朱軍政，劉 冰

(1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316022；3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018)

浦陽江流域位于浙江省中北部、蕭紹寧地區(qū)西部，西、南兩面靠龍門山及余脈，東接會稽山，北濱太湖杭州灣，主流長151 km，流經(jīng)義烏、浦江、諸暨、蕭山4個縣、市(區(qū))。浦陽江系天然渠化航道，是浙江省20條內(nèi)河骨干航道之一，起源于紹興諸暨境內(nèi)，沿江而下經(jīng)過蕭山后與富春江一起匯入錢塘江，過三堡船閘和京杭運河進入浙北內(nèi)河航道網(wǎng)。

根據(jù)《浙江省內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃》和《浙江省內(nèi)河水運“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，浦陽江是錢塘江的主要支流，連接錢塘江和杭甬運河，沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)、資源較豐富，近年來貨運量得到了一定發(fā)展。浦陽江航道現(xiàn)為VI級及以下航道，考慮該航道的開發(fā)條件和運輸需求，納入骨干航道規(guī)劃布局，規(guī)劃為IV級航道。

浦陽江航道養(yǎng)護工程將對金浦橋至杭甬運河新壩船閘上游引航道喇叭口段按天然Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)進行養(yǎng)護疏浚，全長約23.16 km。金浦橋至杭甬運河新壩船閘的航道升級改造工程將有效提高浦陽江全線的航道等級，進一步改善浦陽江航道通航條件。同時由于浦陽江航道的改造升級，原有航道設(shè)計通航水位應(yīng)適時進行相應(yīng)調(diào)整[1]。

沈保根等[2]探討采用水位頻率法和設(shè)計流量法所確定的設(shè)計最高通航水位對渦河航道通航的影響；鄭靜等[3]針對平原河網(wǎng)地區(qū)跨航道橋梁改建實施難度大的問題，探討降低設(shè)計最高通航水位取值的可能性，并提出按通航保證率進行設(shè)計最高通航水位取值；王國欣等[4]采用高潮位頻率法分別計算剡江、東江控制點的設(shè)計最高通航水位；李國通等[5]通過對西江航運干線跨河橋梁現(xiàn)狀、水文特征、不同洪水重現(xiàn)期水位及歷時、不同洪水重現(xiàn)期水位與封航水位對比、降低跨河橋梁高度對社會經(jīng)濟的影響等分析，結(jié)合航道最高通航水位要求，提出符合西江航運干線實際的跨河橋梁最高通航水位標(biāo)準(zhǔn)。本文采用GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[6]中的高潮位頻率法，通過建立二維水動力數(shù)學(xué)模型進行通航水位計算，考慮浦陽江河道狀況、航道等級、水流條件和橋梁通航凈空等條件，結(jié)合上下游河段設(shè)計水位、防汛特征水位、歷時水位統(tǒng)計等資料，提出符合浦陽江實際的最高通航水位。

1 水文情勢

浦陽江系錢塘江支流，在聞家堰上游約3 km的三江口匯入錢塘江，三江口距錢塘江河口的澉浦118 km(圖1)。東海潮汐沿途受杭州灣特別是錢塘江河段內(nèi)的地形、流量的影響，潮汐上溯一直影響到浦陽江的臨浦、湄池。鄭國誕等[7]指出，浦陽江臨浦、湄池站的洪水位除受浦陽江上游洪峰流量影響外，還受匯合口處聞家堰洪水位的控制，而聞家堰的洪水位變化又受錢塘江上游洪水流量大小、下游潮汐強弱和江道沖淤變化等多種因素所影響，導(dǎo)致臨浦、湄池站的洪水位變化規(guī)律十分復(fù)雜。

圖1 浦陽江水系及航道位置

浦陽江湄池以下至臨浦段河床的沖淤幅度較小，各段容積的變化幅度均小于5%。各斷面灘槽基本穩(wěn)定，主槽基本呈“U”形，多年來沖淤幅度一般在2.0 m以下，且主槽位置變化不大。該河段江道較為穩(wěn)定，多年維持動態(tài)平衡。

2 通航水位計算方法

最高通航水位是設(shè)計采用的允許標(biāo)準(zhǔn)船舶或船隊正常通航的最高水位，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，不受潮汐影響和受潮汐影響不明顯的河段，設(shè)計最高通航水位采用表1規(guī)定的各級洪水重現(xiàn)期的水位。對于潮汐影響明顯的河段，設(shè)計最高通航水位采用年最高潮位頻率為5%的潮位，按極值Ⅰ型分布律計算確定。

表1 設(shè)計最高通航水位的洪水重現(xiàn)期

在河口地區(qū)，設(shè)計通航水位的計算首先要分析判斷河段的感潮屬性。潮汐影響明顯的河段指多年月平均潮位年變幅小于或等于多年平均潮差的河段。

根據(jù)JTS 145-1—2011《內(nèi)河航運工程水文規(guī)范》[8]，受潮汐影響河段有明顯和不明顯的區(qū)別，主要取決于月平均水位年變幅多年平均值ΔZ1與多年平均潮差ΔZ2之比。對于設(shè)計通航高水位，ΔZ1/ΔZ2≥1時，屬潮汐影響不明顯的河段，反之則屬潮汐影響明顯的河段；對于設(shè)計通航低水位，根據(jù)二者之比可分為常年潮流段、季節(jié)性潮流段和常年徑流段，其中ΔZ1/ΔZ2<1為潮汐影響明顯河段，1≤ΔZ1/ΔZ2≤5時為季節(jié)性潮流段，ΔZ1/ΔZ2>5時為不受潮汐影響的常年徑流段。月平均潮位年變幅多年平均值ΔZl按式(1)計算：

(1)

式中：n為統(tǒng)計年數(shù)；Zi1為統(tǒng)計年內(nèi)某年最高月平均潮位(m)；Zi2為統(tǒng)計年內(nèi)某年最低月平均潮位(m)。

依據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和JTS 145-1—2011《內(nèi)河航運工程水文規(guī)范》，關(guān)于水文資料應(yīng)以工程所在和相鄰水文站的水文實測資料為主要依據(jù)，統(tǒng)計相關(guān)水位站的特征值水位。當(dāng)基本站資料具有良好的一致性時，應(yīng)取近期連續(xù)資料系列，取用年限不短于20 a。浦陽江臨浦設(shè)有長期水文觀測站。選取浦陽江臨浦站1990—2012年實測資料進行統(tǒng)計分析，該站點ΔZ1/ΔZ2為2.31，月平均水位變幅大于多年平均潮差，ΔZ1/ΔZ2值在1～5，由此判斷該河段屬于季節(jié)性潮流段，受潮汐影響不明顯，因此設(shè)計最高通航水位論證采用表1規(guī)定的各級洪水重現(xiàn)期的水位。

3 數(shù)學(xué)模型計算

3.1 二維數(shù)學(xué)模型

浦陽江江道相對較為寬淺，其水流運動可用非恒定沿垂線積分的平面二維守恒型淺水運動方程來描述：

(2)

(3)

(4)

上述方程組的初始條件：

(5)

邊界條件：

水邊界

z(x，y，t)=z*(x，y，t)

(6)

式中：“*”表示已知值；

陸邊界

Vn=0

(7)

法線方向流速為0。

有了以上條件，即可用一定的離散格式求出方程的解。鑒于三角形網(wǎng)格具有比較容易擬合復(fù)雜的邊界、網(wǎng)格布設(shè)靈活、局部加密方便、適應(yīng)性強的特點，本次計算選用基于三角形網(wǎng)格的有限體積法離散。

3.2 模型驗證

二維數(shù)學(xué)模型上邊界為富陽，下邊界為閘口，浦陽江上邊界在湄池，二維數(shù)學(xué)模型主要計算浦陽江各代表點通航水位。模型計算區(qū)域見圖2。

圖2 模型計算區(qū)域概化

驗證采用2011年6月的實際洪水過程，上邊界富陽站和湄池站采用一維水動力數(shù)學(xué)模型推算的6月13—18日流量過程，下邊界閘口采用實測潮位過程。計算地形富春江采用2011年3月1:10 000的實測地形，浦陽江以2008年4月1:5 000的實測地形。經(jīng)多次試算，確定糙率0.025～0.035，沿程各站點水位過程驗證結(jié)果見圖3。由圖3可知，計算值與實測值吻合良好，最大計算誤差為0.08 m。水位驗證和流量驗證結(jié)果表明，二維水動力模型計算精度良好，符合《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[9]的要求，可用于方案計算。

圖3 2011年6月洪水過程驗證

3.3 設(shè)計最高通航水位計算

按照J(rèn)TS 145-1—2011《內(nèi)河航運工程水文規(guī)范》，在計算設(shè)計最高通航水位時，對于Ⅳ級航道采用10 a洪水重現(xiàn)期的洪水流量，但山溪性河流可下降到3～5 a洪水重現(xiàn)期；對于Ⅵ級航道采用5 a洪水重現(xiàn)期的洪水流量，山溪性河流可下降到2～3 a洪水重現(xiàn)期。

為便于航道管理和上下游航道的銜接，本次設(shè)計通航高水位論證采用二維數(shù)學(xué)模型分別計算了流量為720、620、540 m3/s的5、3和2 a洪水重現(xiàn)期洪水條件下浦陽江沿程的洪水位。浦陽江湄池至聞家堰長31.2 km，其沿程洪水位計算結(jié)果見圖4。由圖4可知，各工況下沿程水位總體上有自上游向下游降低的趨勢，水面較為平順，上下游形成較明顯的水面坡降。

圖4 設(shè)計最高通航水位沿程分布

3.4 設(shè)計最高通航水位推薦值

根據(jù)浙江省水文局提供的數(shù)據(jù)資料[10]，浦陽江臨浦站和聞家堰站警戒水位分別為7.18和7.06 m，當(dāng)航道水位達(dá)到控制水位時，將限制浦陽江中的船舶通航，以保證通航安全。分析發(fā)現(xiàn)，5、3 a洪水重現(xiàn)期條件下，臨浦站水位均超出警戒水位值；而2 a洪水重現(xiàn)期條件下，臨浦站水位為7.18 m，與警戒水位值剛好相吻合，聞家堰站計算水位為6.95 m，亦低于警戒水位值。故2 a洪水重現(xiàn)期方案時沿程計算水位均能滿足防洪要求，保證船舶通航安全。

由于浦陽江航道上部分橋梁建設(shè)時間較早，橋梁底高程較低，按5、3 a洪水重現(xiàn)期設(shè)計最高通航水位值計算，已建橋梁除近年新建的3座外，其余橋梁通航凈空均達(dá)不到規(guī)定的Ⅳ級航道通航凈空應(yīng)大于7.0 m的要求。按2 a設(shè)計最高通航水位值計算，新建及已許可的跨河橋梁的通航凈空均大于7.0 m，其他橋梁則需結(jié)合航道標(biāo)準(zhǔn)按要求逐步分批拆除重建。

以臨浦水位為代表站點分析，從通航時間保證率來看，1991—2012年的22 a間浦陽江臨浦站水位超過5、3、2 a洪水重現(xiàn)期水位的總天數(shù)分別為8、18、28 d，三者的多年平均保證率都在99%以上。

考慮浦陽江河道狀況、航道等級、水流條件和重要性等，結(jié)合上下游河段設(shè)計水位、防汛特征水位、歷時水位統(tǒng)計等資料，推薦以浦陽江2 d洪水重現(xiàn)期水位作為設(shè)計最高通航水位。部分不滿足凈空尺度要求的橋梁應(yīng)按Ⅳ級航道對應(yīng)的設(shè)計高水位標(biāo)準(zhǔn)逐漸完成拆除或重建，規(guī)劃期內(nèi)橋梁分批逐步改造的具體思路是：新建或改建橋梁應(yīng)按照7.0 m凈高標(biāo)準(zhǔn)一次到位；其他橋梁選擇礙航嚴(yán)重的優(yōu)先改造，其余逐步分期分批改造到7.0 m凈高。

4 結(jié)論

1)選取浦陽江臨浦站1990—2012年實測資料，統(tǒng)計分析得到該站點月平均水位年變幅多年平均值與多年平均潮差的比值為2.31，由此判斷浦陽江臨浦河段屬于季節(jié)性潮流段，受潮汐影響不明顯。

2)根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中各級洪水重現(xiàn)期水位采用設(shè)計流量法推求設(shè)計最高通航水位，建立了浦陽江湄池至三江口及錢塘江富陽至閘口段的二維水流數(shù)學(xué)模型，通過湄池、臨浦、聞家堰 3個水位站點及聞家堰流量站點長達(dá)10 d的實測洪水過程驗證，模型計算精度良好。

3)利用二維水流數(shù)學(xué)模型模擬計算了浦陽江5、3、2 a洪水重現(xiàn)期工況下的沿程水位。考慮浦陽江河道狀況、航道等級、水流條件和橋梁通航凈空等條件，結(jié)合上下游河段設(shè)計水位、防汛特征水位、歷時水位統(tǒng)計等資料，經(jīng)綜合分析后，推薦浦陽江2 a洪水重現(xiàn)期水位作為設(shè)計最高通航水位。