京杭运河枣庄段汛期泄洪定量分析及交通管制建议

◎邵学良 石岩 枣庄市港航和机场建设发展中心 高进 交通运输部水运科学研究院

1.引言

山东省枣庄市是一座运河古城，素有“鲁南明珠”之称，大运河流经该市，沿线文化遗产资源丰富，文化底蕴深厚。京杭运河枣庄段地处山东最南端，南与江苏省接壤，不仅承载着航运功能，还承担了每年南四湖汛期泄洪、防洪的重任。近年来随着现代航运业的不断发展，各类船舶的数量不仅越来越多，大型化程度也越来越高，汛期泄洪水流对船舶的通航安全影响的重要性日渐凸显。京杭运河枣庄段每年汛期泄洪期间，都不可避免地出现安全隐患甚至是险情及安全事故。如2021年枣庄市水上救援搜救中心共接警27起，主要事故为搁浅、碰撞、走锚失控事故（三者占全部事故的74%）。事故发生时间主要集中在汛期。

为保障汛期通航安全与通航效率，枣庄市地方海事局也制定了《京杭运河枣庄段汛期实施水上交通管制的通告》，提出当京杭运河主航道泄洪流量大于600m/s时全面禁航。但因数据缺乏科学论证，曾多次被船民认为数据偏保守，降低了通航效率。

汛期相关内河交通管制研究是近年来的一个研究热点。针对汛期珠江口水域船舶通航事故问题，胡建军通过分析泊船断缆离绑等原因，从汛期、船舶、码头等多角度进行了综合分析，给出了防范性建议，以降低汛期事故的发生。李红刚等探讨了汛期径流预测问题，构建了径流数学模型，为梯级水电站水库群联合调度提供了基础。王迎飞等基于注意力机制的LSTM深度学习模型，研究了长江汛期水位预测，提高了水位预测的精度，为长江航道、港航管理部门提供了参考方法。陈东元针对三峡到葛洲坝两坝间汛期船舶通航问题，采用实船实验的方法，通过分析大量实船测试数据，给出了汛期船舶性能参数数据，为汛期船舶交通管理提供了样本数据和技术支撑。谢云云等针对三峡河段汛期船舶交流流量开展研究，重点分析了船舶交通流量突变特征，为三峡河段汛期交通组织优化和通航安全提供了重要方法支撑。冯志涛等人针对三峡河段2020年汛期数据进行挖掘分析，给出了险情的主要成因，并提出了一系列建议措施保障通航安全。孟晓君以长江江阴段为例分析了汛期船舶与岸基碰撞的风险。

为保障京杭运河枣庄段汛期泄洪时段的通航安全，本文通过对通航环境相关要素、汛期泄洪水流对船舶通航的影响等进行分析，构建泄洪流量与水流的定量化分析，并据此给出通航建议，为下一步航道通航安全管理提供依据和建议，以进一步发挥京杭运河枣庄段二期通航、蓄水、防洪等综合功能和效益。

2.京杭运河枣庄段介绍

京杭运河枣庄段已建有两个航运枢纽——台儿庄船闸和万年闸船闸，分别为京杭运河长江以北第九个梯级和第十个梯级。本文将京杭运河枣庄段分为韩庄船闸（济宁）～万年闸船闸，万年闸～台儿庄船闸，台儿庄船闸～苏鲁省界三部分进行评估。具体情况如下：

（1）韩庄船闸～万年闸船闸。本段航道长约15.6km，航道口宽约225m，航道较为顺直，弯曲半径600～800m。两侧防洪大堤沿河布设，大堤外侧滩地宽不小于100m，高程在▽30.0～▽34.0。本段河道底宽平均200 m，底高程平均约▽24.3，水深平均约5.1m，水下边坡多数在1:3～1:5之间。

（2）万年闸船闸～台儿庄船闸。本段航道长17.3km，航道口宽约150 m，航道较为顺直，转弯半径600～800m，两岸滩地宽不小于200m，高程在▽30～▽26.5，水深3.5m左右。

（3）台儿庄船闸～苏鲁省界。本段航道约长5.5km，航道较为顺直，口宽约130m，两岸滩地宽不小于200m，高程约在▽26.0，航道右岸有一处台儿庄船闸下游远调站。该段河底高程▽15.8，水深平均约5.4m，水下边坡多数在1:4～1:8之间。

在万年闸船闸～台儿庄船闸区间还有两条重要支汊河流——大沙河、伊家河。两条支汊河流对京杭运河主航道的船舶通航也有一定的影响。

3.模型构建与求解

3.1 京杭运河枣庄段二期航道基础条件

现行标准《航道整治工程技术规范》（JTJ 312—2003）对航道的通航水流条件有明确的规定：

1）航道内的最大纵向表面流速和局部比降宜满足设计船舶或船队自航上滩的要求。

2）取水工程的进口和排水工程的出口处，航道横向流速不应超过0.3 m/s，回流流速不应超过0.4m/s。

图1 京杭运河枣庄段的支汊河流

3）航道内的滑梁水、剪刀水、泡漩水和扫弯水等不良流态不得影响船舶安全航行。

京杭运河枣庄段主航道规划等级为二级。目前，京杭运河枣庄段二级航道整治工程正在实施，韩庄运河全线将按Ⅱ级双线航道标准进行整治，设计最大船舶等级2000t。根据《京杭运河枣庄段二级航道整治工程初步设计》，航道宽度采用以下公式计算：

其中，

B——直线段双线航道宽度（m）；

B——下行船舶或船队航迹带宽度（m）；

B——上行船舶或船队航迹带宽度（m）；

d——下行船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离（m）；

d——上行船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离（m）；

C——船舶或船队会船时的安全距离（m）；

B——下行船舶或船队宽度（m）；

L——下行顶推船队长度或者货船长度（m）；

β——船舶或船队航行漂角（°)，I～Ⅴ级航道可取3°，Ⅵ、Ⅶ级航道可取2°；

B——上行船舶或船队宽度（m）；

L——上行顶推船队长度或者货船长度（m）。

代表船型选1 顶+2×2000 t 顶推船队计算时，B最大。其船队主尺度为180×13.8，代入公式得B=74.9m。由此可以得出京杭运河枣庄段二期航道宽度。

3.2 泄洪流量模型

经调研，汛期流量较大且对京杭运河枣庄段主航道有影响的支汊河流为大沙河和伊家河。大沙河河道与京杭运河主航道夹角约为63°。伊家河河道与京杭运河主航道夹角约为22°。

图2 船舶受横流作用示意图

根据《内河通航标准》（GB50139-2014）“船闸引航道、口门区及连接段应避免出现影响船舶、船队航行和停泊安全的泄水波、泡漩和紊流等不良水流条件”，“船闸引航道口门区的水流表面最大流速限制应符合表1的规定”。

表1 口门区水流表面最大流速限值（单位：m/s）

航线附近的斜向水流在航线上的垂直分量即为横向流速，其大小与斜流流速、斜流与航线的夹角有关，且斜流流速越大、斜流与航线夹角越大，横流流速就越大，如式2表示：

其中，V为横向流速；V为斜流流速；θ为水流与航线之间的夹角。

目前京杭运河枣庄段Ⅱ级航道整治工程还未完工，本文未能实时测量主航道水流流速，采用泄洪流量/航道断面面积推算水流流速。

1）万年闸船闸。根据《京杭运河枣庄段二级航道整治工程（马兰大桥以上）施工图设计》，万年闸船闸上游引航道口门处航道与水流的夹角θ为23°，因通航允许最大横流为0.3 m/s，反推最大流速为V=0.768m/s。

再根据京杭运河枣庄段二级航道整治工程（马兰大桥以上）航道截面图计算航道截面面积。京杭运河枣庄段马兰大桥以上航道半幅断面图如图3所示。

图3 京杭运河枣庄段马兰大桥以上航道半幅断面图

因万年闸船闸上游引航道口门处宽约224m，万年闸船闸闸门顶高程30.5m，河道底高程为24.6m，计算万年闸船闸上游引航道口门处断面面积为1321.6m。

综上可得，最大泄洪流量为1014.99m/s。因此，当万年闸节制闸泄洪流量达到1014.99m/s时，万年闸船闸应禁航。

2）台儿庄船闸。京杭运河枣庄段二级航道整治工程涉及优化台儿庄船闸上游口门处的通航条件，施工方案对京杭运河主航道的伊家河口至台儿庄船闸上游引航道口门处拓宽，以加大台儿庄船闸上游引航道口门处的河道过水面积，从而减小水流流速，降低水流对船舶通航的影响。目前该项工作已完成施工图设计。故分别计算竣工前后台儿庄船闸允许通航的最大流量。

①竣工前。台儿庄船闸上游引航道口门处航道宽约150m，伊家河上游航道宽约170m，台儿庄节制闸的闸门顶标高25.9m，因此，万年闸船闸—台儿庄船闸段实际最高通航水位不高于25.9m。

根据《京杭运河枣庄段二级航道整治工程（马兰大桥以下）施工图设计》，台儿庄船闸上游引航道口门处航道与水流的夹角θ为17°，因通航允许最大横流为0.3m/s，反推最大流速为V=1.026m/s。

根据京杭运河枣庄段二级航道整治工程（马兰大桥以下）航道截面图计算河道截面面积。京杭运河枣庄段马兰大桥以下航道半幅断面图如图4所示。计算台儿庄船闸上游引航道口门处断面面积为733.75m。

图4 京杭运河枣庄段马兰大桥以下航道半幅断面图

综上可得，台儿庄船闸允许通航的最大泄洪流量为752.8275m/s。因此，当台儿庄节制闸泄洪流量达到752.8275m/s时，台儿庄船闸应禁航。

②竣工后。根据《京杭运河枣庄段（马兰大桥以下）二级航道整治工程施工图设计》，将现伊家河口至台儿庄船闸上游引航道口门处运河主航道由原有150m拓宽至200m，如图5所示。该工程完工后，该段河道横截面积为991.25m，对应的允许通航的流量为1017.0225m/s。

图5 台儿庄船闸上游引航道竣工后航道宽度示意图

因此，当伊家河口至台儿庄船闸上游引航道口门拓宽工程竣工后，台儿庄船闸允许通航最大泄洪流量可增至1017.0225m/s。

4.交通管制方案

本文综合考虑万年闸船闸与台儿庄船闸目前允许通航的最大流量，建议选取两者较小的752.8m/s作为京杭运河枣庄段允许通航的最大流量。结合已制定的《枣庄市港航和机场建设发展中心防汛应急预案》《京杭运河枣庄段汛期实施水上交通管制的通告》，以及结合计算结论和现场伊家河口、大沙河口的情况，建议禁、限行方案如下：

（一）当泄洪流量≥100m/s，≤200m/s时，严禁所有在航船舶相互追越、齐头并进以及桥下交会。

（二）当泄洪流量＞200m/s，≤700m/s，晚18时至早6时，禁止所有船舶过闸；早6时至晚18时，可允许具备安全条件的单机船以及上行船队过闸，禁止下行船队过闸。在建水运工程停止水上项目施工。

（三）京杭运河枣庄段泄洪流量＞700m/s时，京杭运河枣庄段24小时全线禁航，禁止在建水运工程水上项目及运河沿岸项目施工。

（四）伊家河泄洪流量达到100m/s时，禁止台儿庄船闸调度下行船队过闸。

（五）大沙河泄洪流量达到100m/s时，应禁止船队通过大沙河与京杭运河主航道交汇口。

建议响应等级如下：

响应等级

（一）三级是指：当台儿庄节制闸、万年闸节制闸、刘庄节制闸中有一座节制闸开始泄洪且小于每秒200立方米时。

（二）二级是指：当台儿庄节制闸、万年闸节制闸、刘庄节制闸中有一座节制闸泄洪流量大于每秒200立方米且小于700立方米时。

（三）一级是指：当台儿庄节制闸、万年闸节制闸中有一座节制闸泄洪流量大于每秒700立方米时。

5.结论与展望

本文依据京杭运河枣庄段二期航道基础条件，提出了京杭运河枣庄段二期航道泄洪流量模型，给出了汛期交通管制量化方案。首先，通过分析京杭运河枣庄段二期航道基础数据，得出设计航道宽度；其次，综合运用航道施工数据和水流计算方法，构建了泄洪流量计算模型，计算得出京杭运河枣庄段二期航道不同船闸段间的最大泄洪流量；最后，根据计算结果，结合已有管理部门应急预案，给出汛期量化交通管制方案。

由于现场勘查的限制，在研究过程中仍存在一些不足之处，后续工作可从以下两个方面展开：

（1）本文所利用的水流和航道数据反应航道总量趋势，针对各季节的动态变化未做细化计算。如何进行更精细动态计算，后续还需要进一步研究。

（2）本文方法在应用过程中，还需进一步通过数据驱动的方法构建动态边界，进一步提升算法的智能化。