刘 臣，于可忱

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.天津市交通建筑设计院，天津 300381)

乌江是长江上游右岸最大的支流，全长1 037 km，总落差2 124 m。乌江渡下游兴建构皮滩、思林、沙沱、彭水等梯级电站枢纽后，乌江干流已基本全线通航，成为国家高等级航道。然而，作为乌江渡水电站下游第一港乌江渡码头，由于乌江渡电站的非恒定泄流，特别是下泄水流由小快速增大的调度过程，在下游河道形成泄水波，当泄水波波锋到达时，码头河段水面比降、流速快速增加，影响了船舶的正常进港靠泊，进而影响了乌江航运整体效益的发挥。

图1 乌江渡河道平面示意图Fig.1 Sketch of Wujiangdu reach

影响河道通航的水流条件为航道处的水深、流速、比降及其组合。枢纽下游航道受上游枢纽突然加大泄流调度影响问题复杂，以往数值模拟多采用一维数学模型[1-3]计算河段断面平均的水流条件，研究成果基本采用河道沿程平均最大附加流速、附加比降宏观描述非恒定流传递对原始水流的影响。实际上河道水流因子在平面上为二维分布，在同一横断面上不同位置水深、流速(包括大小和方向)、比降并不一致，即只有航道处的水深、流速、比降及其组合才能确切反应该河段通航水流条件；相对流量变化过程而言，电站泄流不是渐变的，而是快速产生的，具有突发性、快速性特点；对于固定河段，在河道槽蓄作用下，当电站突发泄流到达后，水位变率、流速、比降基本表现为“前期快速增大、中期逐渐减小、后期逐渐稳定”的变化规律。

本研究针对乌江渡电站泄流特点和电站泄流形成的泄水波传递规律，采用二维非恒定流数学模型[4]计算航道处水深、流速和比降，结合航行阻力理论，详细分析乌江渡水电站泄流对乌江渡码头通航水流条件的影响过程，并提出了具体改善措施。模型对恒定流水位、流速和非恒定流水位传递变化进行了验证[5]，验证成果符合相关规程[6]要求。

1 船舶上行能力

船舶上行能力由船舶自身动力和航行阻力组成[7-8]，当船舶自身动力大于航行阻力时，船舶可正常上行和靠泊。

1.1 航行阻力

船舶上行阻力由船舶上行过程中受到的水流对船舶的阻力和由于水面存在比降而形成的与航向相反的自重分力组成，水流对船舶的阻力又包括水流对船舶的摩阻力和动水压阻力。

(1)自重阻力RJ

船舶在存在水面比降的水体中运动，自重在与航向相反的方向形成自重分力产生。

RJ=βWJ

(1)

式中：W为船队排水量，kg；J为水面比降，取船队长度范围内平均值；β为比降修正系数。

(2)水流阻力Rf

机动船水流阻力

RD=fSV1.83+ξ1δAmV1.7+4Fr

(2)

驳船水流阻力

RB=fSV1.83+ξ2δAmV1.7+0.03V

(3)

式中：右侧第一项为水流对船舶的摩阻力，右侧第二项为水流对船舶的动水压阻力。f为摩阻系数；V为船相对于水的速度，V=ηVS+VB，其中VS为水流表面流速；VB为船舶对岸航速，η为流速修正系数；S为船舶浸水面积,m2；δ为船舶方形系数；Am为船舶浸水中横剖面面积,m2；ξ1为机动船剩余阻力系数，ξ2为驳船剩余阻力系数。

(3)航行阻力

(4)

式中：σ为驳船编队系数；n为驳船数。

图2 乌江渡码头船舶上行能力曲线Fig.2 Upstream capability curve in Wujiangdu Port

1.2 机动船有效推力

船舶有效推力，是船舶在航行时抵御阻力的能力，采用下面公式计算

T0=75eHp/V

(5)

式中：T0为有效推力；Hp为主机总功率;e为有效推力系数，船舶设计说明书给出；V为船相对于水的速度。

1.3 船舶上行能力

上述分析表明，船舶阻力基本为流速V和比降J的参数，当R(V，J)≤T0时，船舶可自航上行。对于固定T0，V、J可以有无数组组合，本文将无数组允许流速和允许比降点绘成的曲线称为船舶上行能力曲线。乌江渡码头代表船型满载上行能力曲线见图2，若航道内的表面流速和局部水面比降所构成的绘点位于该曲线的左下方，则船舶可自航上行。

图3 乌江渡码头平面布置Fig.3 Plane layout of Wujiangdu Port

2 泄流影响研究

乌江渡码头位于乌江渡和构皮滩枢纽之间，为构皮滩枢纽变动回水区末端，上距乌江渡枢纽4 km。两岸为高山丘陵，河段内河床主要为基岩、礁石、大卵石，局部存在小卵石和粗沙，枯水河宽50～120 m，码头长度为234.80 m、港池设计水深为2.00 m，航道尺度为1.6 m×30 m×330 m(航深×航宽×曲率半径)，乌江渡码头平面布置见图3。

2.1 恒定流航行条件

根据电站实际泄流资料和航道设计需求，研究计算了6级流量。由于港区港池和航道开挖宽度大于下游航道开挖宽度，使得港区流速、比降最大部位均出现在港池下部航道衔接段，各级流量港区最大流速与比降计算成果见表1。

表1 港区各级流量下最大流速与比降Tab.1 Maximum velocity of flow and slope in Wujiangdu Port

(1)比降。流量由112 m3/s上升到924 m3/s时逐渐减小，其中，最低通航设计流量(112 m3/s)时为3.29‰，2台机组满发流量(480 m3/s)时为1.11‰，流量在924 m3/s时为0.61‰；流量大于2 000 m3/s后较为稳定，基本在1.00‰左右。

(2)流速。流量由112 m3/s上升到924 m3/s时逐渐减小，其中流量112 m3/s时为2.83 m/s，流量480 m3/s时为2.40 m/s，流量924 m3/s时为1.59 m/s；流量由924 m3/s上升到7 660 m3/s时具有逐渐增加趋势，其中流量7 660 m3/s时增加为2.22 m/s。

图4 乌江渡码头船舶上行能力与水流条件关系Fig.4 Relation of ship upstream capacity and flow condition in Wujiangdu Port

将表1中流速、比降资料绘入图2得到在恒定流条件下船舶上行能力与水流条件关系(图4)，由图4可见，流量112 m3/s时比降为3.02‰、流速为2.83 m/s，绘点处于能力曲线右上方，其余流量绘点均位于能力曲线左下方。表明恒定流条件下，在最小通航流量时船舶自航上行困难。

2.2 非恒定泄流影响

乌江渡枢纽电站为3机组发电[9]，单机组满发流量240 m3/s、双机组满发流量480 m3/s、三机组满发流量720 m3/s。根据2008～2010年乌江渡枢纽典型泄流调度情况，选流量由112 m3/s(最低通航流量)突然增加到720 m3/s(3台机组满发流量)和由480 m3/s(2台机组满发流量)突然增加到924 m3/s(中洪水流量)两种典型非恒定流泄流过程，对通航水流条件影响进行研究。

2.2.1 泄水量由112 m3/s突然增加到720 m3/s

流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s，相当于在最低设计流量时，电站三台机组突然同时满发泄流，流量增加约610 m3/s，720 m3/s相当于112 m3/s的6.5倍。

(1)水流条件。流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s时乌江渡码头水流条件历时变化曲线见图5。泄水波到后第5分钟水位开始快速抬高，第30分钟后水位涨幅开始减缓，具体变化特征如下。

图5 流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s乌江渡码头水流条件历时变化曲线Fig.5 Curve of flow condition duration variation discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s in Wujiangdu Port

泄水波到来后30分钟水位上升了2.84 m，其中第10分钟水位上升最快，达到1.72 m/600 s，第20分钟次之，但水位上升速率亦达到1.36 m/600 s。之后，水位上升速度逐渐减缓，其中第120分钟时水位上升速率仅为0.07 m/600 s，120分钟水位共抬高3.68 m。

码头下游航道衔接段最大流速和比降变化与水位变化对应。泄水波到达前河段比降为3.43‰、航道最大流速为2.83 m/s；泄水波到达后比降、流速快速增加，其中第10分钟比降达到最大，比降、流速分别为7.84‰、3.92 m/s，第20分钟流速达到最大，比降、流速分别为5.73‰、4.12 m/s；第20分钟后比降、流速逐渐减小，至120 min时比降、流速分别减小到1.21‰、2.60 m/s。

图6 流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s乌江渡码头船舶上行能力与水流条件关系Fig.6 Relation of ship upstream capacity and flow condition discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s in Wujiangdu Port

(2)船舶上行能力。将泄水波波锋到后河段不同时刻流速、比降对应绘入图2得到船舶上行能力与水流条件关系(图6)。泄水波到达前(0:00)河段对应比降、流速分别为3.29‰、2.83 m/s，点位基本位于船舶上行能力曲线外切点，泄水波到达后第5～60 min点位于能力曲线右上方，其中，第10分钟对应比降、流速分别为7.84‰、3.92 m/s，第20分钟对应比降、流速分别为5.73‰、4.12 m/s，绘点远偏离能力曲线，船舶上行困难；当传递时间大于60 min后，绘点基本回到能力曲线左下方，船舶可正常自航上行。

2.2.2 泄水量由480 m3/s突然增加到924 m3/s

流量由480 m3/s突然增加到924 m3/s，流量增加约440 m3/s，相当于电站双机组发电时遇到中洪水。

(1)水流条件。图7为流量由480 m3/s突然增到924 m3/s乌江渡码头水流条件历时变化曲线。泄水波到后第5分钟水位开始快速上升，第30分钟后水位涨幅开始减缓，具体变化特征如下。

图7 流量由480 m3/s突然增加到924 m3/s乌江渡码头水流条件历时变化曲线Fig.7 Curve of flow condition duration variation discharge from 480 m3/s suddenly increased to 924 m3/s in Wujiangdu Port

泄水波到来前20分钟水位上升最快，上升了1.03 m，其中水位上升速率第10分钟最大为0.76 m/600 s，第5分钟次之为0.70 m/600 s，之后水位上升速率逐渐减缓，120分钟水位共抬高2.17 m。

码头下游航道衔接段最大流速和比降变化与水位变化对应。泄水波到达前比降为1.11‰、航道最大流速为2.40 m/s；泄水波到达后比降、流速快速增加，其中第10分钟比降、流速达到最大，分别为2.41‰、3.06 m/s；第20分钟后比降、流速逐渐减小，120分钟时比降、流速分别减小到0.50‰、2.11 m/s。

(2)船舶上行能力。将泄水波波锋到后河段不同时刻流速、比降对应绘入图2得船舶进港能力核查图8。除泄水波到达后第10分钟(比降2.41‰，流速3.06 m/s)点位于能力曲线弧线外“切点”，其余绘点均位于能力曲线左下方，如第30分钟对应比降、流速分别为1.31‰、2.70 m/s，泄水波传递对船舶自航上行影响有限。

图8 流量由480 m3/s突然增加到924 m3/s乌江渡码头船舶上行能力与水流条件关系Fig.8 Relation of ship upstream capacity and flow condition discharge from 480 m3/s suddenly increased to 924 m3/s in Wujiangdu Port

3 改善措施研究

3.1 改善措施

改善进港水流条件主要从“调整航道布置形式”和“优化枢纽泄流调度方式”两方面进行。

(1)调整港池下游衔接段航道布置形式。根据前文(2.1)，恒定流只有在112 m3/s时航行阻力才略大于船舶推力。图9为流量112 m3/s时河段流场，河段出现大流速是由于“港池下游衔接段航道右侧河床局部隆起、且为弯道凸岸，水流被地形导向航中线，形成局部大流速段”。经多方案模拟计算研究，提出优化措施为“对港池下游衔接段航道进行理直、拓宽疏挖，达到平顺河段流态、减小流速”效果。

图9 港区下游航槽位置调整示意图Fig.9 Sketch of channel adjustment in lower port area

(2)优化乌江渡枢纽泄流调度方式。根据前文(2.2)，形成碍航泄流调度为流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s，优化改为“初始(112 m3/s)→单机满发(240 m3/s)→双机满发(490 m3/s)→三机满发(720 m3/s)”三级调控，时间间隔为1 h，达到“减小泄水波波锋比降及流速”的效果。

3.2 优化效果

3.2.1 水流条件变化

调整优化后乌江渡码头水流条件历时变化曲线见图10，水位、比降、流速由单峰变为三峰，比降、流速减小明显。

图10 优化后流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s乌江渡码头水流条件历时变化曲线Fig.10 Curve of flow condition duration variation discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s after optimization

(1)泄水波对水位影响。“初始(112 m3/s)→单机满发(240 m3/s)”为第一波，泄水波到后第60 min水位上升了1.0 m，其中水位上升以10～15 min间最快，水位上升速率为0.40 m/600 s，之后60 min时水位基本稳定；“单机满发(240 m3/s)→双机满发(490 m3/s)”为第二波，泄水波到后第60 min水位上升了1.4 m，其中水位上升以5～10 min间最快，水位上升速率为0.56 m/600 s；“双机满发(490 m3/s)→三机满发(720 m3/s)”为第三波，泄水波到后第60 min水位上升了1.3 m，其中水位上升以5～10 min间最快，水位上升速率为0.50 m/600 s，之后水位上升速率逐渐降落。水位最大上升速率由单峰的1.72 m/600 s，减小到三峰的0.56 m/600 s。

(2)泄水波对比降流速影响。泄水波第一波到达后河段最大比降为2.01‰，对应航道最大流速为2.52 m/s；泄水波第二波到达后河段最大比降为2.31‰，对应航道最大流速为2.98 m/s；泄水波第三波到达后河段最大比降为1.81‰，对应航道最大流速为2.82 m/s。河段最大比降与流速由单峰的7.84‰、4.12 m/s，下落到三峰的2.31‰、2.98 m/s。

3.2.2 船舶上行能力变化

优化后流量由112 m3/s突然增到720 m3/s时船舶进港能力核查图见图11，实施优化措施前，泄水波到达后第5～60分钟比降和流速点全部位于能力曲线右上方，采取改善措施后比降和流速绘点已全部处于船舶上行能力曲线左下方，泄水波传递已不会影响船舶自航上行。

图11 优化后流量由112 m3/s突然增加到720 m3/s乌江渡码头船舶上行能力与水流条件关系Fig.11 Relation of ship upstream capacity and flow condition discharge from 112 m3/s suddenly increased to 720 m3/s after optimization

4 结论

乌江渡码头恒定流只有在最低通航流量时水流阻力才略大于船舶推力，大流量船舶可正常进港靠泊；电站泄流引起的泄水波传递及其对航行影响具有下述特征。

(1)电站突发泄流产生的泄水波到达后，水位变率、流速、比降历时变化基本表现为“前期快速增大、中期逐渐减小、后期逐渐稳定”的规律；

(2)泄水波到后3～30分钟间水位上升较快，其中5～20分钟间水位上升最快，30分钟后水位上升速度逐渐减缓，120分钟后水面比降趋于稳定；

(3)对于电站双机组发电时遇到中洪水泄流(大于双机组发电流量)情况，由于起始时航行水流条件优良，泄水波虽然波锋到达时刻流速、比降快速增大，但行船基本可自航上行；

(4)电站泄流由最低通航流量突然增加到三机组满发流量时，起始时通航水流条件较差，由于流量变幅大，泄水波波锋到达时刻通航水流条件严重恶化，水流条件已不适合行船自航上行；

(5)采取“对港池下游衔接段航道进行理直、拓宽疏挖整治方法”和“枢纽泄流由单波模式改为延时多波调度优化模式”的措施，可有效减小泄水波波锋到达后比降、流速的增加速度和水位瞬时上升速率。水位最大上升速率由单峰的1.72 m/600 s下落到0.56 m/600 s；河段最大比降与流速由单峰的7.84‰和4.12 m/s，下落到2.31‰和2.98 m/s。泄水波传递过程中，比降、流速绘点已全部处于船舶上行能力曲线左下方，水流条件已满足通航要求。

[1]傅湘,纪昌明.三峡电站日调节非恒定流对航运的影响分析[J]. 武汉水利电力大学学报,2000,33(6):6-10.

FU X,JI C M.Influence analysis of Three Gorges power station′s daily regulating unsteady flow on navigation[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering, 2000,33(6):6-10.

[2]尚毅仔,郭延祥,李晓飞,等.小南海水电站日调节非恒定流对航运的影响分析[J]. 水利电力科技进展,2015,35(4):65-69.

SHANG Y Z,GUO Y X,LI X F，et al.Influence of daily regulation unsteady flow on navigation for Xiaonanhai Hydropower Station[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2015,35(4):65-69.

[3]王志力,陆永军.向家坝水利枢纽下泄非恒定流的数值模拟[J]. 水利电力科技进展,2008,28(3):12-15.

WANG Z L,LU Y J. Numerical simulation of unsteady flow in Xiangjiaba Hydropower Project[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2008,28(3):12-15.

[4]刘臣,马殿光.枢纽下游泄水波传递及对船队航行影响研究[J].水运工程,2008,422(12):133-138.

LIU C,MA D G. Discharge wave transfer and the flow retardation to up-bound ships in the river downstream hydro-junction[J].Port & Waterway Eengineering,2008,422(12):133-138.

[5]刘臣. 乌江渡电站泄流对乌江渡码头航行影响[J].水运工程,2017,527(4):151-155.

LIU C.Influence of Discharge on navigation of Wujiangdu port for Wujiangdu hydropower station[J].Port & Waterway Eengineering,2017,527(4):151-155.

[6]JTJ/T232-98，内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程[S].

[7]交通部水运规划设计院,长江航道局,交通部天津水运工程科学研究所.航道整治水力计算[M]. 武汉：长江航道局，1992.

[8]李一兵.内河船舶航行阻力计算方法[J].水道港口,2002,23(1)：7-11.

LI Y B.Discussion on the Method of Inland Ship Sailing Resistance Calculation[J].Journal of Waterway and Harbour,2002,23(1):7-11.

[9]侯伟. 乌江渡发电厂机组增容改造工程综述[J].贵州水利发电,2006,20(5):60-64.

HOU W.Summarize of rehabilitation project of Wujiang Du power station[J].GUI ZHOU water power,2006,20(5):60-64.