引江濟(jì)漢水環(huán)境補(bǔ)償工程取水口河工模型試驗(yàn)研究

張 慧,黎禮剛,谷利華

(長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所,武漢 430010)

1 概 述

引江濟(jì)漢水環(huán)境補(bǔ)償工程是一條引長(zhǎng)江水到漢江的特大型干渠,是南水北調(diào)中線一期工程的組成部分,該工程從長(zhǎng)江荊江河段引水至漢江興隆以下河段,渠道設(shè)計(jì)引水流量 350 m3/s,設(shè)計(jì)最大引水流量 500 m3/s,工程主要任務(wù)是減免中線工程調(diào)水后漢江興隆以下河段水量減小的不利影響,改善該河段的水環(huán)境和東荊河沿線的城鎮(zhèn)供水及農(nóng)業(yè)灌溉用水條件。

補(bǔ)償工程取水口河段上起長(zhǎng)江中游上荊江火箭洲進(jìn)口(荊 25),下迄新三八灘出口(荊 46),長(zhǎng)約40余km,由彎曲分汊的涴市河段和沙市河段組成。取水口渠首布置于南向的涴市河彎和北向的沙市河彎之間的順直過(guò)渡段左岸,上距沮漳河口約3.34km,引水渠進(jìn)口段全長(zhǎng)約4.0km。本文通過(guò)整體和局部河工模型試驗(yàn),重點(diǎn)研究三峽工程蓄水運(yùn)用后取水口河段河道演變對(duì)引水的影響和引水工程布置對(duì)該河段河勢(shì)、水位、流速流態(tài)等變化的影響,引水渠進(jìn)水閘消能、沉沙池沉沙和沉螺池阻螺效果等。

2 河工模型設(shè)計(jì)

整體河工模型分定床模型和動(dòng)床模型。根據(jù)試驗(yàn)研究任務(wù)及該河段的水沙條件,考慮到引水方案對(duì)上下游水文條件及河勢(shì)可能帶來(lái)的最大影響范圍,確定定床模型模擬范圍上起火箭洲進(jìn)口(荊25),下至楊二月磯(荊 47),長(zhǎng)約45km;動(dòng)床模型模擬范圍上起火箭洲尾,下至三八灘匯流口,其中有效測(cè)量范圍為馬羊洲進(jìn)口(斷面 CS320)至三八灘尾部(斷面 CS436),長(zhǎng)約26km,如圖1所示。

引水渠局部河工模型包括清水模型和渾水模型,模型試驗(yàn)范圍均為長(zhǎng)江進(jìn)口至引水渠進(jìn)口段末端附近,由閘前引水渠、進(jìn)水閘、沉沙池及滅螺池、提水泵站、泵站節(jié)制閘及其上下游渠道、荊江大堤防洪閘等組成,長(zhǎng)約3.1km,如圖2所示。

定床模型的設(shè)計(jì)相似條件主要包括幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似,動(dòng)床模型還包括泥沙運(yùn)動(dòng)相似,模型比尺見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)條件及模型驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)水沙條件

(1)整體河工模型。定床模型試驗(yàn)在上荊江安全流量、沙市河段造床流量、最高通航流量、最低通航流量等 4種水文條件下進(jìn)行,見(jiàn)表2。動(dòng)床模型試驗(yàn)進(jìn)出口控制條件采用宜昌至大通河段一維河床沖淤數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,即三峽工程蓄水運(yùn)用 20年(2003-2022年)的壩下游宜昌至大通河段長(zhǎng)距離計(jì)算成果,試驗(yàn)水位、流量、沙量及太平口分流等水沙條件均根據(jù)上述數(shù)模成果概化得到。由于系列年中第1年僅半年水沙條件,因此數(shù)模計(jì)算第2年為模型第1年,實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程為19年。

(2)局部河工模型。引水渠清水模型試驗(yàn)在設(shè)計(jì)最大引水流量、設(shè)計(jì)引水流量和最高引水位(消能設(shè)計(jì)控制工況)等 3種水文條件下進(jìn)行,見(jiàn)表3。根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算分析,三峽水庫(kù)蓄水后第1年(即2003年,實(shí)測(cè))和第50年(計(jì)算)的年平均含沙量為最大和次大,對(duì)工程的淤積影響較大。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?引水渠選擇三峽水庫(kù)蓄水后第1年(即2003年)和第50年為典型系列年進(jìn)行渾水模型試驗(yàn)。水位與含沙量選用三峽蓄水后第1年實(shí)測(cè)值與第50年計(jì)算值,流量采用設(shè)計(jì)水平年月旬流量進(jìn)行概化。

圖1 整體河工模型布置圖Fig.1 Layout of the integral river model

圖2 引水渠局部河工模型布置圖Fig.2 Partial river model of the diversion channel

表1 模型比尺匯總表Table 1 Scale relation of the model

表2 整體定床模型試驗(yàn)水文條件Table 2 Hydrological conditions of the test used for immovable riverbed of the whole model

表3 清水模型試驗(yàn)水文條件Table 3 Hydrologic conditions of the test in immovable riverbed model

3.2 模型驗(yàn)證

整體定床模型水面線、流速及分流比驗(yàn)證采用2003年水文實(shí)測(cè)資料。整體動(dòng)床模型驗(yàn)證初始地形采用 2002年10月天然實(shí)測(cè) 1/10 000水道地形圖制作,終結(jié)地形選用 2004年8月實(shí)測(cè)地形,在模型中施放 2002年10月至 2004年8月的天然水沙過(guò)程,以復(fù)演 2004年8月實(shí)測(cè)地形。局部河工模型進(jìn)行設(shè)計(jì)最大引水流量 500 m3/s、設(shè)計(jì)引水流量 350 m3/s和提水引水流量 430 m3/s三級(jí)流量的水面線驗(yàn)證試驗(yàn)。

模型驗(yàn)證試驗(yàn)表明,整體定床模型與原型在洪、中、枯三級(jí)流量下水面線最大偏差0.09 m,三八灘南北兩汊模型和原型分流比誤差 ±1.61%,模型各級(jí)流量下,各斷面主流位置,垂線平均流速分布及大小與原型基本一致,即水面線、流速分布和三八灘南北兩汊分流比等方面基本相似;整體動(dòng)床驗(yàn)證河段觀測(cè)中,泥沙灘槽沖淤性質(zhì),縱、橫向分布模型與原型基本一致;局部模型與原型在水面線方面基本相似。模型驗(yàn)證成果符合《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL99-95)要求。

4 試驗(yàn)成果

4.1 整體定床模型

4.1.1 工程前后水位變化

引水角度分別為30°,50°,60°的試驗(yàn)結(jié)果表明,引水角度對(duì)水位的影響規(guī)律不明顯。但長(zhǎng)江流量和引水流量的大小對(duì)水位降低值的影響比較有規(guī)律且較為明顯,一般情況下,取水口附近水位降低較為明顯,而遠(yuǎn)離取水口水位受到的影響相對(duì)要小。其中長(zhǎng)江流量 Q=5 500 m3/s時(shí),引水對(duì)水位變化的影響最大,引水流量 Q=500 m3/s時(shí),荊 28至二郎磯范圍河段內(nèi)的水位下降達(dá)0.15～0.38 m;引水流量Q=150 m3/s,荊 28至二郎磯范圍河段內(nèi)的水位下降為0.05～0.17 m。詳見(jiàn)表4。

4.1.2 工程前后流速變化

當(dāng)長(zhǎng)江流量 Q=5 500 m3/s時(shí),取水對(duì)流向的影響 5#-7#斷面較為明顯,取水口附近的6#斷面影響最大,且引水量越大,對(duì)流向影響越大;離口門(mén)越近,對(duì)流向影響越大。6#斷面近岸 28 m(起點(diǎn)距 120 m)引水 500 m3/s時(shí),流向左偏 54°,至近岸 268～328 m處引水對(duì)流向影響基本消失,3#和8#斷面引水對(duì)流向的影響在9°以內(nèi)。

取水對(duì)流速的影響,5#-8#斷面較為明顯,取水口以上流速增加,取水口以下流速減小,且左半江影響較右半江大。6#斷面近岸 28 m處流速在引水分別為150 m3/s,300 m3/s和500 m3/s時(shí),分別增大0.19m/s,0.44m/s和0.75m/s,至近岸 268～328 m以外流速變化不明顯。3#斷面當(dāng)引水量為500 m3/s時(shí),左半江流速有所增大,增大幅度為0.02～0.2m/s。8#斷面流速減小0.03～0.28m/s。

長(zhǎng)江流量 Q分別為27 000 m3/s和40 800 m3/s時(shí),引水 500 m3/s的流速分析表明,除取水口附近6#斷面近岸流速和流向有明顯影響外,對(duì)其它斷面的影響均不明顯。

4.1.3 三八灘分流比變化

10#斷面引水前后分流比表明,引水前和引水150 m3/s,300 m3/s和500 m3/s時(shí),左汊分流比分別為26.3%,25.5%,25.7%和26.2%,基本在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。因此,引水對(duì)三八灘分流比基本無(wú)影響。

4.2 整體動(dòng)床模型

4.2.1 地形試驗(yàn)

動(dòng)床研究表明,取水口河段第11年末沖刷至最大值,全河段沖刷 4 600萬(wàn)m3,至 14年末有所回淤,馬羊洲、太平口、三八灘 3個(gè)河段沖刷基本時(shí)序一致。至 11年末,馬羊洲河段平均沖深1.05 m,太平口河段平均沖深1.69 m,三八灘平均沖深0.72 m,河段寬深比變小。

表4 長(zhǎng)江流量 Q=5 500 m3/s時(shí)各引水方案實(shí)施后水位下降值Table 4 Water level drop values after every diversion plan implementation when Yangtze River discharge Q=5 500 m3/s m

從河勢(shì)上看,主要變化是在太平口水道,原雙槽且右槽為主槽的格局逐步向雙槽左槽為主槽的格局轉(zhuǎn)變,5-11年末心灘由于河段大幅沖刷而導(dǎo)致高程降低和面積縮小,至 14年末則隨河道回淤心灘淤高、面積擴(kuò)大,河段寬深比變大。三八灘河段三八灘面積縮小,由于太平口水道至三八灘右汊一線形成間斷的深槽群,三八灘左汊萎縮,右汊發(fā)展。馬羊洲河段總體河勢(shì)變化不大,右汊為主的格局末發(fā)生任何變化。

4.2.2 含沙量試驗(yàn)

枯水時(shí)太平口南北槽起始主輸沙帶在北槽,在河道沖刷過(guò)程中(至第11年),主輸沙帶逐步移至南槽,而在河槽淤積過(guò)程中(第11年至第19年)主輸沙帶回至北槽;中、洪水期北槽總體含沙量相對(duì)減小。三八灘南北汊含沙量變化規(guī)律不明顯。詳見(jiàn)表5。

表5 含沙量分布表Table 5 Sediment concentration distribution kg/m3

4.3 局部清水模型

(1)進(jìn)水閘消能試驗(yàn)。流量、外江水位及閘門(mén)開(kāi)啟方式不同,對(duì)應(yīng)的閘下游流態(tài)有所不同。在設(shè)計(jì)最大引水流量和設(shè)計(jì)引水流量工況下,閘孔敞泄時(shí),閘下為淹沒(méi)出流,消力池內(nèi)無(wú)水躍形成。在消能工況下,閘門(mén)開(kāi)啟 8孔(全開(kāi))和6孔(2#,3#,4#,5#,6#,7#)時(shí),有水躍形成,水躍躍頭位于閘室內(nèi);閘門(mén)開(kāi)啟 4孔(3#,4#,5#,6#)時(shí),在消力池斜坡上形成較穩(wěn)定的水躍,水躍與尾水銜接較好,下游沉沙池進(jìn)口段左岸有局部回流;閘門(mén)開(kāi)啟 2孔(4#,5#)時(shí),產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍,水躍躍首位于尾坎下游(0+600),下游沉沙池進(jìn)口段附近右岸有較大范圍的回流,消能效果不理想。故運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免局部開(kāi)啟。

(2)沉螺池沉螺試驗(yàn)。清水模型試驗(yàn)對(duì)沉螺池樁號(hào)1+250,1+350,1+450,1+550,1+650,1+750斷面的流速進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)為設(shè)計(jì)引水流量工況(350 m3/s)時(shí),除極個(gè)別斷面垂線平均流速為0.20m/s外,其余均在0.10～0.19m/s之間。設(shè)計(jì)最大引水流量 500 m3/s時(shí),除部分垂線平均流速小于0.20m/s外,一般流速為0.20～0.25m/s,最大為0.27m/s,難以滿足沉螺要求。

4.4 局部渾水模型

(1)沉沙池沉沙試驗(yàn)。引水渠沉沙池有一定的沉沙效果,在各級(jí)流量情況下,入口含沙量愈大,含沙量沿程衰減也愈大,特別是在樁號(hào) 1+100斷面以上,含沙量沿程衰減較快;其斷面以下含沙量沿程變化較緩。第1級(jí)流量時(shí),出口斷面的含沙量為入池?cái)嗝娴?9.93%;第6級(jí)流量時(shí),出口斷面的含沙量為入池?cái)嗝娴?2.67%;第9級(jí)流量時(shí),出口斷面的含沙量為入池?cái)嗝娴?9.86%,但受淤積的影響,后級(jí)流量比前級(jí)流量的沉沙效率降低。

試驗(yàn)表明,沉沙池在運(yùn)行過(guò)程中,隨著時(shí)間的推移,沉沙效率降低,淤積較為明顯。

(2)沉螺池沉螺試驗(yàn)。渾水模型試驗(yàn)選擇第1級(jí)概化流量(354 m3/s)和第7級(jí)概化流量(455 m3/s)進(jìn)行觀測(cè)。第1級(jí)流量時(shí),除極個(gè)別斷面垂線平均流速為0.20m/s外,其余均在0.14～0.19m/s之間;第7級(jí)流量時(shí),除部分垂線平均流速小于0.20m/s外,一般流速為0.20～0.28m/s,最大為0.30m/s,難以滿足沉螺的要求。渾水試驗(yàn)第7級(jí)流量的流速較清水試驗(yàn)設(shè)計(jì)最大引水流量的實(shí)測(cè)流速略大主要因沉沙池(沉螺池)泥沙淤積所致。

5 結(jié) 論

(1)三峽工程建成后,馬羊洲河段總體河勢(shì)變化不大,太平口水道原雙槽且右槽為主槽的格局逐步向雙槽左槽為主槽的格局轉(zhuǎn)變,三八灘河段三八灘面積縮小,左汊萎縮,右汊發(fā)展,工程河段的河勢(shì)總體上有利于取水口工程布置。

(2)取水口引水角度對(duì)水位的影響規(guī)律不明顯,長(zhǎng)江流量和引水流量的大小對(duì)水位降低值的影響比較有規(guī)律且較為明顯,引水帶來(lái)的可能最大水位下降值在取水口附近為0.38 m。引水量愈大,對(duì)流向影響愈大;離口門(mén)愈近,對(duì)流向影響愈大;引水使取水口以上流速增加,取水口以下流速減小,且左半江影響較右半江大。引水對(duì)三八灘分流比基本無(wú)影響。因引水后引起取水口上游河道近岸流速增加和取水口附近流向偏離較大,建議加強(qiáng)太平口水道取水口以上左岸至沮漳河的防護(hù)。

(3)引水渠的布置基本合理。進(jìn)水閘消能工況局部開(kāi)啟 2孔時(shí),產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍,消能效果不理想,運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免局部開(kāi)啟;沉沙池有一定的沉沙效果,但隨著時(shí)間的推移,沉沙池沉沙效率降低,淤積較為明顯,建議采取適當(dāng)措施提高沉沙效率;引水流量達(dá)455 m3/s以上時(shí),沉螺池?cái)嗝娲咕€平均流速大部分大于0.2m/s,難以滿足沉螺的要求,建議適當(dāng)優(yōu)化沉螺池布置或采用集螺溝、浮壩等輔助設(shè)施,以提高沉螺效果。

[1]長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線一期引江濟(jì)漢工程可行性研究階段進(jìn)口段工程設(shè)計(jì)報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2005.(Changjing Institute Planning,Survey,Design＆Research Institute.Report on the intake section project design of the feasibility research stage about the first period intake reach of diversion projects from Yangtze River to Han River about South to North Water Transfer[R].Wuhan:Changjing Institute Planning,Survey,Design＆Research Institute,2005.(in Chinese))

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[3]潘慶燊,胡向陽(yáng).水工建筑物釘螺擴(kuò)散影響研究[J].人民長(zhǎng)江,1998,29(2):35-37.(PAN Qing-shen,HU Xiang-yang.Study on diffuse effect of snail of hydraulic construction[J].Yangtze River,1998,29(2):35-37.(in Chinese))

[4]長(zhǎng)江科學(xué)院.長(zhǎng)江荊江河段近期河道演變分析報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院,2006.(Yangtze River Scientific Research Institute.Report on courses evolvement analysis of Yangtze River and Jingjiang reach in the near future[R].Wuhan:Yangtze River Scientific Research Instiute,2006.(in Chinese))

[5]長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.長(zhǎng)江荊江河段河勢(shì)控制應(yīng)急工程可行性研究報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2005.(Changjing Institute Planning,Survey,Design＆Research,Feasibility research report on control emergency project of river regime of Yangtze River and Jingjiang[R].Wuhan:Changjing Institute Planning,Survey,Design＆Research Institute,2005.(in Chinese))

[6]長(zhǎng)江科學(xué)院.三峽水庫(kù)下游宜昌至大通河段沖淤一維數(shù)模計(jì)算報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院,2000.(Yangtze River Scientific Research Institute.Report on the results of one-dimensional sediment scour and siltingmodel of Yichang to the reach of Datong[R].Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute,2000.(in Chinese))

[7]長(zhǎng)江科學(xué)院.三峽工程運(yùn)用初期長(zhǎng)江荊江河段河床沖淤數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院,2004.(Yangtze River Scientific Research Institute.Report on the results of one-dimensional sediment scour and silting model of Yangtze River and Jingjiang reach about the initial stage of Three Gorges run[R].Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute,2004.(in Chinese))