王 潔

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司施工處，湖北 武漢 430010)

0 引 言

長(zhǎng)江中游枝城-楊家垴河段全長(zhǎng)約70 km，上鄰三峽工程、葛洲壩水利樞紐，處于長(zhǎng)江由山區(qū)河流向平原河流的過(guò)渡地帶，其河床組成、河道形態(tài)具有不同于一般山區(qū)河流或沖積平原河流的特性。由于其獨(dú)特的地理位置，該河段對(duì)于長(zhǎng)江，尤其是荊江段的防洪有著重要影響。三峽水庫(kù)蓄水后，壩下游枝城-楊家垴河段發(fā)生了自上而下的劇烈沖刷，引起了眾多學(xué)者的廣泛重視。陳立[1]、羅優(yōu)[2]等研究了蘆家河水道河道演變態(tài)勢(shì)，分析了引起該水道航道條件變化的主要原因；彭嚴(yán)波等[3]鑒于河段的整體性研究了關(guān)洲水道、松滋口和蘆家河淺灘的關(guān)系；陸永軍[4]、陳義武[5]則分別通過(guò)數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗(yàn)對(duì)蘆家河水道的演變趨勢(shì)進(jìn)行了研究；楊芳麗、黃偉等[6]分析了枝江江口河段河床演變特點(diǎn)、礙航特性和航道存在的主要問題；李彪、付中敏等[7]探討了枝江江口河段航道整治一期工程前后航道條件、水流條件變化情況；劉懷漢、茆長(zhǎng)勝等[8]通過(guò)物理試驗(yàn)，分析了枝江江口河段下游水位下降與洲灘沖刷變形對(duì)航道條件的影響。但是，已有的研究都基于現(xiàn)行的三峽水庫(kù)調(diào)蓄方式，然而在實(shí)際應(yīng)用中，為全面提高三峽工程綜合效益，尤其在利用汛期洪水資源與中小洪水調(diào)度方面，三峽水庫(kù)進(jìn)行了大量的優(yōu)化調(diào)度與實(shí)踐，然而以上研究都沒有考慮中小洪水調(diào)度方式的影響，因此都具有一定的局限性。從研究方法上而言，大部分的研究都基于物理模型試驗(yàn)[1, 2, 5, 8]和資料分析[3, 6, 7]，物理模型試驗(yàn)受到場(chǎng)地、資金、周期等條件的天然限制，一般都研究特定因素的影響，如整治工程的影響，并且對(duì)河道地形有一定程度的簡(jiǎn)化；歷史資料分析一般都只能給出定性的預(yù)測(cè)分析，因此需要通過(guò)其他手段，如數(shù)學(xué)模型，展開進(jìn)一步研究。

基于此研究現(xiàn)狀，本文利用二維水沙數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)全面地研究了三峽水庫(kù)不同調(diào)蓄方式對(duì)枝城至楊家垴河段河床沖淤的影響，該研究結(jié)果對(duì)于充分發(fā)揮三峽水庫(kù)的綜合效益有著重要參考價(jià)值，并為治江決策提供科學(xué)技術(shù)支撐。

1 河道概況與水沙特性

枝城至楊家垴(大步街)河段全長(zhǎng)約70 km，位于上荊江進(jìn)口，上距宜昌60 km，處于三峽下游沙卵石河段中下段，其下游大步街以下為抗沖性較弱的砂質(zhì)河床。該河段主要由彎曲分汊和順直分汊河型組成，河段陳二口附近右岸有松滋口分流，以昌門溪為界，分為枝城--昌門溪河段和枝江--江口河段，河勢(shì)見圖1。

圖1 枝城-楊家垴河段近期河勢(shì)圖

研究河段徑流和泥沙主要來(lái)自宜昌以上的長(zhǎng)江干、支流。同時(shí)受荊江松滋口分流入洞庭湖。三峽工程于2003年5月25日開始預(yù)蓄水，2009年汛后按照國(guó)務(wù)院《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案》運(yùn)行。三峽水庫(kù)蓄水后，2003-2008年壩下游宜昌、枝城、沙市站水量較蓄水前偏枯5%～10%；2009-2013年，長(zhǎng)江上游來(lái)水略有偏少，壩下游各主要水文站年均徑流量分別為3 934、4 074、3 717 m3。而蓄水后壩下游輸沙量銳減，2009-2013年，三峽水庫(kù)上游來(lái)沙量減小明顯，加之三峽水庫(kù)攔截了長(zhǎng)江上游來(lái)沙的80.4%(2003-2008年為70.6%)，各站年均輸沙量分別為0.29、0.34、0.44 億t，較蓄水前減小幅度為94%～90%。

2 模型建立與驗(yàn)證

在分析水沙特性及河床演變特征的基礎(chǔ)上，本文采用二維水沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析，模型基本控制方程與數(shù)值解法參考李義天等[9]。采用枝城至楊家垴河段河道，流量為2.8 萬(wàn)m3/s的條件下，水流和泥沙沖淤過(guò)程對(duì)二維水沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證表明，計(jì)算水位(圖3)、1號(hào)斷面流速分布(圖4，其他斷面流速分布略)，以及河段沖淤變化與實(shí)測(cè)值吻合良好。以上結(jié)果說(shuō)明應(yīng)用二維水沙數(shù)學(xué)模型研究不同調(diào)蓄方式對(duì)枝城至楊家垴河段的沖淤影響是合適的。

圖2 枝城-楊家垴河段測(cè)流斷面布置圖

圖3 沿程水位驗(yàn)證圖

圖4 1號(hào)斷面流速驗(yàn)證圖 (Q=2.8 萬(wàn)m3/s)

圖5 計(jì)算和實(shí)測(cè)沖淤分布圖

3 三峽水庫(kù)不同調(diào)蓄方式對(duì)河道沖淤的影響

3.1 計(jì)算工況簡(jiǎn)介

三峽水庫(kù)自2003年6月首次蓄水水位達(dá)135 m以來(lái)，削減洪峰流量，攔截上游來(lái)沙，下泄清水或低含沙量水流沖刷下游河道，長(zhǎng)江中下游挾沙水流長(zhǎng)期處于非飽和狀態(tài)，中下游河道不可避免經(jīng)歷長(zhǎng)期的河床沖刷[10]，將嚴(yán)重影響中下游河道的河床演變[11]，尤其是清水沖刷江心洲洲體，引起洲體面積的減小與整體蝕退，嚴(yán)重影響河槽穩(wěn)定，對(duì)于河道發(fā)育產(chǎn)生顯著的影響。另外，在保證防洪安全的前提下，為充分利用洪水資源，實(shí)施中小洪水調(diào)度，成為了如何優(yōu)化三峽水庫(kù)調(diào)度的熱點(diǎn)問題，但是中小洪水調(diào)度方式對(duì)洲灘發(fā)育的影響仍然有待研究。

基于以上背景，考慮了5種計(jì)算工況(表1)。具體而言，計(jì)算工況1和2對(duì)比了有無(wú)水庫(kù)條件下河段沖淤變化，其中水沙邊界條件分別選取了經(jīng)現(xiàn)行調(diào)度方式調(diào)蓄后的2003-2012年實(shí)測(cè)水沙系列，以及經(jīng)水沙還原后的2003-2012年無(wú)水庫(kù)調(diào)度水沙系列，泥沙顆粒級(jí)配按近年來(lái)實(shí)際變化處理，具體的上游邊界處水沙條件、下游邊界處水位流量關(guān)系見圖6-圖8，同時(shí)表2總結(jié)了有無(wú)水庫(kù)條件下枝城站各流量級(jí)持續(xù)時(shí)間變化。計(jì)算工況3、4和5對(duì)比分析了不同的中小洪水調(diào)度方式對(duì)目標(biāo)河段河道沖淤變化的影響，即選取了三峽水庫(kù)下泄流量分別為4.0、4.5、5.5 萬(wàn)m3/s 時(shí)的3種情況，水沙邊界條件考慮了經(jīng)過(guò)控制性水庫(kù)的運(yùn)用并經(jīng)不同調(diào)度方式調(diào)蓄后的2009-2013年水沙過(guò)程，上游邊界處流量過(guò)程及流量含沙量關(guān)系如圖9、10所示，下游邊界處的流量過(guò)程采用宜昌站考慮清江入?yún)R修正后流量。5種計(jì)算工況的初始地形均為2014年12月實(shí)測(cè)河道地形。

表1 計(jì)算工況總結(jié)

圖6 來(lái)流過(guò)程圖

圖7 含沙量過(guò)程圖

工況Q<1.2萬(wàn)m3/s1.2萬(wàn)m3/s2.9萬(wàn)m3/s無(wú)水庫(kù)21311438有水庫(kù)22211924

圖8 下游邊界處水位流量相關(guān)關(guān)系圖

圖9 不同中小洪水調(diào)度方式下上游邊界處進(jìn)口流量(計(jì)算工況3、4、5)

3.2 現(xiàn)行調(diào)度方式對(duì)河段沖淤變化的影響

表3為枝城-楊家垴河段計(jì)算累積沖淤量。結(jié)果表明，無(wú)水庫(kù)條件下，河床變形以全局沖刷為主，枝城至昌門溪，10年內(nèi)總的沖刷強(qiáng)度為 66.3 萬(wàn)m3/km，昌門溪以下河段，在10年末整體沖刷強(qiáng)度為69.4 萬(wàn)m3/km；而現(xiàn)行調(diào)度方式調(diào)蓄下，研究

圖10 上游邊界處進(jìn)口流量與含沙量關(guān)系(計(jì)算工況3、4、5)

河段雖然也以沖刷為主，但由于上游來(lái)沙大幅減少，沖刷強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)水庫(kù)條件。枝城至昌門溪，10年內(nèi)總的沖刷強(qiáng)度為92.8 萬(wàn)m3/km，昌門溪以下河段，在10年末整體沖刷強(qiáng)度為88.8 萬(wàn)m3/km。同時(shí)，從表中可知，沖刷量隨時(shí)間的發(fā)展呈現(xiàn)出前期較大，后期減小的趨勢(shì)，80%以上的沖刷量發(fā)生在前6年，在10年末沖淤變幅不大。基于計(jì)算結(jié)果，預(yù)計(jì)10年末河道地形接近沖刷極限地形，研究河段在十年內(nèi)將沖刷變幅不大，河道將基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11顯示了模型計(jì)算的有無(wú)水庫(kù)兩種工況下沿程累積沖淤厚度分布情況。定性而言，現(xiàn)行調(diào)度方式下，研究河段主要沖刷沿程分布與無(wú)水庫(kù)調(diào)度基本一致。無(wú)水庫(kù)調(diào)度下[圖11(a)])，對(duì)于灘槽變化，由于上游來(lái)沙相對(duì)較大，年均含沙量達(dá)0.5 kg/m3，且洪水持續(xù)時(shí)間相對(duì)較多(表2)，除了局部洲灘呈現(xiàn)出小幅淤積，如關(guān)洲洲體等，大部分洲灘主要以沖刷為主；對(duì)于汊道變化，除了關(guān)洲左汊沖刷幅度較大，大部分汊道都基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。按照現(xiàn)行調(diào)度方式[圖11(b)]，研究河段的沖淤性質(zhì)并未發(fā)生根本性改變，但較無(wú)水庫(kù)條件下，洲灘整體呈現(xiàn)出萎縮態(tài)勢(shì)，如關(guān)洲洲體、關(guān)洲左汊邊灘、蘆家河磧壩頭部及左側(cè)、柳條洲中下部及江口老洲等，主要原因是河段來(lái)沙大幅減少，導(dǎo)致沖刷幅度顯著增加。此外，關(guān)洲左汊也呈現(xiàn)出沖刷發(fā)育的態(tài)勢(shì)，主要原因是三峽水庫(kù)調(diào)蓄方式也改變了下游的流量過(guò)程，使得與左汊沖刷密切相關(guān)的中水流量持續(xù)時(shí)間增加(表2)，但是，總體而言，其他汊道仍基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 枝城-楊家垴河段計(jì)算累積沖淤量

圖11 2003-2012 年系列計(jì)算沖淤分布圖

3.3 中小洪水調(diào)度對(duì)河道發(fā)育的影響

表5 和6 分別對(duì)比了三種調(diào)度方式下，心灘和主要邊灘形態(tài)特征的變化。定性而言，研究河段整體仍均處于沖刷狀態(tài)，河道演變趨勢(shì)定性上相似，即灘、槽總體均表現(xiàn)為沖刷，其中以灘地沖刷為主、河槽沖刷則相對(duì)較??；洲灘的沖刷部位主要集中于有一定可沖性的蘆家河磧壩壩頭、柳條洲中下部、江口老洲及大步街出口位置等。定量而言，不同調(diào)度方式導(dǎo)致灘槽格局略有不同。

表5 三峽水庫(kù)不同調(diào)度方式下心灘形態(tài)特征變化表 m

注：最大灘寬按35 m等高線統(tǒng)計(jì)。

表6 三峽水庫(kù)不同調(diào)度方式下主要邊灘形態(tài)特征變化表 m

注：最大灘寬按30 m等高線統(tǒng)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江中游枝城-楊家垴河段發(fā)生了自上而下的劇烈沖刷，但是現(xiàn)有的研究都具有一定的局限性。本文利用二維水沙數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)全面地研究了三峽水庫(kù)不同調(diào)蓄方式對(duì)枝城至楊家垴河段河床沖淤的影響，主要結(jié)論如下：

(1)應(yīng)用二維水沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)枝城至楊家垴河段河道水流和河道沖淤過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，計(jì)算的水位、斷面流速分布以及河段沖淤變化與實(shí)測(cè)值吻合良好。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用二維水沙數(shù)學(xué)模型研究不同調(diào)蓄方式對(duì)枝城至楊家垴河段的沖淤影響是合適的。

(2)計(jì)算結(jié)果表明，在現(xiàn)行調(diào)度方式調(diào)蓄下，研究河段的河床變形以全局沖刷為主，由于上游來(lái)沙大幅減少，沖刷強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)水庫(kù)條件；河道沖刷量隨時(shí)間的發(fā)展呈現(xiàn)出前期較大，后期減小的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)10年末河道地形接近沖刷極限地形，河道將基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)在三峽水庫(kù)采用不同中小洪水調(diào)度方式的情況下，研究河段整體均處于沖刷狀態(tài)，河道演變的趨勢(shì)定性上一致，僅在定量略有差異。

□

[1] 陳 立, 謝葆玲, 崔承章,等. 對(duì)長(zhǎng)江蘆家河淺灘段演變特性的新認(rèn)識(shí)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2000,11(3):241-246.

[2] 羅 優(yōu), 陳 立, 周銀軍. 三峽蓄水后蘆家河河段演變分析[J]. 水運(yùn)工程, 2009,(12):154-158.

[3] 彭嚴(yán)波，陽(yáng)華芳，姚遠(yuǎn)霞. 關(guān)洲汊道、松滋口與蘆家河淺灘演變關(guān)系研究[C]∥中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)水文泥沙專業(yè)委員會(huì). 第四屆學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集, 2003:470-474.

[4] 陸永軍. 荊江重點(diǎn)淺灘現(xiàn)狀整治的二維動(dòng)床數(shù)學(xué)模型研究-模型的應(yīng)用[J]. 水道港口, 1997,(1):25-33.

[5] 陳義武. 河道整治研究-蘆家河淺灘河段整治工程泥沙實(shí)體模型試驗(yàn)研究[G]∥長(zhǎng)江年鑒2005. 武漢: 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江年鑒社, 2006.

[6] 楊麗芳，黃 偉，付中敏,等. 長(zhǎng)江中游枝江-江口河段河床演變與航道整治思路[J]. 水運(yùn)工程, 2012,10(471):24-29.

[7] 李 彪，付中敏，潘美元,等. 長(zhǎng)江中游河段航道整治一期工程效果分析[J]. 水運(yùn)工程, 2014,7(493):119-123.

[8] 劉懷漢，茆長(zhǎng)勝，李 彪. 長(zhǎng)江中游枝江-江口河段敏感性試驗(yàn)及整治思路探討[J]. 水運(yùn)工程, 2009,11(434):153-158.

[9] 李義天, 趙明登, 曹志芳. 河道平面二維水沙數(shù)學(xué)模型[M]. 中國(guó)水利水電出版社, 2001.

[10] 韓其為, 何明民. 三峽水庫(kù)修建后下游長(zhǎng)江沖刷及其對(duì)防洪的影響[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1995,50(3):34-46.

[11] 許全喜, 袁 昌, 伍文俊, 等. 三峽工程蓄水運(yùn)用后長(zhǎng)江中游河道演變初步研究[J]. 泥沙研究, 2001,(2):38-46.