提升船舶通過三峽船閘吃水控制研究
摘要：通過分析三峽船閘各級(jí)閘檻水深特點(diǎn)，提出了最小檻上水深提升前提，以及在該前提下水深提升方法。在合理調(diào)整船閘運(yùn)行程序參數(shù)，優(yōu)化補(bǔ)水轉(zhuǎn)換條件和補(bǔ)水策略后，能夠提高三峽船閘的最小檻上水深，進(jìn)而有效增加允許過閘船舶的吃水深度，產(chǎn)生航運(yùn)效益。
關(guān)鍵詞：三峽船閘,吃水控制,檻上水深
平均額定載重噸位4000噸以上的船舶超過半數(shù)，尤其是5000 噸以上的船舶達(dá)到1/3。船舶越來(lái)越大，加之長(zhǎng)江中游航道整治，維護(hù)水深的提高，航運(yùn)業(yè)對(duì)船舶過閘吃水控制也提出了新的更高要求。據(jù)調(diào)研，一般情況下載重 4000噸的船舶滿載吃水達(dá)到4.3m，載重5000-6000噸的船舶滿載吃水超過4.5m。
目前通航管理部門對(duì)外發(fā)布的船舶允許過閘吃水由三峽船閘最小檻上水深決定，當(dāng)三峽船閘最小檻上水深6.0m及以上時(shí)按4.5m、最小檻上水深5.5 m及以上時(shí)按4.3 m、最小檻上水深5.125-5.5 m之間時(shí)按4.0 m、最小檻上水深5.0-5.125m之間按3.9m控制船舶最大吃水(危險(xiǎn)品船舶吃水相應(yīng)減少0.1m)。三峽船閘設(shè)計(jì)檻上水深5m。如果要實(shí)現(xiàn)全年船舶吃水4.3m或4.5m，則需相應(yīng)采取措施將最小檻上水深常年保證在5.5m或6.0m以上，根據(jù)三峽水庫(kù)蓄水及消落過程中水深的理論計(jì)算，全年約70 天時(shí)間最小檻上水深低于5.5m，遇枯水年份，如果水位消落過快，最小檻上水深5.5m以下的天數(shù)將增加到100多天，此期間過閘船舶吃水按4.0m控制，半數(shù)以上船舶無(wú)法滿載過閘，對(duì)航運(yùn)的影響巨大。因此，如何充分挖掘三峽河段水資源潛力，提升船舶通過三峽船閘的吃水控制，是通航管理部門服務(wù)長(zhǎng)江航運(yùn)企業(yè)的一項(xiàng)重大舉措。
三峽船閘檻上水深現(xiàn)狀
三峽船閘采用“只補(bǔ)不溢”的水級(jí)劃分方案，閘室水體來(lái)自上游，逐級(jí)下放，最后大部分排入長(zhǎng)江主河道，少量水體由輔助輸水廊道排入下游航道，充、泄水過程由輸水廊道的輸水閥控制。在某些特定的水位組合情況下，首級(jí)閘室的水量注入下一級(jí)閘室使兩閘室水位保持平齊，若不能滿足最小通航水深的要求時(shí)，需要直接由上游向下一級(jí)閘室補(bǔ)充一定水量，稱為補(bǔ)水。
1、各級(jí)閘首底檻高程
三峽船閘各閘首(室)底高程分別為：1#閘首139m，2#閘首139m，3#閘首119.25m，4#閘首98.5m，5#閘首77.75m，6#閘首57m。
2、運(yùn)行水位
三峽工程蓄水至175m以后，上游水位常年維持在145m(汛期最低降至144.9m)至175m之間運(yùn)行。下游設(shè)計(jì)通航水位62m，根據(jù)現(xiàn)有的通航調(diào)度規(guī)程，三峽壩下最低通航水位為62.5m，最高通航水位為73.8m。
3、實(shí)際最小水深
現(xiàn)行條件下，三峽船閘存在四級(jí)不補(bǔ)水、五級(jí)補(bǔ)水和五級(jí)不補(bǔ)水三種運(yùn)行方式。根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)資料，當(dāng)三峽船閘四級(jí)運(yùn)行級(jí)差小于22.6m時(shí)船閘可以采取四級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行方式，第一閘室作為過船通道。當(dāng)四級(jí)運(yùn)行級(jí)差大于22.6m則須轉(zhuǎn)換為五級(jí)運(yùn)行方式。當(dāng)前，三峽船閘由五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行的條件為：五級(jí)運(yùn)行情況下，當(dāng)二閘室向三閘室泄水，水位平齊后二閘室水位低于145m則采取五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行方式，對(duì)二閘室補(bǔ)水至145m，如水位高于145m時(shí)則采取五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行方式。目前，如果下游水位按照設(shè)計(jì)62.0m保持，則最小檻上水深為5m，下游水位按62.5m保持，則最小檻上水深為5.125m，但是現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中下游水位一般高于63.5m，最小檻上水深一般在5.3m以上。
最小檻上水深提升前提
當(dāng)前三峽船閘補(bǔ)水程序由系統(tǒng)根據(jù)上下游水庫(kù)水位自動(dòng)啟動(dòng)，如果不作任何程序改動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)最小檻上水深5.5m和6.0m的目標(biāo)，必須保證下游水位分別維持在64.0m和66.0m以上，這對(duì)調(diào)度部門的水庫(kù)調(diào)峰提出了更高、更嚴(yán)的要求，很難與發(fā)電調(diào)度協(xié)調(diào)一致。
在三峽船閘實(shí)際運(yùn)行中，中間閘首水深不足可以通過補(bǔ)水方式由上游補(bǔ)充，首尾閘首(1#閘首和6#閘首)水深僅分別與上游水位和下游水位相關(guān)。根據(jù)首尾閘首的實(shí)際高程，最小檻上水深常年保證在5.5m和6.0m的前提條件為：上游水位不低于分別144.5m和145.0m，下游水位分別不低于62.5m和 63.0m。只有滿足上述前提條件下，最小檻上水深才具備提升可能。該條件下，可以通過開展工程改造，升級(jí)船閘運(yùn)行輸水控制軟件，將中間各閘首的水深也保證在5. 5m或6.0m以上。
2010年三峽水庫(kù)蓄水至175m以來(lái)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，三峽壩上實(shí)際水位最低為145.09m，三峽壩下實(shí)際水位最低位63.64m，因此，協(xié)調(diào)水庫(kù)調(diào)度部門來(lái)保持上游水位不低于145.0m和下游水位不低于63.0m(特殊困難條件下不低于62.5m)條件的難度不大。在此基礎(chǔ)上調(diào)整船閘運(yùn)行控制程序，優(yōu)化補(bǔ)水轉(zhuǎn)換條件和補(bǔ)水方式，適當(dāng)增加補(bǔ)水深度，來(lái)實(shí)現(xiàn)提升最小檻上水深至5.5m甚至6.0m的目的。
最小檻上水深提升實(shí)現(xiàn)
1、最小檻上水深分布特點(diǎn)
設(shè)x、y表示船閘上、下游水位，N表示多級(jí)船閘運(yùn)行級(jí)數(shù)、表示運(yùn)行級(jí)差，為各閘首檻上水深(i=1、2…N+1)，各閘首底檻高程為。則有：■;根據(jù)運(yùn)行原理，各級(jí)閘首檻上水深與上下游水位及底檻高程關(guān)系式可表述為：
■(1)
對(duì)應(yīng)三峽船閘不同運(yùn)行方式，四級(jí)不補(bǔ)水：■;五級(jí)不補(bǔ)水：■。根據(jù)式(1)分別建立三峽船閘五級(jí)不補(bǔ)水(式(2))、四級(jí)不補(bǔ)水(式(3))情況下各閘首檻上水深的計(jì)算函數(shù)關(guān)系式。
■(2) ■(3)
結(jié)合上下游水位控制要求分析，得出船閘在五級(jí)不補(bǔ)水和四級(jí)不補(bǔ)水情況下的最小檻上水深位置和水位條件如下： 1.1五級(jí)運(yùn)行期間水深最低位置及水位條件
三峽船閘五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行情況下，當(dāng)上下游水位差介于98.75～103.75m時(shí)，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。
2.2四級(jí)運(yùn)行期間水深最低位置及水位條件
三峽船閘四級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行情況下，當(dāng)上下游水位差介于79～83m時(shí)，最小檻上水深可能低于5.5m，發(fā)生在第三閘首，水深值為■m。
2、水深提升方法
掌握不補(bǔ)水運(yùn)行條件下三峽船閘最小檻上水深分布規(guī)律后，通過設(shè)置目標(biāo)水深，重新確定出船閘補(bǔ)水運(yùn)行邊界條件及所需的補(bǔ)水深度參數(shù)指標(biāo)，優(yōu)化船閘運(yùn)行及補(bǔ)水控制策略，提高補(bǔ)水目標(biāo)水位，增加補(bǔ)水深度，實(shí)現(xiàn)最小檻上水深的提升。
2.1補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換邊界條件
假設(shè)水深提升目標(biāo)為T，將上述兩式與T相比較，即對(duì)五級(jí)不補(bǔ)水、四級(jí)不補(bǔ)水情況分別假設(shè)■和■，可知五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行情況下，當(dāng)上下游水位關(guān)系滿足■時(shí)，四級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行情況下當(dāng)上下游水位關(guān)系滿足■時(shí)，最小檻上水深可以保證T，不需補(bǔ)水。相反，五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行情況下如果當(dāng)上下游水位關(guān)系達(dá)到■時(shí)，四級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行情況下當(dāng)如果上下游水位關(guān)系達(dá)到■時(shí)，必須采取補(bǔ)水運(yùn)行方式，才能保證最小檻上水深T的要求。
2.1.1最小檻上水深提升至5.5m轉(zhuǎn)換條件
取T值為5.5m，可以推斷出，當(dāng)三峽船閘五級(jí)運(yùn)行狀況下，由不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為補(bǔ)水運(yùn)行的條件為：上下游水位關(guān)系達(dá)到■，四級(jí)運(yùn)行狀況下，由不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為補(bǔ)水運(yùn)行的條件為：上下游水位關(guān)系達(dá)到■。
對(duì)應(yīng)下游水位y為62.5、63、63.5、64等特征值時(shí)，分別得出三峽船閘由五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行的條件分別為上游水位低于 166.25m、165.92m、165.59m和165.25m。三峽船閘由四級(jí)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為四級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行的條件分別為上游水位x低于145.5m、 145.34m、145.17m和145m。
2.1.2最小檻上水深提升至6.0m轉(zhuǎn)換條件
同理，取T值為6.0m得到，當(dāng)三峽船閘五級(jí)運(yùn)行狀況下，由不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為補(bǔ)水運(yùn)行的條件為：上下游水位關(guān)系達(dá)到■，四級(jí)運(yùn)行狀況下，由不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為補(bǔ)水運(yùn)行的條件為：上下游水位關(guān)系達(dá)到■。
對(duì)應(yīng)下游水位y為63、63.5、64等特征值時(shí)，分別得出三峽船閘由五級(jí)不補(bǔ)水運(yùn)行轉(zhuǎn)換為五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行的條件分別為上游水位低于166.75m、 166.42m和166.09m。三峽船閘由四級(jí)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為四級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行的條件分別為上游水位x低于146.00m、145.84m和145.67m。
2.2補(bǔ)水策略
2.2.1五級(jí)運(yùn)行補(bǔ)水實(shí)現(xiàn)
五級(jí)運(yùn)行情況下，當(dāng)二閘室向三閘室泄水，假設(shè)水位平齊后二閘室水位低于某一水位M后，則采取五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行方式，對(duì)二閘室補(bǔ)水至M，級(jí)差■。根據(jù)式(1)，各閘首檻上水深的計(jì)算函數(shù)關(guān)系式為：
■(4)
其最小值發(fā)生在三閘首，假設(shè)■，則有■。
取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■ 。因此五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行時(shí)，如果二閘室水位由原來(lái)的145m提高至145.5m，則可保持五級(jí)運(yùn)行期間船閘最小門檻水深5.5m。
取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■ 。因此五級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行時(shí)，如果二閘室水位提高至146m，則可保持五級(jí)運(yùn)行期間船閘最小門檻水深6.0m。
2.2.2四級(jí)運(yùn)行補(bǔ)水實(shí)現(xiàn)
三峽船閘四級(jí)運(yùn)行時(shí)，同理假設(shè)當(dāng)三閘室向四閘室泄水，水位平齊后三閘室水位低于某一水位M后，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)水運(yùn)行方式，對(duì)三閘室補(bǔ)水至M。級(jí)差■。此時(shí)各閘首檻上水深模型變化為：
■(5)
最小檻上水深發(fā)生在三閘首，假設(shè)■，則有■。
取T為5.5m，下游最低水位按照62.5m保持，則有■。因此四級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行條件下，如果三閘室水位低于124.75m時(shí)，對(duì)其補(bǔ)水至124.75m，則可保持整個(gè)四級(jí)運(yùn)行期間船閘最小檻上水深5.5m。
取T為6.0m，下游最低水位按照63.0m保持，則有■。因此四級(jí)補(bǔ)水運(yùn)行條件下，如果三閘室水位提高至125.25m，則可保持整個(gè)四級(jí)運(yùn)行期間船閘最小檻上水深6.0m。
結(jié)束語(yǔ)
通過協(xié)調(diào)水庫(kù)調(diào)度部門將三峽船閘下游最低水位提高至62.5m或63.0m，同時(shí)開展工程改造，升級(jí)船閘運(yùn)行控制程序，調(diào)整補(bǔ)水轉(zhuǎn)換參數(shù)，優(yōu)化程序補(bǔ)水策略，增加補(bǔ)水深度后，能保持三峽船閘最小檻上水深全年5.5m甚至6.0m，即三峽過閘吃水控制可全年提高至4.3m甚至4.5m。
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