渠 庚，朱勇輝，唐 峰，孫貴洲

荊江河道水流運動特性研究

渠 庚1，2，朱勇輝1，唐 峰1，孫貴洲1

（1.長江科學院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

利用長江防洪實體模型，全面系統(tǒng)地對荊江不同流量條件下的各水力要素進行測量，并結合三峽水庫蓄水以來的水沙、地形資料，分析了荊江河段水流運動的基本規(guī)律和近期變化的特點，在此基礎上對荊江不同河道整治方案進行了研究，并針對不同河型提出了具體的河勢控制措施。研究成果表明：通過試驗分析較詳細地掌握了荊江水面縱比降、斷面寬深比、流速分布及水流動力軸線變化等水力要素變化的特點，揭示了荊江河段水流運動規(guī)律，并為河道（航道）整治工程提供了科學依據。

長江防洪模型；荊江；水流運動特性；河道治理

1 概 述

荊江位于長江中游上起枝城下至城陵磯，全長約340 km。以藕池口為界分為上、下荊江，其中上荊江全長約167 km為微彎分汊型河道，下荊江長約173 km為典型的蜿蜒型河道。荊江北岸有支流沮漳河入匯，南岸沿程有松滋口、太平口、藕池口分流入洞庭湖，洞庭湖又集湘、資、沅、澧四水于城陵磯匯入長江，形成復雜的江湖關系（見圖1）。河道特性多變、河床沖淤劇烈，水流變化復雜，歷來是長江中游重要的險工段，有“萬里長江，險在荊江”之說。近幾十年來，荊江實施了一系列規(guī)模較大的河道整治和水利工程，使河道水沙等邊界條件發(fā)生了不同程度的變化；特別是三峽水庫運用以來，荊江河段來沙量大幅減少，局部河道河勢發(fā)生一定程度的調整，對荊江河段的水流運動特性帶來較大的影響，也引起了廣泛的社會關注。目前學者們對河道水流運動特性研究較多［1－9］，并取得了較為豐富的成果，但大多是涉及運用數學或實體模型手段研究局部河段（河型）的水流運動特性，較少對長江河段水流運動規(guī)律進行系統(tǒng)研究。本文利用長江防洪實體模型，首次全面地對荊江不同流量條件下的各水力要素進行測量，結合三峽水庫蓄水以來的水沙、地形資料，分析了荊江河道水流運動的基本規(guī)律和近期變化的特點，并在此基礎上對荊江不同河道整治方案進行了研究，以期全面認識荊江水流運動規(guī)律并為荊江河道治理提供科學依據。

2 模型及試驗條件

2.1 實體模型

長江防洪實體模型模擬范圍為長江干流枝城至螺山，并且包括其間的主要支流、洞庭湖區(qū)及分蓄洪區(qū)等，其中干流河道長約380 km。模型設計平面比尺 αL＝400，垂直比尺 αH＝100，模型變率 e＝4。其水流運動相似關系為：流速比尺αV＝10、糙率比尺αn＝1.08、流量比尺αQ＝400 000、時間比尺αt＝40。

圖1 荊江河道河勢圖Fig.1 The river regime of Jingjiang River

由于本次試驗主要研究長江干流與洞庭湖出流不同匯流比條件下荊江河段水流特性，模型試驗分成2部分，即上荊江模型和下荊江模型。其中上荊江模型進口為枝城，出口為北碾子灣；下荊江模型長江干流進口為北碾子灣，江湖匯流段洞庭湖一側進口為七里山，出口為螺山，模型按照2002年10月1∶10 000實測地形制作。

2.2 試驗條件

荊江模型試驗選取四級典型流量以觀測河道水流運動特性。以沙市站實測流量為依據，四級典型流量包括該河段（沙市）通航保證流量5 500 m3／s（三峽正常蓄水運用后），多年平均流量12 500 m3／s，平灘流量 32 000 m3／s，河道安全泄量 50 000 m3／s。荊江河段水流運動特性觀測試驗條件見表1。

表1 荊江河段水流運動特性模型試驗條件Table 1 Conditions for model experiments of flow characteristics in Jingjiang River

3 水流運動特性試驗成果及分析

3.1 荊江沿程水面縱比降變化

通過對各級流量下荊江沿程水位的觀測，計算得到荊江沿程水面縱比降變化（見圖2）。由圖可知：各級流量下，上下荊江水面縱比降變化范圍分別為（0.15～0.97）×10－4和（0.13～0.68）×10－4，其中尤以枝城－大埠街段最大為（0.55～0.97）×10－4，并且呈現(xiàn)上荊江縱比降總體大于下荊江的變化規(guī)律；荊江河段水面縱比降沿程呈波浪線狀變化，即如果一河段（如公安－郝穴段）水面縱比降較大，則同流量下與其相鄰的河段（觀音寺－公安和郝穴－新廠段）水面縱比降則相對較小，反之亦然；就整個荊江河段而言在同流量下不同部位水面縱比降是相互轉化和諧相應的。與此同時荊江河段水面縱比降與河道沿程斷面形態(tài)變化存在密切的關系：如喇叭狀放寬型河道水面縱比降隨來流增加有逐漸減小的趨勢（陳家灣－沙市、塔市驛－監(jiān)利等）；與之相對倒喇叭狀束窄型河道水面縱比降隨來流的增加而逐漸增大（如沙市－觀音寺、公安－郝穴）。由此可見，影響荊江水面縱比降的因素主要為流量大小和河道斷面形態(tài)，其中河道斷面形態(tài)變化對水流沿程能量的分配和消耗起到重要作用，是引起荊江水面縱比降變化的重要原因。

3.2 典型流量下沿程斷面寬深比變化

圖2 不同流量下荊江水面縱比降變化過程Fig.2 The change of longitudinal slope in Jingjiang River under different flows

由圖可知，枯水和平灘流量下，上下荊江斷面寬深比變化范圍分別為1.11～22.16和1.45～13.32，并呈現(xiàn)隨流量增大斷面寬深比整體有所減小的趨勢。與此同時在不同流量情況下荊江斷面寬深比呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律：即枯水流量上荊江斷面平均寬深比要明顯大于下荊江（如上荊江斷面平均寬深比為6.16，下荊江為4.71）；與之相反，平灘流量下上荊江斷面平均寬深比要明顯小于下荊江（如上荊江斷面平均寬深比為3.42，下荊江為5.53）。以上分析表明，上荊江彎曲分汊型河道和下荊江蜿蜒型河道在水流作用下表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，與上荊江相比下荊江由于兩岸堤防較寬、邊灘分布較廣，河勢變化復雜，不同時期河道寬深比變化較大。

3.3 典型斷面流速分布變化

圖3 典型流量下荊江河道斷面寬深比沿程變化Fig.3 The change of width-depth ratio in Jingjiang River under typical flow

荊江河段在橫斷面形態(tài)上存在著明顯的差異，這較強地影響著河段的水流結構及其運動特性。試驗選取2種較典型的復式斷面即“W”，“V”型，對于2種斷面形態(tài)，當水流不漫灘時，不同流量下各斷面流速分布基本相似，主流線的變化基本與深泓線一致，但當流量增大時，主流線有逐漸趨中的趨勢，隨著流量的增大，水流開始漫灘形成復式河道后斷面流速分布較漫灘前明顯復雜，特別在灘槽交界面附近存在著大量的渦旋氣泡，復雜的摻混流和強烈的湍流場，在渦旋氣泡、摻混流、湍流場運動的作用下，灘槽交界面處水流發(fā)生摻混交換。伴隨著摻混交換，灘槽水流間發(fā)生明顯的動量交換。這種動量交換使灘槽平均流速橫向分布發(fā)生改變，由于交界面水流發(fā)生交換與碰撞，水流動能迅速減小，因此交界面附近流速急劇減?。▓D4），而在距離交界面較遠的灘地受此影響較小則出現(xiàn)局部的高流速區(qū)，從而使流速進行了重新分布。

3.4 典型河段水流動力軸線變化

3.4.1 彎道段水流動力軸線變化

以下荊江調關－中洲子彎道為例，由圖5可見，2彎道為反向急彎河道，其間幾乎無過渡段，在小流量下2彎道水流動力軸線變化受河道地形影響較大，與深泓走向基本一致；在中大水流量下，主流在調關彎道進口處逐漸左移偏靠凸岸，經過較短過渡直接將主流導入中洲子彎道凸岸，使彎道凸岸流速大幅增加，在可動邊界條件下，中大水時兩彎道主流的變化勢必會造成凸岸邊灘沖刷，甚至是撇彎切灘，引起河勢的大幅調整。由此可見，在枯水流量下水流往往在彎道凹岸坐彎，中大水情況下水流動力軸線相對趨直，并在彎道進口處逐漸向凸岸偏移，而在彎道凹岸局部區(qū)域產生緩流區(qū)，不同流量下水流動力軸線的變化，往往引起下游過渡段和相鄰彎道主流線的調整，并且隨著流量的增大調整幅度越大。

圖4 典型流量下荊江河道斷面平均流速橫向分布變化Fig.4 The change of lateral distribution of average flow velocity in Jingjiang River cross-sections under typical flow

圖5 調關－中洲子彎道水流動力軸線平面變化圖Fig.5 The change of flow dynamic axis in Tiaoguan and Zhongzhouzi meandering channel under different discharges

3.4.2 過渡段水流動力軸線變化

以上荊江董市過渡段為例，董市過渡段水流動力軸線受松滋口分流變化影響較大，隨流量變化呈現(xiàn)左右往復式擺動的特點，并且流量越小擺幅越大。由圖6可見：在松滋口口門附近主流平面擺幅與分流大小密切相關，當來流較小時口門分流不大，因此對主流的影響較小，此時主流居左岸，隨來流增加口門分流量逐漸增大，分流口對長江主流吸溜影響也越大，主流逐漸向松滋口口門方向偏移，四級流量最大擺幅為1.5 km；過松滋口后小流量時主流又經過2次左右過渡在馬家店附近貼左岸進入江口彎道凹岸，沿程表現(xiàn)為往復式“S”型擺動，而中大流量下主流左右擺動的幅度相對較小，水流動力軸線也較順直。由此可見，順直河道水流動力軸線易受上下游水流條件的影響，年內和年際間主流擺動平面較大，呈“小水彎曲，大水趨直”的變化規(guī)律。

圖6 董市過渡段水流動力軸線平面變化圖Fig.6 The change of flow dynamic axis in Dongshi transition section under different discharges

3.4.3 彎曲分汊段水流動力軸線變化

以上荊江突起洲汊道段為例，該汊道為典型的彎曲分汊河段，其中左汊在凸岸為支汊，右汊在凹岸為主汊。由圖7可見：各級流量下水流動力軸線自左岸鄧家臺逐漸向右岸（凹岸）過渡，并在西湖廟附近頂沖右岸；隨流量增加，水流動量逐漸加大，流路也越發(fā)趨直，水流逐漸向流路較短的凸岸方向偏移，突起洲洲頭處流速明顯增加，左汊分流比也逐漸增大，凹岸頂沖點也逐漸下移至荊58附近。由此可見，對于彎曲分汊型河道，具有彎曲河道的典型特征（小水坐彎，大水趨直），但又保持分汊河型的特殊性質，當流量逐漸變大時凸岸汊道的分流比將明顯增加，使凸岸汊道沖刷，進而改變汊道分流格局，引起上下游河勢的調整。

圖7 突起洲分汊段水流動力軸線平面變化圖Fig.7 The change of flow dynamic axis in Tuqizhou branching river under different discharges

4 三峽蓄水后荊江河道治理研究

通過對荊江不同流量各水力要素的研究，掌握了荊江水流運動特性的基本規(guī)律。但需要說明的是模型試驗采用的初始地形為蓄水前2002年10月份資料。三峽水庫蓄水后，由于調度原因，中水歷時增加，峰型由尖瘦型向肥胖型轉化，輸沙量銳減至建庫前的1／3。荊江河道將對新的來水來沙過程進行適應性調整，河道從堆積或平衡型逐漸向侵蝕型發(fā)展，邊灘落淤迅速減少，灘面淤高也明顯減慢，導致中水以上河床逐漸展寬，大水主流易于趨直上灘，邊灘不可避免地遭到沖刷，中枯水河道明顯展寬，由此引起荊江局部河段河勢和水流運動特性發(fā)生改變。以下分幾種不同河型進行河道治理研究。

4.1 彎曲型河段

荊江水流運動特性研究表明，一般在彎道進口段水流動力軸線偏靠彎道凸岸所在的一側。進入彎道后，水流動力軸線逐漸向凹岸轉移，至彎道頂端上游一定部位水流動力軸線偏靠凹岸，主流頂沖點以下相當長的距離內，水流動力軸線則緊貼凹岸。當流量較小時，水流動力軸線貼凹岸下行；但隨著流量的逐漸增大，水流動力軸線逐漸偏離凹岸而向凸岸偏移。

三峽蓄水后隨著水沙條件的變化，由于大部分彎道凹岸守護較好，不飽和水流為尋求泥沙補給，只能沖刷凸岸邊灘，凸岸邊灘沖刷后彎道主流逐漸向凸岸方向擺動，使凹岸頂沖點下移，原先凹岸近岸處流速明顯下降，泥沙逐漸落淤抬高，形成彎道的雙流（槽）格局。與此同時，由于頂沖點下移使已有的凹岸護岸工程逐漸脫溜，并在下游形成新的險工段，如果不及時對新頂沖段守護和加固，則岸線容易崩退，并引起下游水流主流線和河勢的調整。因此未來一段時間荊江河段特別是下荊江段應加強彎道凸岸和凹岸中下部的新護和加固，以防止河勢的進一步調整。類似彎道如公安彎道、石首彎道、調關彎道、中洲子彎道、監(jiān)利彎道、荊江門彎道，七弓嶺彎道等。

4.2 順直過渡型河段

荊江相鄰彎道之間往往存在長短不同的順直過渡段，由于這些過渡段兩岸多交錯有邊灘，而這些邊灘的演變和水流主流的擺動往往和上下游彎道演變息息相關。

三峽水庫蓄水后，受上游來沙量大幅減少的影響，未來一段時期河道將持續(xù)表現(xiàn)為邊灘沖刷，深槽淤積，河寬增加，河道斷面向寬平方向發(fā)展的趨勢。這樣就為水流提供充分的擺動空間，使年內和年際間主流線擺動幅度加大，對上下游河道水流條件的穩(wěn)定性造成一定影響，正所謂“一彎變，彎彎變”。由此可見，對于彎道“紐帶”順直過渡河段的治理顯得尤為重要。

根據以上分析，對順直過渡河段的治理應著重在控制兩岸交錯邊灘的變化上，維持過渡河段水流主流的相對穩(wěn)定；因此要對順直過渡段邊灘進行守護和適當固定，這樣才能保持水流的穩(wěn)定，鞏固上下游河勢，使彎道守護工程效果得以長久維持。經過分析類似重點整治的河段有太平口過渡段、楊家廠過渡段、新廠過渡段、太和嶺－鹽船套過渡段等。

4.3 彎曲分汊型河段

荊江水流運動特性研究表明，對于彎曲分汊型河道，其既具有彎曲河道的性質又具有分汊河型的特點，小流量時水流主流貼凹岸汊道，隨流量增加水流逐漸向流路較短的凸岸一汊偏移，洲頭相應部位沖刷，并可能引起汊道分流格局的調整，進而改變下游主流走向。三峽蓄水后金城洲、突起洲、熊家洲等彎曲汊道段近期凸岸支汊均有所發(fā)展，分流格局也發(fā)生一定改變，河型也由建庫前穩(wěn)定的主支汊分流形勢，向主（凹岸主汊）消支（凸岸支汊）長的分流格局轉化，在一定條件下存在主支汊易位和河勢、河型大幅調整的可能。因此為穩(wěn)定類似河段的分流格局，避免出現(xiàn)大規(guī)模主支汊易位情況，應加強對江心洲特別是洲頭的守護，并在凹岸中下部適當新護或加固岸線，防止頂沖點下移沖刷凹岸，引起岸線崩退和河勢調整。

5 結 語

本文利用長江防洪實體模型，對荊江不同流量條件下的各水力要素進行測量，并結合三峽水庫蓄水以來水沙、地形資料，分析了荊江河道水流運動的基本規(guī)律和水流運動的新特點。并在此基礎上對荊江不同河道整治方案進行了研究，得到以下研究結論。

（1）同流量下上荊江縱比降總體大于下荊江，荊江河段水面縱比降與河道沿程斷面形態(tài)變化存在密切關系，并且不同河段水面縱比降是相互轉化和諧相應的。

（2）荊江斷面寬深比隨流量增大整體有減小的趨勢，枯水流量上荊江斷面平均寬深比要明顯大于下荊江，而平灘流量下上荊江斷面平均寬深比要明顯小于下荊江。

（3）復式斷面當水流漫灘時灘槽交界面處水流發(fā)生摻混交換，交界面附近流速急劇減小，而在距離交界面較遠的灘地受此影響較小則出現(xiàn)局部的高流速區(qū)，使流速進行了重新分布。

（4）對于荊江不同河型水流動力軸線變化規(guī)律有所不同，但也存在共同特征：小流量時水流受河道地形的限制較大，主流往往隨河道深泓變化而蜿蜒下行；中高水情況下，水流保持直線運動的特性得以充分體現(xiàn)，水流往往趨直。

（5）對彎曲型河道應加強彎道凸岸和凹岸的中下部的新護和加固；對順直過渡段應加強兩岸交錯邊灘的守護和固定；對彎曲分汊型河段應加強對江心洲特別是洲頭的守護，并在凹岸中下部適當新護或加固岸線，防止頂沖點下移沖刷凹岸，引起岸線崩退和河勢調整。

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Study on Flow Characteristics of Jingjiang River

QU Geng1，2，ZHU Yong-hui1，TANG Feng1，SUN Gui-zhou1
（1.Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The Yangtze River Flood Protection Physical Model is employed to comprehensively measure the hydraulic elements for different flow discharges of Jingjiang river.Furthermore，the water sediment and topography data since the impoundment of Three Gorges Reservoir were taken to analyse the general laws and characteristics of flow movement.Based on the above analysis，different river regulation programs are studied and detailed solutions for different river regimes are offered.The study reveals the flow movement rules for Jingjiang River by clearly presenting the inherent laws of hydraulic elements variation including that of the water level，water surface longitudinal slope，breadth to depth ratio of cross section，flow velocity distribution and dynamic axis of flow，and consequently provides scientific basis for river regulation.

Yangtze River Flood Control Physical Model；Jingjiang River；flow characteristics；river regulation

TV147；TV149.2

A

1001－5485（2011）06－0076－06

2011-05-03

水利部水利前期項目“三峽工程運用初期荊江河道演變與治理研究”（QQ0871／HL15）；水利部公益性行業(yè)專項（200910004）；國家自然科學基金（51079104）

渠 庚（1980-），男，江蘇徐州人，工程師，博士研究生，主要從事水力學及河流動力學方面的研究，（電話）027-84238177（電子信箱）qugeng0516＠163.com。

（編輯：周曉雁）

《長江科學院院報》被評為“RCCSE中國權威學術期刊（A＋）”

在2011年進行的第二屆中國學術期刊評價中，《長江科學院院報》被評為“RCCSE中國權威學術期刊（A＋）”。此次參評的學術期刊有6400種，被評為權威期刊的有312種，占5%，其中水利工程類被評為權威期刊的有4種。

《長江科學院院報》被評為“RCCSE中國權威期刊（A＋）”，標志著《長江科學院院報》論文學術水平又上了一個臺階，出版和編輯工作也取得了長足進步。非常感謝廣大水利科技工作者長期以來對《長江科學院院報》工作的支持，也希望廣大的作者、讀者一如既往地關心《長江科學院院報》。編輯部也會再接再厲，繼續(xù)提高《長江科學院院報》的質量和影響力。

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