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摘要：葛洲坝三江航道于每年11月至次年4月实施航道水深动态控制，为进一步做好葛洲坝三江航道维护管理工作，确保枯水期及船闸检修期等重点时段的航道安全畅通，本文结合了近年来葛洲坝三江航道水下地形测量成果资料，采用了水文分析计算的方法探求维护水深提升的可行性。同时对三江往复流观测的数据统计分析处理，对三江航道动态水深控制相关事宜进行讨论。

1.葛洲坝三江航道基本情况

三江航道布置在葛洲坝水利枢纽左侧，其航道范围上起王家沟，下至镇川门，是长江上第一条人工引航道。航道全长6.5km，其中上引航道长2.5km，口门宽230m，船闸附近300m左右，航道最小底宽180m，设计河床高程在48-55m之间，上引航道中部左侧有支流黄柏河汇入;下引航道全长4km，最小航宽120 m，航道设计底高程34.5m，后期清淤运行高程为35m。设计最大通航流量60000m3/s，最小通航流量3200m3/s，最低通航水位39.0m。于1981年6月27日投入运用。

2.维护水深提升探究及推求方法

根据葛洲坝坝下庙咀多年实测水位资料，选取统计年份中的整点水位为样本，采用频率分析法分析出保证率为99%最低水位（重现期为10年）作为运行最低通航水位，探讨提升三江航道水深的合理性。

目前 GBJ 139—1990《内河通航标准》、JTJ 214—2000 《内河航道与港口水文规范》及 JTJ 312—1998《航道整治工程技术规范》都规定天然河流设计最低通航水位可用综合历时曲线法或保证率频率法予以确定。国内航道部门也都分别采用了这两种方法。本文选用综合历时曲线法。

2.1水文分析计算

以三江航道的庙咀站的 N 年水位资料系列用保证率频率法列出通航天数的计算式进行分析，求得保证率 P%，保证率频率法加上一个频率 t%。N 年内保证高于等于设计最低通航水位的天数分别为：（暂不考虑润年的影响，每年以 365 d 计）

式中：P为水文特征值的经验频率（%）;m为计算系列由大到小的排列序号;系列总项数;Y（ P）为用综合历时曲线法，以保证率 P%求得通航总天数，其对应的设计最低通航水位为 Z（ P）;

现以2011- 2017年水位系列为例进行数学理论分析绘制以下图表，并运用计算机算出规范所规定保证率 （90%，95%，98%，99%） 及重现期（2，3，4，5，10 年） 一遇的水位。

（1）根据庙咀站水文要素样本，将样本进行分级，10cm为一级;

（2）统计样本在不同级别中出现的次数;

（3）由高至低逐级进行样本累计出现次数的统计，进行各级别的保证率（累计频率）计算;

（4）以水位为纵坐标、保证率（累计频率）累计频率为横坐标，吧累计频率值点绘于相应各级别的下限处

（5）在综合历时曲线上摘取不同保证率（累计频率）水位值。

2.2小结

航道维护水深=水位-底高程-富裕水深，根据计算，近年中通航保证率为99%的最小水位为2011年的39.0665m，三江航道底高程为35m，三江航道为岩石质河床，富裕水深值应在Ⅰ级航道富裕水深0.5m的基础上另加0.2m，从理论上讲全年航道维护水深只能保证在3.5m。（不考虑船闸泄水波的情况）直接提升至4.0m存在困难，暂时不可行，为保障船舶通过能力的要求，所以后续开展了三江航道枯水期动态水深控制。

3. 三江航道枯水期动态水深控制情况分析总结

3.1近五年庙咀水位情况

2015后明确庙咀水位控制在39米以上。根据对近年枯水期（当年11月1日至次年3月31日）庙咀水位分析结果可知，当年11月下旬至次年3月中旬是枯水期水位普遍低于40.0m的时期。当年12月中旬至次年1月中旬和2月中旬是整个枯水期水位最低的时间段，该时间段内水位普遍在39.5m及以下，是整个枯水期航道维护的关键难点。

3.2枯水期航道维护水深预测与实际水位变幅

三峡航道局曾根据每天8点三峡开发总公司发布的未来3天三峡入库流量预报，结合往年庙咀水位流量数据，推演未来一周的三江水位变化区间，以推演的变化区间为参照，发布航道维护通告，有以下图例对比。经过枯水期试行的航道动态水深维护，经总结后发现，预测的水位较实际的水位低，差值在0.3 m左右。

3.3庙咀水位与葛洲坝出库、三峡出库流量的关系分析

根据3年的庙咀水位、葛洲坝坝下水位、葛洲坝出库流量以及三峡出库流量对比分析图，发现葛洲坝出库流量波动趋势跟三峡出库流量波动趋势整体趋势类似;庙咀水位、葛洲坝坝下水位变化趋势基本和葛洲坝出库流量一致。但存在一定的波动变化，需要研究来进一步确定水位流量关系（航道中断面与水位之间的对应状态）。

在水文资料整理编制过程中，确定水位流量关系曲线是很重要的步骤，对资料整编质量起着决定性作用。水位流量关系要根据不同水流情况与相应的水位来确定。除受水位、流量影响外还受到多种变量如水面宽、过水断面面积、流速、水力比降以及糙率等。单一的水位流量关系曲线可用函数计算，本次暂不考虑其他变量影响进行分析，采用幂指数方程法对2016年枯水期水位流量关系、以及2017年枯水期水位流量关系进行计算。

幂指数方程因其图形与部分测站的水文特性相符而被广泛录用，而经过变换后具有的形式，可以采用一元线性回归分析求解待定常数、。幂指数模型：对公式（1）作变换处理：

根据数理统计学原理，对于个测点组成的系列，公式（2）的回归系数、的最小二乘估计式为：

根据计算机计算生成以下图形。

方程1： Y1=4.043066·lnX1+4.142520      （R2=0.966158）

方程2： Y2=4.230695·lnX2+2.426999      （R2=0.980862）

方程3： Y3=3.902981·lnX3+5.398202      （R2=0.960273）

对这三个方程进行流量带入反推水位计算，例2016年1月25日，庙咀流量为9000方米每秒，根据方程2、3预测水位为： Y2=40.95，Y3=40.93，实际当日水位为40.92m; 2017年11月7日，庙咀流量为9600方米每秒，根据方程1、2预测水位为：Y1=41.22，Y2=41.22，实际当日水位为41.51m。

通过方程预测的水位基本变浮在0.3米左右。正在通过该方式初步预测庙咀水位。

4.关于船闸泄水波情况的初步分析

4.1泄水波观测内容和目标

（1）在三江下引航道内的左右两岸合适地点，沿三江两岸成对设立9对临时水位观测站，在庙嘴水位分别为39.0m、39.5m、40.0m、40.5m、41.0m、41.5m时，观测葛洲坝2号、3号船闸不同泄水组合（分单闸泄水、联泄、有船、无船等）情况下的不稳定流波动情况。

（2）控制测量

临时水尺布设施工前，为做好临时水尺的控制测量工作，对测区进行了现场踏勘调研，决定利用葛洲坝三江引航道测量控制网及其测量平差成果，作为水尺施工、水尺桩零点高程的放样基础。

临时水尺布设前，对拟利用的三江航道测量控制点进行复核验算。为便于与历史观测资料进行对比分析，复核时平面坐标采用大坝坐标系，高程采用吴淞高程基准。

4.2泄水波观测数据与分析

根据波浪理论并结合葛洲坝三江下引航道环境特点，船闸泄水波属于重力波，通过对实测波幅、波谷数据对比庙嘴水位站水位的统计分析，发现若以庙嘴站水位为基准轴，船闸泄水波的波谷值要大于波峰值（波谷值比波峰值大20——30cm），按两者之间的关系：波幅=波峰+波谷，在基于庙嘴站水位推算三江下引航道泄水波的波谷最低水位时，应该在庙嘴站水位减去波幅值一半的基础上再减去10——15cm。

参考有限的观测数据，以2019年2月25日14：00两闸联泄为例（两闸泄水时间间隔最短为1min）：庙嘴水位39.5米，坝上水位64.25米，水头24.75米，泄水间隔1分钟，2号闸单泄最大波幅为0.81米，两闸联泄最大波幅为1.12米，波幅增大0.31米，最大波谷降低0.13米。在两闸联泄最不利情况时，波幅较2号闸单闸泄水波幅会进一步增大，最大波谷进一步降低。现对庙嘴不同水位两闸联泄时的最大波谷进行统计，作为两闸联泄时估算三江下引航道水深的参考依据：

从此统计表中也可看出上述“波谷值比波峰值大约20——30cm”的特性

4.2 结论

4.2.1 观测成果显示船闸泄水引起三江航道水体波动，形成往复水流

（1）波幅的沿时变化：波幅随时间逐渐衰减，闸下首次波峰出现在泄水开始后约8分钟，首次波谷出现在泄水开始后约18分钟。

（2）波幅的沿程变化：波幅随距闸口的距离变大表现出先略有增大然后逐渐减弱的趋势。在距离闸口1800m处迅速减小，在下口门处波幅仅有20cm左右。

（3）波幅与庙嘴水位的关系：总体趋势上，庙嘴水位越高，参与波动的水体质量愈大，势能愈大，波幅愈大。

（4）波幅与下泄流量存在正相关关系：总体上属于联泄时波幅大于2号闸单闸泄水时波幅，2号闸单闸泄水时波幅大于3号闸单闸泄水时波幅;无船时波幅大于有船时波幅。

（5）水体势能的传播速度（波速）：通过不同水位、不同闸次组合条件下计算波峰的传播速度求取平均值得出：波的传播速度约为10m/s，同时根据势能波波速计算公式再次验证船闸泄水时三江的最大流速约为1.7——2.3m/s。

（6）泄水波首波波长：根据泄水波首波的影响时间及波的传播速度大致估算出波长约20km，考虑到波幅只有1.0m左右，坡度平缓（平均坡度只有万分之0.5），无碍船只航行，因此波长对于航行的影响可以忽略不计。

（7）两闸联泄时波幅与泄水时间间隔的关系：经观测分析两闸联泄的时间间隔在0——8min，势能是叠加增强的效果，波幅变大;大于8min为抵消的效果，波幅减小;大约20min后逐渐分裂为两个单独的震荡过程。

（8）三江水体波动过程内因分析：船闸泄水是造成航道内水体变化的根本原因。水的往复流动再加上船闸的频繁泄水，造成了三江水位周期性的波动。因此三江水位的波动特性不同于常规的波动特性，更应该看做是水的往复流动造成的水位周期性的上涨与回落。

5.结论与建议

5.1枯水期航道维护方案研究

（1）预测水位与航道维护水深对照探索表

考虑到三江下引航道受船闸泄水波的影响，水体量越小影响越大，故在低水位阶段，航道维护水深会保留0.2m的余地。

在航道维护水深为4.7m的时候，根据《长江海事局关于印发船舶航行长江干线富余水深规定的通知》，原则上可以通过吃水4.3m的危险品船舶。

（2）通过已获取的三峡枢纽局的流量预报资料，对下周水位进行预测后，于每周一发布周二至下周一发布通告，遇到水位变化大的情况时，可适当缩减为每三日发一次补充通告。

（3）适时安排葛洲坝三江航道水下地形测量，及时掌握水下地形变化情况，为三江航道管理工作提供技术支撑。

（4）加强三江下引航道重点部位水深探测，关注水情变化及现场水位观读，严密监测三江航道水深变化情况，遇极端低水位时及时通报有关各方，采取有效措施，确保枢纽航道通航安全。

（5）两闸联泄时泄水间隔问题

基于1983年初长办有关单位和葛洲坝枢纽船闸管理处对三江船闸泄水不稳定流进行的原型观测，得到的两闸运用的不同时差组合有助于减小不利影响，当两闸泄水的时间间隔大于8min时，联泄的波幅反而小于2号闸单闸泄水的波幅。随着间隔时间的延长，抵消的效果更加明显。考虑到通航效率以及波动的影响，建议在枯水期两闸联泄的时间间隔要大于8min。

（6）航道底边线问题

在统计航道最浅点时，发现在航道右侧底边线附近存在一定的浅区，尤其在至喜大桥和三江桥之间区域以及闸下靠船墩区域，对航行安全构成一定的威胁。建议在对淤积情况较为严重的区域进行疏浚作业的同时，根据最新的三江航道水下地形图及时进行航道底边线的调整，以保证航行安全。

（7）两闸泄水顺序问题

三号船闸有效尺度为120×18×3.5m，二号船闸有效尺度为280×34×5m，2号闸单闸泄水持续时间大概是14min左右，3号闸单闸泄水的持续时间是4——7min。按船闸上、下游水位差一致的情况下，2号船闸的水体体积约为3号闸的4.5倍，2号闸的下泄速度略大于3号闸的下泄速度，考虑到波幅与下泄水量的关系，理论上应该是2号闸先泄-3号闸后泄波幅略大于3号闸先泄-2号闸后泄的波幅，但两闸联泄波幅的影响因素较多（有船/无船，泄水间隔等），同等的观测条件很难获取，因而两闸泄水顺序与波幅的关系有待进一步观测。

（8）测图比例尺问题

建议在下一年度的日常航道水下地下测量工作任务安排中可以尽量适时安排全覆盖大比例水下地形图测量，或者增加多波束观测的频率，从而可以更加确切掌握三江下引航道浅点（区）实际情况。

参考文献：

【1】天然河流设计最低通航水位两种计算方法的对照分析及选用，安徽省交通勘测设计院，丁平，刘圣保。

【2】三峡大坝蓄水对三峡坝上游通航条件的影响及其对策。

【3】三江下引航道同步水位观测分析报告，长江宜昌航道局勘测处，长江三峡通航管理局。

【4】胡兴娥.梯级电站调峰对通航的影响及对策研究[D].天津：天津大学，2007，12.