梯级枢纽调控下西江干线末端航道设计水位推算

覃昌佩，王 鑫，冯小香

(1.广西交通设计集团有限公司，南宁 530011；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

广西境内河流众多，大多属山区河流，河流平面形态复杂，河床组成多为砂卵石或基岩相间，汛期洪峰暴涨暴落，枯季流量小，枯洪水位及流量变幅大，河道水面比降及流速均较大，与平原河流相比航道等级普遍较低。考虑枢纽工程的实施可壅高上游水位形成优良的深水库区航道，并调节下游流量，从而提升航道等级。因此对于山区河流，通过流域梯级开发并辅以必要的航道整治是促进航道建设的最有效途径。针对西江水系，提出“一干七支”建设，截止至2014年年底，一干七支已建枢纽共40个。其中作为“一干”的西江航运干线，贵港至梧州航道工程被规划按照3 000 t航道进行建设，其间长洲水利枢纽坝下至梧州界首河段为西江下游广西境内的工程末端，长洲水利枢纽对应为最后一个梯级枢纽。

河流枢纽建设后，由于上游水库蓄水拦沙，改变了河道原有的边界条件，下游水沙的输移特性会随之改变，冯小香等[1]、阮成堂[2]指出三峡蓄水后，库区泥沙落淤，出库泥沙减小，清水下泄使得坝下存在处于严重次饱和状态，河床出现长距离持续冲刷[3-4]。山区河流由于其河岸抗冲，河床受清水下泄作用，主槽以下切为主，引起坝下水位在同流量下的自然降落[5-6]。万建国通过对万安水库坝下航道进行原型观测，提出坝下存在强烈冲刷段，且河床断面普遍缩窄[7]。吴绪权等在航道航标维护管理工作中发现，长洲水利枢纽至界首河段水位与流量发生了明显变化，河床下切明显[8]。张明、冯小香等针对西江梯级枢纽运行坝下水沙特点进行系列研究后指出长洲枢纽蓄水运行后坝下枯水水位出现大幅下降，主要原因除自然冲刷外，人为无序采砂对西江干线河道河床形态影响亦不容忽视[9-10]。

考虑西江干线沿程已建或规划建设梯级枢纽，本文以贵梧3 000 t级航道工程工可阶段设计方案为依据，充分考虑长洲枢纽运行及人为采砂活动诱发的河床下切现象，对西江航运干线贵港至梧州3 000 t级航道工程(长洲枢纽—界首段，如图1)水文特性进行分析，推算设计水位，为工程设计提供依据。

图1 西江航运干线贵港至梧州3 000 t级航道工程(长洲枢纽—界首段)Fig.1 Xijiang 3 000 T Channel Project (Changzhou Water Project-Jieshou)

1 工程背景

西江航运干线长洲枢纽—界首段属西江下游，流域内雨量充沛，多年平均雨量约1 376 mm，但年内分配极不均匀，汛期5～10月降水量约占全年的70%～80%，年雨天一般约为160～180 d，造成流域较大洪水的暴雨，多出现在6～8月。

长洲枢纽—界首段基本水文站为位于西江干流与支流桂江汇合口下游约2 km处的梧洲水文站，以梧州水文站多年统计资料为依据进行水文分析，测站特征水位如图2所示。由图表可知，多年平均最高水位20.73 m，多年平均最低水位3.07 m，年内水位变幅较大。从图中还可明显看出，自2011年以来梧州水文站特征水位较之前有明显降落，主要是由于西江梯级枢纽工程相继建设且河道内采砂[6]，枢纽调节、坝下冲刷等对本河段水位、流量影响明显。结合表1，2009年长洲枢纽投入使用前，梧州水文站测得航道最高水位介于17.38～27.48 m，最低水位介于2.66～4.25 m；而2009年投产之后至今，天然航道水位下降明显，航道最高水位最低降低至14.1 m，最低水位则低至1.6 m。

因此，针对贵梧3 000 t级航道工程建设，主要对2011年以来的水文统计资料进行分析，以获得本河段近期水文特征。

图2 梧州水文站多年特征水位(85国家高程)Fig.2 Wuzhou hydrologic station characteristic stag(National Height Datum 1985)图3 梧州水文站水位—流量关系曲线(85国家高程,2015-07-01～2016-06-26)Fig.3 Water level-discharge curve of Wuzhou hydrologic station(National Height Datum 1985,2015-07-01～2016-06-26)

2 设计最低通航水位及流量推求

2.1 基本水文站设计最低通航水位及流量

计算河段位于长洲枢纽坝下，梧州水文站为河段基本水文站，设计最低通航水位采用保证率频率法计算确定[11]。

长洲枢纽自2009年投入运行，按保证瞬时最小下泄流量不小于原天然河流设计最低通航水位相应的流量1 090 m3/s运行。因此，梧州桂江河口以上河段设计流量取1 090 m3/s，其中龙圩水道外江设计流量为845 m3/s；梧州桂江河口以下河段设计流量由梧州水文站控制，采用梧州水文站保证率98%(5 a一遇天然流量)的流量1 100 m3/s为设计流量，根据水位-流量关系曲线(图3)确定设计最低通航水位为1.528 m。

表1 长洲坝下、龙圩航道站及梧州航务处与梧州水文站水位相关成果表[12]Tab.1 Water level correlation between the fixed water gages and Wuzhou hydrologic station

在基本站分析结果的基础上，利用沿程并拥有完善逐日观测资料的长洲坝下(1#)、龙圩航道站(2#)及梧州航务处(7#)3把固定水尺，分别建立其与梧州水文站(8#)水位相关关系，进行水位相关分析(如表1)[12]，各固定水尺与梧州水文站的相关曲线详见图4。

4-a 长洲坝下—梧州水文站(1#～8#)4-b 龙圩航道站—梧州水文站(2#～8#)4-c 梧州航务处—梧州水文站(7#～8#)图4 水位相关曲线Fig.4 Water-level correlation curve

图5 整治前沿程设计水位(85国家高程)Fig.5 Design water level before the project(National Height Datum 1985)

从图表可以看出，各固定水尺水位与梧州水文站关系密切(相关系数R2>0.99)，因此根据长洲坝下、龙圩航道站、梧州航务处、梧州水文站四站对应最小通航流量1 100 m3/s的水位值进行插值，可得整治前沿程设计水位成果，如图5。

由图可看到，现阶段河段沿程设计水位较前期工可阶段出现明显下降，长洲坝下水位降至3.23 m，梧洲航务处(8#水尺点)水位降落达最大值，较前期工可阶段降低1.059 m。经分析，水位的明显降落主要是由于长洲枢纽运行对下游河床产生持续的冲刷下切，加之坝下河段严重的人为采砂造成的。

3 工程后设计水位推求

在确定设计流量及设计水位后，采用2010年地形资料及2011～2016年测得水文资料，根据各滩的整治方案(前期工可阶段方案，如图2所示)，建立水流连续方程和水流运动方程，计算航道整治开挖后的水面曲线，作为工程后的设计水位。

Q=BhV

(1)

(2)

图6 整治后沿程设计水位(85国家高程)Fig.6 Design water level after the project(National Height Datum 1985)

全程以各固定水尺为依据，选取10个计算断面，断面平均间距约为2.1 km，进行整治后水面线推算，如图6。

由图可知，计算河段在最小通航流量1 100 m3/s下，沿程水位较工程前均有所下降，其中工程后梧洲水文站在最小通航流量1 100 m3/s下，设计水位为1.488 m，较工程前1.528 m略有下降(下降0.04 m)；水位下降幅度随距坝下距离越近而越大，最大水位下降幅度发生在长洲坝下，下降0.795 m。

4 结论

西江梯级枢纽的相继建设，使得坝下河段易发生清水冲刷。对应本文所考虑的西江干线广西段末端(长洲坝下—界首)河段，自2009年长洲枢纽运行后，加之人为无序采砂影响，水位较2009年前水位下降明显。通过对贵梧3 000 t级航道工程方案实施后航道水位进行计算，工程后航道设计水位较前期有所降低，因此贵梧3 000 t级(长洲坝下—界首)河段航道设计水位应充分考虑长洲水利枢纽运行导致河床下切以及航道整治开挖为3 000 t级航道共同影响引起的枯水期水位备降值。