長江敘渝段航道最大開發尺度研究

　　摘要:長江上游敘渝段航道尺度不足問題日益凸顯，評估該段航道最大開發尺度對其建設規劃具有重要意義。采用敘渝段實測水文地形數據，對穩定航深法中的河相關系參數和水深修正系數進行改進：基于2230m3/s、12100m3/s和20291m3/s三級特征流量下的實測水位，獲得了河相關系參數隨流量的變化關系，朱沱站實測數據驗證表明枯水期較可靠;引入斷面形狀系數，建立了水深修正系數隨設計航道寬度的變化關系。基于改進后的穩定航深法計算敘渝段航道最大開發尺度，結果表明敘渝段通過航道整治能達到Ⅱ級航道3.5m×100m及I級航道4.5m×150m的設計標準，向家壩下泄流量相對設計流量增加400m3/s可提升航道水深0.39m左右。所提的改進穩定航深法簡化了航道最大開發尺度的計算過程，可為敘渝段后續的航道建設規劃提供支撐。

　　關　鍵　詞：長江上游敘渝段;航道開發尺度;河相關系;水深修正系數

　　長江三峽工程蓄水后，大壩至重慶涪陵常年回水區已建設成高等級航道，通航條件明顯改善[1]，基本滿足通航船舶大型化的航道尺度需求。重慶至宜賓段航道經瀘渝段航道建設工程后技術等級為Ⅲ級，維護水深僅為2.9m，而長江上游航運需求發展導致船舶大型化趨勢明顯，低水位時期航道尺度不足的問題越發凸顯[2]。

　　基于自然條件評估航道最大開發尺度是合理利用航道資源的先決條件，也是航道開發建設的基礎，我國學者曾總結國內航道整治實踐，建立航道最大可開發尺度與流量和比降關系的經驗式[3]，但該式缺乏理論支撐，相關學者又提出了穩定航深法和等級流量法[4]。等級流量法是將航道開發成各標準航道等級理論上所需的通航流量，與天然情況下的設計最低通航流量比較，進而確定航道最大開發尺度。穩定航深法是假定整治后枯水斷面與優良河段斷面形態相近，并基于優良河段特征流量下河相關系，推求整治后航道可能達到的最大航道深度。目前上述方法已在西江、岷江等流域的航道建設規劃中得到初步應用[5-8]，但實際操作過程較為復雜。

　　本文擬根據長江宜賓至重慶河段的實測水文地形資料，基于河相關系對穩定航深法進行優化改進，簡化穩定航深值的計算過程，針對長江上游航道尺度亟待提升的宜賓至重慶河段，運用改進穩定航深法計算該河段不同航寬標準下的最大航深值，評估其航道的最大可開發尺度，以期為該河段后續的航道建設規劃提供支撐。

　　1數據來源及研究方法

　　1.1　數據來源長江上游宜賓(上游航道里程1044km)至重慶江津(上游航道里程726km)河段地形數據使用2015年實測地形數據，由于長江上游屬于典型山區河流，山區河流河床以巖質河床和卵石河床為主，其河床形態相對穩定[9]，認為選擇2015年地形具有代表性。以該河段最低設計通航流量2230m3/s，流量12100m3/s以及流量20291m3/s為三種特征流量，最低設計通航流量有35個設計水位點，其余兩種特征流量下水位來源于2016年實測的30個水尺點數據，用于研究不同流量下河相關系參數的變化規律。

　　用于驗證河相關系變化規律。根據設計最低通航水位求得宜賓至江津河段枯水平均比降為0.253‰。張有林等[10]在建立向家壩至朱沱的計算模型時，模擬糙率范圍為0.022~0.048，平均糙率為0.035;朱代臣等[6]認為長江干線瀘渝段河床糙率取值范圍為0.030~0.045，平均糙率為0.038;何大偉等[11]認為川江河段糙率取值為0.025。本文綜合上述資料，為計算方便，取敘渝段平均河床糙率為0.033。

　　1.2　穩定航深法原理

　　穩定航深法需先確定天然河道的優良河段，優良河段可被認為是航道整治工程參考的樣板。一般認為在河流演變過程中河道形態比較順直，且經過歷年沖淤后河床變形不顯著，對航行沒有障礙的河段屬于優良河段[4]。優良河段的河相關系[12-14]意在描述天然狀態下河流通過整治后可達到的最穩定的河床斷面形態。

　　綜上，采用穩定航深估算法估算某河段的航道可開發尺度時，首先需要根據特定流量下斷面形狀數據率定沿程的河相關系參數α和β，計算航道整治斷面可達到的穩定平均水深;然后確定某個設計航寬標準，量測該航寬下的航道邊緣水深，推求水深修正系數η，進而將穩定平均水深轉化為穩定航道水深，根據航寬和航深可判定河道可開發的航道尺度。

　　1.3　穩定航深法的改進思路

　　1.3.1　河相關系改進

　　長江上游修建有梯級水庫群，考慮到水庫調度等因素的影響，雖然相關管理部門頒布了設計通航流量，但該流量仍有調整的空間。當最低設計通航流量發生改變時，平均水深和河面寬度會隨之改變，該方法所需參數數α和β則需重新率定得到。因此，為提升穩定航深法的計算簡易性，應考慮尋求建立河相關系參數與流量的直接聯系。擬先統計分析不同流量下敘渝段河相關系，然后提出河相關系參數隨流量的變化規律，進而直接求得給定流量下穩定航深法所需的河相關系參數。

　　2穩定航深法改進結果

　　提出的敘渝段河相關系參數與流量的關系，在10000m3/s下與朱沱站實際斷面的吻合程度較高。由于長河段水位資料有限，只在三級流量下分析了河相關系參數與流量的關系，因此擬合的河相關系式在洪水期的驗證誤差相對較大。

　　3敘渝段航道最大開發尺度估算

　　敘渝段設計最低通航流量2230m3/s是在向家壩水電站設計下泄流量1200m3/s的基礎上加上岷江流量入匯等計算得到，而向家壩水電站實際運行以來最低下泄流量穩定在1600m3/s以上。雖然設計通航流量不考慮此流量的增加。

　　本文初步分析設計通航流量增加400m3/s時穩定航深值的變化情況，即分析流量為2230m3/s和2630m3/s兩種工況。在改進穩定航深法的公式基礎上，結合沿程優良河段河相關系，計算敘渝段航道整治后在兩種流量下開發成各航道等級(設定航道整治寬度b=60~150m)可能達到的最大穩定航深，后續將理論穩定航深值與標準內河航道等級下不同設計航寬的航深對比，即可判定河道可開發航道尺度。

　　4結　語

　　長江上游枯水期航道尺度不足問題日漸嚴重，而航道建設開發需要在考慮自然條件的基礎上估算最大開發尺度。本文基于河相關系理論，針對敘渝段實際航道情況，在傳統穩定航深法的基礎上，對其存在的部分繁瑣工作進行相應改進，計算了不同設計航寬標準下的穩定航深值，提出了宜賓至重慶段河相關系參數隨流量的變化關系，當特征流量發生變化時，無需重新率定河相關系，可直接求得相關參數。

　　提出河道斷面形狀系數，建立了水深修正系數與設計航道寬度的關系式，可直接計算設計航寬變化下的水深修正系數。基于改進后的穩定航深法對宜賓至重慶段航道開發尺度進行估算，結果表明：敘渝河段通過航道整治可達到Ⅱ級航道3.5m×100m及Ⅰ級航道4.5m×150m的標準，可為長江上游河段的航道建設規劃提供支撐。

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　　本文雖然通過改進后的穩定航深法計算得到穩定航深值，但在計算的過程中，一些重要參數并沒有根據實際情況分河段取值，如河流比降和糙率等，所以其計算結果對于較長河段來說往往只具有參考性，研究結果適用于類似河道、河岸組成相對接近的山區河流特定河段。由于資料有限的原因，只在三級流量條件下研究了敘渝段河相關系參數和斷面形狀系數的變化規律，后續應測量分析更多級流量下的變化規律以及糙率的取值，增強本研究的適用性。

　　參　考　文　獻：

　　伍文俊,余新明.三峽水庫運行后庫區航道條件變化及趨勢[J].武漢大學學報(工學版)，2010，43(3)：344-347.(WUWenjun,YUXinming.ChangesandtrendsofwaterwayinreservoirareaafteroperationofThreeGorgesReservoir[J].EngineeringJournalofWuhanUniversity,2010,43(3):344-347.(inChinese))

　　[1]劉懷漢,楊勝發,曹民雄.長江黃金航道整治技術研究構想與展望[J].工程科學與技術，2017，49(2)：17-27.(LIUHuaihan,YANGShengfa,CAOMinxiong.Advancesin‘GoldenWaterway’regulationtechnologiesoftheYangtzeRiver[J].AdvancedEngineeringSciences,2017,49(2):17-27.(inChinese))

　　[2]長江航道局.航道工程手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.(ChangjiangWaterwayBureau.Waterwayengineeringmanual[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2004.(inChinese))

　　[3]馮宏琳.西江航道尺度開發潛能研究[D].南京:河海大學,2006.(FENGHonglin.StudyonexploitablepotentialofwaterwaydimensionintheXijiangRiver[D].Nanjing:HohaiUniversity,2006.(inChinese))

　　[4]曾亞東.老堡口—新圩河段Ⅳ級航道建設條件分析[J].水運工程，2016(8)：135-138.(ZENGYadong.Theconditionofconstructingalevel-4navigationchannelatthereachfromLaobaokoutoXinxu[J].Port&WaterwayEngineering,2016(8):135-138.(inChinese))

　　作者：李文杰1，王皓2，龍浩2，楊勝發1，肖毅1，楊威1

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