三峽回水變動(dòng)區(qū)長(zhǎng)壽-洛磧河段水沙數(shù)值模擬

畢 方 全

(長(zhǎng)江重慶航道局，重慶401147)

三峽回水變動(dòng)區(qū)長(zhǎng)壽-洛磧河段水沙數(shù)值模擬

畢 方 全

(長(zhǎng)江重慶航道局，重慶401147)

三峽庫(kù)區(qū)泥沙累積性淤積給航道的日常維護(hù)管理以及航道整治帶來(lái)了新的問(wèn)題。建立了二維水沙數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)回水變動(dòng)區(qū)長(zhǎng)壽至洛磧河段的泥沙輸移進(jìn)行了數(shù)值模擬。敏感性分析表明輸沙因子對(duì)泥沙淤積量影響最大。水位、流速流向和地形驗(yàn)證表明：數(shù)模計(jì)算成果較好地反映了實(shí)際水文、泥沙淤積情況。計(jì)算表明：受三峽回水影響，長(zhǎng)壽至洛磧河段發(fā)生累積性的泥沙淤積，淤積區(qū)主要位于岸線凹凸不平的彎沱、回流區(qū)及河道的寬淺河段，淤積部位主要是深槽和邊灘。淤積時(shí)間在每年的汛期6—9月份。受泥沙淤積影響，上、下洛磧和王家灘在低水位時(shí)航深不足，有礙航現(xiàn)象，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取整治措施。

航道工程；水沙數(shù)學(xué)模型；三峽工程；回水變動(dòng)區(qū)；河床演變

三峽水庫(kù)正常蓄水運(yùn)行后，長(zhǎng)壽-洛磧河段成為三峽工程變動(dòng)回水區(qū)，是長(zhǎng)江上游重點(diǎn)礙航河段之一。據(jù)有關(guān)學(xué)者研究[1-2]，變動(dòng)回水區(qū)河段泥沙淤積較為嚴(yán)重，河道兩岸形成淤積邊灘，影響港口作業(yè)，部分航道條件惡化，為航道的日常維護(hù)管理以及航道整治帶來(lái)了新的問(wèn)題。水沙條件和水庫(kù)調(diào)度方式是影響三峽工程變動(dòng)回水區(qū)河床演變的重要因素。長(zhǎng)江上游大型梯級(jí)水庫(kù)群及嘉陵江航電樞紐的建設(shè)改變了三峽工程變動(dòng)回水區(qū)的來(lái)水來(lái)沙條件[3-6]，庫(kù)區(qū)淤積情況與已有的研究成果相比發(fā)生了較大的變化。因此對(duì)泥沙問(wèn)題的治理，還需做進(jìn)一步的包括蓄水后的原型觀測(cè)[7]、數(shù)值模擬、河工模型試驗(yàn)等方面的深入研究。筆者建立了二維水沙數(shù)學(xué)模型，在新的水沙條件下，對(duì)長(zhǎng)壽-洛磧河段的沖淤趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 河段概況

長(zhǎng)壽-洛磧河段位于重慶下游約50 km，長(zhǎng)約30.5 km，出口距三峽大壩約530 km，是三峽工程變動(dòng)回水區(qū)中寬淺、多灘的典型河段之一。天然情況下長(zhǎng)壽-洛磧河段基本遵循年內(nèi)洪淤枯沖、年際間沖淤交替且基本平衡的沖淤特性。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行當(dāng)壩前水位低于148 m時(shí)，長(zhǎng)壽-洛磧河段恢復(fù)為天然河段；當(dāng)壩前水位148～158 m時(shí)，長(zhǎng)壽-洛磧河段部分受壅水影響；當(dāng)壩前水位在158～175 m時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)壽-洛磧河段處于壅水狀態(tài)。

2 二維水沙模型建立及驗(yàn)證

2.1 二維水沙模型建立

建立的二維水沙模型基本方程包括水流連續(xù)方程、動(dòng)量方程、懸移質(zhì)不平衡輸沙方程、推移質(zhì)不平衡輸移方程及河床變形方程，有關(guān)模型的基本控制方程、數(shù)值解法、關(guān)鍵問(wèn)題環(huán)節(jié)的處理、初始邊界條件及動(dòng)邊界技術(shù)等詳見文獻(xiàn)[8]。計(jì)算河段進(jìn)口位于南坪壩(上游航道里程609 km)，下游出口位于長(zhǎng)壽釣魚嘴(上游航道里程580.5 km)，全長(zhǎng)28.5 km。采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，建筑物附近5 m、灘段10～20 m、其它河段40～50 m，平均20 m，按疏密漸變的方式劃分，共剖分節(jié)點(diǎn)82 958個(gè)，單元168 046個(gè)。

2.2 糙率研究

糙率值是水力計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)之一，它綜合反映了河道對(duì)水流的阻力。采用一維數(shù)學(xué)模型對(duì)工程河段的糙率進(jìn)行率定，長(zhǎng)壽-扇沱、扇沱-麻柳嘴和麻柳嘴-太洪崗各河段平均糙率分別為0.036 6，0.033 3和0.039 4。

2.3 敏感性分析

一般影響泥沙淤積量的因素主要有床沙粒徑d50、來(lái)沙條件Q沙和輸沙因子(Kb是推移質(zhì)輸沙因子，Ks是懸移質(zhì)輸沙因子)。目前常用的輸沙公式有Engelund and Hansen模型、Van-Rijn模型、Engelund and Fredse模型和Meyer-Peter and Müller模型。為校證各輸沙公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)輸沙量之間的誤差，在各輸沙公式中引入輸沙因子，其取值范圍為0.1～2.0。通過(guò)對(duì)4種泥沙粒徑、兩個(gè)來(lái)沙條件和6組輸沙因子組合的淤積厚度進(jìn)行比較。限于篇幅，僅列出不同輸沙因子淤積厚度比較，如圖1。分析認(rèn)為輸沙因子對(duì)淤積強(qiáng)度的影響最為突出。使用Van-Rijn模型，選取不同輸沙因子對(duì)2006—2009年河床地形進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，確定Kb=Ks=0.15；床徑d50=0.123 mm；來(lái)沙條件Q沙采用寸灘水文站實(shí)測(cè)來(lái)沙量。

圖1 不同輸沙因子取值淤積厚度比較(2009年)Fig.1 Deposition comparison of different sediment load factor

2.4 水位驗(yàn)證

圖2比較了扇沱和麻柳嘴水位站計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位，可見計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相位符合良好，水位值基本相當(dāng)。誤差較大的時(shí)段主要出現(xiàn)在汛期，分析原因是汛期水位變幅較大，數(shù)模只給定平均糙率不能完全反應(yīng)不同水位糙率的影響。

圖2 水位驗(yàn)證(2008年)Fig.2 Verification of water level

2.5 流速流向驗(yàn)證

圖3比較了計(jì)算流速與浮標(biāo)實(shí)測(cè)值的大小和方向，可見流速分布及最大值、最小值的位置均與實(shí)測(cè)資料較為一致。

圖3 流速流向驗(yàn)證Fig.3 Verification of water level

2.6 地形驗(yàn)證

采用2006—2009年實(shí)測(cè)地形資料進(jìn)行地形驗(yàn)證。圖4是選取的典型斷面淤積地形比較，總體來(lái)看數(shù)模計(jì)算與實(shí)測(cè)主要淤積部位基本一致，實(shí)測(cè)平均淤高1.16 m，數(shù)值計(jì)算平均淤高1.06m，數(shù)模計(jì)算淤積量為3 863.28萬(wàn)m3，實(shí)測(cè)地形淤積3 846.72萬(wàn)m3，兩者相差16.57萬(wàn)m3，相對(duì)誤差在0.43%。

圖4 地形驗(yàn)證Fig.4 Verification of topography

3 河床沖淤規(guī)律分析

3.1 邊界條件

為了分析工程河段淤積規(guī)律，進(jìn)行了2009—2011年這3年的模擬計(jì)算。圖5顯示了2009—2011年進(jìn)口流量過(guò)程線、進(jìn)口含沙量過(guò)程線和出口水位過(guò)程線。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary conditions

3.2 沖淤平面分布

圖6顯示了2009年初至2011年末河床淤積厚度分布。整體來(lái)看工程河段河床平均淤厚1.15 m。局部來(lái)看，在南坪壩左槽發(fā)生淤積，平均淤厚約3～4 m；南坪壩后至金錢罐右槽有淤積帶，平均淤厚2～3 m，過(guò)年石與下迎春石之間最大淤厚達(dá)6 m；小磧包、小金堆、大金堆和荷葉坪一帶淤厚約 2～3 m；沙公溪、大灘嘴至占燈石原深槽一帶有比較明顯的淤積，平均淤厚在3～5 m，最大淤厚達(dá)7 m；渝懷鐵路下游深潭部位出現(xiàn)約7 m的淤積?；Ｆ反a頭前沿有2～3 m的淤積。周家磧右槽深潭淤厚3～5 m；白鷺嘴和重鋼碼頭上游淤積明顯，最大淤厚7～9 m；騎馬橋、大沙壩和螺絲口左槽帶有較大的淤積帶，平均淤厚約5～6 m，騎馬橋處最大淤厚達(dá)9 m；忠水磧右槽有1～2 m的淤積；龍舌梁至羊角灘左深槽有約5～6 m的淤積，最大淤厚達(dá)9 m。總的來(lái)看，淤積區(qū)主要位于岸線凹凸不平的彎沱(扇沱～忠水磧)、回流區(qū)(南坪壩后)及河道的寬淺河段，淤積后的河床岸線趨于平順，邊灘淤高長(zhǎng)大，河道變窄，主槽位置一般不變。

圖6 工程河段2009—2011年淤積平面分布Fig.6 Siltation plane distribution in works river section from Changshou to Luoqi during 2009 to 2011

3.3 沖淤斷面變化

圖7顯示了8個(gè)典型斷面淤積分布。總體來(lái)看，淤積主要發(fā)生在深槽和邊灘。具體來(lái)看，SC1斷面(過(guò)年石附近)右岸深槽淤積約4 m，右岸邊灘淤積約2 m，在深槽左側(cè)淺區(qū)有少量沖刷；SC2斷面(金錢罐附近)主要在邊灘淤積，最大淤厚約6 m，斷面形狀向U形發(fā)展；SC3斷面(石船梁附近)主要在深槽有少量淤積，淤厚約3 m；SC4斷面(薛家梁附近)在左岸深槽有大量淤積，淤厚近8 m；SC5斷面(渝懷鐵路橋上游600 m)淤積發(fā)生在兩岸邊灘，淤厚約4 m；SC6斷面(化?？诖a頭附件)左側(cè)深槽和右岸邊灘，最大淤積約4 m；SC7斷面(重鋼碼頭下游400 m)左深槽有8 m淤積；SC8斷面(橫石板)在忠水磧兩側(cè)深槽有淤積，淤厚約 5 m。

圖7 工程河段典型斷面淤積分布Fig.7 Typitcal sectional siltation distribution in works river section

3.4 淤積量變化

圖8顯示了2009—2011年底累積淤積量，可見工程河段有比較明顯累積性淤積的趨勢(shì)。圖9是平均每月淤積量比較，可見淤積主要發(fā)生在每年的6—9月的汛期。分析淤積量隨時(shí)間的變化規(guī)律為汛期來(lái)水來(lái)沙量增大，以落淤為主；汛后壩前水位由145 m 逐步抬升至175 m，水位升高，流速減小，挾沙能力減弱，泥沙淤積；每年的汛前壩前水位從175 m降至防洪限制水位145 m，河床主槽及邊灘略有沖刷。因此，淤積量過(guò)程每年均有沖淤交替的變化，總體上呈上升趨勢(shì)。

圖8 2009—2011年累積淤積量Fig.8 Cumulative siltation volume from 2009 to 2011

圖9 2009—2011年月均淤積量Fig.9 Average monthly siltation volume from 2009 to 2011

4 泥沙淤積對(duì)重點(diǎn)淺灘航道的影響

洛磧和王家灘是川江航道上最著名的低水位期彎道淺灘。洛磧河段平面形態(tài)為寬窄相間，窄段水深較大，寬段多江心洲和邊灘，在洲尾和邊灘，或者兩個(gè)邊灘之間形成過(guò)渡段淺區(qū)。上洛磧河段右岸南坪壩尾的狹長(zhǎng)淤積帶迫使低水位航槽逐漸向河心移動(dòng)，若遇到大沙小水年份時(shí)，在次年消落期可能出現(xiàn)礙航問(wèn)題，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取整治措施。下洛磧河段左邊灘的淤積使得低水位航槽向右岸位移，航線貼近五金堆、金錢罐等礁石區(qū)，對(duì)船舶安全航行有較大的危害，需加強(qiáng)關(guān)注。王家灘段中低水位時(shí)河道被忠水磧分成兩汊，左汊為低水位航道。由于泥沙淤積，左槽航深不足，有礙航現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

建立了二維水沙數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽庫(kù)區(qū)回水變動(dòng)區(qū)長(zhǎng)壽至洛磧河段的泥沙輸移進(jìn)行了數(shù)值模擬，敏感性分析認(rèn)為輸沙因子取值對(duì)泥沙淤積量影響最大。水位、流速流向和地形驗(yàn)證表明數(shù)模計(jì)算成果較好反映實(shí)際水文、泥沙淤積情況。

對(duì)長(zhǎng)壽-洛磧河段2009—2011年泥沙淤積的計(jì)算表明，該河段發(fā)生累積性的泥沙淤積，淤積區(qū)主要位于岸線凹凸不平的彎沱(扇沱～忠水磧)、回流區(qū)(南坪壩后)及河道的寬淺河段，淤積部位主要是深槽和邊灘。淤積后的河床岸線趨于平順，邊灘淤高長(zhǎng)大，河道變窄，主槽位置一般不變。淤積發(fā)生時(shí)間在每年的汛期6—9月份。受泥沙淤積影響，上、下洛磧和王家灘在低水位航深不足，有礙航現(xiàn)象，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取整治措施。

[1] 袁美琦,張秀芹.三峽工程變動(dòng)回水區(qū)施工期和175m蓄水初期洛磧至王家灘河段演變規(guī)律及治理措施分析[C]// 國(guó)務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會(huì)辦公室泥沙專家組.三峽工程泥沙問(wèn)題研究“九五”成果匯編第五卷.北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,2002. YUAN Meiqi,ZHANG Xiuqin.Analysis of river bed evolution and control measures about Luoqi to Wangjiatan Reach in fluctuating backwater area of Three Gorges Project in period of construction and 175m initial stage[C]// The Sediment Expert Group of the Three Gorges Project Construction Committee of the State Council.The"NineFive"ResearchResultsAssemblyontheSedimentProbleminThreeGorgesProject.Vol.5.Beijing: Intellectual Property Publishing House Co.,Ltd.,2002.

[2] 竇國(guó)仁,萬(wàn)聲淦,陸長(zhǎng)石.三峽工程變動(dòng)回水區(qū)泥沙淤積的試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1995(4):327-335. DOU Guoren,WAN Shenggan,LU Changshi.Investigation on sedimentation in varying backwater zone of Three Gorges Project[J].JournalofNanjingHydraulicResearchInstitute,1995(4):327-335.

[3] 李義天,陳建,鄧金運(yùn),等.上游建庫(kù)對(duì)三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)航道的影響[J].泥沙研究,2008(5):31-37. LI Yitian,CHEN Jian,DENG Jinyun,et al.Influence of reservoir construction upstream on the navigation channel in the fluctuating backwater area of the Three Gorges Reservoir[J].JournalofSedimentResearch,2008(5): 31-37.

[4] 陳建,李義天,鄧金運(yùn),等.水沙條件變化對(duì)三峽水庫(kù)泥沙淤積的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008,27(2):97-102. CHEN Jian,LI Yitian,DENG Jinyun,et al.Influence on deposition of the Three Gorges Reservoir caused by the change of water silt conditions[J].JournalofHydroelectricEngineering,2008,27(2): 97-102

[5] 陸永軍,左利欽,季榮耀,等.水沙調(diào)節(jié)后三峽工程變動(dòng)回水區(qū)泥沙沖淤變化[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(3):318-324. LU Yongjun,ZUO Liqin,JI Rongyao,et al.Changes of sediment deposition and erosion at Chongqing reach in backwater area of Three Gorges Project after reservoir adjusting of the upstream in the Yangtze River[J].AdvancesinWaterScience,2009,20(3) :318-324.

[6] 張緒進(jìn),何進(jìn)朝,母德偉.上游來(lái)水來(lái)沙變化及對(duì)重慶河段泥沙淤積的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2010(1):23-29. ZHANG Xujin,HE Jinchao,MU Dewei.Impact of incoming runoff and sediment on sediment deposition along the Chongqing reach[J].Hydro-ScienceandEngineering,2010(1):23-29.

[7] 許全喜.2011年度長(zhǎng)江三峽工程水文泥沙原型觀測(cè)分析報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局,2012. XU Quanxi.AReportontheHydrologicalandSedimentPrototypeObservationoftheYangtzeRiverThreeGorgesProjectin2011[R].Wuhan: Hydrology Bureau of Yangtze River Conservancy Committee,2012.

[8] 熊偉.非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下三維潮流泥沙數(shù)值模擬[D].大連:大連理工大學(xué),2012. XIONG Wei.3DNumericalSimulationofTidalCurrentsandSedimentUsingUnstructuredMeshModel[D].Dalian: Dalian University of Technology,2012.

Sediment Numerical Simulation of Changshou to Luoqi Reach in FluctuatingBackwater Area of Three Gorges Project

BI Fangquan

(Changjiang Chongqing Waterway Bureau, Chongqing 401147, P.C. China)

The accumulated siltation and sediment in Three Gorges reservoir zone caused new problem to the daily management, maintenance and regulation of waterway. In this paper, the 2D flow-sediment mathematical model was established to simulate the muddy sand transport in the Three Gorges Reservoir regional backwater variation zone in the river reach from Changshou to Luoqi. Sensitivity analysis shows that sediment input factor is key parameter influencing sedimentation volume. Water level, flow velocity and direction and topography verifications show that this mathematical model calculation results well reflect the reality hydrology and siltation. The calculation results show that subject to the influence of backwater of the Three Gorges Reservoir, cumulative deposition happens in the reach from Changshou to Luoqi and siltation zones are located primarily in the river sinuses，the backflow zones and broad-shallow reaches of the river and siltation mainly occurred in deep trench and side beach in flooding season from June to September. Because of the siltation and sediment, water depth at upper and lower reaches of Luoqi and Wangjiatan is insufficient so as to impede navigation. It is suggested to enhance monitoring and take timely rectification and regulating measures.

channel engineering; flow-sediment mathematical model; Three Gorges project; backwater variation zone; river bed evolution

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.15

2015-02-02；

2015-06-01

畢方全(1962—)，男，重慶人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事航道、港口工程方面的研究。E-mail：993182321@qq.com。

TV147. 5

A

1674-0696(2015)02-064-06