洪強(qiáng) 黃建九 廣州海建工程咨詢有限公司

宜昌水文站是長(zhǎng)江中、上游分界處的基本水文站，也是長(zhǎng)江葛洲壩和三峽水利樞紐規(guī)劃、設(shè)計(jì)的水文泥沙資料的基本依據(jù)站。鑒于葛洲壩和三峽水利樞紐施工期和投入運(yùn)行后改變了宜昌以下長(zhǎng)江干線的來(lái)水來(lái)沙條件，因此，在計(jì)算分析宜昌以下長(zhǎng)江干線各基本水文站的設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)，首先必須了解和研究宜昌站的設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算、確定與應(yīng)用情況；以及三峽水利樞紐正常運(yùn)行期枯水季節(jié)加大葛洲壩水利樞紐下泄流量的彌補(bǔ)措施后，對(duì)宜昌以下河段航道邊界條件的影響因素。

30余年來(lái)，長(zhǎng)江中、上游干支流除赤水河外均興建了水利樞紐。支流與湖泊多因素聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)作用的水沙條件變化極為復(fù)雜，筆者雖然過去參與過幾處航道設(shè)計(jì)最低通航水位的計(jì)算、分析和應(yīng)用實(shí)踐，但僅局限于局部河段，不具備全局觀。為此，僅對(duì)熟悉的長(zhǎng)江干線宜昌站的設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算成果和相關(guān)問題進(jìn)行探討。

1.宜昌站的設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算與確定

1973年長(zhǎng)江航道局計(jì)算的宜昌站設(shè)計(jì)最低通航水位為39.35m（凍結(jié)吳淞高程，多年歷時(shí)保證率98%）。

1978年的長(zhǎng)江葛洲壩水利樞紐修改初步設(shè)計(jì)報(bào)告中，葛洲壩水利樞紐二、三號(hào)船閘和下游引航道的設(shè)計(jì)最低通航水位為39.0m（資用吳淞高程，本文其它水位值如無(wú)特別說(shuō)明均采用此高程），相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為3200m3/s。該設(shè)計(jì)還闡明樞紐投入運(yùn)行后，壩下河床下切水位下降值不超過1.0m。

宜昌水文站歷史悠久，建站時(shí)所采用的高程系統(tǒng)為凍結(jié)吳淞高程，而葛洲壩和三峽水利樞紐所采用的高程系統(tǒng)為資用吳淞高程。宜昌水文站的高程系統(tǒng)換算關(guān)系為：凍結(jié)吳淞高程-0.364m=資用吳淞高程。由此可見，宜昌站設(shè)計(jì)最低通航水位39.35m（凍結(jié)吳淞高程），換算為資用吳淞高程為凍結(jié)吳淞高程39.35m-0.364m≈資用吳淞高程39.0m，與葛洲壩三江航道及二、三號(hào)船閘下游設(shè)計(jì)最低通航水位39.0m是基本一致的；后者是設(shè)計(jì)階段的具體應(yīng)用。

2.葛洲壩水利樞紐投入運(yùn)行前后宜昌站水位下降和航道運(yùn)行管理情況

2.1 宜昌站水位下降情況

葛洲壩水利樞紐工程大江截流前，長(zhǎng)江航道局組建川江測(cè)量總隊(duì)適時(shí)對(duì)長(zhǎng)江重慶至宜昌河段自上而下進(jìn)行航道測(cè)量，當(dāng)測(cè)量到巴東至宜昌河段時(shí)，宜昌站設(shè)計(jì)最小通航流量3200m3/s的相應(yīng)水位已下降了0.3m，所以巴東至宜昌航道圖按流量3200m3/s時(shí)的實(shí)測(cè)水面線繪制（即設(shè)計(jì)最低通航水位以下的水深圖）。該測(cè)圖在當(dāng)時(shí)特定條件下水面線的應(yīng)用，反映了經(jīng)辦人對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位的概念和航道水深圖的機(jī)理具有獨(dú)立的見解，能將水文學(xué)、航道測(cè)量學(xué)和航道工程學(xué)的知識(shí)有機(jī)地結(jié)合，并在實(shí)際工作中準(zhǔn)確運(yùn)用。該圖后來(lái)成為葛洲壩和三峽水利樞紐有關(guān)科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)資料，在物理模型研究項(xiàng)目驗(yàn)證時(shí)經(jīng)受住了檢驗(yàn)。

1981年葛洲壩水利樞紐主河床截流前宜昌站水位下降的原因，曾引起了當(dāng)時(shí)有關(guān)單位科技人員的關(guān)注，葛洲壩水文實(shí)驗(yàn)站于1985年前后進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)論是宜都河段大量開采砂卵石用于葛洲壩工程施工，是導(dǎo)致葛洲壩下游近壩河段河床下切水位下降的主要原因。該調(diào)研報(bào)告曾在葛洲壩工程第二次科技成果會(huì)議上交流。

表1 長(zhǎng)江宜昌站設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算、確定與應(yīng)用情況表

2.2 航道運(yùn)行管理情況

葛洲壩水利樞紐投入運(yùn)行前兩年，長(zhǎng)江航道局在宜昌設(shè)立宜昌航道分局，從事葛洲壩樞紐航道運(yùn)行（維護(hù)）管理的專職工作。

葛洲壩水利樞紐三江航道投入運(yùn)行時(shí)，在長(zhǎng)江航道局指導(dǎo)下，宜昌航道分局將航道測(cè)圖標(biāo)注方式改為高程圖式（與設(shè)計(jì)資料一致采用資用吳淞高程），改變了我國(guó)航道測(cè)圖的傳統(tǒng)水深圖式（即設(shè)計(jì)最低通航水位以下的水深圖）的習(xí)慣作法。今天看來(lái)，這個(gè)決策對(duì)運(yùn)行資料的收集與分析工作是高瞻遠(yuǎn)矚，具有前瞻性和預(yù)見性。實(shí)踐證明，葛洲壩水利樞紐壩下游近壩河段的河床下切水位下降過程中，以及1982年觀測(cè)出三江下引航道的不穩(wěn)定流等水文特性下，其航道測(cè)圖則不適應(yīng)采用水深圖式。

三江航道投入運(yùn)行后，航道部門結(jié)合葛洲壩樞紐引航道的特點(diǎn)和實(shí)際情況，摸索性地開展航道維護(hù)管理工作，逐步形成全新的工作模式：每年在汛前、沖沙前后、汛后進(jìn)行引航道水下地形測(cè)量，年終收集宜昌站年度逐日平均水位、流量、含沙量、輸沙率等資料，進(jìn)行沖沙時(shí)機(jī)、流量、歷時(shí)與引航道沖淤演變關(guān)系的分析，提出汛后清淤計(jì)劃；還進(jìn)行了三江下引航道不穩(wěn)定流的觀測(cè)與分析、壩下河床下切水位下降分析，研究了各種因素對(duì)枯水期航道尺度的影響和技術(shù)措施，以確保航道正常運(yùn)行和通航安全。

1986～1987年枯水期宜昌站流量3200m3/s時(shí)的水位相對(duì)原設(shè)計(jì)值約下降0.85m，幾年以后下降值約達(dá)1.0m，與修改初步設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)值基本一致。

3.三峽水利樞紐論證、設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段對(duì)葛洲壩樞紐下游設(shè)計(jì)最低通航水位的研究與確定

3.1 論證、設(shè)計(jì)階段

長(zhǎng)江三峽水利樞紐正常蓄水位補(bǔ)充論證報(bào)告提出了枯水季節(jié)葛洲壩水利樞紐下泄平均調(diào)節(jié)流量不宜過小，應(yīng)維持在5000m3/s以上，以彌補(bǔ)葛洲壩下游因河床沖刷可能引起水位下降的影響；長(zhǎng)江三峽水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告（樞紐工程）明確三峽工程運(yùn)行后，葛洲壩水利樞紐最小下泄流量增大至5400m3/s。

3.2 運(yùn)行階段

三峽水利樞紐正常運(yùn)行期調(diào)度規(guī)程的有關(guān)條款規(guī)定：

三峽（正常運(yùn)行期）—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程（試行版，送審稿，2009年7月）7.3.3條：葛洲壩水利樞紐下游，三江船閘及船閘下游最低通航水位應(yīng)滿足過壩船舶安全正常航行的要求，按39.0m（采用廟咀水位）控制。

長(zhǎng)江宜昌站設(shè)計(jì)最低通航水位計(jì)算、確定與應(yīng)用情況如表1所示。

4.幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

4.1 宜昌站設(shè)計(jì)最低通航水位“失而復(fù)原”是三峽工程論證中航運(yùn)專題的重要成果

長(zhǎng)江葛洲壩水利樞紐投入運(yùn)行前后，雖然經(jīng)歷了壩下河床下切水位下降約1.0m（宜昌站流量3200m3/s時(shí)）的過程，但設(shè)計(jì)和運(yùn)行單位仍堅(jiān)持設(shè)計(jì)最低通航水位39.0m不變。

在長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程論證與設(shè)計(jì)階段，對(duì)通航技術(shù)問題進(jìn)行了深入地研究和討論，確定了枯水季節(jié)加大葛洲壩水利樞紐下泄流量，以彌補(bǔ)壩下因河床沖刷而引起水位下降對(duì)葛洲壩三江下游航道通航水深的影響。三峽工程建成后，正常運(yùn)行期葛洲壩樞紐下游最低通航水位按原設(shè)計(jì)值39.0m（以廟咀水位為準(zhǔn)）控制，從而確保了葛洲壩三江下游航道過壩船舶正常航行的要求。葛洲壩水利樞紐屬?gòu)搅魇诫娬?，沒有調(diào)節(jié)庫(kù)容，單獨(dú)運(yùn)行期的與天然狀況一樣，枯水季節(jié)約有3～4個(gè)月下泄流量只有3200～4000m3/s。三峽樞紐正常運(yùn)行期庫(kù)水位蓄至175.0m，通過水庫(kù)調(diào)度調(diào)節(jié)下泄流量，葛洲壩樞紐下游最低通航水位按原設(shè)計(jì)值39.0m控制時(shí)，相應(yīng)的下泄流量約為5400m3/s，下游流量的增幅最大時(shí)達(dá)2200m3/s，避免采用工程措施來(lái)保證壩下最低通航水位的問題，也有利于改善宜昌以下河段的通航條件；兼顧了發(fā)電與通航的綜合效益。

葛洲壩水利樞紐下游宜昌站的設(shè)計(jì)最低通航水位“失而復(fù)原”，是三峽工程論證階段開放、透明論證中航運(yùn)專題的重要成果；也是設(shè)計(jì)階段科研、設(shè)計(jì)單位和航運(yùn)部門的科技人員共同努力的結(jié)果。是通過科學(xué)地研究三峽水利樞紐調(diào)節(jié)庫(kù)容作用、河流水沙條件、河床沖淤演變、水位流量關(guān)系、船舶噸級(jí)、航道通航條件、統(tǒng)籌兼顧防洪和發(fā)電及航運(yùn)綜合效益等因素的基礎(chǔ)上而取得的重大成果之一。宜昌站的設(shè)計(jì)最低通航水位獲得“失而復(fù)原”的成果，其機(jī)理是通過梯級(jí)調(diào)度，并兼顧防洪、發(fā)電、航運(yùn)等多因素影響和采取遏制葛洲壩下游河床沖刷的工程措施。對(duì)于我國(guó)大多數(shù)中、小山區(qū)河流而言，在興建水利（航運(yùn)）樞紐后而產(chǎn)生的壩下河床下切（主要原因是清水下泄和大量采砂）水位下降的問題，主要受樞紐調(diào)節(jié)庫(kù)容較小的影響，解決枯水期壩下航道水深問題的技術(shù)難度會(huì)更大一些。

4.2 葛洲壩水利樞紐壩下基本水位站的選取

葛洲壩水利樞紐修改初設(shè)和三峽水利樞紐初設(shè)、現(xiàn)行梯級(jí)調(diào)度規(guī)程等3個(gè)階段中均明確葛洲壩水利樞紐下游航道設(shè)計(jì)最低通航水位為39.0m，但是在文字表述上略有差異，各階段有關(guān)資料對(duì)該設(shè)計(jì)最低通航水位的論述情況如下：

設(shè)計(jì)單位、航道部門論證時(shí)采用的都是宜昌站的水文資料，所不同的是：航道部門在葛洲壩水利樞紐初設(shè)階段明確提出的是宜昌站水位；設(shè)計(jì)單位在葛洲壩水利樞紐修改初設(shè)中提出的是二、三號(hào)船閘和下游引航道，當(dāng)時(shí)未明確水位站名；2009年的梯級(jí)調(diào)度規(guī)程則明確是廟咀水位。

廟咀水位站位于葛洲壩三江下引航道口門區(qū)右岸，下距宜昌站約2km，原本是觀測(cè)葛洲壩水利樞紐下游航道水位最合適的位置，但因三江下引航道的最小通航水深受葛洲壩2#、3#船閘泄水形成的不穩(wěn)定流影響，水位波動(dòng)的規(guī)律較為復(fù)雜，且隨著邊界條件的變化而不斷變化。因此，建議今后還要注意進(jìn)一步觀測(cè)與研究。

4.3 葛洲壩水利樞紐三江下游引航道最小水深彌補(bǔ)措施的思考

葛洲壩水利樞紐下游出現(xiàn)河床下切水位下降，以及1982年觀測(cè)到三江下引航道不穩(wěn)定流對(duì)航道通航條件的影響后，在不可能提高設(shè)計(jì)最低通航水位的客觀條件下，長(zhǎng)江航道局三峽辦曾研究過是否可以改造三江下引航道，降低航道底標(biāo)高以增加通航水深；前幾年長(zhǎng)委設(shè)計(jì)院還進(jìn)行過改造三江下游航道的專題研究。將來(lái)仍可作為一個(gè)研究的選項(xiàng)。

4.4 水利樞紐壩下基本水文站的控制作用

葛洲壩水利樞紐是長(zhǎng)江干流上興建的第一壩，通航建筑物的最低通航水位、最小通航水深是長(zhǎng)江干線航道的控制點(diǎn)，因此宜昌水文站自然成為研究長(zhǎng)江干線設(shè)計(jì)最低通航水位的控制站，其因果關(guān)系將成為上、下游航道的制約因素。因此，在研究整個(gè)長(zhǎng)江干線的設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)，離不開宜昌站的基礎(chǔ)條件。由此說(shuō)明，興建了水利（航運(yùn)）樞紐的河流上所使用的設(shè)計(jì)最低通航水位的概念和內(nèi)涵，要比天然河流復(fù)雜得多，需要擺脫“思維定勢(shì)”和“路徑依賴”，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，追根溯源，不斷地去發(fā)現(xiàn)新情況，探索新問題。

5.需要探討的新問題

5.1 設(shè)計(jì)最低通航水位的使用年限問題

從航道工程的實(shí)踐情況來(lái)看，由于興建水利（航運(yùn)）樞紐等原因，改變了河道的水沙邊界條件，若要使設(shè)計(jì)最小流量下最低通航水位的誤差小于0.1m，可能以當(dāng)年的資料計(jì)算后只能用上一年時(shí)間左右，甚至更短一些，所以需要不斷地分析研究，往往多年的水文資料只能作為分析判斷之用，即可用于定性分析而不能用于定量。

表2 設(shè)計(jì)最小通航流量下基本水位站水位變化情況表

表3 韓江三河壩站2005年枯水季5天的水位、流量特征值表

在航道工程實(shí)踐中遇到的設(shè)計(jì)最小通航流量下基本水位站水位變化情況如表2所示。

上述實(shí)例說(shuō)明，對(duì)于水沙條件變化較大的河段，負(fù)責(zé)航道管理的部門需要配備航道水文方面的技術(shù)力量，逐月、逐年進(jìn)行水文泥沙分析，不間斷地調(diào)整對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位變化的認(rèn)識(shí)，并準(zhǔn)確地運(yùn)用于航道運(yùn)行管理工作中，才能及時(shí)解決實(shí)際工作中遇到的問題。

5.2 水利（航運(yùn)）樞紐壩下河道不穩(wěn)定流對(duì)航道通航條件影響的問題

1982年初，通過對(duì)葛洲壩三江下引航道發(fā)生的客輪擱淺事故的調(diào)查，經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了下引航道不穩(wěn)定流及其對(duì)航道通航條件的影響，設(shè)計(jì)單位已將其科研成果應(yīng)用于三峽工程，將三峽五級(jí)連續(xù)船閘泄水方式采用雙箱涵排于下引航道之外的主河道。

三峽工程科研階段，也揭示了三峽大壩和葛洲壩兩壩之間河道存在不穩(wěn)定流的問題，但未見到葛洲壩水利樞紐壩下河道不穩(wěn)定流的觀測(cè)與研究資料。

2014年收集到廣東韓江三河壩站的壩下河道不穩(wěn)定流資料，概況如表3所示。

上述工程實(shí)例表明：枯水期高水頭船閘下引航道受船閘泄水波影響，其瞬時(shí)最低水位可能會(huì)對(duì)通航水深造成影響，船舶在引航道內(nèi)航行時(shí)，如遇不穩(wěn)定流的波谷與船舶動(dòng)吃水疊加，可能面臨著船舶擱淺的潛在風(fēng)險(xiǎn)，給通航安全埋下隱患；水利（航運(yùn)）樞紐壩下河道不穩(wěn)定流枯水季具有水位、流量日變幅很大和下泄流量減小后沿時(shí)間、沿程衰減的水文特征，該特征不但對(duì)淺灘演變、航道通航條件帶來(lái)影響，也給內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)最低通航水位、航道整治工程措施與思路等的研究提出了新課題。

5.3 《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中航道測(cè)圖的適用性問題

對(duì)于興建有水利（航運(yùn)）樞紐的非天然河流的內(nèi)河航道，鑒于水沙條件發(fā)生了明顯的變化，建議《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》明確該類航道的測(cè)圖不再適用設(shè)計(jì)最低通航水位以下的水深圖式，宜改為河床高程圖式，其水面線則應(yīng)另外組織觀測(cè)與研究。