三峡升船机下游引航道水位波动分析

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

三峡升船机下游引航道长约 2.7 km，其中距长江主河道上游约1.8 km的引航道(即西陵桥水位站至隔流堤末端)与永久船闸引航道共用(见图1)。升船机引航道底宽仅80～90 m，高程为 58.0 m，到承船厢附近宽度缩小为18 m，水深仅有3.5 m，引航道的“盲肠”效应十分显著。三峡水利枢纽泄洪、电站调峰、葛洲坝反调节及船闸泄水等都会引起三峡水库坝下游水位的变化，继而在升船机下游引航道内引起往复流和水位波动。根据升船机下游引航道的设计通航条件要求，引航道水位波动小时变幅直接影响升船机下游引航道通航水流条件，进而影响到升船机承船厢对接过程的安全问题。

为了解升船机下引航道水位波动情况，在升船机下引航道内自上游至下游依次布置了0，1，2，3号和4号5个临时水位观测站点。1～4号水位站于2014年1月开始监测，0号站于2015年3月开始观测。0号站位于升船机下闸首附近，1号站上距升船机约1.0 km，最下游的4号站距离长江主河道入汇处约1.0 km，站点覆盖范围约 4.6 km，详见图1。

图1 三峡升船机下游引航道内0～4号水位监测站分布

2 水位波动影响因素

基于两坝间河段的基本水流特性，河段内水位的波动变化(两坝间水动力波传播时间约为30 min)主要是由两坝间调蓄水量变化(用葛洲坝5号站水位表示，下同)、三峡泄流强度变化引起的附加比降及水动力波在两坝间河道传播和叠加造成。水位波动较大的时段一般出现在两坝间调蓄水量变化最快时段，即三峡水库泄流量与葛洲坝水库泄流量相差较大的时段，或三峡水库泄流强度变化较大的时段，即三峡水库突然加大或减小泄流量的时段。

2.1 三峡-葛洲坝水库调度平稳

本文统计了2014年1月至2017年9月两坝间槽蓄量变化不大且三峡水库下泄流量稳定时段的0～4号水位站水位。分析结果表明，在葛洲坝5号站水位及三峡水库下泄流量均稳定的情况下，升船机下游引航道内各水位站水位均有不同程度的波动，但总体波动都较小。

2.2 三峡水库下泄流量变化剧烈

三峡水库下泄流量变化主要表现为电站调峰和枢纽泄洪。

2.2.1 电站调峰

受三峡电站调峰影响，水库下泄流量小时变化较大，变幅在2 000～3 000 m3/s区间内。为了分析电站调峰流量变化对升船机下引航道水位的影响，选了葛洲坝5号站水位基本维持稳定(小时变幅控制在10 cm以内)，而三峡调峰流量发生较大变化的特征时段进行分析。对2014年1月至2016年9月的特征时段数据进行了统计分析。

受三峡电站电力调峰影响，下引航道内各站水位小时变幅均较大。其中，0，1号和2号站水位变幅明显大于3号和4号站，最大水位小时变幅已超出 0.5 m；3号、4号站水位变幅相对较小且基本一致。三峡电站调峰越剧烈，下泄流量小时变幅越大，下引航道内水位波动越大。三峡水库下泄流量小时变幅大于2 000 m3/s时，0号站水位最大小时变幅大于0.4 m；流量小时变幅达3 000 m3/s时，0号站水位最大小时变幅已超过0.5 m。当三峡调峰流量大小相同时，调峰流量增大较流量减小对水位的影响更大。

2.2.2 枢纽泄洪

汛期，当三峡水库下泄流量超过机组满发流量时，将先开启泄洪深孔调节泄流，每孔泄流约为2 000 m3/s，整个闸门启闭时段约为20 min。本次选取不同时段深孔泄洪流量来分析三峡泄洪调节过程中升船机下引航道内各站水位的变化情况。统计分析了2014～2016年三峡泄洪流量变化时段0～4号站水位的小时变幅。

升船机下引航道内水位变幅随下泄流量变幅增大而增大，且越靠近上游，水位变幅越大。下泄流量变幅相同时(启闭的深孔个数及各深孔开度一致)，启闭深孔的操作时间越短，对水位的影响越大，水位变幅更为剧烈。1号站水位最大小时变幅已接近 0.9 m。下泄流量变幅相同时，三峡水库下泄流量越大，下引航道内各站水位变幅越大。

2.3 葛洲坝5号站水位变化

根据《三峡(正常运行期)-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》的要求：“葛洲坝库水位(葛洲坝5号站水位)日变幅最大为3 m，小时变幅小于1 m”。本文主要分析的是葛洲坝5号站水位变化对升船机下引航道内水位的影响，故选取三峡水库下泄流量基本维持稳定而葛洲坝5号站水位变化较大的时段，统计分析0～4号站水位变化情况。

在三峡水库下泄流量基本稳定的情况下，下引航道水位变幅基本与葛洲坝5号站水位变化趋势一致，且量级基本相同，仍然表现出0号站水位变幅大于下游各站水位变幅的规律。

2.4 三峡-葛洲坝梯级调度剧烈

升船机下游引航道内水位的变幅受三峡水库下泄流量和葛洲坝库水位的影响，且实际情况常常受两种因素的共同影响。为了分析在上述两种因素同时影响下引航道内水位变化的情况，结合三峡-葛洲坝梯级水库的调度情况，分别选取三峡水库下泄流量减小且葛洲坝5号站退水较明显、三峡水库下泄流量减小且葛洲坝5号站涨水较明显、三峡水库下泄流量增大且葛洲坝5号站退水较明显、三峡水库下泄流量增大且葛洲坝5号站涨水较明显的4种具有代表性的典型过程来分析下引航道内各水位站的水位变化情况。

在三峡水库下泄流量和葛洲坝5号站水位同时变化的共同作用下，0号站水位最大变幅约为0.91 m。当三峡水库下泄流量减小时，若葛洲坝5号站水位上涨，航道内水位波动将减小，小时最大变幅仍可超 0.50 m；若葛洲坝5号站水位下降，航道内水位波动将加大，小时最大变幅可达到 0.91 m。当三峡水库下泄流量增加时，若葛洲坝5号站水位上升，航道内水位波动将加大，小时最大变幅达到0.85 m；若葛洲坝5号站水位下降，航道内水位的波动将减小，小时最大变幅仍可超过 0.50 m。在三峡水库下泄流量变化和葛洲坝5号站水位变化共同影响下，下引航道内各水位站水位仍符合由下游到上游水位变幅逐渐增大的规律。

典型时段2016年6月6日22:00～0:00，三峡水库下泄流量由23 200 m3/s减至18 700 m3/s、葛洲坝5号站水位减小 0.68 m，4号站水位小时降幅为 0.85 m，0号站达 0.91 m。0～4号站水位变化典型过程见图2～3。

图2 三峡水库下泄流量及葛洲坝5号站水位同时变化典型时段各站水位变化过程

图3 三峡水库下泄流量及葛洲坝5号站水位同时变化典型时段0～4站水位最大小时变幅

2.5 船闸冲泄水

船闸泄水位置在2～3号站之间，日均泄水量约为70～100 m3/s，较三峡水库下泄流量偏小较多，且过程相对缓慢平稳，因此船闸泄水不是影响升船机引航道内水位变化的主要因素。

表3 2015～2016年典型时段0号站水位变幅统计

2.6 0号站水位小时变幅

升船机下引航道水位波动幅度从上游至下游呈减小趋势，越靠近升船机波动越大。升船机下引航道设计通航水位条件最大水位变率约±0.50 m/h，船舶进出承船厢的时间为8 min。但是，在三峡水库下泄流量持续增加或减小、葛洲坝5号站水位持续升高或降低的情况下，下引航道水位将持续波动上涨或下降。在此期间，0号站小时水位变幅可能会在超过 0.50 m的范围内持续一段时间，对升船机船闸承船厢的运行极为不利。2015～2016年0号站小时水位变幅不小于0.50 m持续时间超过5 min时段见表1～2。

表1 2015年0号站小时水位变幅不小于0.50 m持续时间超过5 min时段

表2 2016年0号站小时水位变幅不小于0.50 m持续时间超过5 min时段

注：“-”为0号站水位在调试期。

0号站水位小时变幅超过 0.50 m的累计时间少于升船机设计运行时间的1%。0号站水位小时水位变幅较大、超过 0.50 m持续时间较长的时段主要在汛期(6～9月)，持续最长时间达50 min(见表3)。水位变幅较大、持续时间较长的时段同时受三峡水库下泄流量和葛洲坝5号站水位变化的影响。

3 口门区与承船厢附近水位波动关系

一般情况下(口门区水位波动不明显)，4号站水位波动传播至0号站时的时间大于10 min。在典型工况下(口门区水位波动较明显)，引航道口门区产生的非恒定流长波传播至升船机承船厢附近大概需要6～10 min。目前，引航道内的各水位监测站的数据采集时间为每分钟一次，因此通过建立口门区4号站与0号站的相关关系，并根据传播时间预测不同工况下0号站的水位波动值，即可及时采取相应的安全保护措施，包括及时通知船舶停止运行、关闭船厢门、解除船厢锁定、提升承船厢等。口门区4号站与0号站的相关关系[1]如下：

(1)

式中,ΔHc为承船厢附近波高，m；Hc为承船厢水深，m；ΔHk为口门区波高，m；hk为引航道口门底高程，m；hs为引航道口门水位，m。

由于口门区水位波动越明显，传播到承船厢附近的水位波动越大；而传播时间越短，相当于越不利的情况反应的时间越短，因此需要采取更及时的应对措施。当三峡电站调峰较大、枢纽泄洪及葛洲坝水位剧烈变化时，可通知航运部门加强监视，提前做好应急准备工作。

4 结 论

三峡水库下泄流量变化和葛洲坝5号站水位变化是引起下引航道内水位波动的主要原因。三峡水库下泄流量或葛洲坝5号站水位变化越大，下引航道内的水位波动越大。二者同时增大或减小时，下引航道内的水位波动最为剧烈，水位小时最大变幅可达 0.91 m。相同的下泄流量，通过泄洪深孔调节引起的水位波动比电力调峰调节引起的水位变化更剧烈。各种工况下，水位波动从下游至上游均呈现逐渐增大的趋势，引航道内越靠近升船机水位波动越大。

承船厢附近的水位波动与口门区的水位波动密切相关，减小口门区的水位波动可减小承船厢附近水位波动，从而减小因水位波动引起的对承船厢对接安全的影响。而口门区的水位波动变化较大的时段是三峡-葛洲坝槽蓄量变化较大、三峡水库下泄流量变化的时段，可通过以下手段减小水位波动：①调峰时匀速增减机组，避免同时开启多台机组；②尽量减少闸门开关频次或延长开关闸门时间；③尽量避免葛洲坝水位大幅波动等。