西江干線邕寧至西津樞紐段通航水深條件研究

袁鵬 覃海林 馬愛興 鄧涯

摘要：為充分利用西江干線航道水深資源，支撐平陸運河工程建設規模，文章以西江干線邕寧至西津樞紐航段為對象，利用兩樞紐間二維水流數學模型研究了汛期、非汛期不同流量保證率及西津壩上運行水位下的航段通航水深條件。結果表明：最小航深隨著流量保證率的減小而增大；西津壩上水位常遇情景下，汛期、非汛期流量保證率40%～90%對應最小通航水深分別為7.44～6.74 m、8.97～8.92 m；西津壩上水位下限情景下，汛期、非汛期沿線最小通航水深基本達到5.4 m。研究成果可為平陸運河工程初步設計中船閘門檻水深等確定提供相關依據。

關鍵詞：平陸運河；西江干線；西津樞紐；流量保證率；數學模型

中圖分類號：U612.23 A 14 041 3

0 引言

西部陸海新通道（平陸）運河（簡稱“平陸運河”）始于廣西南寧橫州市西津庫區平塘江口，經欽州靈山縣陸屋鎮沿欽江進入北部灣，全長約135 km，按內河Ⅰ級航道標準建設，可通航5 000噸級船舶。運河開發任務以航運為主，結合供水、灌溉、防洪、改善水生態環境等。運河建成后將串聯以西江干線為核心的廣西內河高等級航道網與北部灣國際港口群，工程建成后，西江流域中上游船舶可經平陸運河從欽州港出海，相比經現狀廣州出?？s短約560 km航程，有力提升了運河運輸能力和效率，降低西南地區運輸成本。由于平陸運河工程的建設規模需考慮西江干線、黔柳江等高等級航道網在不同水情及不同梯級下的航道水深條件，同時梯級間航道條件受樞紐調度影響，汛期、非汛期水深差異較大，如何充分利用不同時期的航道水深資源，也是行業關注的問題。

目前對航道水深條件的研究，主要聚焦在航道設計最低通航水位、通航保證率等問題，國內學者在長江、西江、贛江、金沙江、瀾滄江、淮河等通航河流［1-4］的研究上取得了許多代表性成果，可為相應河段航道設計提供參考。聞云呈［5］采用綜合歷時曲線法來計算最低通航水深，羅淼通［6］通過實測數據和模擬相結合的方式，計算航道通航水深和保證率。但目前對受梯級影響下汛期、非汛期不同保證率的通航水深研究相對較少。

本文依托西江干線航道網中邕寧樞紐至西津樞紐段，利用兩梯級間二維水流數學模型，對汛期、非汛期不同保證率航道水深條件進行模擬，分析不同保證率下的通航水深。研究成果有助于平陸運河工程航道設計底標高、船閘門檻底高程等建設規模的確定，同時可為水運部門在汛期、非汛期可通航最大船舶吃水管理提供技術參考。

1 工程河段概況

平陸運河與西江干線在郁江交匯，郁江是西江水系的一級支流，區間流域面積6.81×104 km2。西江干線沿線建有老口、邕寧、西津、貴港、桂平、長洲等梯級，其中西江干線航道規劃為Ⅰ級航道，通航3 000噸級船舶，航道維護標準為4.1 m×90 m×670 m（水深×寬度×彎曲半徑，下同），通航保證率為98%。邕寧至西津段屬于西江干線南寧至貴港段航道，現狀為Ⅱ級航道，航道尺度3.5 m×80 m×550 m，目前正在開展Ⅰ級航道設計工作。

根據郁江下游控制性水文站貴港站逐月特征流量（最大、最小、平均值）年內分配（圖1），汛期（5～9月）水量占年總量的66.25％，其中7～9月最大，占45.79％；枯水期10月至次年4月僅占年總量的33.75％，其中1～3月為最枯，僅占10.15％。

西津水庫正常運行水位62.12 m、死水位57.62 m、汛限水位61.62 m。根據2010—2020年西津入庫流量和壩上水位過程（圖2），可以看出，西津壩上水位運行有明顯

的汛期與非汛期區分。經分析，非汛期水位在61～62 m，概率密度峰值為61.90 m；汛期流量小于2 000 m3/s的水位變幅較大，基本在58～62 m，概率0.3以上的密度峰值在59.6～61.7 m，而流量在2 000 m3/s以上的基本在汛限水位61.62 m。

2 二維水流數學模型建立與驗證

本段研究范圍為西江邕寧樞紐至西津樞紐，全長122 km。數學模型基于有限體積法，采用三角形網格離散計算區域，網格大小疏密沿河道河勢寬窄變化不等，對主河槽及沿程航道線的局部網格進行加密，對灘地及其他區域的網格進行適量控制，保證重點區域計算精度的同時提高計算效率。河段布置網格單元共235 064個，網格節點120 098個，網格節點間距20～50 m，地形采用2022年7月實測地形（圖3）。

河段內糙率是個綜合影響因素，針對模型上下游河段不同的水流特性，分別給定灘槽內糙率。通過對模型的驗證，主槽內糙率為0.02～0.033，淺灘或邊灘內糙率為0.034～0.05。采用2021年6月郁江流量2 224 m3/s、西津壩上水位61.85 m的實測水文資料對模型沿程水位、斷面流速分布進行驗證，驗證結果符合相關規范要求。

3 研究工況

考慮到邕寧至西津樞紐段無國家基本水文站，同時邕寧樞紐自2020年4月蓄水運行以來出庫流量資料序列較短，該河段汛期與非汛期保證率流量基于2010—2020年西津水庫入庫流量資料進行分析。依據研究河段流量保證率曲線，得到汛期、非汛期各保證率流量，其中汛期保證率為98%、90%、80%、70%時流量分別為328 m3/s、605 m3/s、787 m3/s、1 004 m3/s，根據西津水庫壩上運行水位特征，確定汛期、非汛期不同保證率流量對應的壩上水位，具體見表1。

4 通航水深保證率分析

本研究按照3 000噸級航道工程實施后作為計算邊界，航道尺度根據設計按90 m×5.4 m（航寬×航深），模型根據3 000噸級工程后設計水面線對沿線出淺航槽進行了開挖。

4.1 汛期

4.1.1 沿程水位

對汛期1%～98%不同保證率下的流量和西津壩上水位（下限和常遇）工況進行了計算，并分析沿程水位。其中壩上水位常遇情景下，邕寧至西津壩上的水位落差在0.16～1.00 m，整體比降較小，基本在0.1以下；相同保證率下西津壩上水位常遇情景下水位落差比下限水位運行時小，壩上水位在下限時40%～90%保證率下水位落差在0.29～1.56 m，而壩上水位常遇工況時40%～90%保證率下水位落差在0.16～1.00 m，保證率40%時落差為0.56 m，保證率90%時落差為0.13 m。

圖4為40%～90%保證率下西津壩上下限和常遇水位運行時對應的航中水面線，全線受下游邊界水位的影響，相同保證率下壩上水位常遇工況沿程水位明顯高于下限工況，90%保證率流量下相差最大。

在下限及常遇水位工況下，西津上游引航道口門區水位基本與下邊界水位保持一致，變化主要集中在邕寧樞紐下游引航道口門區。其中，下限水位工況時1%、2%保證率下水位較高，分別為66.68 m、65.74 m，20%～98%保證率下水位在58.43～61.93 m；全線受下邊界水位的影響，常遇工況時在相同保證率流量下相比于下限工況時邕寧樞紐口門區水位明顯增高，下限工況時40%～90%保證率下水位在58.63～59.90 m，而常遇工況時40%～90%保證率下水位為59.90～60.74 m，整體增高1.05 m左右。

4.1.2 不同保證率下沿線最小航深

西津壩上水位下限工況時，汛期的最小航深隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?。邕寧至西津段沿線通航水深基本滿足3 000噸級設計最小通航水深5.4 m要求，40%～90%保證率下相應的航道水深在5.43～6.52 m，其中50%保證率下航深為6.21 m（圖5）。壩上水位常遇工況時，汛期的最小航深同樣隨保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?，汛期保證率40%～90%工況下最小通航水深在7.44～6.74 m，其中50%保證率下的航深為7.23 m，相較于壩上水位下限工況時在相同保證率下增大約1.02 m左右。

4.2 非汛期

4.2.1 沿程水位

對非汛期1%～90%不同保證率下的流量和西津壩上水位（上限和常遇）工況下進行了計算并分析沿程水位?？傮w上看，相較于汛期的沿程水位變化特征相似，非汛期由于流量較小，沿程水位變化。其中，壩上水位常遇工況時，邕寧至西津壩上的水位落差在0.01～0.07 m，整體比降較小，基本在0.1以下；相同保證率下西津樞紐壩上水位常遇工況時水位落差比下限水位運行時小，壩上水位下限工況時40%～90%保證率下水位落差在0.04～1.18 m，而壩上水位常遇工況時40%～90%保證率下水位落差為0.01～0.07 m，保證率40%時落差為0.03 m。

圖6為40%～90%保證率下西津壩上下限和常遇水位運行下的航中水面線，同樣全線受下游邊界水位的影響，相同保證率下壩上水位常遇工況時沿程水位明顯高于壩上水位下限工況時，90%保證率流量下水位落差最大，其中平塘江口水位落差最大約2.30 m。

在下限及常遇水位工況時，西津上游引航道口門區水位基本與下邊界水位保持一致，變化主要集中在邕寧樞紐下游口門區。其中，下限水位工況時1%、2%保證率下水位較高，分別為63.22 m、62.78 m；20%～90%保證率下水位在59.78～60.08 m；全線受下邊界水位的影響，常遇工況時在相同保證率下相比于下限工況時邕寧壩下口門區水位明顯增高，下限工況時40%～90%保證率下壩下口門區水位為59.78～59.91 m，而常遇工況時40%～90%保證率下壩下口門區水位為62.05～62.11 m，整體增大2.24 m左右。

4.2.2 不同保證率下沿線最小航深

西津壩上水位下限工況時，非汛期的最小航深隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?，相比于汛期，增幅不大。邕寧至西津段沿線通航水深基本滿足3 000噸級設計最小通航水深5.4 m的要求，40%～90%保證率下相應的航道水深在6.76～6.64 m，其中50%保證率航深6.72 m（后頁圖7）。壩上水位常遇工況時，汛期的最小航深同樣隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?，40%～90%保證率下相應的航道水深在8.97～8.92 m，其中50%保證率下航深為8.96 m，相較于下限水位在相同保證率下增大約2.25 m。

5 結語

（1）西津水庫壩上水位下限工況時，汛期的最小航深隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?。邕寧至西津段沿線通航水深基本滿足3 000噸級設計最小通航水深5.4 m的要求。

（2）壩上水位常遇工況時，汛期的最小航深隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?，汛期保證率40%～90%下最小通航水深在7.44～6.74 m。

（3）壩上水位下限工況時，非汛期的最小航深隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?，相比于汛期增幅不大。邕寧至西津段沿線通航水深基本滿足3 000噸級設計最小通航水深5.4 m的要求。

（4）壩上水位常遇工況時，非汛期的最小航深隨著保證率的減?。髁康脑龃螅┒龃?，40%～90%保證率下相應的航道水深在8.97～8.92 m。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-08