劉 利，葉 榮，黃紅兵

(1. 南京市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法監(jiān)督局，南京 211512；2. 江蘇省下壩船閘管理所，南京 211318)

1 基本情況

蕪申線航道位于長(zhǎng)江三角洲河網(wǎng)地區(qū)，自西向東途經(jīng)安徽、江蘇、上海兩省一市，是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)高等級(jí)航道網(wǎng)“二縱六橫”和江蘇省干線航道網(wǎng)“兩縱五橫”中的重要省際干線航道。2016年，蕪申線航道南京高溧段已按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)基本建成，自上而下有兩個(gè)通航梯級(jí)，分別為楊家灣船閘、下壩船閘，均位于南京市高淳區(qū)。

下壩船閘為雙線船閘，位于高淳區(qū)東壩街道下壩村，是蕪申線航道高溧段自上而下的第2個(gè)通航梯級(jí)建筑物。下壩一線船閘為Ⅴ級(jí)船閘，于1989年建成，建設(shè)規(guī)模為160 m×12(14) m×2.5 m(閘室長(zhǎng)×口門(mén)寬×檻上最小水深)，最大設(shè)計(jì)船型為300 t 級(jí)，設(shè)計(jì)通過(guò)能力為600萬(wàn)t/年。2015年，為改善航道的通航條件，滿(mǎn)足大噸級(jí)船舶的通航需要，蕪申線航道高溧段提檔升級(jí)，下壩二線船閘建成。下壩二線船閘為Ⅲ級(jí)船閘，船閘規(guī)模為230 m×23 m×4 m(閘室長(zhǎng)×口門(mén)寬×檻上最小水深)，最大設(shè)計(jì)船型為1 000 t級(jí)，設(shè)計(jì)通過(guò)能力為1 890 萬(wàn)t/年。一線船閘與二線船閘按中心軸線平行布置，兩閘中心線間距為140 m，一線船閘位于閘區(qū)北側(cè)，東側(cè)與橫跨下閘首的閘橋中心線對(duì)齊。下壩一線船閘、下壩二線船閘的相對(duì)位置示意圖如 圖1 所示。

圖1 下壩一線船閘、下壩二線船閘的相對(duì)位置示意圖

根據(jù)下壩船閘管理所的過(guò)閘船舶統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，下壩二線船閘自2015年建成以來(lái),過(guò)閘船舶通過(guò)量和貨運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2021年實(shí)際船舶通過(guò)量已達(dá) 3 732 萬(wàn)t。隨著近年來(lái)蕪申線航道高溧段船舶大型化發(fā)展，一線船閘受檻上水深較小的限制，目前只能通過(guò)一些較小的空船，常年只有二線船閘在運(yùn)行，船舶待閘情況比較嚴(yán)重，迫切需要提升下壩船閘的整體通過(guò)能力。為提升下壩船閘的通航能力，應(yīng)充分利用下壩船閘閘位所在地的土地資源，對(duì)一線船閘進(jìn)行擴(kuò)能升級(jí)，既可以有效節(jié)約土地資源，又能解決因船舶過(guò)閘出現(xiàn)的堵塞問(wèn)題。

2 省水船閘建設(shè)意義及發(fā)展

2.1 建設(shè)意義

船閘是為解決船舶在有水頭差的航道通行而修建的通航建筑物，通過(guò)調(diào)整閘室內(nèi)水位，使其與上游或下游的水位齊平，從而保證上游或下游的船舶通過(guò)。在水頭差較大的航道，船閘運(yùn)行一次的泄水量較大，對(duì)水資源緊缺的航段，建設(shè)省水船閘有利于節(jié)約和綜合利用水資源。省水船閘是一種經(jīng)濟(jì)、便捷且符合生態(tài)要求的通航建筑物型式，能有效節(jié)省過(guò)閘用水量、綜合利用水資源，與非省水船閘相比可節(jié)省33%～70%的水量，采用工程措施甚至可以節(jié)省90%以上的用水量。

與國(guó)外相比，我國(guó)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境、環(huán)保理念等因素的制約，內(nèi)河船閘較少采用省水船閘型式，隨著我國(guó)環(huán)保理念的加強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升、科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，建設(shè)省水船閘越來(lái)越符合當(dāng)下交通航運(yùn)的可持續(xù)發(fā)展方向。結(jié)合船閘所在地的地質(zhì)條件、自然條件和綜合利用水資源的需要，在新建、擴(kuò)建船閘或改造舊閘時(shí)，將船閘建成省水船閘型式，不僅能節(jié)省用水量，還能夠較好地緩解我國(guó)水資源緊張流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)電、航運(yùn)之間的用水矛盾。

2.2 發(fā)展過(guò)程

20世紀(jì)60年代起，我國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及研究學(xué)者就針對(duì)省水船閘進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和研究，如60年代，天津大學(xué)針對(duì)長(zhǎng)江三峽船閘進(jìn)行了省水船閘方案設(shè)計(jì)及三峽船閘節(jié)水問(wèn)題的分析等研究；70年代，南京水利科學(xué)研究所進(jìn)行了鄭家崗省水船閘模型試驗(yàn)[1]；80年代，天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所對(duì)國(guó)內(nèi)省水船閘有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。2000年以后，重慶交通大學(xué)進(jìn)行了烏江銀盤(pán)省水船閘水動(dòng)力學(xué)研究[2，3]；山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了桂林市春天湖雙線雙向省水船閘運(yùn)行研究[4]；天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院進(jìn)行了西江航運(yùn)干線長(zhǎng)洲水利樞紐三線四線船閘輸水系統(tǒng)等研究[5]。這些研究為省水船閘在我國(guó)內(nèi)河航道整治工程建設(shè)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

2.3 適應(yīng)形勢(shì)創(chuàng)新發(fā)展

江蘇省船閘數(shù)量眾多，交通船閘有80余座，但同樣存在著水資源保護(hù)與航運(yùn)用水的矛盾，為促進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展，保障船舶安全、及時(shí)、有序過(guò)閘，并兼顧地方農(nóng)業(yè)用水，應(yīng)在下壩船閘擴(kuò)建改造時(shí)考慮省水船閘的建設(shè)。建設(shè)省水船閘既能滿(mǎn)足國(guó)家節(jié)能減排的要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，又可填補(bǔ)江蘇船閘大省在省水船閘設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)維方面的空白，為今后省內(nèi)老閘的改造積累經(jīng)驗(yàn)、提供借鑒。

3 下壩船閘建設(shè)省水船閘的探討

3.1 必要性

3.1.1 特殊的地理?xiàng)l件

蕪申線航道高溧段的楊家灣船閘、下壩船閘與蕪申線航道蕪湖段的澛港船閘一同連接起長(zhǎng)江、水陽(yáng)江、青弋江、太湖等水系，其中楊家灣船閘和下壩船閘兩個(gè)通航梯級(jí)的間距約為30 km，兩閘之間的航道由官溪河航段、固城湖湖區(qū)航段和胥河(上)航段組成。

固城湖是南京高淳區(qū)的主要調(diào)蓄湖泊和入江通道，匯水區(qū)西部與水陽(yáng)江之間為平原圩區(qū)，地勢(shì)低平，海拔在5.0～7.0 m(吳淞高程，以下同)，屬于沖積平原水網(wǎng)圩區(qū)，東部以茅山余脈為分水嶺。蕪申線航道高溧段經(jīng)整治后，楊家灣船閘以西上游設(shè)計(jì)最低河底標(biāo)高(0.50 m)，下壩船閘以東下游設(shè)計(jì)河底標(biāo)高(-0.48 m)，兩座船閘間的航段設(shè)計(jì)河底標(biāo)高為4.80 m，由于兩閘之間的地勢(shì)比兩閘外的地勢(shì)高，一年中除汛期外大部分時(shí)間水流是由固城湖區(qū)向楊家灣船閘和下壩船閘兩閘外流動(dòng)。

3.1.2 水文條件

下壩船閘為江蘇省內(nèi)承受最大設(shè)計(jì)水位差的船閘，設(shè)計(jì)最大水位差達(dá)9.78 m，歷來(lái)是江蘇省和南京市防汛關(guān)注的重點(diǎn)，防汛地位十分重要。水位差大意味著船閘在灌泄水時(shí)的耗水量大，豐水期時(shí)對(duì)通航的影響不大，但枯水期或遇夏季干旱，為保障居民生活用水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，有時(shí)需停航保水，這給航運(yùn)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)帶來(lái)較大不利影響。

下壩二線船閘通航6年來(lái)，隨著下游橋梁堵點(diǎn)的打通，船舶的過(guò)閘通過(guò)量逐年增長(zhǎng)。根據(jù)下壩船閘管理所的過(guò)閘船舶統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年通過(guò)閘次(上下行)為5 587閘次，船舶通過(guò)量為2 140萬(wàn)t；2021年通過(guò)閘次(上下行)為7 754閘次，船舶通過(guò)量為3 732萬(wàn)t；2022年1月至6月通過(guò)閘次(上下行)為 4 401 閘次，船舶通過(guò)量為2 147萬(wàn)t，按此增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)2022年通過(guò)閘次(上下行)在8 000閘次以上。

根據(jù)下壩船閘的實(shí)際運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)了下壩船閘建成后運(yùn)營(yíng)期間上下游水頭差情況，下壩船閘2016—2021年年度水頭差統(tǒng)計(jì)情況表如表1所示。由表1可知，2016—2021年，下壩船閘的月度最高水頭平均數(shù)約為6.6 m，如2017年12月、2018年1月及2月，其中2016年7月31日的水頭差最高有7.8 m；月度最低水頭平均數(shù)約為3.9 m，如2016年6月；年度平均水頭差約為5.3 m；低于固城湖調(diào)控水位8.0 m的年平均天數(shù)約為43天。按40天/年，每天放閘泄水次數(shù)11閘，計(jì)算低于調(diào)控水位8 m的泄水量約為：23 m×230 m×5.3 m×11×40≈1 233.6萬(wàn)m3/年。

表1 下壩船閘2016—2021年年度水頭差統(tǒng)計(jì)情況表

3.1.3 農(nóng)業(yè)用水情況

根據(jù)《蕪申運(yùn)河固城湖段通航特征水位分析報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隨著固城湖周邊農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，種植面積、養(yǎng)殖面積發(fā)生變化，主要是螃蟹等水產(chǎn)養(yǎng)殖面積大幅增加，傳統(tǒng)作物種植面積減小。目前固城湖周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約為25萬(wàn)畝，用水集中在12月至次年6月，用水量約為580萬(wàn)m3；農(nóng)作物種植面積約為33萬(wàn)畝，用水集中在3月、6月和10月，用水量約為250萬(wàn)m3。由于固城湖周邊農(nóng)業(yè)用水主要依賴(lài)固城湖蓄水量，枯水期或遇干旱年份，水資源供需矛盾加劇，應(yīng)當(dāng)首先滿(mǎn)足城鄉(xiāng)居民生活用水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求用水再兼顧航運(yùn)需要。

3.2 可行性

3.2.1 省水船閘平面布置條件

下壩二線船閘位于下壩一線船閘南側(cè)，其中心線平行于一線船閘中心線，兩閘中心線相距140 m，閘區(qū)外部交通由跨閘公路橋的接線道路相接。綜合考慮現(xiàn)有建筑設(shè)施功能布置閘區(qū)，綜合樓等主要管理用房布置在閘區(qū)北側(cè)，配電房、機(jī)修間布置在雙線船閘中間的東側(cè)。從雙線船閘及建筑物的布置現(xiàn)狀看，無(wú)論采用哪種型式的省水船閘都能滿(mǎn)足省水船閘平面布置的場(chǎng)地條件，必要時(shí)可利用現(xiàn)有一線船閘、二線船閘之間的場(chǎng)地對(duì)個(gè)別單體建筑物適當(dāng)調(diào)整位置。

3.2.2 地質(zhì)條件

由《蕪申線航道下壩復(fù)線船閘施工圖設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察報(bào)告》可知，本區(qū)50 m以淺分為第四系覆蓋層和下伏的白堊系泥巖，上部第四系厚為10～15 m，分為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)，土性為灰黃、黃色(見(jiàn)雜白色)粉質(zhì)黏土或粉土，底部與泥巖接觸部分分布少量小礫石。從一線船閘、二線船閘的實(shí)際施工情況看，船閘閘位所在區(qū)域的工程地質(zhì)條件總體較好，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?如地連墻)即可實(shí)施改造。

3.2.3 通航條件保障

輪流對(duì)雙線船閘進(jìn)行改造，改造施工期間不影響船閘梯級(jí)的正常運(yùn)行，具體先改造一線老閘，施工期間利用二線船閘通航，待二線船閘改造時(shí)再利用一線船閘通航。改造施工期間，需加強(qiáng)船閘運(yùn)行調(diào)度和工程改造管理，做好綜合協(xié)調(diào)工作。

3.3 實(shí)施方案建議

3.3.1 省水船閘的類(lèi)型

目前水運(yùn)工程中, 具有省水功能的通航建筑物船閘有以下幾種類(lèi)型：帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘、不待航船閘、灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線船閘、具有中間渠道的船閘等[6]。根據(jù)下壩船閘的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可考慮以下三種類(lèi)型：

(1) 帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘

帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘工作原理示意圖如圖2所示。根據(jù)閘室結(jié)構(gòu)、上下游水位和上下游水頭差情況，在兩線船閘中間或兩側(cè)布置2級(jí)同閘寬(或半寬)、同閘長(zhǎng)的省水池，每級(jí)省水池高度按2～2.5 m 考慮。當(dāng)船閘需要充灌水時(shí),由省水池向閘室充灌水，且先由低處的第2省水池向閘室4部位充灌水，再由高處的第1省水池向閘室3部位充灌水，省水池的水不足部分則由上游補(bǔ)充；當(dāng)船閘需要泄水時(shí), 泄水的順序同充灌水的順序相反，先把閘室1部位泄向高處的第1省水池，再把閘室2部位的水泄向低處的第2省水池，多余部分則泄向下游。該類(lèi)型省水船閘是利用省水池反復(fù)灌泄水來(lái)實(shí)現(xiàn)省水的目的。

圖2 帶調(diào)節(jié)水池的省水船閘工作原理示意圖

(2) 灌(泄) 水共用互補(bǔ)的雙線船閘

一般情況下，如果某一個(gè)通航梯級(jí)建設(shè)有雙線省水船閘，采用灌(泄)水共用互補(bǔ)的雙線船閘型式是最節(jié)約水資源的方式。該類(lèi)型省水船閘是通過(guò)輸水廊道溝通兩個(gè)船閘閘室進(jìn)行輸水灌水或泄水克服水位差,設(shè)置閥門(mén)控制灌泄水過(guò)程中的流量進(jìn)出。

下壩船閘現(xiàn)有一線船閘、二線船閘兩座，在不中斷下壩船閘的正常通航情況下，根據(jù)兩座船閘的最小檻上水深情況，若采用灌(泄) 水共用互補(bǔ)的雙線船閘型式，可在先期建設(shè)一線船閘時(shí)，同步設(shè)計(jì)其輸水系統(tǒng)工程內(nèi)容，并為二線船閘預(yù)留灌泄水時(shí)需要的輸水廊道，待二線船閘建設(shè)完成時(shí)再連成一體。

(3) 灌泄水自流加泵送輸水的省水船閘

考慮克服最大設(shè)計(jì)水位差時(shí)閘室所需的灌泄水量及水量的損耗，在一線船閘與二線船閘的閘室之間設(shè)置滿(mǎn)足用水需求的省水池，并通過(guò)輸水廊道將省水池與閘室相連，在完成灌泄水自流的基礎(chǔ)上，通過(guò)水泵從省水池抽水對(duì)閘室進(jìn)行灌泄水，省水池內(nèi)的水全部可以重復(fù)利用，從而實(shí)現(xiàn)水資源的最大化利用，該類(lèi)型的省水船閘只需要設(shè)置一級(jí)省水池。

3.3.2 實(shí)施方案初步分析

隨著蕪申線航道船舶通過(guò)量的逐年增長(zhǎng)，日通過(guò)閘次受船閘灌泄水時(shí)間長(zhǎng)的影響，目前已出現(xiàn)船舶待閘時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，為緩解這一情況，緊急時(shí)會(huì)啟用原一線老閘，放行一些小型空載船舶過(guò)閘，但這樣會(huì)增加耗水量。預(yù)計(jì)未來(lái)蕪申線航道的船舶通過(guò)量還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)，為保障船舶安全、及時(shí)過(guò)閘，一線船閘的改造提檔升級(jí)十分必要，且二線船閘建成運(yùn)行已有7年半，通常運(yùn)行10年需進(jìn)行一次大修。

考慮一線老閘因通航標(biāo)準(zhǔn)低需進(jìn)行改造、二線新閘運(yùn)行10年也需進(jìn)行大修，確定省水船閘的改造方案后，先對(duì)一線老閘按Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(省水船閘型式)進(jìn)行改造，建設(shè)周期約為30個(gè)月，改造完成即啟用；隨后結(jié)合二線船閘的大修改造，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行省水結(jié)構(gòu)改造，再與已改造完畢的一線船閘貫通，經(jīng)調(diào)試滿(mǎn)足要求后再正式投入使用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著全球氣候變暖，極端氣候事件頻發(fā)，水利、交通等相關(guān)部門(mén)需要把握新時(shí)期對(duì)水資源的戰(zhàn)略需求，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水資源，構(gòu)建更有效的水資源配置機(jī)制，緩解農(nóng)業(yè)用水需求與航運(yùn)用水需求的矛盾，更好地平衡水資源的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，適應(yīng)自然與未來(lái)社會(huì)的發(fā)展需要。

根據(jù)下壩二線船閘通航6年來(lái)船舶通過(guò)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)推斷，未來(lái)隨著蕪申線全線航道的貫通，沿線碼頭作業(yè)區(qū)陸續(xù)建成并投入使用，船閘船舶流量還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。由于現(xiàn)有一線船閘建成時(shí)間早，其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模較低，只能放行一些小型空載船舶過(guò)閘，且二線船閘的通過(guò)能力已處于飽和狀態(tài)，船舶待閘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，下壩船閘的整體通過(guò)能力已不能適應(yīng)船舶大型化和貨運(yùn)量快速增長(zhǎng)的需求，迫切需要對(duì)下壩船閘進(jìn)行擴(kuò)建。鑒于本文前述，在進(jìn)行擴(kuò)建可行性研究時(shí)，從綜合利用水資源的角度出發(fā)，充分考慮下壩船閘所處地理位置的特殊性與水資源的供需矛盾，開(kāi)展省水船閘的可行性及布置方案研究是十分必要也有意義的。