孫光寶，劉紅奎，李宗駿

（1.長江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434099；2.湖北省襄陽市水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441003）

本文研究河段上起沙市鹽卡港（荊46 斷面）下迄新廠（荊82 斷面），長度約66 km，整體位于上荊江下段沙市至藕池口，流經(jīng)荊州市沙市區(qū)，公安縣和江陵縣，為微彎分汊型河道。擬實(shí)施清淤項(xiàng)目位于長江柳林洲-新廠河段左岸，河段為沙質(zhì)河床，具有二元結(jié)構(gòu)特征，主流線擺動(dòng)幅度較大，河岸主要由厚層黏土組成，且受到兩岸護(hù)岸工程保護(hù)，多年來工程河段岸線較為穩(wěn)定[1]。

自三峽工程建成以后，荊江水沙條件發(fā)生了較大的變化[2]，加之長江航道部門實(shí)施筑壩攔洪，主泓南移工程后，北岸泥沙淤塞嚴(yán)重等因素影響，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)顏家臺泵站、耀興電灌、普濟(jì)中心水廠取水口無法正常取水。因轄區(qū)內(nèi)種養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化及《荊州市四湖總干渠污染防治三年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020 年）》的要求，為確保四湖總干渠流域內(nèi)河水水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后農(nóng)業(yè)常態(tài)化用水需求，需對灌區(qū)內(nèi)水系常年進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。因此，需對顏家臺泵站、耀興電灌、普濟(jì)中心水廠取水口開展清淤。

1 水動(dòng)力模型構(gòu)建與驗(yàn)證

在水動(dòng)力模型構(gòu)建中，首先要考慮平面尺度與垂直尺度的相對關(guān)系，本文所選取的長江柳林州—新廠河段為典型的大江大河天然河道，平面尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，故可構(gòu)建水動(dòng)力二維模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算求解[3]。為準(zhǔn)確評估取水口清淤對河道演變的實(shí)際影響，基于研究區(qū)域河床演變趨勢初步判斷結(jié)果，以實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，通過對比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測成果，驗(yàn)證模型的適應(yīng)性，用于計(jì)算和分析工程實(shí)施后對河道水位、流速的實(shí)際影響。本文基于Mike21 構(gòu)建二維水動(dòng)力模型，分析工程河段的流速變化情況。本次選用Mike21 模型中的Hydrodynamic（HD）水動(dòng)力模塊，利用Saint-Venant 方程組描述二維非恒定流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和能量守恒的動(dòng)量方程組成，可模擬湖泊，河道的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用ADI 法求解。

河道地形大部采用2018 年10 月1∶10 000地形圖，研究區(qū)域局部地形采用2019 年7 月1∶2 000 地形圖。其中耀興電灌站段1∶2 000 地形圖2.3 km2，顏家臺閘段1∶2 000 地形圖3.2 km2，普濟(jì)中心水廠取水口段1∶2 000 地形圖3.8 km2。選取郝穴站基本水尺斷面和新廠水位站基本水尺斷面為水位觀測斷面；選取荊53、荊58 左汊、荊58 右汊為流量測驗(yàn)斷面。分別選取2019 年7 月24 日（26 600 m3/s）和7 月21 日的（21 000 m3/s）的資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證。經(jīng)試算率定并參照經(jīng)驗(yàn)值得本河段主槽的糙率取值范圍為0.017~0.020，灘地的糙率取值范圍為0.020~0.025。

表1 為各斷面水位計(jì)算值與2019 年7 月24 日實(shí)測值的差值統(tǒng)計(jì)表。結(jié)果表明兩者基本吻合，最大誤差在0.01 m 以內(nèi)。結(jié)果表明：所建模型可很好地描述各斷面情況。

表1 各斷面水位計(jì)算值與實(shí)測值對比統(tǒng)計(jì)表 m

以圖1 為例，計(jì)算河段率定流場圖及斷面流速分布率定及驗(yàn)證結(jié)果?？梢姸S數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得流場變化平順，灘、槽水流運(yùn)動(dòng)區(qū)分明顯；斷面流速計(jì)算值和實(shí)測值吻合較好，流速偏差在±0.1 m/s 以內(nèi)。

圖1 26 000 m3/s 流量下流速率定結(jié)果（荊53）

2019 年7 月24 日實(shí)測長江干流流量26 600 m3/s，突起洲左汊分流量7 300 m3/s，突起洲右汊分流量18 700 m3/s，差值600 m3/s，占干流流量的2.3%，在測驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)。實(shí)測和計(jì)算的汊道分流比結(jié)果見表2。

表2 汊道分流比實(shí)測值與計(jì)算值對比統(tǒng)計(jì)表

由表2 可知：干流與汊道流量測驗(yàn)時(shí)段內(nèi)郝穴水位站水位變幅0.01 m，水位過程與上游沙市站、下游新廠站相應(yīng)，水位變幅基本一致，符合恒定流模型要求。

綜合對比和分析結(jié)果，經(jīng)率定后平面二維數(shù)學(xué)模型可以較準(zhǔn)確地模擬本河段的水流運(yùn)動(dòng)特性，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測成果誤差較小，吻合較好，可用于計(jì)算和分析取水口清淤工程實(shí)施后對研究區(qū)域水位和流速的影響。

2 清淤方案對實(shí)際工程的影響

2.1 方案的選取

為了反映清淤疏浚對防洪、通航等的影響，基于3 個(gè)水文站（沙市水文站、郝穴水位站、新廠水文站）的資料選取了1998 年洪水、多年平均、枯水期、設(shè)計(jì)流量共四級流量進(jìn)行工程影響分析計(jì)算（見表3）?？紤]到1998 年洪水沙市站最高水位達(dá)45.22 m（凍結(jié)），故選取1998 年洪水期實(shí)測最高水位和最大流量作防洪設(shè)計(jì)水位和流量。計(jì)算河段下邊界在新廠站基本水尺斷面下游約3.4 km，下邊界控制水位用新廠站實(shí)測水位、河段比降推算。

表3 工程影響計(jì)算水流條件表

表3 中下邊界設(shè)計(jì)水位27.30 m 按郝穴、新廠兩站枯季比降推出。顏家臺閘站原設(shè)計(jì)水位為27.57 m，原設(shè)計(jì)流量5 500 m3/s，在設(shè)計(jì)初期是正確的。但河道經(jīng)幾十年的演變，特別是三峽水庫蓄水后河道沖刷下切，枯季水庫調(diào)蓄運(yùn)用下泄水量加大，枯水期同水位條件下河道流量加大較多，再用5 500 m3/s 作為設(shè)計(jì)流量不符合實(shí)際。因此，根據(jù)2018 年枯季郝穴站水位與沙市站流量關(guān)系推求出顏家臺閘設(shè)計(jì)流量為9 400 m3/s，枯季流量為2003—2018 年沙市站年最小流量平均值取整，下邊界水位為新廠站同期年最低水位平均值。

2.2 清淤工程概化

當(dāng)建筑物尺寸相對網(wǎng)格尺寸較小時(shí)，假定河底高程增加值所阻擋的流量與工程阻擋的流量相同，通過增加工程所在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的河底高程來反映工程的阻水影響；當(dāng)建筑物尺寸大于或與網(wǎng)格尺寸相當(dāng)時(shí)，可直接根據(jù)建筑物高度來修改相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的河底高程[4-5]。

假定垂線流速沿水深呈指數(shù)分布，則垂線上某點(diǎn)流速u 可表示為[6-7]：

式中：y為該點(diǎn)離床面距離，m；u0為y=h處水流表面流速，m/s；h為水深，m；指數(shù)m可取1/6。

令a為工程阻水增加的河底高程，b1、b2分別為工程阻水寬度和網(wǎng)格寬度，則工程阻擋的流量Q1和河底高程增加阻擋的流量Q2分別為：

由Q1=Q2可解出河底高程增加值。

2.3 不同方案下的模擬計(jì)算

2.3.1 原始清淤方案下模擬計(jì)算

利用構(gòu)建的水動(dòng)力平面二維模型計(jì)算了1998 年洪水、多年平均、枯水期、設(shè)計(jì)流量共四級流量工況下，3 個(gè)水利工程取水口清淤引起的水位和流速變化，清淤引起突起洲分流比變化，以及對岸坡穩(wěn)定影響的變化。

1）水位變化分析。在設(shè)計(jì)流量和多年平均流量工況下，3 個(gè)取水口清淤疏浚前后的水位變化見表4。由表4 可知，中洪水流量下清淤疏浚后，清淤區(qū)上游水位略有降低，清淤區(qū)下游局部水位略升高；枯水設(shè)計(jì)流量下疏浚區(qū)水位變化規(guī)律基本一致，但因工程前不過水，清淤疏浚后過水，受計(jì)算方法影響，清淤區(qū)顯示為水位降低。

表4 不同工況下清淤區(qū)域水位最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，耀興電灌站清淤疏浚后該區(qū)域水位變化較小，水位變化在0.2 cm，影響范圍主要位于工程區(qū)域上游約1 km 范圍內(nèi)；其中在枯水期文村夾左汊基本不過流，此時(shí)耀興電灌處無流量，因此無水位、流速變化。

顏家臺閘清淤疏浚后，在設(shè)計(jì)流量條件下清淤疏浚區(qū)尾端水位壅高，最大壅高值約為5.27 cm；清淤疏浚區(qū)上游局部水位下降，最大水位下降約3.86 cm。普濟(jì)中心水廠清淤疏浚后，水位最大壅高值約為6.85 cm，最大水位下降約4.91 cm。兩者在設(shè)計(jì)流量下水位變化影響區(qū)域較小，水位變化在0.2 cm 的影響范圍局限在清淤疏浚區(qū)上游600 m 至下游400 m 內(nèi)。兩者各自多年平均流量、設(shè)計(jì)流量和枯水期流量下的水位變化規(guī)律與設(shè)計(jì)流量條件下的變化規(guī)律基本一致。

2）流速變化分析。工程前后采樣點(diǎn)流速變化等值線及流速變化值見表5。

表5 不同計(jì)算方案下取水區(qū)域水位流速最大影響值

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可知，耀興電灌由于上下游筑有潛丁壩等航道整治建筑物，施工后該區(qū)域水位流速變化較小，流速變化在0.01 m/s 影響范圍主要位于工程區(qū)域上游約1 km 范圍內(nèi)。顏家臺閘清淤疏浚后，在設(shè)計(jì)流量條件下，清淤疏浚區(qū)上游和下游局部流速增大，流速最大增加值約為0.13 m/s，流速最大減小值0.16 m/s。普濟(jì)中心水廠流速最大增加值約為0.12 m/s，流速最大減小值0.16 m/s。這兩者多年平均流量下的流速變化規(guī)律與其各自設(shè)計(jì)洪流量條件下的變化規(guī)律基本一致，但流速變化值略有所變化?？菟诹髁肯露家蚴┕で昂哟膊贿^水、工程后河床過水，導(dǎo)致施工后清淤疏浚區(qū)域及附近區(qū)域流速變化較大。

3）突起洲分流比變化。各級流量下工程前后突起洲左右汊分流流量及分流比變化情況如表6所示。各級流量下，工程前后突起洲左右汊分流情況無明顯變化。入口流量為6 000 m3/s 時(shí)，突起洲左汊保持不過流狀態(tài)，主要從右汊過流。隨著入口流量增加，左汊分流比逐漸增加，右汊的分流比逐漸減小，工程過后，突起洲左右汊流量分流比變化較小，其中12 100 m3/s 時(shí)，工程對分流比影響最大，但此時(shí)分流量的變化只有個(gè)位數(shù)、分流比變化幅度仍較小。

表6 不同計(jì)算方案下突起洲分流比變化

4）清淤對岸坡穩(wěn)定影響分析。三大取水口距離上下游護(hù)岸工程至少有100 m 以上的距離，因此三大取水口清淤作業(yè)對護(hù)岸工程、取水工程和航道工程安全無不利影響，且清淤區(qū)底部處在近期床沙活動(dòng)層上部，清淤不會(huì)對岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

2.3.2 河流模擬計(jì)算

由前述的模擬結(jié)果可知，相距較遠(yuǎn)的3 個(gè)取水口清淤所引起的研究河段水文特征值的變化基本不會(huì)相互影響。為進(jìn)一步研究距離較近的取水口清淤對所在河段水文特征值所造成的累積影響效應(yīng)，假定顏家臺泵站沿長江河道下移3 km，下移后顏家臺泵站與普濟(jì)水廠取水口兩個(gè)清淤區(qū)之間相距不足1 km。在此假設(shè)背景下，選取多年平均流量工況重新對顏家臺泵站清淤后的河流進(jìn)行模擬計(jì)算，為進(jìn)一步探討兩個(gè)距離較近的取水口清淤所造成的疊加效應(yīng)提供對比方案。

1）水位變化分析。多年平均流量下清淤的水位變化見表7。由表7 可知：多年平均流量下，清淤疏浚工程實(shí)施后，清淤區(qū)上游水位略有降低，清淤區(qū)下游局部水位略升高。

表7 清淤區(qū)域水位最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，顏家臺閘下移3 km實(shí)施清淤疏浚后，在多年平均流量條件下，本次擬清淤疏浚區(qū)尾端水位壅高，最大壅高值約為3.87 cm；清淤疏浚區(qū)上游側(cè)局部水位下降，最大水位下降約2.54 cm。

2）流速變化分析。工程前后采樣點(diǎn)流速變化值見表8。

表8 不同計(jì)算方案下取水區(qū)域水位流速最大影響值

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可知，顏家臺泵站下移3 km 后實(shí)施清淤疏浚，在多年平均流量下，工程河段流速變化增加值最大為0.16 m/s，流速減小值最大0.22 m/s，流速變化0.1 m/s 范圍局限在清淤疏浚區(qū)上游800 m 至下游400 m，流速變化最大影響范圍均在清淤疏浚范圍附近。

2．3．3 顏家臺泵站下移后產(chǎn)生的疊加效應(yīng)

為了進(jìn)一步研究距離較近的水利工程取水口清淤對所在河段水文特征值所造成的疊加影響效應(yīng)，在上節(jié)假定的基礎(chǔ)下，仍選取多年平均流量的工況對顏家臺泵站清淤后的河流模擬計(jì)算，不同的是本節(jié)以下移的顏家臺泵站和普濟(jì)水廠取水口同時(shí)清淤所產(chǎn)生的相互影響，來研究兩個(gè)距離較近的取水口清淤所造成的疊加效應(yīng)。

1）水位影響疊加效應(yīng)。上述兩處水利工程取水口實(shí)施清淤后引起的水位變化見表9。由表9可知：多年平均流量下，清淤疏浚工程實(shí)施后，清淤區(qū)上游水位略有降低，清淤區(qū)下游局部水位略升高。

表9 顏家臺泵站（下移）和普濟(jì)水廠同時(shí)清淤水位最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，在多年平均流量條件下，上述兩個(gè)取水口同步清淤，造成水位最大壅高值4.15 cm，大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的水位壅高值（3.87 cm；2.56 cm），小于兩個(gè)取水口清淤造成的水位壅高值之和（4.15＜3.87+2.56）。與此同時(shí)，兩個(gè)取水口同步清淤，造成淤疏浚區(qū)上游側(cè)局部水位下降，最大水位下降約2.68 cm，大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的水位壅高值（2.54 cm；2.51 cm），小于兩個(gè)取水口清淤造成的水位下降值之和（2.68＜2.54+2.51）。由上述河流模擬計(jì)算分析可以看出，顏家臺泵站（下移）和普濟(jì)水廠清淤對清淤區(qū)在上下游引起的水位壅高和降低產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

2）流速變化分析。上述兩處取水口清淤后的引起的流速變化見表10。由表10 可知：清淤疏浚工程實(shí)施后，工程河段流速變化增加值最大為0.19 cm/s，流速減小值最大0.28 cm/s。

表10 不同計(jì)算方案下取水區(qū)域流速最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，在多年平均流量條件下，清淤疏浚區(qū)上游和下游局部流速增大，顏家臺泵站（下移）和普濟(jì)水廠取水口同步實(shí)施清淤后造成上游和下游局部流速最大增加值為0.19 m/s，大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的流速最大增加值（0.16 m/s；0.17 m/s），小于兩個(gè)取水口清淤造成的流速增加值之和（0.19＜0.16+0.17）。上述兩個(gè)取水口同步清淤，造成清淤疏浚前沿區(qū)域流速減小，最大流速減小值為0.28 m/s，減小值大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的水位壅高值（0.22 m/s；0.24 m/s），小于兩個(gè)取水口清淤造成的水位下降值之和（0.28＜0.22+0.24）。由上述河流模擬計(jì)算分析可以看出，顏家臺泵站（下移）和普濟(jì)水廠清淤對清淤區(qū)上游和下游局部地區(qū)以及清淤疏浚前沿區(qū)域引起的流速增大或減小產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

3 結(jié) 論

1）清淤工程實(shí)施后，局部過水?dāng)嗝婷娣e擴(kuò)大，無阻洪建筑物構(gòu)建，對局部行洪有利。清淤疏浚作業(yè)后，工程區(qū)域上下游附近水域的水位與流速變化幅度較小，且影響范圍局限在疏浚區(qū)及其上下游局部河段范圍。清淤施工不涉及堤身護(hù)護(hù)岸，對堤防不產(chǎn)生直接影響，不會(huì)引起崩岸或切灘等劇烈的河勢變化，對河勢穩(wěn)定沒有很大的影響，開挖區(qū)至護(hù)岸腳為近期堆積的中細(xì)沙，清淤對岸坡穩(wěn)定也不產(chǎn)生不利影響。

2）構(gòu)建了二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，利用2019年7 月24 日（26 600 m3/s）和2019 年7 月21 日（21 000 m3/s）流速和水位資料進(jìn)行模型率定和驗(yàn)證，得出的結(jié)果表明斷面流速計(jì)算值和實(shí)測值吻合較好，流速偏差在±0.1 m/s 以內(nèi)。

3）利用構(gòu)建的二維水動(dòng)力模型，得出結(jié)果表明，相鄰取水口同步清淤對河道水位和流速的影響大于其中任一取水口單獨(dú)清淤所產(chǎn)生的影響，但小于兩個(gè)取水口單獨(dú)清淤所產(chǎn)生影響的線性之和。