究，分析提高通過(guò)能力的可行性，以適應(yīng)現(xiàn)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，為賀江流域及廣東、廣西兩省經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供大運(yùn)量、低成本的水運(yùn)交通通道。

賀江具有典型山區(qū)性河道的特性，航道受地質(zhì)構(gòu)造、地形、地貌等因素影響較大，常具有比降大、流速快等特點(diǎn)，出現(xiàn)灘險(xiǎn)的類(lèi)型也十分復(fù)雜，主要包括：因達(dá)不到航道尺度要求而成為礙航淺灘；因流急坡陡，航船上行困難表現(xiàn)為急流灘；因河道太彎或者存在嚴(yán)重的橫流、滑梁水等礙航流態(tài)，致使航行十分危險(xiǎn)而成為險(xiǎn)灘[1]。開(kāi)展急流灘險(xiǎn)的水力特性、船舶上灘的動(dòng)水特性、彎曲型汊道急流灘的研究，對(duì)提高山區(qū)航道整治的技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展有重要的理論和實(shí)踐意義。針對(duì)山區(qū)河流通航的關(guān)鍵問(wèn)題，有學(xué)者采用數(shù)學(xué)模型研究局部河段流速的變化規(guī)律[2-3]；也有學(xué)者通過(guò)物理模型試驗(yàn)，概化急灘流、遙控自航船模上灘試驗(yàn)，研究了山區(qū)河流急流灘險(xiǎn)的水力特性及整治的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題[4-6]。另一方面，為了緩解山區(qū)河流的通航困難，許多山區(qū)河流修建了梯級(jí)電站或水庫(kù)，較大增加了通航水深。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航道貨運(yùn)量逐年增加，航道等級(jí)的提升也成為梯級(jí)航道的重點(diǎn)。對(duì)于航道等級(jí)的提升必須要因勢(shì)利導(dǎo)，相機(jī)實(shí)施整治工程，包括守護(hù)現(xiàn)有底坡邊灘[7]、穩(wěn)定改善汊道[8]、塞支強(qiáng)干[9]、增建潛壩、丁壩、加高河心磧壩等整治措施[10-11]。文獻(xiàn)[12]應(yīng)用理論方法分析研究了水電站回水長(zhǎng)度隨流量的變化規(guī)律，然后應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)水庫(kù)回水長(zhǎng)度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，一方面驗(yàn)證理論分析結(jié)果，另一方面探討河道底坡變化對(duì)回水長(zhǎng)度的影響，并就回水末端判別標(biāo)準(zhǔn)、回水長(zhǎng)度及其變化規(guī)律的影響進(jìn)行了深入討論，研究成果具有較好的參考意義。由于賀江的山區(qū)河流特征以及梯級(jí)水庫(kù)特征，上述研究成果應(yīng)用于賀江還有一定局限性。因此，本文采用一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型對(duì)賀江下游梯級(jí)航道通航條件進(jìn)行了研究，分析梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)用條件下賀江梯級(jí)航道的通航狀況，為航道整治提供參考。

1 研究方法

1.1 基本方程[13]

本研究采用一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型模擬賀江在不同通航等級(jí)條件下的航道特征。

水流連續(xù)方程

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程

(2)

式中：X為流程，m；t為時(shí)間，s；A為斷面過(guò)水面積；Q為流量，m3/s；ql為旁側(cè)入流量，m3/s ，負(fù)值表示流入；Zs為水位，m；Sf為水力坡度；α1為動(dòng)量修正系數(shù)，可取1。

1.2 模型的驗(yàn)證

一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型從白沙到江口共115 km，計(jì)算范圍如圖1所示，采用2009年實(shí)測(cè)地形圖，模型計(jì)算共劃分229個(gè)斷面，斷面間距約500 m，時(shí)間步長(zhǎng)3 min。計(jì)算邊界條件為上游給定流量，下游給定水位。賀江下游是四座樞紐控制的人工調(diào)節(jié)河段，從上至下分別為：文華電站、都平電站、白垢電站和江口電站。其中，文華電站不進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，壩體為滾水壩。

圖1 白沙至江口模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model from Baisha to Jiangkou

采用2012年1月10日實(shí)測(cè)的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖2為數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證結(jié)果，圖中模型計(jì)算的任意時(shí)刻水位數(shù)值與原型實(shí)測(cè)水位誤差均在5 cm之內(nèi)，驗(yàn)證結(jié)果較好，該數(shù)學(xué)模型可以用于賀江的研究。

2-a 白沙至都平河段驗(yàn)證2-b 都平至白垢河段驗(yàn)證2-c 白垢至江口河段驗(yàn)證圖2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證>Fig.2 Validation of the numerical model

2 賀江下游航道參數(shù)

2.1 最低通航水位

賀江下游文華-都平、都平-白垢、白垢-江口水利樞紐間基本上實(shí)現(xiàn)了全線渠化，僅江口水利樞紐以下河段呈天然河流屬性。現(xiàn)狀條件下，白沙斷面最低通航水位34.64 m；文華電站壩上最低通航水位34.60 m，壩下32.00 m；都平電站壩上最低通航水位31.95 m，壩下23.70 m；白垢電站壩上最低通航水位23.20 m，壩下14.80 m；江口電站壩上最低通航水位11.80 m，壩下2.36 m，高程均為珠江基面。

2.2 賀江航道標(biāo)準(zhǔn)及航道尺度

依據(jù)《珠江干線貨運(yùn)船舶船型主尺度系列》，賀江不同航道等級(jí)的航道尺寸如表1所示[8]。

表1 賀江不同航道等級(jí)尺寸[8]Tab.1 Requirements of different navigation levels in the Hejiang River m

3 樞紐運(yùn)用時(shí)壩下水位分析

根據(jù)賀江廣東段四個(gè)樞紐三級(jí)控制的實(shí)際情況，按照賀江現(xiàn)行的樞紐運(yùn)行調(diào)度方式，研究了賀江沿程樞紐的現(xiàn)狀水位問(wèn)題。表2為不同樞紐控制條件以及在該控制條件下上游的水位。采用一維數(shù)學(xué)模型對(duì)幾種典型的工況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制賀江下游沿程最低水面線，如圖3所示。當(dāng)沿程設(shè)計(jì)水位低于最低水位時(shí)(圖3)，則表明梯級(jí)樞紐下游水位滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)設(shè)計(jì)水位高于最低水位時(shí)，則需要對(duì)航道進(jìn)行整治。計(jì)算結(jié)果表明：現(xiàn)狀條件下文華至江口河段樞紐壩下水位大于設(shè)計(jì)最低通航水位，能滿足通航要求。其中，文華樞紐壩下設(shè)計(jì)最低水位為32.5～34.1 m，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中壩下水位為34.1～34.84 m；都平壩下設(shè)計(jì)最低水位為23.0～23.95 m，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中水位為23.95～26.66 m；白垢壩下設(shè)計(jì)最低水位為11.8～14.5 m，實(shí)際運(yùn)用水位為14.5～16.3 m。

表2 水電站調(diào)度下沿程水位變化Tab.2 Variation of water level along channel under the influence of reservoir operation

4 賀江下游航道尺度提升潛力研究

4.1 平均水深變化趨勢(shì)

將賀江廣東段沿程劃分為229個(gè)斷面，取斷面間距約500 m，統(tǒng)計(jì)各個(gè)斷面在現(xiàn)狀最低通航水位下的平均水深，水深如圖4所示。由圖可知，賀江沿程斷面平均水深在樞紐上游均有增大，樞紐下游平均水深有所減小，表明在樞紐上游由于大壩的攔截，水位抬升，水深增加，航道尺度條件較好，樞紐下游航道水深有所減小。

圖3 計(jì)算的沿程最低水位 圖4 設(shè)計(jì)低水位下沿程水深Fig.3 The lowest water level along channel Fig.4 Water depth along channel under design water level

4.2 不同等級(jí)航道水深對(duì)應(yīng)的河寬變化

圖5為滿足不同等級(jí)航道水深時(shí)對(duì)應(yīng)的河寬，表3為賀江白沙至江口河段分段通航尺度狀況。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，賀江白垢至江口樞紐河段通航尺度條件最好，全段可達(dá)四級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到三級(jí)航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的斷面數(shù)占白垢至江口河段里程的98%。上游白沙至文華樞紐河段，在現(xiàn)有條件下通航尺度條件相對(duì)較好，全段可達(dá)五級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到三級(jí)航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的斷面數(shù)可占白沙至文華河段里程的75%。賀江文華至都平樞紐和都平至白垢樞紐河段目前通航尺度條件較差，全段航道尺度僅基本達(dá)到六級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到三級(jí)航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的斷面數(shù)分別占相應(yīng)河段里程的75%和81%，并且在文華樞紐下游通航寬度較小，僅能滿足六級(jí)航道要求，需要通過(guò)治理才能提高航道等級(jí)。江口樞紐與西江的連接河口段，由于與西江銜接，處于河口入?yún)R區(qū)域，受西江水位變化控制，該區(qū)域水深和河寬條件較差，目前按六級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)能滿足要求，通過(guò)整治措施提高到五級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較易，但通過(guò)整治提高到四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的難度較大。賀江下游航道(廣東境內(nèi))低于五級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度約2.5 km，全線通過(guò)整治提高到五級(jí)航道尺度標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較易；小于和等于五級(jí)航道尺度標(biāo)準(zhǔn)的斷面數(shù)占全河段統(tǒng)計(jì)數(shù)的8.3%，低于四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度約9.0 km，通過(guò)整治工程手段可以全線提高達(dá)到四級(jí)航道尺度標(biāo)準(zhǔn)；若將賀江航道全線提高到三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，小于和等于四級(jí)航道尺度標(biāo)準(zhǔn)的斷面數(shù)占全河段統(tǒng)計(jì)數(shù)的18.8%，低于三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度約20.6 km，需要徹底整治江口樞紐至西江河口段及文華至白垢樞紐河段，整治難度較大。

表3 賀江白沙至江口河段分段通航尺度狀況Tab.3 Navigation conditions of each section from Baisha to Jiangkou in the Hejiang River

5-a 六級(jí)航道水深對(duì)應(yīng)的河寬5-b 五級(jí)航道水深對(duì)應(yīng)的河寬

5-c 四級(jí)航道水深對(duì)應(yīng)的河寬5-d 三級(jí)航道水深對(duì)應(yīng)的河寬圖5 不同等級(jí)航道滿足水深條件下的河寬Fig.5 River width along channel under different navigation levels

4.3 梯級(jí)航道相對(duì)寬度與相對(duì)水深關(guān)系

根據(jù)賀江航道擬提升的不同航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，在設(shè)計(jì)水位條件下統(tǒng)計(jì)賀江下游沿程229個(gè)斷面的平均水深和水面寬度。計(jì)算斷面平均水深h與不同等級(jí)航道要求標(biāo)準(zhǔn)水深H之比，以及設(shè)計(jì)水位條件下水面寬度b與航道寬度B之比，建立兩者的相關(guān)關(guān)系，如圖6～圖9所示。結(jié)果表明，航道的相對(duì)水深隨著相對(duì)寬度增大而減小，當(dāng)相對(duì)寬度b/B≥2時(shí)，相對(duì)水深h/H關(guān)系趨向于穩(wěn)定?？梢猿醪脚袛啵谠O(shè)計(jì)水位條件下，當(dāng)賀江航道寬度小于水面寬度的一半以上時(shí)，該河段基本可獲得相應(yīng)等級(jí)航道所要求的設(shè)計(jì)水深。當(dāng)賀江航道局部河流斷面出現(xiàn)不滿足上述相應(yīng)關(guān)系時(shí)，則有可能出現(xiàn)相應(yīng)局部礙航淺灘，需要采取相應(yīng)工程措施進(jìn)行整治，以達(dá)到相應(yīng)的航道要求水深。

圖6 六級(jí)航道相對(duì)寬度與相對(duì)水深關(guān)系圖 圖7 五級(jí)航道相對(duì)寬度與相對(duì)水深關(guān)系圖Fig.6 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the sixth-level channel Fig.7 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the fifth-level channel

圖8 四級(jí)航道相對(duì)寬度與相對(duì)水深關(guān)系圖 圖9 三級(jí)航道相對(duì)寬度與相對(duì)水深關(guān)系圖Fig.8 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the fourth-level channel Fig.9 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the third-level channel

4.4 賀江下游航道尺度提升措施

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，賀江廣東段航道在現(xiàn)有樞紐運(yùn)行調(diào)度情況下，白垢至江口樞紐河段航道尺度最好，水深能滿足四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，白沙至文華段水深能滿足五級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，全線低于四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度約9.0 km?？刹捎脙煞N方法提升航道尺度：(1)針對(duì)典型礙航淺灘進(jìn)行維護(hù)疏浚，疏浚區(qū)域包括：文化樞紐下游、都平樞紐下游和江口樞紐下游；(2)通過(guò)梯級(jí)樞紐的調(diào)度實(shí)現(xiàn)水位的抬升。如：通過(guò)抬高都平樞紐、白垢樞紐的最低通航水位實(shí)現(xiàn)文華樞紐、都平樞紐下游水深的增加，通過(guò)增大江口樞紐的下泄流量，提高下游的水深。

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)賀江下游梯級(jí)航道的通航條件進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：

(1)賀江下游航道沿程最低水位受梯級(jí)樞紐的運(yùn)用影響明顯，在目前運(yùn)用模式和設(shè)計(jì)最低水位條件下，賀江下游六級(jí)航道能全線通航。

(2)賀江下游沿程平均水深變化規(guī)律為：在樞紐上游較大，樞紐下游平均水深有所減小。現(xiàn)狀條件下，賀江下游賀江白垢至江口樞紐河段通航尺度條件最好，可達(dá)四級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，其余河段通航條件較差，只能滿足六級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。

(3)按照現(xiàn)階段設(shè)計(jì)水位，賀江下游滿足五級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度為2.5 km，滿足四級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度為9.0 km，滿足三級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的礙航淺灘長(zhǎng)度為20.6 km?？赏ㄟ^(guò)航道疏浚和梯級(jí)樞紐聯(lián)合調(diào)度提升航道尺度等級(jí)。