長江江陰水道航道水深條件利用研究

許樂華，張海泉，李有為，張妍妍，王 帆，李曉磊

(1.長江航運(yùn)發(fā)展研究中心，湖北 武漢 430014；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430040)

1 江陰水道概況

長江江陰水道上起老桃花港—界河口連線，下至江陰長江大橋，全長約24.4 km，是長江下游航道條件優(yōu)良的水道，見圖1。

圖1 江陰水道河勢及航道布置

長江南京以下深水航道整治工程初通以來，江陰港憑借大宗散貨海進(jìn)江最優(yōu)區(qū)位、碼頭專業(yè)化等級高等特點(diǎn)，加強(qiáng)與沿海港口的深度合作，成為江海聯(lián)動的重要樞紐港，港口吞吐量大幅增加。2016年，江陰港完成貨物吞吐量1.3億t，同比增長4.73%；2017年，完成貨物吞吐量1.6億t，同比增長21.01%；2018年，完成貨物吞吐量1.76億t，同比增長9.95%。江陰港貨種以煤炭、金屬礦石、化工原料、鋼鐵、石油及集裝箱等為主。長江南京以下12.5 m深水航道的全線貫通為開普敦型船舶進(jìn)江創(chuàng)造了條件，自2017年以來，運(yùn)輸金屬礦石的開普敦型船舶頻繁進(jìn)出港。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年江陰港共靠泊超17萬噸級的開普敦型船舶273艘，當(dāng)年江陰港金屬礦石吞吐量獲得爆發(fā)式增長為6 805萬t，是2015年的2.2倍。2018年江陰港共靠泊超17萬噸級的開普敦型船舶320艘，同比增長17.22%，金屬礦石仍保持良好勢頭，2018年完成7 404.64萬t，同比增長8.81%。值得注意的是，目前長江海事部門依據(jù)《長江江蘇段12.5 m深水航道船舶最大吃水控制標(biāo)準(zhǔn)》，江陰長江大橋以下船舶最大吃水控制在12.0 m及以下，江陰長江大橋以上船舶最大吃水控制在11.36 m及以下。江陰水道位于江陰長江大橋以上，與大橋以下河段船舶吃水相差了0.64 m。從產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益分析，大型開普敦船吃水增加0.64 m可增加約8 000 t貨物，每噸貨物可節(jié)省50～80元物流成本，按江陰港每年到港約300艘次開普敦船估算，將產(chǎn)生約2億元的直接經(jīng)濟(jì)效益；從促進(jìn)船舶運(yùn)輸組織方式優(yōu)化調(diào)整角度上看，江陰水道船舶吃水增加至12 m，將提高大型船舶實(shí)載率，減少貨物中轉(zhuǎn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)更高效的江海聯(lián)運(yùn)、江海直達(dá)運(yùn)輸；從保護(hù)長江生態(tài)、促進(jìn)環(huán)保上看，原來用2艘次巴拿馬型船舶才能裝載的貨物現(xiàn)在用1艘次開普敦型減載船舶就可以運(yùn)抵江陰港，在同等運(yùn)量的情況下，船舶數(shù)量減少了一半，這意味著燃油排放量、船舶污染物大幅減少，造福長江生態(tài)環(huán)境。可見，充分利用江陰水道良好的水深條件能夠產(chǎn)生可觀的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，是十分必要且有意義的。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對航道條件利用及航道維護(hù)尺度進(jìn)行了一定的研究[1-4]，但深水航道二期工程正式運(yùn)行后，對于長江南瀏河段航道條件及維護(hù)尺度的分析研究非常少。為此，本文在平面二維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算、航道條件核查、潮位累積頻率分析的基礎(chǔ)上，論證江陰水道通過利用潮位及河床地形，將船舶吃水提高到12.0 m的技術(shù)可行性，并提出兩種切實(shí)可行的水深條件利用思路，為深水航道維護(hù)管理提供了科學(xué)可靠的新方法和新技術(shù)，推動了航道維護(hù)管理創(chuàng)新。

2 水深利用條件的確定

根據(jù)江蘇海事局2018年第16號通告《關(guān)于公布長江江蘇段12.5 m深水航道船舶最大吃水控制標(biāo)準(zhǔn)的通告》規(guī)定：江陰以上(江陰大橋—南京新生圩)12.5 m深水航道船舶最大吃水控制在11.36 m及以下；江陰以下(太倉瀏河口—江陰大橋)12.5 m深水航道船舶最大吃水控制在12.0 m及以下。

根據(jù)長江海事局2018年發(fā)布的《長江干線船舶航行富余水深管理規(guī)定(試行)》第六條規(guī)定，長江干線江蘇段水域航行船舶應(yīng)根據(jù)本船實(shí)際吃水，按下列要求留足富余水深：實(shí)際吃水在10.5 m及以上，富余水深應(yīng)不小于船舶吃水的10%。

若江陰水道船舶吃水要與江陰大橋以下河段通航船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，達(dá)到12.0 m，則根據(jù)公式反推，江陰水道航道部門公布維護(hù)水深至少要達(dá)到12×(1+10%)=13.2 m。目前江陰港到港典型受限船舶為17萬噸級開普敦船，當(dāng)?shù)疁p載吃水12.0 m時(shí)，其所需通航水深也是13.2 m。

綜上所述，要充分利用江陰水道優(yōu)良的水深條件，將江陰水道船舶吃水提高至12.0 m，則需要航道部門公布維護(hù)水深至少要達(dá)到自然水深13.2 m。

3 水深利用可行性分析

3.1河床演變趨勢

江陰水道為順直微彎河段，進(jìn)出口有天生港和鵝鼻嘴節(jié)點(diǎn)控制，主深槽傍抗沖性較強(qiáng)的南岸，歷年平面穩(wěn)定少變，近年來南岸深槽整體沖深拓寬，北岸邊灘頭部沖刷后退、尾部上提下移，心灘沖刷消退，緩流區(qū)仍存在局部淺區(qū)。

為了分析江陰水道在典型年份下的河床演變趨勢，建立了平面二維水沙數(shù)學(xué)模型。模型上起五峰山，下至徐六徑，全長約170 km，選取2010、2011年作為動床計(jì)算的不利典型年，因?yàn)?010年為近期典型的大水大沙年份，隨后的2011年為典型的小水小沙年份，在這種組合條件下，江陰水道會出現(xiàn)相對不利情況。模型起算地形為2018年11月實(shí)測地形。

數(shù)學(xué)模型結(jié)果顯示，主航道內(nèi)部有沖有淤，其中新溝閘65#～66#黑浮附近淺區(qū)以及六圩至長山63#黑浮江中緩流淺區(qū)發(fā)生淤積，淤積幅度可達(dá)1～2 m，這2處也是江陰水道現(xiàn)有水深較淺區(qū)域，見圖2。

圖2 江陰水道典型年內(nèi)航槽最不利時(shí)刻的沖淤分布

江陰水道主航道內(nèi)典型年條件下最小水深統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 江陰水道主航道內(nèi)典型年條件下最小水深統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)動床數(shù)模試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)狀主航道內(nèi)在現(xiàn)行航行基面、實(shí)際水深兩種條件下均能維持13.2 m水深，維護(hù)疏浚量為0 m3。

3.2 航道條件核查

通過核查2010—2018年江陰水道的測圖和水文資料，找出主航槽內(nèi)河床最淺點(diǎn)。61#～71#浮的范圍，上起老桃花港至界河口連線，下至江陰長江大橋。從河床最淺點(diǎn)空間分布看，主航槽河床最淺區(qū)域位于65#～66#浮水域(2012年12月)，最淺點(diǎn)高程為-14.43 m(表2)，換算為航基面下水深為13.6 m。

表2 現(xiàn)狀主航槽最淺點(diǎn)高程年際間對比(1985國家高程基準(zhǔn)) m

可見，近10年江陰水道主航道內(nèi)水深均不小于13.60 m，為充分利用江陰水道獨(dú)特優(yōu)良的航道條件，可適當(dāng)增加航道維護(hù)尺度。

3.3 潮位累積頻率分析

從逐月低潮累積頻率90%保證率分布看(表3)，洪水期潮位大于枯水期?？菟诘统蔽焕鄯e頻率90%保證率下潮位值在-0.54～-0.23 m，將潮位值減去現(xiàn)行航基面(-0.83 m)為可利用潮高值，經(jīng)計(jì)算枯水期低潮位累積頻率90%保證率下可利用潮高為0.29～0.60 m。洪水期低潮位累積頻率90%保證率下潮位值在-0.03～0.81 m，計(jì)算可得可利用潮高為0.80～1.64 m。

表3 江陰站逐月低潮累積頻率90%保證率下潮位值(航基上)

江陰高潮位變化規(guī)律與低潮位相似，但可利用潮高明顯增加?？菟诟叱蔽焕鄯e頻率90%保證率每月潮位在1.26～1.59 m(表4)，經(jīng)計(jì)算可利用潮高為2.09～2.42 m。洪水期高潮位累積頻率90%保證率下江陰站每月潮位在1.87～2.50 m，經(jīng)計(jì)算可利用潮高為2.70～3.33 m。

表4 江陰站逐月高潮累積頻率90%保證率下潮位值(航基上)

可見，江陰水道洪水期可利用潮高大于枯水期。高潮累積90%保證率下可利用潮高最大為7月份的3.33 m，低潮累積90%保證率最小可利用潮高為1月份的0.29 m。

2.4 可行性分析

從河床演變趨勢看，在典型不利水文年條件下，江陰水道仍基本維持現(xiàn)有較為穩(wěn)定的格局，南岸主航槽整體呈沖刷態(tài)勢，整個(gè)航道能較好地維持現(xiàn)行航基面下13.2 m水深，不需要額外的疏浚維護(hù)，航道條件穩(wěn)定優(yōu)良；從航道核查成果看，2010年以來，江陰水道現(xiàn)狀航槽內(nèi)最淺點(diǎn)高程為-14.43 m，航道水深不小于13.60 m；從潮位累積頻率分析看，低潮累積90%保證率最小可利用潮高0.29 m，具備一定的可利用潮位。可見，通過對潮位及河床高程進(jìn)行綜合考慮，江陰水道完全具備將吃水提高到12.0 m的技術(shù)條件。

4 航道水深條件利用

4.1 利用原則

江陰水道航道水深條件利用的基本原則[5]包括：1)須在航道通航安全保障措施落實(shí)到位，碼頭進(jìn)港條件允許等前提條件下，充分利用航道水深條件；2) 應(yīng)符合河段演變規(guī)律，穩(wěn)定性好，年維護(hù)量少；3) 應(yīng)滿足沿江城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，考慮現(xiàn)有的港口布局和生產(chǎn)需要；4) 應(yīng)符合通航安全的要求；5) 應(yīng)注重生態(tài)和環(huán)境保護(hù)。

4.2 應(yīng)用實(shí)例

1)海輪航道。1957年始長江開辟了長江口至南京的海輪航道，1976年以海輪推薦航線方式將海輪航道向上延伸至武漢，2010年7月15日再向上延伸至城陵磯。目前，長江航道管理部門聚焦公益服務(wù)，為了適應(yīng)長江干線不同水道不同時(shí)間的水深特點(diǎn)，每年發(fā)布不同河段的海輪航道開放時(shí)間，岳陽城陵磯—安慶錢江嘴河段分月開放海輪航道，安慶錢江嘴以下河段全年開放海輪航道。當(dāng)海輪航道維護(hù)尺度與主航道維護(hù)尺度相同時(shí)，其維護(hù)尺度按主航道尺度維護(hù)與發(fā)布；當(dāng)海輪航道維護(hù)水深大于主航道維護(hù)水深時(shí)，在發(fā)布主航道維護(hù)水深的同時(shí)，發(fā)布海輪航道維護(hù)水深。當(dāng)受自然條件影響，海輪航道實(shí)際水深達(dá)不到分月發(fā)布的海輪航道水深或?qū)挾葧r(shí)，按實(shí)際尺度發(fā)布[6]。

海輪推薦航線自20世紀(jì)50年代初開始，已運(yùn)行60余年，維護(hù)管理方式基本成熟。通過2019年長江干線航道分月維護(hù)水深和長江干線海輪航道分月維護(hù)水深對比分析可知，岳陽城陵磯—武漢長江大橋段的5—9月海輪航道養(yǎng)護(hù)可望水深比主航道養(yǎng)護(hù)水深高0.5～1.5 m；武漢長江大橋—安慶錢江嘴段的4—11月海輪航道養(yǎng)護(hù)可望水深比主航道養(yǎng)護(hù)水深高0.5～1.0 m，部分區(qū)段的海輪航道很好地利用了水位，能更好地服務(wù)沿江經(jīng)濟(jì)。

2)周預(yù)報(bào)航道維護(hù)尺度。目前長江航道局對于航道尺度信息發(fā)布采用的是三級發(fā)布，除了公布年度航道尺度和月度航道尺度，還設(shè)置了周預(yù)報(bào)航道維護(hù)尺度。其中周預(yù)報(bào)航道尺度是區(qū)域航道局根據(jù)本周探測航道尺度、結(jié)合對水情和航道變化情況的分析研判來確定的。上一周末預(yù)報(bào)下一周航道維護(hù)尺度，并且針對重點(diǎn)淺水道在上半周補(bǔ)充預(yù)報(bào)下半周的航道維護(hù)尺度。通過2020年長江干線航道計(jì)劃維護(hù)水深和2020年第11周(3月14—20日)的周預(yù)報(bào)水深對比分析，周預(yù)報(bào)水深高于計(jì)劃維護(hù)水深，例如岳陽城陵磯—武漢長江大橋段計(jì)劃維護(hù)水深4.2 m，周預(yù)報(bào)水深為6.1 m，較計(jì)劃維護(hù)水深提高了1.9 m；上巢湖—吉陽磯段計(jì)劃維護(hù)水深5.0 m，周預(yù)報(bào)分新洲、九江、東流3個(gè)水道分別預(yù)報(bào)8.2、7.8、8.8 m，遠(yuǎn)高于計(jì)劃維護(hù)水深?？梢姡诤降罈l件允許的前提下，航道管理部門主動作為，通過充分利用航道水深資源，已為沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展和航運(yùn)企業(yè)提供了更好的服務(wù)。但對于南京新生圩以下深水航道，目前周預(yù)報(bào)航道維護(hù)尺度與計(jì)劃維護(hù)尺度一致，未有突破。

4.3 利用思路

1)思路1：參考海輪航道維護(hù)方式，充分利用自然水深，江陰水道按年、月兩級發(fā)布可望水深13.2 m。當(dāng)可望水深不能滿足時(shí)，仍按12.5 m深水航道維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)。

2)思路2：采用航道維護(hù)尺度周預(yù)報(bào)方式，按年、月、周三級發(fā)布維護(hù)水深。周預(yù)報(bào)須根據(jù)本周探測航道尺度、結(jié)合對水情和航道變化情況，當(dāng)江陰水道實(shí)際水深≥13.2 m，預(yù)報(bào)維護(hù)水深13.2 m；當(dāng)實(shí)際水深達(dá)不到13.2 m時(shí)，仍按12.5 m深水航道維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)。

5 結(jié)語

1)在典型不利水文年條件下，江陰水道仍基本維持現(xiàn)有較為穩(wěn)定的格局，南岸主航槽整體呈沖刷態(tài)勢，整個(gè)航道能較好地維持現(xiàn)行航基面下13.2 m水深，不需要額外的疏浚維護(hù)，航道條件穩(wěn)定優(yōu)良。

2)2010年以來，江陰水道現(xiàn)狀航槽內(nèi)最淺點(diǎn)高程為-14.43 m，航道水深不小于13.60 m，主航槽河床最淺區(qū)域位于65#～66#浮水域。江陰水道低潮累積90%保證率最小可利用潮高0.29 m，具備一定的可利用潮位。通過對潮位及河床高程進(jìn)行綜合利用，江陰水道具備將船舶吃水提高到12 m的技術(shù)條件。

3)江陰水道航道水深條件利用的2種思路，均可達(dá)到充分利用江陰水道航道水深條件的目的，為了保證信息發(fā)布的準(zhǔn)確性，需要在現(xiàn)有航道維護(hù)力量的基礎(chǔ)上增加水文、地形測量頻次，引進(jìn)潮位預(yù)測預(yù)報(bào)分析、河床演變分析、動床模型試驗(yàn)等技術(shù)手段預(yù)測航道自然水深，同時(shí)增加航標(biāo)日常探測、巡查和保養(yǎng)頻次。這兩種思路為深水航道維護(hù)管理提供了科學(xué)可靠的新方法，推動了航道維護(hù)管理創(chuàng)新。