CN117313219A - 适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，属于水运工程船闸设计技术领域，首先确定船闸设计船型吨位、船舶装载系数、运量不平衡系数、船舶通闸安全过闸航速、船舶通闸安全过闸长度、船闸通闸日通航时间、船闸年通航天数、泵站调水不均匀系数、泵站的年平均调水时间；其次根据公式计算船闸通闸年单向货运通过量。本方法综合考虑调水不均匀性，通过引入调水不均匀系数，提升了船闸通闸方式下通过能力预测的准确性和合理性，为运河调水工程船闸设计与规划提供了可靠支持。

Description

适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法

技术领域

本发明属于水运工程船闸设计技术领域，尤其涉及一种适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法。

背景技术

船闸通闸方式是通过总结工程实践经验得到的一种过闸方式，它能显著提升船舶过闸效率并增强船闸的通过能力。船闸通闸通过能力，即船闸通闸年单向货运通过量。通过能力是决定船闸工程建设规模的主要考量因素，因此对于具备通闸条件的船闸来说，合理预测其通闸方式下的通过能力显得极为关键。然而，目前关于这种通闸方式的研究大多还停留在定性分析阶段，对于其具体通过能力缺乏确定的计算方法。在实践中，我们迫切需要建立起一套完善的研究框架，以定量方式来评估船闸通闸方式下的通过能力。这样的研究将为船闸工程的设计和规划提供科学依据，同时也会对提高船闸运行的效率和安全性起到积极的推动作用。

根据船闸通闸运行特点，通闸通过能力的计算面临一个关键难题，即如何合理确定船闸可通闸运行的时间段。对于感潮河段口门船闸，研究已经提出了采用年平均可通闸时间的建议。然而，针对运河调水工程口门船闸，船闸通闸时机与泵站调水时间的分配存在着较强的关联性。泵站的调水时间受到多种因素的影响，包括降水、径流以及洪水和枯水等水文过程。这些因素导致了调水时间在年际分布和年内分配上呈现出不均匀的特征。与感潮河段不同，泵站的调水过程更为复杂，其实际情况受到诸多变量的综合影响。如果我们忽视了调水时间的不均匀性，将会导致通闸通过能力的计算结果偏高，从而在通闸效益评价中出现了不全面、甚至偏颇的情况。这也会在工程建设估算中引入不准确因素，影响整个工程的设计和规划。

综上所述，有必要研究出一种充分考虑调水过程不均匀性的船闸通闸通过能力计算方法，以解决船闸通闸通过能力评价过程中忽视调水时间分配不均匀性所导致的通闸效益评价不全面、工程建设估算不准的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决现有方法不适用具有调水不均匀性特性的运河调水工程口门船闸通闸通过能力评价的问题的适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法。

本发明是这样实现的，一种适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.确定船闸设计船型吨位、船舶装载系数/>、运量不平衡系数/>、船舶通闸安全过闸航速/>、船舶通闸安全过闸长度/>、船闸通闸日通航时间/>、船闸年通航天数/>、泵站调水不均匀系数/>、泵站的年平均调水时间/>；

S2.根据以下公式计算船闸通闸年单向货运通过量：

；

在上述技术方案中，优选的，所述泵站年平均调水时间的计算公式为：

；

式中，W _d为船闸设计水平年预测调水量；Q _d为泵站设计抽水能力。

在上述技术方案中，优选的，所述泵站调水不均匀系数γ的计算公式为：

；

；

式中，n为调水量系列年数；C _vyi为按月统计的各年调水量年内不均匀系数；x _i为逐月调水量；为年平均调水量。

在上述技术方案中，优选的，步骤S2中得到P _2t的推导过程为：

S2.1.将P _2t表示为通闸年单向过闸次数和船舶装载量的函数：

；

式中，n _t为通闸日平均单向过闸次数，N _t为船闸设计水平年年通闸运行时间；

S2.2.计算船闸设计水平年年通闸运行时间N _t：

；

S2.3.计算通闸日平均单向过闸次数n _t：

；

式中，T _t为船舶通闸一次过闸时间；

S2.4.计算通闸一次过闸时间T _t：

；

式中，V _t为船舶通闸安全过闸航速；L _s为船舶通闸安全过闸长度。

本发明提出了一种考虑调水过程不均匀性的船闸通闸通过能力计算方法，通过考虑调水量的年际分布和年内分配情况，引入调水不均匀系数，建立了船闸通闸方式下的通过能力计算公式。这一方法具有以下显著优点和效果：

首先，相对于传统方法，本方法能更全面地考虑调水时间分配的不均匀程度。通过引入调水不均匀系数，我们能够更准确地描述调水过程的实际情况，从而提升了对船闸通闸方式下通过能力的预测结果的合理性。

其次，本方法贴合了运河调水工程船闸通闸运行的客观情况，能够更合理地反映船闸通闸方式下的通过能力。这种定制化的计算方式，弥补了目前船闸通闸通过能力计算方法在考虑调水不均匀性方面的不足。

最重要的是，通过提出这一方法，我们为运河调水工程船闸通航效能的评估提供了坚实的支撑。通过精确地计算船闸通闸的通过能力，我们能够更科学地评估船闸工程的实际通航效能，为工程建设提供了准确的参考依据。

综上所述，本发明的船闸通闸通过能力计算方法不仅弥补了现有方法的不足，更能有效地提升船闸通闸方式下的通过能力预测的准确性与合理性，为运河调水工程的设计与规划提供了一种可靠的技术支持。

附图说明

图1是船闸通闸运行典型情况示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是应用实例多年平均及典型年的泵站逐月抽水流量过程；

图4是应用实例逐年调水量分布图；

图5是应用实例水文特征年统计图；

图6是应用实例调水量年内不均匀系数分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决现有方法不适用具有调水不均匀性特性的运河调水工程口门船闸通闸通过能力评价的问题，本发明特提供一种适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，本方法综合考虑调水不均匀性，通过引入调水不均匀系数，提升了船闸通闸方式下通过能力预测的准确性和合理性，为运河调水工程的设计与规划提供了可靠支持。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：

一种适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.根据工程区域水文资料和枢纽调水规划确定泵站调水参数，根据船闸设计资料和预测水运量确定船闸设计船型参数、船闸设计参数。参数包括船闸设计船型吨位、船舶装载系数/>、运量不平衡系数/>、船舶通闸安全过闸航速/>、船舶通闸安全过闸长度/>、船闸通闸日通航时间/>、船闸年通航天数/>、泵站调水不均匀系数/>、泵站的年平均调水时间/>。

S2.根据以下公式计算船闸通闸年单向货运通过量：

。

具体的：

首先分析泵站调水过程的不均匀性。

根据运河调水工程口门船闸的调度方式，泵站非调水期，船闸具备通闸运行条件，但受流域内降雨及生活、工业、农业、生态等用水的影响，河流径流年际变化较大且年内分配不均，泵站调水过程是不均匀的。在降雨较丰沛的年份或月份，泵站需抽水时间较少；但在降雨较少的年份或月份，泵站需抽水时间则相对较长，尤其是当遭遇连续干旱的年份或月份，泵站需连续抽水。基于长系列调水量资料，分析泵站调水年际变化、年内分配等多时间尺度的变化规律，充分考虑泵站调水时间的不均匀性程度，为合理确定船闸可通闸时间提供依据。

采用调水量距平值指标作为划分丰、平、枯特征年的标准，具体定义为：

(1)

其中，为第i年调水量(m³)；/>为多年平均调水量(m³)。当P＞20%时，为特枯水年；当10%＜P≤20%，为偏枯水年；当-10%＜P≤10%时，为平水年；当-20%＜P≤-10%时，为偏丰水年；当P≤-20%时，为特丰水年。调水量距平值用来评价水文年，是用来评价水文年的一个指标，它描述了实际的调水量与长期平均水文条件相比的偏离程度，比如丰平枯年。不均匀系数是量化指标，它描述了调水量的分布不均匀程度。

采用不均匀系数指标分析调水量年际、年内变化的不均匀程度，计算方法如下：

(2)

(3)

(4)

其中，为不均匀系数；/>为总时段调水量序列均方差(m³)；/>为总时段平均调水量(m³)；/>为各时段调水量(m³)；/>为时段数，对年际变化过程描述采用年总调水量序列，此时/>为调水量系列年数，对年内变化过程描述采用逐月调水量序列，此时/>。不均匀系数指标描述了各时段调水量距离总时段平均调水量的离散程度，不均匀系数越大，时段内调水量的差异越大。

其次计算船闸设计水平年可通闸时间。

船闸可通闸运行时间需充分考虑泵站调水过程的不均匀性。定义调水不均匀系数为调水量多年平均年内不均匀系数，表示为：

(5)

(6)

其中，为调水不均匀系数；/>为调水量系列年数；/>为按月统计的各年调水量年内不均匀系数；/>为逐月调水量(m³)；/>为年平均调水量(m³)。

关于船闸设计水平年实际调水时间，在年平均调水时间基础上叠加调水不均匀系数，表示为。年平均调水时间/>的计算公式为：

(7)

其中，为船闸设计水平年预测调水量(m³)；/>为泵站设计抽水能力(m³/s)。

船闸设计水平年年通闸运行时间等于年通航天数减去年实际调水时间，计算公式为：

(8)

其中，为年通闸运行时间(d)；/>为年通航天数，需考虑船闸检修维护和冰冻、大雾、大风等恶劣天气的影响，根据船闸设计参数确定。

最后预测船闸设计水平年通闸通过能力。

船闸通闸通过能力预测步骤如下：

S1，根据水运量预测情况和船闸设计船型，确定船闸设计船型吨位G(t)、船舶装载系数α和运量不平衡系数β。

其中，船舶装载系数根据当地货运调查统计情况确定，运量不平衡系数：

。

S2，根据船闸等级、设计闸室尺度和设计船型尺度，确定船舶通闸安全过闸航速和船舶安全过闸长度，计算通闸一次过闸时间。计算公式为

(9)

其中，T _t为通闸一次过闸时间(s)；V _t为船舶通闸安全过闸航速(m/s)，按表1选取，III级以上船闸采用表中的最大值；L _s为船舶通闸安全过闸长度(m)，包含船舶的实体长度和船舶之间的安全距离，关于安全距离取值，船队采用一倍船长，单船采用两倍船长。

表1 船舶通闸安全过闸航速

S3，根据船闸通闸日通航时间和通闸一次过闸时间，计算通闸日平均单向过闸次数。计算公式为：

(10)

其中，n _t为通闸日平均单向过闸次数；τ _t为船闸通闸日通航时间(h)，考虑船舶航行安全，夜间不通闸；每天上、下行时间各取一半，单向通行时间为。

S4，计算船闸设计水平年通闸通过能力。

根据船闸通闸运行特点，船闸通闸通航与航道通航有相似之处，船舶均可直接通行，但船闸范围尤其是闸室段水面狭窄、断面系数小，通闸时犹如一段单线限制性航道。从建筑物布置及安全角度出发，通闸时船闸范围仅允许船舶单向行驶，且船舶间需留有足够的安全距离。

船闸通闸年单向货运通过量可表示为通闸年单向过闸次数和船舶装载量的函数，如下所示：

(11)

其中，为通闸年单向货运通过量(万t)，即通闸通过能力。将式(8)、(9)、(10)代入式(11)，则船闸设计水平年通闸通过能力计算公式可表示如下

(12)

应用实例

某典型运河调水工程，根据其枢纽调度原则，泵站非调水期间，节制闸和船闸均处于敞开状态，船闸两侧水位相平，具备通闸条件。船闸等级为II级，设计船舶吨级2000t，船闸尺度为280m×23m×5.2m（长×宽×门槛水深），设计代表船型尺度为68m×13.8m×3.2m（长×宽×吃水）。工程所在区域为亚热带湿润季风气候区，受季风气候影响，降雨主要集中在汛期，区域降雨年际年内分配不均匀，相应地，泵站调水量年际年内分布也不均匀。船闸通闸通过能力计算如下：

首先分析泵站调水过程的不均匀性。

根据1956年~2010年长序列泵站抽水流量排频过程，多年平均及典型年的泵站逐月平均抽水流量过程见图3。可以看出，泵站调水量年际变化较大且年内分配不均，在降雨较丰沛的年份或月份，泵站需抽水时间较少，如图3中2007年典型序列，除冬季12月份～2月份外，其余月份基本不需要调水；但在降雨较少的年份或月份，泵站需抽水时间则相对较长，如图3中1999年典型序列，几乎每个月都需要调水，且调水量较大。

1、年际变化特征

逐年调水量分布见图4，年总调水量变化范围为0.06亿m³～1.34亿m³，变化幅度达23倍，表明调水量年际变化极大、年际分布极不均匀。长序列水文特征年统计见图5，可以看出，特枯水年、特丰水年占比较大，分别为38.2%、41.8%，总占比达80%左右；偏丰水年、平水年次之，总占比在18%左右；偏枯水年占比最少，仅2%左右。

年际及年代际调水量不均匀系数统计分析结果见表2。统计期内，多年平均调水量为0.51亿m³、多年综合不均匀系数为0.59，20世纪50年代不均匀系数最小、为0.28，21世纪10年代不均匀系数最大、为0.81，调水量年代际之间的差异也比较大。

表2 年际及年代际调水量不均匀系数

2、年内变化特征

以月份为典型时段统计年内调水量不均匀系数，统计分析结果见图6，典型年度调水量及不其均匀系数统计分析数据见表3。

年内调水量不均匀系数变化范围为0.23～3.07，表明调水量年内分配不均匀且年际间的差异较大。其中，以1964年、1985年、2003年不均匀系数最大，说明年内各典型时段调水量相差最为悬殊、分配最不均匀。如表3所示，1964年、2003年，丰水期、平水期几乎不需要调水，仅在枯水期有少量调水；而1985年，平水期、枯水期几乎不需要调水，仅在丰水期有少量调水。

表3 典型年度调水量及其不均匀系数

其次计算船闸设计水平年可通闸时间。

根据船闸设计水平年预测调水量和长系列调水量分布特征，计算年平均调水时间、调水不均匀系数及年通闸运行时间，计算结果见表4。2030年、2040年船闸可通闸运行时间分别占总通航时间的50.6%、35.7%，有一半和三成的时间均可采取通闸过闸方式。

表4船闸设计水平年可通闸运行时间

年份	预测调水量（亿m3）	多年平均调水时间（d）	调水不均匀系数	年通闸运行时间（d）
					2030	33.03	127.43	1.24	161.99
2040	43.00	165.90	1.24	114.29

最后预测船闸设计水平年通闸通过能力。

S1，设计船型吨位G=2000t；根据货运量统计及预测情况，船舶装载系数α=0.80（2030年）、α=0.85（2040年），运量不平衡系数β=1.13（2030年、2040年）。

S2，根据表1，船舶通闸安全过闸航速V _t=1.8m/s；船舶通闸安全过闸长度取设计代表船型长度和2倍船长安全间距之和，L _s=204m。计算通闸一次过闸时间T _t=113.33s。

S3，船闸通闸日通航时间τ _t=12h（通闸开放时间为7:00～19:00），计算通闸日平均单向过闸次数n _t=190.59次。

S4，计算船闸设计水平年通闸通过能力，2030年为4385万t、2040年为3287万t。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.确定船闸设计船型吨位、船舶装载系数/>、运量不平衡系数/>、船舶通闸安全过闸航速/>、船舶通闸安全过闸长度/>、船闸通闸日通航时间/>、船闸年通航天数/>、泵站调水不均匀系数/>、泵站的年平均调水时间/>；

S2.根据以下公式计算船闸通闸年单向货运通过量：

。

2.根据权利要求1所述的适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，其特征在于：所述泵站年平均调水时间的计算公式为：

；

式中，W _d为船闸设计水平年预测调水量；Q _d为泵站设计抽水能力。

3.根据权利要求1所述的适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，其特征在于：所述泵站调水不均匀系数γ的计算公式为：

；

；

式中，n为调水量系列年数；C _vyi为按月统计的各年调水量年内不均匀系数；x _i为逐月调水量；为年平均调水量。

4.根据权利要求1所述的适用调水工程的船闸通闸通过能力计算方法，其特征在于：步骤S2中得到P _2t的推导过程为：

S2.1.将P _2t表示为通闸年单向过闸次数和船舶装载量的函数：

；

式中，n _t为通闸日平均单向过闸次数，N _t为船闸设计水平年年通闸运行时间；

S2.2.计算船闸设计水平年年通闸运行时间N _t：

；

S2.3.计算通闸日平均单向过闸次数n _t：

；

式中，T _t为船舶通闸一次过闸时间；

S2.4.计算通闸一次过闸时间T _t：

；

式中，V _t为船舶通闸安全过闸航速；L _s为船舶通闸安全过闸长度。