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船闸用水量计算方法

2020-01-03 10:07:30 中国水运 2020年12期

耿卓 何思远 董思远 王乔 张楠

摘 要:为了提高船闸用水量计算精度,基于单位船型法和一次过闸平均用水量,推导了年、月、日用水量计算公式,分析了用水系数的影响因素,研究了闸室利用率λ取值方法。研究表明,λ与船闸饱和度有关,船闸接近饱和时,λ为满档组合时闸室利用率λm,船闸饱和度较小时可取λ=50%。双向过闸率越大,船舶装载率越高,船闸饱和度越大,船舶吨级越高,用水量越省。宜采用最大月平均用水流量进行水资源供需平衡分析。建议相关规范修订时,补充年用水量、最大月用水量及其相应用水流量的计算规定。

关键词:船闸;闸室利用率;用水量;用水系数;用水流量

1引言

在水资源匮乏地区,通航用水与发电、生产、生活、生态用水的矛盾将会制约航运的发展。合理确定船闸的年、月或旬用水量是进行水资源供需平衡分析[1]、航运用水可行性分析[2]、省水船闸效益分析[3]的基础工作。

船闸用水量主要与船闸货运量、一次过闸吨位、闸室水域面积、船闸水头差以及省水措施有关。船闸的耗水量包括船舶过闸用水量和闸、阀门漏水量两部分,目前规范[4]仅以一昼夜平均耗水量表示,是一个流量指标,其中漏水量相对较小,可以忽略不计。本文结合小清河船闸用水量计算,引入用水系数,分别研究年、月、日用水量,提出用水流量计算方法和取值建议,研究结果可供船闸用水量计算和相关规范修订时参考。

2小清河船闸通过能力

小清河复航工程起自济南港主城港区,终于潍坊西港区羊口作业区,全长169. 2 km,Ⅲ级航道设计船型为1000t级,沿途布置水牛韩、金家堰、金家桥、王道等4座Ⅱ级船闸。水牛韩基本尺度230m×23m×5.0 m(有效长度×有效宽度×门槛水深),有效面积5290m2,其他3座船闸基本尺度280m×34m×5.0 m,有效面积9520m2。设计水头分别为5.3m、5.4m、2.2m、4.9m。

1拖+6×1000吨级船队、1顶+2×1000吨级船队、1000吨级货船、60 TEU集装箱船(1050t)等4种设计代表船型,货运量分担比pwi=60%、10%、28%、2%,艘(队)数比pi= 22.3%、11.1%、62.4%、4.2%。

计算时,日通航时间τ=22h,昼夜内非客运、货运船过闸次数n0=0.5,年通航天数N=330d,运量月不均衡系数β=1.3,上行船舶装载系数α=0.90。预测设计水平年上行货运量Fy,满档组合的一次过闸平均吨位 G、一次过闸平均时间T、日过闸次数n、上行年客货运通过能力P见表2所示,通过量饱和度ψ= Fy/P =60.1%~97.1%。

式中,S—闸室有效面积,m2;λ—有效面积平均利用率;g—船型平均吨位密度,t/ m2;pi、sj、Wj—第j种船型的艘(队)数比、面积、载重吨。

3一次过闸平均用水量

单级船闸双向过闸用水量小,且通过能力大,因此即使在多线船闸中,宜优先采用双向过闸方式,上行、下行来船不均衡时,采用单向过闸方式。连续多级船闸的双向过闸时间长、用水量大,因此很少采用。单向过闸时间短、用水量小,在连续多线船闸中,可尽量安排单向过闸方式。在单线多级船闸中,为了减少船舶待闸时间,以成批过闸方式为主,且闸次批量要适度控制。

从兼顾通过能力和用水量原则出发,单级船闸应以双向过闸为主,多线多级船闸应以单向过闸为主。

4年、月、日用水量

船闸通过能力是在船闸、船舶、管理、环境等要素的约束条件下可能达到货运量最大值,而实际发生的年单向货运量Fy决定了实际总闸次数ny:

船闸年用水系数综合反映了一次过闸用水系数ξa、船舶装载率α、闸室利用率λ的影响。

计算船闸通过能力时,满档组合的λm是一个上限值,仅与闸室有效面积、过闸船舶的尺度和标准化程度有关。而λ实际值还与船舶组成结构、船舶到达规律、船闸的繁忙程度、船闸运行、调度和管理水平等有关。

在船闸运行实践中,为了尽可能地提高船闸的利用程度, 闸室利用率不可能一直维持在较低的水平; 同时, 由于船舶流量的随机性, 为了使船舶尽快过闸, 闸室利用率也不可能长时间维持在一个较高的水平。有关统计表明,λ平均值一般在0.5~0.8之间[5]。

5小清河船闸用水量

小清河船闸双向闸次比μ=0.5,采用普通船闸时E=0,ξa=0.75,ξΩ=1.13~1.19,ρ0=n0/n=1.49%~1.78%,λ= 69.9%~82.1%,HV=4.3~1.2m,计算结果见表3所示。

表3中可见qd

对小清河沿线水文站多年逐日流量资料,采用综合历时曲线法计算多年历时保证率流量[6]。保证率95%设计流量依次为8.00m3/s、7.19m3/s、8.96m3/s、7.30 m3/s,除金家堰船闸以外,设计流量基本能满足沿线船闸用水需要;保证率98%设计流量分别为6.55m3/s、4.17m3/s、5.04m3/s、4.18m3/s,设计流量不能满足金家堰、王道船闸用水需求。

因此,小清河4座船闸中,水牛韩、金家堰、王道为省水船闸,金家桥为普通船闸。省水船闸均采用带一个省水池的短廊道集中输水系统布置方案,省水池水域面积与闸室水域面积相等,理论省水率可达33.3%。其中,水牛韩船闸预留省水池场地,随着船闸饱和度的提高,可适时建设。

以金家堰省水船闸为例,每年可节约用水量6301万m3,用水流量降低为qm=7.90×2/3=5.27 m3/s,与设计流量相差1.1m3/s。小清河工程在每座船闸处设抽水泵站一座,在特枯水年利用泵站进行回抽翻水,可进一步提高小清河航道通航保证率。

6结论

(1)船闸通过量接近通过能力时,λ为满档组合时闸室利用率λm,船闸饱和度较小时,可维持在λ=50%。假设船闸实际运行时λ在0.5~λm之间,与饱和度ψ成正比是合理的。

(2)年用水系数ky综合反映了一次过闸用水系数ξa、船舶装载率α、闸室利用率λ的影响。双向过闸率越大,船舶装载率越高,船闸饱和度越大,船舶吨级越高,用水量V越省。

(3)日最大过闸次数n,决定了日最大用水流量qdm,最大月平均用水流量qm,其次,年日平均用水流量qd最小。宜采用qm进行水资源供需平衡分析、航运用水可行性分析。

参考文献:

[1]张颖.河南省航运开发与水资源优化配置研究[D].郑州大学,2009.

[2]万云刚.浍河固镇复线船闸工程水资源论证中的取用水合理性分析[J].治淮,2016(9):13-14.

[3]陈亮,王晓青. 飞来峡二、三线相互灌泄水船闸省水特性及效益分析[J].水运工程, 2015(6): 106-110.

[4] JTJ305-2001, 船闸总体设计规范[S].

[5]計浩耘,李志华,冯小检.三峡船闸一次过闸平均吨位初探[J].中国水运, 2010 (11):40-41.

[6]戈国庆,董思远,周鹏.小清河航道航运水资源分析[J].水运工程,2019(8):122-126.