伍文俊

（長江航道局，武漢430010）

三峽水庫蓄水以來關(guān)洲汊道形態(tài)調(diào)整效應(yīng)的數(shù)值模擬

伍文俊

（長江航道局，武漢430010）

為明晰三峽水庫蓄水后關(guān)洲汊道形態(tài)調(diào)整對航道條件的影響，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，研究了關(guān)洲汊道地形變化與水流運(yùn)動特征及枯水位的關(guān)系。結(jié)果表明：關(guān)洲汊道左汊沖刷發(fā)展引起分流比調(diào)整，減弱了其對枯水位的控制作用，下游河道沖刷引起的水位降幅向上游傳遞作用增強(qiáng)；關(guān)洲汊道左汊沖刷還導(dǎo)致其下游蘆家河汊道進(jìn)口斷面流速左減右增，增加了鴛鴦港邊灘淤積及蘆家河石泓的沖刷動力條件，不利于蘆家河水道航道條件。為了維護(hù)上游枯水位的穩(wěn)定并保證下游淺灘沖刷動力，應(yīng)對關(guān)洲汊道進(jìn)行守護(hù)，對分流比進(jìn)行控制。

關(guān)洲汊道；形態(tài)調(diào)整；數(shù)值模擬；枯水位

關(guān)洲汊道位于長江中游荊江河段進(jìn)口，上距宜昌站約60 km，受三峽水庫清水下泄影響，河床沖刷嚴(yán)重，其沖刷調(diào)整不僅關(guān)系到壩下游沙卵石河段枯水位的維持，而且與下游蘆家河水道淤沙淺灘形態(tài)密切相關(guān)［1-2］，對長江中游航道建設(shè)有重要影響。

三峽水庫蓄水以來，多位學(xué)者基于實(shí)測資料對關(guān)洲汊道的沖淤調(diào)整特性進(jìn)行了分析，普遍認(rèn)為關(guān)洲汊道受主流年內(nèi)擺動及河床組成平面不均的制約，左汊沖刷強(qiáng)度顯著大于右汊，分流比增加近15％，過水面積擴(kuò)大引起枯水位下降，水道出口枯水主流位置向左偏移［3-6］。但這些成果多是基于實(shí)測資料分析的河道調(diào)整綜合作用定性研究，將上下游河勢調(diào)整等因素交織在一起，對于關(guān)洲汊道形態(tài)調(diào)整的獨(dú)立效應(yīng)缺乏針對性分析，如關(guān)洲汊道調(diào)整對水流特征、下游蘆家河淺灘沖淤動力的影響程度如何，對河道上游枯水位變化有何作用，關(guān)系到航道治理對策等實(shí)際問題，需要專門開展研究。

為此，本文根據(jù)關(guān)洲汊道不同時期地形資料，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了多種概化數(shù)值試驗(yàn)方案，計(jì)算分析了關(guān)洲汊道形態(tài)調(diào)整對上下游水流條件的影響效應(yīng)，以期為該水道治理提供參考。

1河道概況

關(guān)洲汊道自枝城水文站至陳二口，長約16 km，上距葛洲壩和三峽壩址分別約60 km和100 km，下接松滋口及礙航問題突出的蘆家河水道，其為雙股微彎分汊河型，左汊習(xí)稱關(guān)洲夾，右汊為常年主航道。關(guān)洲汊道床面組成平面分布極不均勻，左汊內(nèi)邊灘及洲體表層由大量中細(xì)沙覆蓋，而右汊主要為礫卵石夾沙。關(guān)洲水道兩汊水沙分配隨來流漲落而變化，其中洪水期主流通過左汊下泄，即關(guān)洲夾成為主汊，中、枯水主流從右汊下泄，以分流比50％作為主流在左右汊轉(zhuǎn)移的判別指標(biāo)，則左右汊發(fā)生主支地位變化的臨界流量為20 000 m3/s，為典型年內(nèi)交替型汊道，兩汊內(nèi)水流沖刷動力差異較大（圖1）。

三峽水庫蓄水前，受下荊江裁彎溯源沖刷和葛洲壩水庫蓄水影響，關(guān)洲汊道有所沖刷，左汊進(jìn)口展寬、出口下切，同濟(jì)垸邊灘面積不斷萎縮；右汊深泓則較為穩(wěn)定；洲頂串溝位置擺動不定，心灘和串溝高程均有所降低。但總體來看，關(guān)洲水道分匯流的相對態(tài)勢以及兩汊深泓的基本走勢均變化不大，左汊及洲體表層仍有大量可沖泥沙。

三峽水庫蓄水后，枝城水文站輸沙量減少近90％，幾乎為清水下泄［7］，關(guān)洲汊道沖刷劇烈，2003～2012年枯水河槽沖刷約4 300萬m3，平均厚度為2.22 m。但受河床組成左細(xì)右粗的制約，河床沖刷以左汊為主，從汊道中部典型斷面的變化來看（圖2），左汊最大沖深近8 m，而右汊變化甚小；從兩汊深泓高程變化來看（圖3），自2003年～2012年，關(guān)洲水道左汊深泓降低主要發(fā)生于進(jìn)口以下，高程降幅達(dá)10 m以上，而右汊深泓變幅相對較小，僅右汊出口臨近陳二口深槽附近略有下降。雖然由于河床粗化及關(guān)洲左汊進(jìn)口控制作用，枝城水文站的枯期水位降幅僅為0.21 m，但由于河道形態(tài)這種不均勻變形引起關(guān)洲汊道內(nèi)左汊分流比增加近15％（表1），若關(guān)洲左汊進(jìn)口再發(fā)生沖刷降低，則該水道可能發(fā)生主支汊的地位轉(zhuǎn)換，對于上下游水動力條件、枯水位影響可能更加明顯。

圖1 關(guān)洲汊道示意圖Fig.1 Sketch of Guanzhou reach

圖2 GZ2#斷面（關(guān)洲汊道中部）沖淤變化圖Fig.2 Erosion and deposition variation of GZ2#

圖3 關(guān)洲水道左右汊深泓變化Fig.3 Thalweg evolution of Guanzhou reach

表1 關(guān)洲汊道分流比變化Tab.1 Variation diversion ratio

2研究方法

主要采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對關(guān)洲汊道調(diào)整的效應(yīng)進(jìn)行研究，為反映汊道調(diào)整對下游蘆家河水道的影響，將模型范圍定為枝城水文站至昌門溪，中間包括淞滋口分流，共24 km。模型的建立、驗(yàn)證及計(jì)算條件如下所述。

2.1模型的建立

模型采用貼體正交曲線網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格400×100個，其基本方程如下

水流連續(xù)方程

ξ方向動量方程

η方向動量方程

式中：ξ、η分別表示正交曲線坐標(biāo)系中2個正交曲線坐標(biāo)；u、v分別表示沿ξ、η方向的流速；h表示水深；H表示水位；f表示科氏系數(shù)；νt表示紊動粘性系數(shù)；Cξ、Cη表示正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)

σξξ、σξη、σηξ、σηη表示紊動應(yīng)力

微分方程的數(shù)值離散采用有限體積法（控制容積法），同時為避免產(chǎn)生鋸齒狀流速場和壓力場，流速分量u，v在交錯網(wǎng)格系統(tǒng)的各自控制體中求解，而壓強(qiáng)p在主控制體中求解。計(jì)算程式采用Pantankar壓力校正法原理。

河段進(jìn)口邊界給定流量過程。進(jìn)口斷面的流速橫向分布采用以下公式計(jì)算

式中：h為第i個網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)處的水深，Q為斷面流量，B為斷面河寬，A為斷面面積。采用上式計(jì)算出流速以后再次進(jìn)行總流量的校正。對于河道兩岸的邊界則采用水流無滑動條件，即岸邊流速為零。河段出口邊界采用水尺觀測水位，松滋口分流采用枝城水位～松滋口分流量關(guān)系確定。

2.2模型的驗(yàn)證

模型以2012年11月地形為基礎(chǔ)，以2010年以來的實(shí)測水流資料在定床數(shù)學(xué)模型上對糙率等參數(shù)進(jìn)行率定。從沿程水位、流速分布、分流比等方面的驗(yàn)證結(jié)果來看，水位誤差多在±0.03 m以內(nèi)，斷面流速分布情況也與實(shí)測值總體符合較好，偏差基本在0.15 m/s以內(nèi)，計(jì)算分流比與實(shí)測值最大差值為2％，計(jì)算值的變化趨勢與絕對值與實(shí)測值基本一致，因此，所建立的模型可以用于汊道調(diào)整效應(yīng)的研究。

圖4 模型驗(yàn)證結(jié)果圖Fig.4 Verification by the model

2.3計(jì)算條件

為研究河道形態(tài)的實(shí)際調(diào)整對水流運(yùn)動特性的影響，以2003與2012年（11月）實(shí)測地形分別代表蓄水前及蓄水后計(jì)算地形，保持模型參數(shù)不變，僅改變關(guān)洲汊道地形以對比河道內(nèi)沿程水面線、比降、分流比等變化特點(diǎn)。

表2 計(jì)算流量及結(jié)果指標(biāo)Tab.2 Calculated flow and evaluation index

在不同地形數(shù)值試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過人為改變左汊河道地形來開展概化數(shù)值試驗(yàn)，研究地形調(diào)整對枝城水文站枯水位的影響，包括兩種方法，一是在2012年地形基礎(chǔ)上將左汊地形恢復(fù)至2003年水平，二是將蓄水以來變化不大的左汊進(jìn)口降低為不同高程。同時為了研究地形變化對下游水位降幅向上游傳遞的限制作用，通過調(diào)整地形及下游水位的方法模擬了不同地形下陳二口水位降幅與枝城水文站降幅的關(guān)系。

計(jì)算流量選取包括洪、中、枯在內(nèi)共8級流量（表2）進(jìn)行計(jì)算，其中包括最小流量、多年平均流量、平灘流量在內(nèi)的多個特征流量級，同時插補(bǔ)了多個流量級，以全面反映水流的運(yùn)動特性。計(jì)算指標(biāo)為河道水位、平面流速分布、分流比等。

3汊道調(diào)整對水流運(yùn)動特征的影響

圖5為關(guān)洲左汊2012年11月地形條件下相對于2003年地形各級流量的分流比增加幅度。與2003年相比，2012年11月的各流量下分流比均有不同程度的增大，且呈現(xiàn)拋物線狀分布。關(guān)洲左汊在15 000～20 000 m3/s流量附近分流比增大最大，達(dá)到14％，而枯水由于左汊口門高程較高，分流比僅增大3％，流量在50 000 m3/s時分流比增大6.8％左右，地形變化對分流比的影響在流量介于10 000～20 000 m3/s的范圍內(nèi)為最大，高水及枯水的分流比增大值遠(yuǎn)小于中水，毫無疑問該范圍流量的水流動力特性在蓄水后也發(fā)生了相對較大的變化。關(guān)洲汊道調(diào)整對蘆家河分流比略有影響，流量為15 000 m3/s、50 000 m3/s時，蘆家河沙泓分流比均減小1％左右，不利于沙泓的航道條件。

圖5 關(guān)洲左汊各級流量下分流比增加值Fig.5 Diversion ratio′s increase in the left branch

圖6 關(guān)洲頭部斷面流速分布變化（1 5000 m3/s）Fig.6 Velocity variation of the head cross section（15 000 m3/s）

圖7 關(guān)洲汊道調(diào)整后陳二口斷面流速分布變化Fig.7 Sectional velocity distribution in Chenerkou after the adjustment of Guanzhou

圖8 關(guān)洲汊道調(diào)整后鴛鴦港邊灘下部斷面流速分布變化（15 000 m3/s）（Q=5 600 m3/s）Fig.8 Sectional velocity distribution in Yuanyanggang bench after the adjustment of Guanzhou（15 000 m3/s）

圖9 恢復(fù)分流比前后的右汊內(nèi)沿程水位（5 600 m3/s）Fig.9 Water level along the right branch

圖6關(guān)洲頭部的流速分布來看，左汊最大流速增大近1m/s，與左汊進(jìn)口變形小，縱向比降較大相對應(yīng)，這也說明了左汊的水動力條件有大幅度增加，該位置存在被沖刷的動力條件。圖7為關(guān)洲汊道出口陳二口（蘆家河分汊放寬段進(jìn)口）的流速分布圖，可以看出，流量在15 000 m3/s時，關(guān)洲左汊分流比減小后，陳二口斷面流速左減右增，主槽內(nèi)水流動力增強(qiáng)，流量在40 000 m3/s時的陳二口斷面流速分布變化趨勢與小流量時一致，只是幅度略小，反映了河床形態(tài)對大流量下水流動力控制作用的減弱。以上計(jì)算結(jié)果說明，關(guān)洲左汊分流比減小會使陳二口斷面處主流更加集中，對下游河道的水流運(yùn)動影響較大，需要特別注意。

圖8為相應(yīng)陳二口斷面流速分布變化后鴛鴦港邊灘下部斷面流速變化，該位置流速變化趨勢與陳二口一致，但幅度減小。在15 000 m3/s流量時引起右側(cè)流速增大0.3 m/s，而引起鴛鴦港邊灘處的右側(cè)流速增大0.1 m/s；流量在40 000 m3/s時，這種流速增大值沿程衰減的趨勢也明顯存在。因此，隨著陳二口斷面處主流集中于深槽，蘆家河汊道進(jìn)口段內(nèi)的斷面流速分布左減右增，雖然幅度沿程遞減，但鴛鴦港邊灘處的水流動力條件仍然受到影響，這種變化有利于鴛鴦港邊灘的淤積及蘆家河石泓的沖刷。

4汊道調(diào)整對枯水位的影響

分別采用2003年和2012年地形和尾門水位，計(jì)算了2003年與2012年的右汊一側(cè)水面線，作為對比，在2012年地形基礎(chǔ)上將左汊地形恢復(fù)至2003年水平，計(jì)算了改變地形后的水面線。由圖9可見，在2012年的地形及糙率條件下，若能將左汊高程恢復(fù)至2003年的水平，陳二口水位下降0.26 m，枝城水位下降0.09 m。由此可見，2003年以后枝城水位的下降，關(guān)洲左汊發(fā)展是主要原因之一。

2003年以來，關(guān)洲左汊自尾部而上不斷發(fā)生溯源沖刷，至2012年左右僅余左汊口門約470 m的范圍高程在32～35 m，汊道內(nèi)部高程僅22～23 m，在左汊口門附近形成8/100的陡坡，若該位置繼續(xù)發(fā)生沖刷，勢必造成左汊分流比進(jìn)一步增大和水位進(jìn)一步下降。分別將左汊進(jìn)口高程降低為不同高程，考察地形變化引起的分流比調(diào)整和水位變化如圖10。由計(jì)算結(jié)果可見，即使陳二口水位保持不變，左汊口門降低后，左汊分流比迅速增大，枝城水位明顯下降。當(dāng)左汊口門高程降至32 m，左汊分流比將超過右汊而成為枯期主汊，當(dāng)左汊口門高程降至接近汊道內(nèi)部高程的24 m，造成的枝城水位降幅達(dá)0.3 m。

圖10 左汊口門高程改變前后分流比調(diào)整及枝城水位降幅Fig.10 Adjustment of diversion ratio and the decrease of Zhicheng′water level

圖11中，考察了左汊進(jìn)口不同高程情況下，關(guān)洲汊道對水位的控制作用的變化。在當(dāng)前地形下，陳二口水位下降0.3 m，則枝城水位下降0.14 m，兩者比例約1：0.5；當(dāng)左汊進(jìn)口降至25 m高程，陳二口水位下降0.3 m，枝城水位下降0.26 m，兩者比例約1：0.9。由此可見，若關(guān)洲左汊進(jìn)口高程進(jìn)一步?jīng)_刷降低，則關(guān)洲汊道對水位控制作用將急劇減弱甚至消失。

圖11 左汊口門高程改變后的右汊內(nèi)沿程水位（5 600 m3/s流量）Fig.11 Water level along the right branch

從以上數(shù)值試驗(yàn)可知，枝城水位下降的主要原因是陳二口水位下降與關(guān)洲左汊的發(fā)展，以左汊分流比增加為標(biāo)志的關(guān)洲支汊發(fā)展是影響水位的重要因素，它不僅直接改變上游水位，而且還制約下游水位降幅的向上傳遞：若左汊分流比小，則陳二口水位下降對上游水位影響小，若左汊分流比大，則陳二口水位下降對上游水位影響大。因此為了維護(hù)上游水位的穩(wěn)定，應(yīng)對關(guān)洲左汊的分流比進(jìn)行控制。

5結(jié)論

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型開展數(shù)值試驗(yàn)，對關(guān)洲汊道調(diào)整對上下游水流運(yùn)動特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)論如下：（1）關(guān)洲汊道左汊發(fā)展導(dǎo)致蘆家河汊道進(jìn)口段的斷面流速分布左減右增，雖然幅度沿程遞減，但鴛鴦港邊灘處的水流動力條件仍然受到影響，這種變化有利于鴛鴦港邊灘的淤積及蘆家河石泓的沖刷，不利于下游蘆家河水道的航道條件維持。（2）若左汊分流比小，則陳二口水位下降對上游水位影響小，若左汊分流比增大，則陳二口水位下降對上游水位影響大，左汊繼續(xù)發(fā)展將引起上游枯水位的降低，不利于沙卵石河段的航道水深。（3）為了維護(hù)上游水位的穩(wěn)定，并保證下游淺灘汛后及枯期沖淤動力，應(yīng)對關(guān)洲左汊進(jìn)行守護(hù)，對分流比進(jìn)行控制。

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Numerical modelling of effects of channel morphology′s adjustment in Guanzhou inlet after impoundment of the Three Gorge Reservoir

WU Wen?jun
（Changjiang Waterway Bureau,Wuhan 430010,China）

In order to investigate the effects of channel morphology adjustment on waterway condition in Guan?zhou reach after the impoundment of the Three Gorge Reservoir,2D hydrodynamic numerical model was used to study the relationship between the changes of topography and hydraulic characteristics at low water periods.The re?sults show that the scouring of the left branch arouses the adjustment of diversion ratio,weakens the controlling ef?fects on the low flow water level and enhances the upstream transmission of the water level drop caused by the ero?sion of downstream reach.The scouring of the left branch also leads to the change of the cross section velocity at en?trance of Lujiahe reach.The velocity of the left branch reduces and the right increases.The changes of flow condi?tions cause deposition in Yuanyang sand bar and erosion in right branch of Lujiahe reach,which are harmful to the waterway conditions of Lujiahe reach.To maintain a stable water level in the upstream and ensure the scouring dy?namic conditions of the downstream shoals,the Guanzhou reach should be protected and the water diversion ratio be?tween the two branches should be controlled.

Guanzhou branch;adjustment of topography;2D numerical model;the low flow water level

U 617；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0426-06

2016-04-11；

2016-06-17

伍文俊（1973-），男，湖北省鐘祥人，高級工程師，主要從事航道整治前期工作。

Biography：WU Wen?jun（1973-），male，associate professor.