省水船闸发展及研究现状

王晓青，刘畅

（1重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016；2广东省航道局，广东510115)

省水船闸发展及研究现状

王晓青1，刘畅2

（1重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016；2广东省航道局，广东510115)

1 省水船闸的概念及特点

船闸是通航建筑物的主要型式之一，经过长期的发展，船闸技术成熟，运行稳定可靠。省水船闸具有省水和削减水头的功能，省水船闸除节省船闸用水量（省水量一般可达40%～70%）、保护珍贵的水资源外，还具有降低船闸工作水头，减少解决阀门工作条件的技术难度以及简化船闸输水系统，改善上、下游引航道及闸室水流条件的优点，缺点是工程量较大，运行程序较为复杂。省水船闸型式建设较多的是德国，目前国内建造较少。但随着通航运河的建设和水资源的日益紧缺，省水船闸将具有广阔的应用前景。

2 省水船闸的适用范围

省水船闸是一种经济、快捷且符合生态要求的通航建筑物型式。省水船闸具有降低工作水头、降低船闸耗水量的特点，适合我国落差大、枯水季节缺水的内河河流。省水船闸应用在高落差的河流中优点突出，可成倍降低阀门工作水头并且能有效解决在水源贫乏河段农业、发电、航运三者之间的矛盾。

在西部的重庆、四川、云南、贵州及广西等地区建设的水电基地中，有一大批高水头的水电枢纽，如长江三峡、澜沧江景洪、广西红水河、龙滩、乌江彭水、右江百色等，这些航电枢纽工程大多数建设于通航河流上，水头均在30m以上。船闸工程的工作水头达到一定高度后，由高水位差转换而来的巨大动能不仅导致阀门工作条件变坏，也使得闸室内水流紊动加剧，船舶停泊条件恶化。省水船闸在灌泄水时上下游水体不直接进出入闸室，而是经过了水体交换，使输水阀门工作水头成倍降低。同时，由于船闸的耗水量较大，运行中容易与枢纽发电产生用水矛盾，因而在小河流域的枢纽上，建设省水船闸具有明显的优越性。

3 省水船闸发展概况

法国人卡莱利首先提出了省水船闸的概念,并在法国罗亚尔河上的乌博埃船闸开启了省水船闸试验。德国是研究和实践省水船闸最多的国家，从19世纪80年代开始兴建省水船闸。如在莱茵河-多瑙河运河上，从莱茵河的班贝格到多瑙河的凯尔海姆全长171km，水位差高达243m，共建造了16座船闸，其中14座为省水船闸。经过一个多世纪的不断实践，德国省水船闸输水系统布置、船闸运行方式及输水水力特性等研究及运用均达到了较高水平。

从60年代起，省水船闸在我国进行过一些实验和研究，但应用较少。60年代，天津大学在长江三峡船闸研究中就提出过省水船闸方案设计报告及三峡船闸节水问题的分析；70年代南京水利科学研究所受安微省交通局港航工程处委托，进行了郑家岗省水船闸模型试验[1]；80年代天津水运工程科学研究所结合南水北调中穿越黄河的平交方案，作了国内省水船闸有关问题的总结。自2000年以后，重庆交通大学进行了乌江银盘省水船闸水动力学研究[2-4]；山西水利水电勘测设计研究院进行了桂林市春天湖双线双向省水船闸运行研究[5]；天津水运工程科学研究院进行了西江航运干线长洲水利枢纽三线四线船闸输水系统等研究[6-8]，这些研究为省水船闸在我国建设应

用打下了基础。

4 省水船闸的类型及工作原理

目前水运工程中，具有省水功能的通航建筑物船闸，有带调节水池的省水船闸、不待航船闸、灌(泄)水共用互补的双线船闸、具有中间渠道的船闸等。

（1）带调节水池的省水船闸

带调节水池的省水船闸工作原理如图1所示。一般在船闸边上设几级蓄水池，当船闸泄水时，不是直接泄向下游，而是先泄向蓄水池。泄水的顺序是：先泄向高处的蓄水池，再依次泄向低处的蓄水池，多余部分泄向下游。船闸充水时，先从蓄水池向闸室充水。充水的顺序恰好同泄水顺序相反，首先从低处的蓄水池向闸室充水，然后再依次到高处的蓄水池。同样，蓄水池的水不足部分由上游补充[9]。

图1 带水池的省水船闸工作原理

在蓄水池级数相同的条件下，蓄水池占地面积越大，省水率越高。同样，在相同占地面积的条件下，蓄水池级数越多，则省水率越高。增加蓄水池级数的省水效果比增加蓄水池面积明显得多，但超过三级以后，省水效果明显下降。这是德国的省水船闸一般是蓄水池面积等于闸室面积，且只设三级蓄水池的原因之一。

(2)不待航船闸

不待航船闸是将一般船闸的集中水头划分为多级，形成一连续多级低水头船闸。划分水级大小，以能使船舶过闸时与船闸的灌(泄)水、闸阀门启闭同时进行，闸室就是航道的本身。船舶的航行速度与闸室长度、输水时间、闸阀门启闭时间有关，它们之间要相互协调配合，使船舶能不停顿过闸。不待航船闸节约航运用水。当船舶每过一次它的耗水量仅为单级船闸的1/4[10]。

(3)灌(泄)水共用互补的双线船闸

目前我国一些船闸为复线船闸，为节省用水，在增添复线船闸以及在设计双线船闸时，可采用灌(泄)水共用互补的双线船闸型式。即在并列的两个闸室之间，用输水廊道沟通，并设置阀门加以控制[10]。

(4)具有中间渠道的船闸

在两个船闸之间，用中间渠道联接，则在船舶过闸过程中，每闸次耗水量为单级船闸，但具有中间渠道的船闸输水时，在中间渠道中产生特殊的水力学问题较为复杂，如灌(泄)水非恒定流在中间渠道内长波运动，产生波的反射、叠加等[11]。

省水船闸不仅节约水资源，还可利用每次船舶过闸，放水和注水，通过发电机组回收电能，接入电网。回水泵由电网直接供电工作，把水部分回抽到上水库，从而达到兼顾省水和发电的目的（图2）。由此可见，在进行耗水量较大的船闸设计中，如能在满足船舶安全过闸基础上采用省水式船闸，将会产生可观的经济效益和社会效益。

图2 省水船闸利用发电示意图

5 国内外省水船闸相关研究

为确保设计方案具有水力条件最佳、船舶运行安全、结构设计和工程布置合理、工程经济，有必要对省水船闸进行前期研究、分析和论证工作，包括严格、系统的模型和原型试验等。根据德国联邦水工研究院、卡尔斯鲁水工研究所、慕尼黑工业大学水工学院以及南京水利科学研究院、天津水运工程科学研究院、重庆交通大学等单位对省水船闸进行的研究，总结内容如下：(1)输水系统方案及水力学研究。包括输水系统布置方案、消能型式等；(2)闸室灌、泄水水力特性研究；(3)输水系统廊道压力特性研究；(4)船舶停泊条件研究；(5)船闸运行水力学研究。包括船闸单独运行和联合运行时，上下引航道内流速流态测定及分析（图3）。

图3 省水船闸的研究内容

6 结语

“以人为本、尊重自然、保护环境、坚持可持续发展”是国家倡导的重要方针。2011年6月27日，交通运输部印发《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》。2011年8月31日，国务院办公室厅印发《“十二五”节能减排综合性工作方案》，提出加快节能减排技术开发和推广应用，在加强节能减排管理方面，提出推动建筑节能和推进交通运输节能减排。实施低碳交通，深入开展“车船路港”千家企业低碳交通运输专项行动。

航运发展与水利水电建设相结合，对水资源综合开发利用、水运节能减排具有重要的意义。船闸的耗水量较大，发展省水船闸及其通航设施能有效解决枯水期水资源贫乏河段农业、发电、航运三者之间的矛盾，对于充分利用和保护水资源具有重要的意义。省水船闸已被广泛应用于德国的运河，或运河与天然河流立交工程中，在德国的航运建设中起着举足轻重的作用。目前，省水船闸在我国还处于起步阶段。随着国家提出的交通航运可持续发展战略和对节能减排工作的推进，必将进一步推动我国省水船闸的建设与发展。

[1]杨裔轩.郑家岗省水船闸输水系统水力学试验[J].水利水运科学研究，1980（1）：37-45.

[2]陈明栋，杨忠超，杨斌.乌江银盘船闸输水系统选型研究[J].重庆建筑大学学报，2006，28（5）：30-34.

[3]杨忠超，陈明栋，杨斌.乌江银盘省水船闸整体水力学模型试验研究[J].水利水运工程学报，2010（2）：61-65.

[4]陈明栋，杨斌，杨忠超，等.省水船闸在高坝通航中的应用[J].水运工程，2008（12）：114-118.

[5]苏海滨.双线双向省水运行船闸的设计体会[J].电力学报，2006，21（2）：247-248，265.

[6]交通部天津水运工程科学研究院.长洲水利枢纽三线四线船闸初步设计阶段整体模型试验研究报告[R].天津：交通部天津水运工程科学研究院，2010．

[7]广西电力工业勘察设计研究院，广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，中交水运规划设计院有限公司.长洲水利枢纽三线四线船闸工程初步设计[R].南宁：广西电力工业勘察设计研究院，2010．

[8]张珊，吴澎.长洲水利枢纽3-4号船闸平面布置研究[J].水利水运工程学报.2012（4）：1-5.

[9]周玉华，刘锋.省水船闸初探[J].水运工程，2006（10）：156-159.

[10]周华兴.水运工程中省水建筑物型式及对有关问题的探讨[J].水运工程，1994（7）：1-5.

[11]三峡工程（设中间渠道）船闸输水系统试验研究报告[R].天津：天津水运工程科学研究所，1990.

责任编辑：孙苏

Developmentand Study StatusofWater-saving Ship Lock

省水船闸对于充分利用和保护水资源具有重要的意义。该文简述了省水船闸的特点及发展情况，分析了省水船闸的类型和工作原理，总结了国内外相关研究内容与现状。指出在国家倡导可持续发展、节能减排的方针引导下省水船闸广阔的发展前景。

省水船闸；水资源保护；可持续发展；通航建筑物

Water-saving ship lock is of greatsignificance in water resource utilization and protection.This paper introduces the features and development condition ofwater-saving ship lock,analyzes the types and working principlesofwater-saving ship lock and summarizes current relevant study contentsand statusathome and abroad.Thew ide developmentprospectsofwater-saving ship lock under the guidelineofsustainable development，energy saving and em ission reduction are pointed out.

water-saving ship lock;water resourceprotection;sustainabledevelopment;navigation structure

U 641

A文章编号：1671-9107（2013）10-0052-03

2013-09-22

王晓青（1974-），女，四川绵阳人，博士，高级工程师，主要从事水环境保护与治理研究。

广东省交通运输厅科技计划项目,项目编号：科技2013-04-007。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.010.052