庫區(qū)交匯河段水動力特性試驗

閆 濤，陳 立，徐 敏，平妍容

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室，湖北武漢 430072;2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，天津 300456)

河道的交匯形態(tài)在河流系統(tǒng)中普遍存在，支流水流以一定角度入?yún)R到干流，干支流互相頂托，產(chǎn)生劇烈的動量交換與能量耗散，改變了干流單一河段的水動力特性。匯流比、入?yún)R角與比降等因素的改變，會影響交匯流河段的水動力特性。已有關(guān)于天然交匯流河段水流特征的研究開展較多，通過水槽試驗與實測資料分析取得了豐富的成果。如王協(xié)康等［1-2］通過水槽試驗分別研究了30°和90°支流斜接干流的明渠交匯區(qū)水流特征;茅澤育等［3-4］采用理論分析和變角交匯水槽試驗對明渠交匯流的分離區(qū)進行探索;郭維東等［5］、劉同宦等［6-7］利用多普勒測速儀(ADV)研究了匯流區(qū)三維水流結(jié)構(gòu);蘭波［8］及許多國外研究者［9-14］采用原型觀測資料分析了交匯河口的綜合特性。

顯然，已有的研究大多數(shù)集中于天然交匯河段，而對于庫區(qū)交匯河段研究則較少。所考慮交匯區(qū)流動影響因素主要集中于入?yún)R角、匯流比、交匯形式和干支流河道高程差等方面，在關(guān)于匯流比影響的研究中，匯流比通常小于0.5;對于庫區(qū)河段，由于壩前水位的抬升，流速必然出現(xiàn)沿程減小，而庫區(qū)交匯流河段因為支流的入?yún)R，又使其水動力條件的變化進一步復(fù)雜化［15］。

筆者在分析白石水庫庫區(qū)牤牛河與大凌河交匯流河段的沖淤演變時，發(fā)現(xiàn)交匯流河段的泥沙淤積顯著超過上下游河段，形成攔門沙坎［15-16］，這顯然不能用壩前水位抬升、水深增加以及水深沿程增加來解釋，也不能僅從牤牛河匯流比較大來解釋，而是洪水遭遇的特殊性與壩前水位的抬升兩方面共同作用形成交匯區(qū)的典型水動力條件。本文以遼寧大凌河白石水庫為研究對象，基于模型試驗成果，分析不同洪水遭遇以及壩前水位條件下交匯流河段的水動力特性及變化規(guī)律。

圖1 庫區(qū)交匯流河段平面形態(tài)Fig.1 Plane graph of confluence reach in reservoir area

1 試驗設(shè)計

1.1 交匯流河段概況

白石水庫位于遼西大凌河干流上，控制流域面積為17649 km2，占大凌河流域面積的76%。大凌河的支流多集于左岸，其中涼水河與牤牛河屬于庫區(qū)內(nèi)的支流。大凌河與牤牛河交匯段位于壩址上游16 km，從平面形態(tài)上看，支流牤牛河以90°入?yún)R角自左岸匯入干流大凌河，屬非對稱型交匯。交匯流河段附近，大凌河河道比降約為0.067%，年平均流量為386 m3/s;牤牛河河道比降為0.137%，年平均流量為366 m3/s。水庫正常蓄水位下，交匯區(qū)上游干流河寬約為2.46 km，支流河寬約為1.39 km，交匯區(qū)下游河段的平均河寬約為1.45 km。白石水庫庫區(qū)交匯流河段平面形態(tài)見圖1。

圖2 交匯河段模型平面布置示意圖Fig.2 Sketch of model arrangement of confluence reach

1.2 模型布置及試驗方案

1.2.1 模型布置

按照弗勞德相似準(zhǔn)則與慣性力阻力比相似準(zhǔn)則設(shè)計制作了牤牛河—大凌河交匯流河段的河工模型，水平比尺為300，垂向比尺為100，變率為3。模擬范圍:上邊界牤牛河口以上3.5 km、大凌河交匯斷面以上4 km;下邊界為牤牛河口下游5～6 km處。模型布置見圖2。模型水面線與原型資料驗證結(jié)果表明，制模精度滿足試驗規(guī)程。

模型試驗系統(tǒng)由模型、供回水系統(tǒng)、流量測控系統(tǒng)、流速與水位量測系統(tǒng)組成。模型共設(shè)7個測流斷面，其中1號斷面位于匯流口上游干流河道內(nèi)，2號、3號斷面位于匯流口上游支流河道內(nèi)，4～6號斷面位于匯流區(qū)內(nèi)，7號斷面位于匯流區(qū)下游。斷面形態(tài)參數(shù)見表1。7個測流斷面處設(shè)有水位測針。采用光電旋槳式流速儀對斷面測點的垂線平均流速進行測量。

表1 正常蓄水位下各測流斷面橫向形態(tài)特征值統(tǒng)計Table 1 Transverse morphological characteristic values of each cross section under normal water level

表2 各個試驗方案的流量組合及水位Table 2 Discharge and water level of each experimental scheme

1.2.2 試驗方案

以Q1、Q2、Q分別表示干流流量、支流流量及總流量，Q=Q1+Q2，匯流比R=Q2/Q，Z表示水庫運行所對應(yīng)的模型出口水位?？紤]到牤牛河與大凌河洪水遭遇幾率較小的實際情況，按照干流和支流來流條件分別為年平均流量和P=10%洪峰流量進行組合，即干流發(fā)生10%洪水遭遇支流多年平均流量、干支

流同時發(fā)生10%洪水以及支流發(fā)生10%洪水遭遇支流多年平均流量3種組合，對每一種組合，Z取115 m、118 m，試驗方案見表2。

2 結(jié)果分析

不同方案的垂線平均流速橫向分布見圖3(圖中虛線為主流線，k表示交匯區(qū)主流線曲率半徑)。圖4為各斷面最大流速與平均流速的沿程變化。

圖3 不同方案交匯流河段平面流速分布Fig.3 Time-averaged velocity distribution at confluence reach under different schemes

2.1 流速的沿程變化

2.1.1 交匯口以上干支流的流速沿程變化

交匯口上游干流河道內(nèi)的1號斷面流速很小，靠近右岸流速略大于左岸側(cè)，干流洪水進入?yún)R流區(qū)后在4號斷面與支流水流疊加，4號斷面流速顯著大于1號斷面;2號、3號斷面位于交匯口上游支流河道，從2號斷面到4號斷面流速顯著增大。其中3號斷面由于寬度明顯收縮，其流速不但大于2號斷面，在支流發(fā)生洪水時流速甚至大于4號斷面。也就是說，在進入?yún)R流區(qū)之前，無論干流河道內(nèi)是否發(fā)生洪水，1～4號斷面流速均表現(xiàn)為增加，而支流河道內(nèi)若發(fā)生洪水則2～4號斷面流速先增大、后減小，若支流為年平均流量則2～4號斷面流速表現(xiàn)為沿程增加。流速的最大峰值出現(xiàn)在3號、4號斷面附近。

圖4 不同壩前水位斷面平均流速v平均與最大流速v最大沿程變化Fig.4V ariation of average and maximum velocities along the channel under different water levels upstream of dam

交匯口上游干支流河道流速小于匯流區(qū)流速的原因有二:一是干支流交匯后，匯流區(qū)流量增加，使得流速增大;二是交匯區(qū)水流對上游水流的頂托作用，例如圖3(e)(f)中1號斷面受到支流洪水的頂托作用導(dǎo)致流速整體極小，幾乎接近于零。

2.1.2 交匯口以下流速的沿程變化

不同方案下，交匯口以下斷面流速呈減小的趨勢，即從4號斷面開始流速逐漸減小。從圖4給出的庫區(qū)交匯流河段的斷面平均流速和斷面最大流速也可以看出，從4號斷面開始，斷面平均流速和最大流速均呈沿程減小趨勢。

交匯口以下流速減小的主要原因是:因水庫蓄水，壩前水位抬升，產(chǎn)生壅水，交匯流河段的水位抬升、水深增加，而且交匯流河段與庫區(qū)河段一樣，水深沿程增大，即相比蓄水前，交匯流河段水深沿程增加，過流面積沿程增大，流速沿程減小;當(dāng)干支流洪水不遭遇時，流速的沿程減小較洪水遭遇情形更甚，原因是交匯口以下河道原本能適應(yīng)干支流洪水遭遇情形的過流需求，一旦干支流洪水未遭遇，則交匯口以下的河道過水面積超過干流洪水或者支流洪水的過流需求，流速也會減小。

壩前水位的變化對交匯流河段的影響是:當(dāng)壩前水位升高時，流速的沿程衰減速率變緩。當(dāng)壩前水位由115 m升高到118 m，過流面積進一步增大，比降更為平緩，干支流入?yún)R水流流速減小，因此匯流區(qū)及下游流速衰減的速率也隨之減小。隨著匯流比的增大，水位變化引起的差距越明顯。

流速沿程變化的上述特征，使交匯流河段具備了泥沙大量淤積的水動力條件，由于支流牤牛河來水含沙量很高，一旦進入交匯流河段，特別是進入大凌河干流交匯區(qū)內(nèi)，必然產(chǎn)生大量淤積;而且由于交匯口以下流速沿程衰減，泥沙沿程落淤，最終在干流大凌河上淤積形成較大的淤積體，淤積體累積發(fā)展的結(jié)果即攔門沙坎。

2.2 主流線及其變化

從圖3中不同方案的主流線可以看出:(a)干流的主流線相對順直，而支流的主流線則較為彎曲。(b)當(dāng)匯流比較小，即干流發(fā)生洪水、支流為多年平均流量時，干流主流線順直。隨著匯流比增大，即干支流同時發(fā)生洪水或者支流發(fā)生洪水情形下，支流主流線向匯流區(qū)右岸側(cè)偏移，干流主流線受到支流水流的擠壓作用增強，逐漸彎曲并偏向右岸。

不同壩前水位主流線的彎曲程度不同:水位升高后，支流對干流擠壓作用減弱，支流主流線的偏移幅度明顯減小，即使支流洪水遭遇干流年平均流量時也不會發(fā)生水動力軸線頂沖匯流區(qū)右岸的情況;與此同時，匯流區(qū)內(nèi)的主流線彎曲程度增大。

2.3 回流區(qū)及其變化

交匯口以下的5號、6號斷面左側(cè)可以觀察到有明顯的回流區(qū)存在，如圖3(c)所示。原因是支流入?yún)R角較大，當(dāng)進入干流大凌河以后水流向右彎曲，會在左側(cè)回流，且匯流比越大其回流范圍越大。水位抬升使回流范圍有所增大。

圖5 6號斷面1998—2008年地形變化Fig.5 Terrain variation of No.6 cross section from 1998 to 2008

回流區(qū)內(nèi)輸沙動力條件較弱，洪水期進入該區(qū)域的泥沙落淤于此并發(fā)生累積。庫區(qū)河道的實際淤積發(fā)展過程也證實了這一點。圖5為6號斷面1998—2008年期間地形變化，在此10 a期間庫區(qū)來水來沙條件穩(wěn)定，各年徑流量與來沙總量相差不大。由于6號斷面左岸側(cè)存在回流區(qū)，因此斷面深槽淤平后并未出現(xiàn)全斷面水平淤積抬高的一般特征，而是左側(cè)淤積面高于右側(cè)，就是回流區(qū)累積淤積的特點造成的。

3 結(jié) 論

a.庫區(qū)交匯流河段流速沿程變化特點為:交匯口門以上的干支流河段流速均呈增加特點，交匯口門以下，流速呈顯著沿程減小規(guī)律。這一沿程變化特點解釋了牤牛河與大凌河交匯區(qū)大凌河干流上淤積形成攔門沙坎的水動力學(xué)機制。

b.由于支流呈90°入?yún)R干流，主支流互相作用顯著，從而支流出口段的主流線彎曲明顯。入?yún)R口下游的支流同側(cè)存在回流區(qū)，且隨著匯流比的增加，回流區(qū)范圍增大?；亓鲄^(qū)的存在使庫區(qū)交匯流河段入?yún)R口門下游產(chǎn)生累積性淤積。

c.水庫運行水位對交匯河段流速沿程變化、主流線和回流區(qū)范圍產(chǎn)生影響。壩前水位升高則流速絕對值減小，沿程變化率減小，主流線彎曲程度加大，回流區(qū)范圍增大。

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