湘江航道浅滩水深时空特征分析及应对措施研究

116 C W T 中国水运 2021·
06
图5 琵琶洲滩段航槽布置
4结论
（1）弯道流速和比降随流量增加而增大。

Q<2000m 3
/s 时，
琵琶洲航段库区特性明显，水面近水平，弯道流速不超过0.9m/s；Q=4000~6000m 3/s 时，弯道具有库区与天然河道双重特性，航槽比降<0.5‰，流速不到2.3m/s；Q=7550~11730m 3/s，弯道体现为天然河道特性，航槽最大比降约1.0‰，流速可达2.8~3.9m/s。

湘江航道浅滩水深时空特征分析及应对措施研究
胡优，李清平
（湖南省长沙航道管理局，湖南 长沙 410000）
摘　要：浅滩航道水深是保证船舶安全和正常通航的重要指标，本文通过收集整理2015~2020年湘江岳阳城陵矶至株洲一桥航道各浅滩观测点水深观测数据，建立分析模型，利用GIS 在处理空间数据方面的优势，分析得出各浅滩水深变化的时空分布特征，找出问题较为突出的浅滩，提出应对措施。

关键词：湘江航道；浅滩水深；时空特征；应对措施
中图分类号：U617 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0116-04
DOI 编码：10.13646/ki.42-1395/u.2021.06.040
湘江航道是湖南“一江一湖四水”骨干航道网中重要的高等级航道。

近年来，由于产业发展、兴建水利工程和气候条件等原因，湘江部分浅滩枯水期航道水深不足[1]，导致船舶搁浅、堵航事件时有发生，水运优势难以发挥。

为分析航道浅滩水深变化特征，周春煦[2]用
多年实测水文数据分析浅滩成因，王利锋[3]探索多波束测深系统在航道水位测量中的应用，宫彦萍[4]研究基于GIS 的内河航道通航状态监测技术，本文通过收集整理2015年至2020年湘江岳阳城陵矶至株洲一桥航道各浅滩观测点水深数据，建立分析模型，利用GIS 在空间分
（2）弯道主流进口靠左侧凸岸，出口紧贴右侧凹岸，体现出强烈的扫弯水特性。

主流线弯曲半径总体趋势约320~360m，而最小半径仅约210~250m，流路曲度明显大于几何曲度。

（3）船舶航行弯道河段不宜采用固定的弯曲半径，宜采用沿程动态弯曲半径，即“上行抱凸岸、下行走河心”的航法航行，推荐了合理的上、下行航线，航槽内Q ≤7550 m 3/s 的横流不超过1m/s。

参考文献：
[1]游强强.湖广——罗湖洲河段6 m 水深航道整治工程动床物理模型试验研究[J].水运工程,2019(06).
[2]伍志元,蒋昌波,陈杰,等.泄水闸开启方式对通航水流条件的影响[J].水利水电科技进展,2016(03).
[3]王斐,李君涛,王艳华,等.西江界首至都城河段航道整治技术研究[J].水道港口, 2016(01).
[4]瞿月平,霍玲,王常红.汉江碾盘山至陈家集段航道整治试验研究[J].中国水运(下半月),2014(12).
析的优势，得出各浅滩水深变化时空分布特征，识别问题较为突出的浅滩分布水域，提出应对措施。

1区域概况及数据说明
1.1区域航道概况
本文主要研究的湘江岳阳城陵矶至株洲一桥航段，总计通航里程为290公里，其中257公里为Ⅱ级航道，33公里为Ⅲ级航道。

结合航道管理部门航道养护尺度，岳阳城陵矶至湘潭一桥220km按Ⅱ级标准养护，湘潭一桥至株洲一桥37公里、湘阴西支33公里按Ⅲ级标准养护。

表1 湘江岳阳城陵矶~株洲一桥航道养护尺度表
序号航道
名称
起讫点
航道
级别
航道尺度
（m）
航道里程
（km）
航道维护水深
年保证率
1湘江湘潭一桥～株洲一桥Ⅱ级 2.3×90×7203795 2湘江长沙枢纽～湘潭一桥Ⅱ级 3.0×90×5507498
3澧湘
航线
濠河口～临资口～芦林潭Ⅲ级 2.3×90×7203395
4湘江长沙枢纽～濠河口Ⅱ级 3.0×90×5503295
5湘江濠河口～湘阴县城～城陵矶Ⅱ级 3.0×90×55011498 1.2数据来源
研究采用数据主要为航道部门发布的湘江岳阳城陵矶至株洲一桥航段浅滩日水深数据，共包含31处浅滩，2192天41890条数据。

1.3数据预处理
为形成可统计分析的浅滩水深数据集，对原始数据进行标准化、序列化、空间化等方面的预处理。

标准化主要对水深数据非标准属性进行处理。

如文本值修正为数值，纠正格式错误，剔除数据异常值等，最终保留上报时间，浅滩水深，浅滩名称，上报单位等字段。

序列化主要对原始数据中不连续数据进行序列化处理。

包括按日拆分数据、缺失水深数据插值处理，形成水深序列数据。

空间化主要根据经纬度对31处浅滩定位，叠加行政区划、河流水系、路网，生成浅滩GIS一张图。

2指标分析计算方法
2.1统计分析法
应用统计分析法描述水深在年内及年际的变化特征，对于水深年内变化特征，用不均匀系数n C表示，
（1）
式中，i h为月平均水深，单位：m，i为月份，h 为年均水深，单位：m。

n C越大，表示水深年内变化幅度越大。

对于水深年际变化特性采用变差系数v C表示。

H
Cσ
=
v
（2）
其中，n
)
(
n
112
n
1j
j
∑
∑=
=
−
=
=
n
j j
H
H
H
H，σ。

式中：j H为第j年的年平均水深，单位：m，j=1,2，…，n；n为观测年限；H为多年平均水深，单位：m。

v C值越大，表明水深年际变化越大。

2.2空间分析法
空间分析法主要用于分析航道浅滩区域空间分布特征，采用二维核密度分析函数，主要包括核函数和概率密度预测函数，核密度分析用于计算各输出要素周围的点要素的密度。

其中核函数为：
2
2
)
1(3
)t(t
K−
=
π
（3）
概率密度预测值为：
)
(
n
1
i
1
i
2R
d
K
pop
R
D n
i
∑
=
∗
= （4）其中：R为搜索距离，i
pop为给定的权重值，n为二维点个数，i d为要素i与其他要素距离。

3分析结果
3.1时间特征
3.1.1年内时间特征分析
根据1月至12月逐月浅滩平均水深情况来看，各浅滩3月至9月水深总体情况较好，其中7月水深最深，浅滩平均水深达3.99米，10月至次年2月水深下降较为明显，其中12月水深最浅，浅滩平均水深3.31米，有10处浅滩水深低于3米，关门滩长益线和包公庙水深最浅，分别为2.33米和2.46米，接近Ⅲ级航道维护水深。

C W T中国水运2021·06117
118 C W T 中国水运 2021·
06
图 1 主要浅滩月平均水深统计图
从各月份水深不均匀系数来看，总体不均衡系数0.06，其中关门滩长益线、包公庙、关门滩益岳线、元潭、株洲一桥、文经滩不均衡系数较大，分别为0.16、0.15、0.13、0.12、0.11、0.1 ，水深波动明显，枢纽上引航道口、杨梅洲、扁山等浅滩不均衡系数较小，接近于0，水深波动不明显。

3.1.2年际时间特征分析
根据主要浅滩逐年水深统计情况来看，枯水期特征年际变化较大，其中2016年、2017年和2019年各浅滩枯水情况较为严重，各年12月水深明显偏低，关门滩长益线月均水深降至1.5米，降至V 级航道水平，文经滩月均降至2.1米，降至Ⅲ级航道水平，战枯保畅压力较大。

2015年、2018年枯水期较短，航道水深平稳，各浅滩12月平均水深基本超过3米，航道运行基本正常。

从各站变差系数来看，总体变差系数为0.03，其中蔡家港、关门滩长益线、南门港、株洲一桥、杨林赛滩变差系数较大，分别为0.16、0.15、0.14、0.12、0.12，年水深波动明显，枢纽上引航道口、杨梅洲、扁山等浅滩变差系数较小，接近于
0，年水深波动不明显。

图2 主要浅滩逐年水深统计图
3.2空间特征
3.2.1浅滩水深频次分析
根据不同航道等级维护水深标准对水深频次分组，统计6年内各浅滩水深频次如下表。

研究时段内Ⅱ级航道2.8米以下水深较多的浅滩主要有文经滩、新康滩、德兴渡口等，其中文经滩2.8米以下水深天数达到232天，占比达到10.6%。

Ⅲ级航道2米以下水深较多的浅滩主要有关门滩长益线、包公庙、关门滩益岳线等，其中关门滩长益线2米以下水深天数达到219天，占比达
到9.9%。

表2 2015年-2020年二级航道主要浅滩水深天数统计表（单位：天）
序号地点2米以下2-2.8米 2.8至3米3-3.5米 3.5米以上维护水深达标率1文经滩4119156127177789.42%2新康滩2619848155176589.78%3德兴渡口991041469190690.74%4靖港滩517947148181391.61%5湘阴大桥上首017920136185791.83%6枢纽下引航道口516653140182892.20%7洋沙湖闸口6941355202495.44%8沩水河口09560123191495.67%9
南门港
13
79
25
73
2002
95.80%
表3 2015年-2020年三级航道浅滩水深天数统计表（单位：天）
序号地点 1.6米以下 1.6米-2米
2米-2.3米 2.3米以上
维护水深达标率1关门滩长益线1447553192090.01%2包公庙1266441196191.33%3关门滩益岳线528566198993.75%4杨林赛滩338144203494.80%5元潭159266201995.12%6蔡家港613923206995.44%7魏家湾下首594121207195.44%8刘家坝471419211297.22%9
株洲一桥
17
44
88
2043
97.22%
3.2.2空间特征分析
根据各等级航道内浅滩水深的频次统计数据，通过Arcgis 软件进行空间核密度分析，其中像元设置30米，搜索半径5千米，形成航道浅滩水深空间强度特征，结果如图所示。

分析可知，主要浅滩发生区域分布在湘阴文经滩、关门滩、湘阴大桥上首和枢纽下引航道口，其次是株洲一桥附近，其他区域浅水深发生频度和积聚性较弱。

分析主要浅滩成因，长沙枢纽下游文经滩、湘阴大桥上首浅滩主要因过度采砂导致河床下切、水位下降，其次三峡水库9月开始蓄水、减少下泄流量也导致该区
域枯水期水位下降；关门滩水域位于资水与湘江西支水
C W T 中国水运 2021·06 119
流交汇影响处，导致泥沙在交汇处淤积；株洲一桥水域由于长沙枢纽未达到设计正常蓄水位，库区航道枯水期水位降低，且该滩部分水域石质河床上淤有砂卵石，造
成水深不足。

图 3 主要浅滩水深频次及核密度分布图（左：频次，右：核密度）
4对策分析
通航水深是航运通畅安全发展的重要保障，通过分析研究航段内浅滩水深时空分布特征，针对各浅滩实际情况，采取应对措施，主要包括：4.1统筹编制浅滩整治规划
针对各浅滩所处位置及水文情况，开展浅滩整治专项研究，包括开展通航水位、维护水深研究，优化航道边界线、航道养护标准，结合养护技术指标与资金预算，确定航道整治原则，综合经济、防洪、环境等各方面要求，制定航道整治近期规划和年度计划。

4.2建立浅滩航道尺度预测预警机制
做好浅滩航道水位、水深、航宽等航道尺度数据的整理和核实工作，收集整理相关枢纽、大坝等流量数据及水位数据，分析其与浅滩航道水深变化关系，预测水深变化趋势，为战枯保畅提供预警服务和养护技术指导。

4.3加强浅滩航道日常养护
从航道尺度管理、标志管理、整治建筑物管理、水情预报等方面加强浅滩航道的日常养护。

利用航道CCTV、航标遥测遥控等监控系统，加强对浅滩航道和航标的实时监控，根据水位变化合理配布航标和调标改槽，同时对重点浅滩水域进行声呐和多波束测扫，对达不到航道技术等级要求的区域采取浅滩航道整治工程措
施。

4.4科学制定浅滩工程整治方案
航道整治工程是增大航道尺度、改善通航条件、促进河道稳定的重要工程技术手段[5]。

随着多年湘江航道的持续开发建设，浅滩整治经验不断积累。

但对文经滩、关门滩、株洲一桥等“老大难”滩群仍需进行定期观测，利用科技手段，结合模型试验，开展浅滩整治科研工作，为科学制定工程整治方案提供详实的数据支撑。

4.5建立联动协调机制
建立联动协调工作机制，形成航道管理部门与地方政府、船闸运营部门、相关企业的沟通协调机制，联合开展船舶配载管理、现场执法、水上交通管制、搁浅船舶的施救和助航助拖工作，协调船闸运营部门进行水量调蓄，适时调整航道通航水位。

5结语
本文主要就湘江岳阳城陵矶至株洲一桥航道浅滩水深时空特征进行分析，明确主要浅滩水位时空分布情况和应对措施，对于进一步提高湘江航道通航安全，可开展以下方面工作：
（1）提升水深监测信息化水平，实现水深报送智能化和水情预警。

（2）根据主要浅滩水深时空分布特征，有序、全面、因地制宜地确定工程整治方案，把痛点转为亮点。

（3）探索航道养护长效保畅工作机制，持续保障航道安全运行。

（4）建立航道“大数据”系统。

开展航道通航全要素的精细治理，加强航道、港口、海事等交通信息融合和水利、气象等部门的信息共享，提升大数据对航道科学决策支撑能力。

参考文献：
[1]尹斌勇,文跃凌,莫雄,等.湘江枯水期通航保障应对措施[J].湖南交通科技,2020,46(4):121-124.
[2]王利锋,蒋新华,王冰,等.多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨[J].海洋测绘,2014,34(5):55-58.
[3]胡旭跃.浅滩整治航道的几个问题[J].长沙交通学院学报,1994,10(4):70-75.。