三峽水庫175 m方案成庫運(yùn)行后龍門浩河段水流特性變化分析

羅全勝，謝 龍

(1. 小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封 475003； 2. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475003； 3. 江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京 210017)

三峽水庫175 m方案蓄水后，常年回水區(qū)的末端位于重慶長壽，變動(dòng)回水區(qū)末端到達(dá)重慶江津[1]，整個(gè)重慶主城河段都成為變動(dòng)回水區(qū)，河道特性在庫區(qū)特性及天然河道情況下轉(zhuǎn)換，水流條件極其復(fù)雜，水流特性發(fā)生顯著變化[2]。同時(shí)，龍門浩河段位于重慶主城區(qū)域，河段內(nèi)散布著大片卵石淺灘，常因航深、航寬不足而礙航[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1957年來，龍門浩河段整治次數(shù)多達(dá)6次，但整治效果不好且不易穩(wěn)定，該河段目前基本每年都要進(jìn)行挖槽疏浚及相關(guān)航道維護(hù)。究其原因，主要是因?yàn)樗畡?dòng)力條件過于復(fù)雜，同時(shí)對(duì)卵石成灘機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。因此，針對(duì)三峽水庫175 m蓄水后引起龍門浩河段的水動(dòng)力條件變化，分析其水流特性，將為該河段河床演變的研究、航道治理提供依據(jù)，此項(xiàng)工作具有十分重要的意義。

圖1 龍門浩河段河勢(shì)Fig.1 River regime of Longmenghao reach

1 河段自然條件

龍門浩河段上起黃桷渡，下至玄壇廟，全長4.8 km，河段平面形態(tài)微彎，彎曲半徑約為1 800 m，上接九龍灘2個(gè)連續(xù)急彎，下連長江與嘉陵江的交匯口，河段內(nèi)老鸛磧、雞翅膀伏于河心，右岸有豬兒石向航槽凸伸(圖1)，航道條件十分惡劣，常因航深、航寬不足而影響通航，基本每年都需要進(jìn)行疏浚維護(hù)，是重慶河段的主要灘險(xiǎn)和重點(diǎn)整治河段[4-5]。

根據(jù)豬兒磧河段上游7.6 km處鵝公巖水位站實(shí)測數(shù)據(jù)[6]，成庫前2003—2007年，龍門浩河段日均徑流量為7 057 m3/s，日均輸沙量6.94 t/s，成庫后2007—2010年則分別為6 813 m3/s與5.13 t/s，來水量基本不變，泥沙輸移量則明顯下降，降幅達(dá)35.3%。

2 河段二維數(shù)模的建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立

綜合考慮模型計(jì)算精度、計(jì)算結(jié)果認(rèn)可度以及計(jì)算條件的適用性[7-8]，本文采用Aquaveo.SMS(地表水系統(tǒng)模擬軟件)進(jìn)行模擬計(jì)算。選用2003年及2010年實(shí)測地形數(shù)據(jù)，分別建立龍門浩河段成庫前后的平面水流二維數(shù)學(xué)模型。計(jì)算模塊采用有限單元法(FESWMS)，全河段采用等邊三角網(wǎng)格，為保證精度，網(wǎng)格間距設(shè)為10 m，全河段共有125 664個(gè)節(jié)點(diǎn)及76 808個(gè)網(wǎng)格。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)蓄水前后的多次實(shí)測資料對(duì)各時(shí)段、各流量級(jí)下模型計(jì)算精度進(jìn)行驗(yàn)證，從模擬計(jì)算結(jié)果來看，水位值誤差在0.1 m以內(nèi)的保證率為93.2%，流速值誤差在10%以內(nèi)的保證率為79.8%，可見本文建立的龍門浩河段二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度較高，適用于該河段水流條件的模擬計(jì)算。

3 成庫前后水流特性變化分析

將三峽175 m蓄水以后壩前水位調(diào)度過程點(diǎn)繪于圖2。從圖2可見，三峽水庫年內(nèi)調(diào)度可分為4段：① 6月初至9月末為汛期，上游來流量猛增，該時(shí)段內(nèi)按防洪限制水位運(yùn)行，壩前水位降至全年最低，回水末端位于長壽，龍門浩河段恢復(fù)天然河道特性；② 10月初至10月末為蓄水期，此時(shí)上游洪峰已過，來流量逐漸減小，庫區(qū)水位受調(diào)度影響迅速上抬，回水末端向上游移動(dòng)，龍門浩河段又轉(zhuǎn)變?yōu)閹靺^(qū)特性；③ 11月初至次年1月末為蓄水維持期，此階段上游來流量變化甚微，壩前水位維持在175 m高水位運(yùn)行，壩前至回水末端河段的水流特性基本維持不變；④ 2月初至5月末為消落期，上游來水降至最小，河段進(jìn)入枯水期，為保證下游通航及供水需求，壩前水位逐漸消落，直至5月末降至消落低水位。

圖2 175 m試驗(yàn)性蓄水以來壩前水位調(diào)度過程Fig.2 Scheduling process of upstream water level after 175 m experimental water storage

選擇成庫后年內(nèi)變化各階段內(nèi)的平均流量代表該階段的水流特性，參照長江上游水文局的實(shí)測資料，將各特征流量下的對(duì)應(yīng)信息列于表1。

表1 成庫前后龍門浩河段計(jì)算條件Tab.1 Calculation conditions of Longmenghao reach before and after impoundment

考慮壩前調(diào)度具有周期性，因此在選擇計(jì)算條件時(shí)，為避免時(shí)間因子的影響，在流量誤差相差5%的情況下，盡量保證成庫前與成庫后對(duì)應(yīng)年內(nèi)時(shí)間一致。

3.1 水位變化

根據(jù)表1條件下的計(jì)算成果，將各工況下龍門浩河段成庫前后的水位沿程變化點(diǎn)繪于圖3。

圖3 成庫前后龍門浩河段水位變化Fig.3 Changes in water level along Longmenghao reach before and after impoundment

從圖3可見，成庫后汛期水位與成庫前一致，其他時(shí)期則大幅提升，提升幅度從幾米至十幾米不等，蓄水維持期水位增幅最大，消落期增幅最小。越靠近下游，水位抬升越明顯。同時(shí)，龍門浩河段同一斷面在6 800 m3/s下蓄水前后的水位差，小于3 680 m3/s、卻大于3 350 m3/s對(duì)應(yīng)的值，可見成庫后水位抬升幅度主要取決于蓄水程度，即壩前水位，受流量影響較小。

3.2 橫斷面流速變化

選擇CY20斷面作為代表斷面，將各工況下龍門浩河段橫向流速變化繪于圖4。

由圖4可見，成庫后非汛期內(nèi)，同一流量下龍門浩河段水面線變寬，流速減小，斷面流速分布更加均勻，橫向流速狀況較成庫前發(fā)生大幅變化。水動(dòng)力軸線(主流區(qū))有向左岸擺動(dòng)的趨勢(shì)。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)可知，蓄水維持期該斷面的平均流速降幅最大，達(dá)到89.3%，遠(yuǎn)大于蓄水期的55.4%及消落期的60.1%。流速變化最大的區(qū)域集中在航槽附近(斷面平距340～490 m)，在蓄水維持期，局部位置流速降幅最大可達(dá)95.3%。

(a) 汛 期 (b) 蓄水期

(c) 蓄水維持期 (d) 消落期圖4 龍門浩河段成庫前后橫斷面流速變化 Fig.4 Changes in cross-section velocity along Longmenghao reach before and after impoundment

3.3 水面比降變化

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，成庫前后龍門浩河段的水面比降有以下特點(diǎn)：① 成庫前，河段比降與河段來流量呈指數(shù)關(guān)系，流量越大河段比降越??；成庫后，河段比降主要取決于尾水(壩前水位)壅高程度，受來流量影響較小，比降與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系散亂。② 天然情況下，河段比降較大，基本在2以上，在受回水影響下，比降大幅下降，各時(shí)期的平均比降均小于1。在同流量下，成庫前的比降通常要比成庫后大幾倍，甚至十幾倍。③ 各時(shí)期內(nèi)平均比降變幅差異較大，蓄水維持期降幅最大，達(dá)到93.61%，蓄水期及消落期降幅分別為81.9%與72.4%，汛期則基本無變化，這與水位、流速等變化相對(duì)應(yīng)。

3.4 水流功率變化

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，長江干流重慶河段水流功率可用下式表示：

(1)

圖5 龍門浩河段成庫前后水流功率變化Fig.5 Changes in stream power of Longmenghao reach before and after impoundment

式中：U為斷面平均流速(m/s)；H為斷面平均水深(m)；J為斷面平均水面比降；g為重力加速度(9.81 m/s2)，γS為推移質(zhì)密度(kg/ m3)；γ為水的密度(kg/ m3)；D為推移質(zhì)中值粒徑(m)。

將各時(shí)期水力因子平均量代入式(1)，計(jì)算得出水流功率，并點(diǎn)繪于圖5。從圖中可看出，成庫后非汛期內(nèi)，水流功率大幅下降，其中，各時(shí)期的變化幅度與水位、流速等因子相對(duì)應(yīng)。根據(jù)各時(shí)期持續(xù)時(shí)間進(jìn)行加權(quán)估算，成庫后年內(nèi)平均水流功率較成庫前下降47.9%，水流功率的年內(nèi)變化分布極不均勻，這將導(dǎo)致河段輸沙規(guī)律的大幅變化，甚至可能引起新的沖淤變化及改變河床演變規(guī)律。

4 結(jié) 語

本文采用SMS平面水流二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)三峽大壩175 m方案成庫運(yùn)行后龍門浩河段水流特性變化進(jìn)行了分析研究，分析結(jié)果表明：

(1)通過成庫前后年內(nèi)壩前水位變化對(duì)比，可將三峽水庫年內(nèi)調(diào)度分為4個(gè)時(shí)期：汛期(6月初至9月末)、蓄水期(10月初至10月末)、蓄水維持期(11月初至次年1月末)和消落期(2月初至5月末)。

(2)成庫后非汛期內(nèi)，龍門浩河段轉(zhuǎn)變?yōu)閹靺^(qū)特性，尾水位抬升，水深增大，過水?dāng)嗝嬖黾樱姹冉捣啪?，水流流速、水流功率大幅下降，水流?dòng)力條件發(fā)生重大變化。汛期內(nèi)河段恢復(fù)天然河道特性，水流特性與成庫前基本一致。

(3)取各時(shí)期的平均流量下水流特性代表各時(shí)期水力因子的平均狀況，通過成庫前后各時(shí)期相同流量下該河段水流特性模擬對(duì)比，蓄水維持期水力因子的變幅最大、蓄水期次之、消落期最小、汛期則不發(fā)生變化。

(4)從各斷面橫向流速變化來看，成庫后整個(gè)斷面過流區(qū)域拓寬，流速分布趨于均勻，變化最大的區(qū)域主要分布在航槽附近。同時(shí)，斷面的水動(dòng)力軸線有向左岸擺動(dòng)的趨勢(shì)。

(5)通過加權(quán)估算，成庫后年內(nèi)平均水流功率較成庫前下降47.9%，同時(shí)由于水流功率的年內(nèi)變化分布極不均勻，將引起原有的輸沙平衡發(fā)生新的變化。

參 考 文 獻(xiàn)：

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