基于梯级开发的贺江下游航道尺度提升潜力研究

秦 杰，吴 腾

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098; 2.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210024)

贺江位于广东和广西境内，流域面积11 536 km2，是通往珠江三角洲的水上便捷通道。贺江广东段自白沙至江口长115 km，在很长一段时间内均为沿江货物运输的主要通道，在该河段内先后修建了10余座水利枢纽以提高通航条件。限于当时的经济条件和施工水平，各枢纽的通航设施等级较低。随着河道的淤积发展，贺江下游局部航道水深较小，限制了航道的通过能力。目前该段航道按水深0.6 m、航宽15 m、弯曲半径115 m的标准维护，通航保证率95%，仅通航50 t级船舶。近年来，随着经济的快速发展，该河段水运能力的提升成为各方面关注的重点。因此，有必要开展贺江下游通航条件的研究，分析提高通过能力的可行性，以适应现今经济发展的需求，为贺江流域及广东、广西两省经济发展提供大运量、低成本的水运交通通道。

贺江具有典型山区性河道的特性，航道受地质构造、地形、地貌等因素影响较大，常具有比降大、流速快等特点，出现滩险的类型也十分复杂，主要包括：因达不到航道尺度要求而成为碍航浅滩；因流急坡陡，航船上行困难表现为急流滩；因河道太弯或者存在严重的横流、滑梁水等碍航流态，致使航行十分危险而成为险滩[1]。开展急流滩险的水力特性、船舶上滩的动水特性、弯曲型汊道急流滩的研究，对提高山区航道整治的技术，促进我国航运事业的发展有重要的理论和实践意义。针对山区河流通航的关键问题，有学者采用数学模型研究局部河段流速的变化规律[2-3]；也有学者通过物理模型试验，概化急滩流、遥控自航船模上滩试验，研究了山区河流急流滩险的水力特性及整治的相关技术问题[4-6]。另一方面，为了缓解山区河流的通航困难，许多山区河流修建了梯级电站或水库，较大增加了通航水深。随着经济的发展，航道货运量逐年增加，航道等级的提升也成为梯级航道的重点。对于航道等级的提升必须要因势利导，相机实施整治工程，包括守护现有底坡边滩[7]、稳定改善汊道[8]、塞支强干[9]、增建潜坝、丁坝、加高河心碛坝等整治措施[10-11]。文献[12]应用理论方法分析研究了水电站回水长度随流量的变化规律，然后应用水动力学模型对水库回水长度进行了数值计算，一方面验证理论分析结果，另一方面探讨河道底坡变化对回水长度的影响，并就回水末端判别标准、回水长度及其变化规律的影响进行了深入讨论，研究成果具有较好的参考意义。由于贺江的山区河流特征以及梯级水库特征，上述研究成果应用于贺江还有一定局限性。因此，本文采用一维河网数学模型对贺江下游梯级航道通航条件进行了研究，分析梯级水库运用条件下贺江梯级航道的通航状况，为航道整治提供参考。

1 研究方法

1.1 基本方程[13]

本研究采用一维河网数学模型模拟贺江在不同通航等级条件下的航道特征。

水流连续方程

(1)

水流运动方程

(2)

式中：X为流程，m；t为时间，s；A为断面过水面积；Q为流量，m3/s；ql为旁侧入流量，m3/s ，负值表示流入；Zs为水位，m；Sf为水力坡度；α1为动量修正系数，可取1。

1.2 模型的验证

一维河网数学模型从白沙到江口共115 km，计算范围如图1所示，采用2009年实测地形图，模型计算共划分229个断面，断面间距约500 m，时间步长3 min。计算边界条件为上游给定流量，下游给定水位。贺江下游是四座枢纽控制的人工调节河段，从上至下分别为：文华电站、都平电站、白垢电站和江口电站。其中，文华电站不进行人工调节，坝体为滚水坝。

图1 白沙至江口模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the model from Baisha to Jiangkou

采用2012年1月10日实测的水位数据进行验证。图2为数学模型的验证结果，图中模型计算的任意时刻水位数值与原型实测水位误差均在5 cm之内，验证结果较好，该数学模型可以用于贺江的研究。

2-a 白沙至都平河段验证2-b 都平至白垢河段验证2-c 白垢至江口河段验证图2 数学模型验证>Fig.2 Validation of the numerical model

2 贺江下游航道参数

2.1 最低通航水位

贺江下游文华-都平、都平-白垢、白垢-江口水利枢纽间基本上实现了全线渠化，仅江口水利枢纽以下河段呈天然河流属性。现状条件下，白沙断面最低通航水位34.64 m；文华电站坝上最低通航水位34.60 m，坝下32.00 m；都平电站坝上最低通航水位31.95 m，坝下23.70 m；白垢电站坝上最低通航水位23.20 m，坝下14.80 m；江口电站坝上最低通航水位11.80 m，坝下2.36 m，高程均为珠江基面。

2.2 贺江航道标准及航道尺度

依据《珠江干线货运船舶船型主尺度系列》，贺江不同航道等级的航道尺寸如表1所示[8]。

表1 贺江不同航道等级尺寸[8]Tab.1 Requirements of different navigation levels in the Hejiang River m

3 枢纽运用时坝下水位分析

根据贺江广东段四个枢纽三级控制的实际情况，按照贺江现行的枢纽运行调度方式，研究了贺江沿程枢纽的现状水位问题。表2为不同枢纽控制条件以及在该控制条件下上游的水位。采用一维数学模型对几种典型的工况进行计算，根据计算结果绘制贺江下游沿程最低水面线，如图3所示。当沿程设计水位低于最低水位时(图3)，则表明梯级枢纽下游水位满足设计要求；当设计水位高于最低水位时，则需要对航道进行整治。计算结果表明：现状条件下文华至江口河段枢纽坝下水位大于设计最低通航水位，能满足通航要求。其中，文华枢纽坝下设计最低水位为32.5～34.1 m，实际运用过程中坝下水位为34.1～34.84 m；都平坝下设计最低水位为23.0～23.95 m，实际运用过程中水位为23.95～26.66 m；白垢坝下设计最低水位为11.8～14.5 m，实际运用水位为14.5～16.3 m。

表2 水电站调度下沿程水位变化Tab.2 Variation of water level along channel under the influence of reservoir operation

4 贺江下游航道尺度提升潜力研究

4.1 平均水深变化趋势

将贺江广东段沿程划分为229个断面，取断面间距约500 m，统计各个断面在现状最低通航水位下的平均水深，水深如图4所示。由图可知，贺江沿程断面平均水深在枢纽上游均有增大，枢纽下游平均水深有所减小，表明在枢纽上游由于大坝的拦截，水位抬升，水深增加，航道尺度条件较好，枢纽下游航道水深有所减小。

图3 计算的沿程最低水位 图4 设计低水位下沿程水深Fig.3 The lowest water level along channel Fig.4 Water depth along channel under design water level

4.2 不同等级航道水深对应的河宽变化

图5为满足不同等级航道水深时对应的河宽，表3为贺江白沙至江口河段分段通航尺度状况。由统计结果可知，贺江白垢至江口枢纽河段通航尺度条件最好，全段可达四级航道通航标准，达到三级航道等级标准的断面数占白垢至江口河段里程的98%。上游白沙至文华枢纽河段，在现有条件下通航尺度条件相对较好，全段可达五级航道通航标准，达到三级航道等级标准的断面数可占白沙至文华河段里程的75%。贺江文华至都平枢纽和都平至白垢枢纽河段目前通航尺度条件较差，全段航道尺度仅基本达到六级航道通航标准，达到三级航道等级标准的断面数分别占相应河段里程的75%和81%，并且在文华枢纽下游通航宽度较小，仅能满足六级航道要求，需要通过治理才能提高航道等级。江口枢纽与西江的连接河口段，由于与西江衔接，处于河口入汇区域，受西江水位变化控制，该区域水深和河宽条件较差，目前按六级航道标准能满足要求，通过整治措施提高到五级航道标准相对较易，但通过整治提高到四级航道标准的难度较大。贺江下游航道(广东境内)低于五级航道标准的碍航浅滩长度约2.5 km，全线通过整治提高到五级航道尺度标准相对较易；小于和等于五级航道尺度标准的断面数占全河段统计数的8.3%，低于四级航道标准的碍航浅滩长度约9.0 km，通过整治工程手段可以全线提高达到四级航道尺度标准；若将贺江航道全线提高到三级航道标准，小于和等于四级航道尺度标准的断面数占全河段统计数的18.8%，低于三级航道标准的碍航浅滩长度约20.6 km，需要彻底整治江口枢纽至西江河口段及文华至白垢枢纽河段，整治难度较大。

表3 贺江白沙至江口河段分段通航尺度状况Tab.3 Navigation conditions of each section from Baisha to Jiangkou in the Hejiang River

5-a 六级航道水深对应的河宽5-b 五级航道水深对应的河宽

5-c 四级航道水深对应的河宽5-d 三级航道水深对应的河宽图5 不同等级航道满足水深条件下的河宽Fig.5 River width along channel under different navigation levels

4.3 梯级航道相对宽度与相对水深关系

根据贺江航道拟提升的不同航道等级标准要求，在设计水位条件下统计贺江下游沿程229个断面的平均水深和水面宽度。计算断面平均水深h与不同等级航道要求标准水深H之比，以及设计水位条件下水面宽度b与航道宽度B之比，建立两者的相关关系，如图6～图9所示。结果表明，航道的相对水深随着相对宽度增大而减小，当相对宽度b/B≥2时，相对水深h/H关系趋向于稳定。可以初步判断，在设计水位条件下，当贺江航道宽度小于水面宽度的一半以上时，该河段基本可获得相应等级航道所要求的设计水深。当贺江航道局部河流断面出现不满足上述相应关系时，则有可能出现相应局部碍航浅滩，需要采取相应工程措施进行整治，以达到相应的航道要求水深。

图6 六级航道相对宽度与相对水深关系图 图7 五级航道相对宽度与相对水深关系图Fig.6 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the sixth-level channel Fig.7 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the fifth-level channel

图8 四级航道相对宽度与相对水深关系图 图9 三级航道相对宽度与相对水深关系图Fig.8 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the fourth-level channel Fig.9 Relationship between relative width and relative depth corresponding to the third-level channel

4.4 贺江下游航道尺度提升措施

根据数模计算结果，贺江广东段航道在现有枢纽运行调度情况下，白垢至江口枢纽河段航道尺度最好，水深能满足四级航道标准，白沙至文华段水深能满足五级航道标准，全线低于四级航道标准的碍航浅滩长度约9.0 km。可采用两种方法提升航道尺度：(1)针对典型碍航浅滩进行维护疏浚，疏浚区域包括：文化枢纽下游、都平枢纽下游和江口枢纽下游；(2)通过梯级枢纽的调度实现水位的抬升。如：通过抬高都平枢纽、白垢枢纽的最低通航水位实现文华枢纽、都平枢纽下游水深的增加，通过增大江口枢纽的下泄流量，提高下游的水深。

5 结论

通过数学模型对贺江下游梯级航道的通航条件进行了分析，研究结果表明：

(1)贺江下游航道沿程最低水位受梯级枢纽的运用影响明显，在目前运用模式和设计最低水位条件下，贺江下游六级航道能全线通航。

(2)贺江下游沿程平均水深变化规律为：在枢纽上游较大，枢纽下游平均水深有所减小。现状条件下，贺江下游贺江白垢至江口枢纽河段通航尺度条件最好，可达四级航道通航标准，其余河段通航条件较差，只能满足六级航道标准。

(3)按照现阶段设计水位，贺江下游满足五级航道标准的碍航浅滩长度为2.5 km，满足四级航道标准的碍航浅滩长度为9.0 km，满足三级航道标准的碍航浅滩长度为20.6 km。可通过航道疏浚和梯级枢纽联合调度提升航道尺度等级。