長江楊家腦至北碾子灣段河床沖淤規(guī)律試驗研究

(長江科學(xué)院 河流研究所， 湖北 武漢 430010)

長江楊家腦至北碾子灣段河床沖淤規(guī)律試驗研究

陶銘黃莉

(長江科學(xué)院河流研究所，湖北武漢430010)

溪洛渡、向家壩與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用后，壩下游河道的水沙過程進(jìn)一步調(diào)整變化，長江中下游河床將進(jìn)入新一輪的沖淤變化過程。利用長江防洪實(shí)體動床模型試驗研究了新水沙條件下，三峽工程建成后至2022年長江中游楊家腦至北碾子灣段河床變形沖淤變化趨勢。利用定床模型試驗，選取典型洪、枯水流量過程，分別在現(xiàn)狀地形和向家壩、溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用至2022年末地形條件下，預(yù)測楊家腦至北碾子灣河段的洪、枯水位和流量的變化情況，分析該河段河床沖淤調(diào)整過程對防洪形勢和取水工程正常運(yùn)用的影響，為荊江河道治理、防洪、供水、灌溉等提供技術(shù)支撐。

河床沖淤； 流量變化；防洪；取水工程

1 研究背景

三峽水庫蓄水運(yùn)用后，長期“清水”下泄引起壩下游干流河道長時期的沖淤變化。三峽水庫蓄水后，荊江河段的年徑流量較蓄水前變化不大，而年輸沙量大幅度減少，導(dǎo)致荊江河道河床總體呈現(xiàn)灘槽均沖的狀態(tài)[1]。原型觀測資料分析表明，2002年10月至2015年10月，荊江河段平灘河槽沖刷泥沙8.318億m3，年均沖刷量0.64億m3，遠(yuǎn)大于三峽水庫蓄水前1975～2002年的年均沖刷量0.137億m3。其中，石首河段沿程沖刷更為顯著，年均沖刷量(2002～2014年)達(dá)0.15億m3[2]。隨著溪洛渡、向家壩等上游梯級水庫陸續(xù)建成，與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用后，進(jìn)入壩下游河道的水沙將進(jìn)一步發(fā)生調(diào)整變化，長江中下游河床準(zhǔn)平衡尺度的水沙條件將被打破，下游河道進(jìn)入新一輪的沖淤變化過程，并將對壩下游河道的水文情勢和沖淤變化產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的影響。

本研究基于以上考慮，通過長江防洪實(shí)體模型試驗，深入開展長江上游梯級水庫聯(lián)合調(diào)度下長江中下游河道演變規(guī)律及沖淤變化預(yù)測研究。

2 試驗河道

2.1 河道概況

荊江河段位于長江中游，上起枝城，下迄洞庭湖口的城陵磯，全長約347.2 km，有松滋口、太平口、藕池口、調(diào)弦口(已于1959年建閘封堵)將長江水沙通過分流道進(jìn)入洞庭湖，并匯集湘、資、沅、澧四水經(jīng)洞庭湖調(diào)蓄后于城陵磯匯入長江，形成復(fù)雜的江湖關(guān)系，見圖1。

試驗河段位于荊江河段內(nèi)，主要由涴市河彎、沙市河彎、公安河彎、郝穴河彎、石首河彎及各彎道之間過渡段組成。模型范圍上起上荊江火箭洲洲尾(涴2上游630 m)，下至北碾子灣(石4)，全長約127.7 km。多年來楊家腦至新廠河段河勢變化主要發(fā)生在順直過渡段及放寬分汊段，洲灘不穩(wěn)定、主流線擺幅較大，導(dǎo)致河岸局部發(fā)生較劇烈的崩坍；新廠至石首河段河勢復(fù)雜多變，主要表現(xiàn)為洲灘沖淤消長交替及過渡段主流的頻繁擺動。

圖1 荊江江湖關(guān)系示意

2.2 水文特征

試驗河段的水沙主要來自長江上游干流，其間有支流沮漳河入?yún)R，并有太平口、藕池口分流入洞庭湖。河段干流的水沙變化以沙市水文站為水沙特征代表站，其多年平均徑流量為3 923億m3(1950～2013年)，懸移質(zhì)泥沙多年平均輸沙量為4.022億t(1950～2013年)。

三峽水庫蓄水運(yùn)用以來(2003～2013年)，年徑流量較蓄水前多年平均值有所偏枯，減少約4.9%；年輸沙量大幅度減少，由三峽水庫蓄水運(yùn)用以前多年平均量4.34億t減少為蓄水運(yùn)用后多年平均量0.857億t，減少約80.3%；年均含沙量也明顯小于蓄水以前的多年平均值。自三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，由于河床沖刷，懸移質(zhì)泥沙中粗顆粒與床面細(xì)顆粒泥沙的交換，沙市站懸移質(zhì)泥沙的中值粒徑稍有變粗，多年平均粒徑由蓄水前的0.012 mm變?yōu)樾钏蟮?.018 mm。

與三峽水庫蓄水運(yùn)用前(1981～2002年)相比，三峽水庫蓄水運(yùn)用后(2003～2013年)，荊江三口分流比均呈減少趨勢，分別由蓄水運(yùn)用前的8.32%，2.96%和4.11%減少為蓄水后的6.98%、2.24%和2.58%。

3 動床模型設(shè)計與驗證

3.1 模型模擬范圍

根據(jù)《河工模型試驗規(guī)程》及試驗內(nèi)容要求，該河段的動床模擬范圍為馬羊洲頭部(J27上游1.4 km)至北碾子灣附近(J106)，全長約121.9 km。

3.2 模型相似條件

根據(jù)研究內(nèi)容和試驗河段的水沙條件及河床組成情況，采用的模型沙為長江防洪實(shí)體模型所用的塑料合成沙，設(shè)計容重為1.38 t/m3，干容重為0.65 t/m3，確定本動床模型幾何相似、水流運(yùn)動相似以及泥沙運(yùn)動相似的各項參數(shù)見表1。

表1 動床模型各類比尺匯總

3.3 模型驗證

動床驗證試驗初始河床地形采用2008年11月底實(shí)測1∶10 000水下地形制作而成，根據(jù)試驗河段已實(shí)施河道整治工程情況，模型模擬了該河段護(hù)岸工程及航道整治工程。在模型中施放2008年11月至2011年11月的水沙過程，以復(fù)演2011年11月實(shí)測河床地形。

動床模型驗證試驗研究成果表明：模型沿程水位、垂線平均流速沿河寬的分布及汊道分流比與原型基本相似；各段不同流量級下河床沖淤量總體變化規(guī)律與原型基本一致；模型深泓位置、斷面形態(tài)橫向分布與原型基本吻合，較好地復(fù)演了原型灘槽泥沙運(yùn)動沖淤規(guī)律，表明模型設(shè)計、選沙及各項比尺的確定基本合理。

4 動床模型預(yù)測試驗[3]

4.1 模型試驗條件

4.1.1 邊界條件

荊江楊家腦至北碾子灣河段沖淤變化試驗?zāi)M范圍與動床驗證試驗一致，并同時考慮護(hù)岸工程、航道整治工程及岸線變化等情況。初始地形采用2011年11月天然實(shí)測1:10 000河道地形制作而成。

4.1.2 水沙條件

根據(jù)三峽工程設(shè)計方案，長江科學(xué)院采用1991～2000年系列年進(jìn)庫水沙條件和三峽水庫泥沙淤積后出庫水沙過程，考慮向家壩、溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用下進(jìn)行壩下游長河段長時段一維水沙數(shù)學(xué)模型計算，其計算成果為本模型試驗提供邊界條件[4]。

模型試驗時段為2011年11月至2022年12月，共計11年1個月。試驗中2011～2012年采用實(shí)測天然水沙條件，2013～2022年應(yīng)用典型年系列的1991～2000年的入庫水沙條件。

表2 系列年2011～2017年楊家腦至北碾子灣河段沖淤統(tǒng)計

表3 系列年2017～2022年楊家腦至北碾子灣河段沖淤統(tǒng)計

4.2 模型試驗預(yù)測成果分析

4.2.1 河床沖淤量及分布預(yù)測

通過系列年動床模型試驗，各分河段系列年試驗沖淤量統(tǒng)計見表2和表3。計算條件分別為沙市流量5 000,12 500 m3/s和27 000 m3/s三種條件對應(yīng)的水位以下模型河床沖淤量。為了便于敘述，將試驗河段分為涴市河段、沙市河段、公安河段、郝穴河段及石首河段共5段，2011～2017年和2011～2022年各河段累計沖淤量對比見圖2。

圖2 系列年動床試驗各河段累計沖淤量對比

從試驗成果可以看出:

(1) 系列年動床模型試驗全河段以沖刷為主。2011～2022年上荊江J27至J99河段枯水河槽累計沖刷1.61億m3，按平均河寬1 200 m計，平均沖深1.12 m；其中2011～2017年沖刷最為劇烈，枯水河槽累計沖刷1.06億m3，占2011～2022年總沖刷量的65.8%，平均沖深0.74 m。

(2) 系列年動床模型試驗全河段以枯水河槽沖刷為主，枯水河槽以上河灘沖刷幅度較小，局部位置略有淤積。

(3) 各河段沖刷強(qiáng)度不同，涴市河段、沙市河段上段、郝穴河段上段在2022年末枯水河槽平均沖刷深度分別為1.23,1.13 m和2.31 m，沖刷強(qiáng)度較其他河段略大。公安河段沖刷強(qiáng)度相對較弱。

4.2.2 河勢變化預(yù)測

根據(jù)系列年動床模型試驗2017年及2022年末荊江楊家腦至北碾子灣河段各分河段河勢平面變化情況可看出，系列年動床模型試驗在2017年及2022年末總體河勢與近期(2011年11月)基本一致。隨著系列年動床模型試驗的進(jìn)行，河床整體呈沿程逐步?jīng)_刷下切的趨勢[5]，深槽刷深拓展，過渡段主流整體有所下移，過渡段間主流平面擺動較大，局部區(qū)域江心洲灘及汊道段變化較為劇烈，以沙市河段上段(J29～J45)、石首河段(J82～J104)變化尤為顯著。

動床模型試驗運(yùn)行至2017年及2022年后，與初始地形(2011年11月)比較，沙市河段上段深槽、洲灘位置與形態(tài)均發(fā)生較大變化，但主流走向依舊維持太平口心灘左右兩槽并存，至J37附近走三八灘左右汊格局。隨著上游來水來沙及河勢變化，太平口心灘目前左右雙槽且右槽為主槽的河道形態(tài)逐步向雙槽且左槽為主槽轉(zhuǎn)變；三八灘汊道呈現(xiàn)洲體右側(cè)切割、右汊擴(kuò)大、左汊進(jìn)口淤積的發(fā)展趨勢。動床模型試驗運(yùn)行至2022年，石首河段依然維持石首河彎左、右兩汊的分汊格局，左汊為主汊，左汊中的左右兩槽并存，左槽右擺，右槽淤積，但局部位置灘槽仍有一定程度的調(diào)整，主要是由于右岸天星洲過渡至左岸焦家鋪一帶時及由右岸北門口以下過渡至左岸北碾子灣一帶時，過渡段主流整體有所下移。

5 定床模型試驗與研究

向家壩、溪洛渡和三峽等水庫聯(lián)合運(yùn)用后，清水下泄將會造成壩下游河道發(fā)生較大幅度的沖淤調(diào)整[6]，進(jìn)而對長江中游洪水過程及取用水工程處的水位流量關(guān)系造成較大影響。在該河段2011年末地形和通過動床模型試驗預(yù)測得到的2022年地形基礎(chǔ)上，分別開展定床模型試驗研究，并預(yù)測該河段洪、枯水位和典型流量的變化情況，分析河床沖淤調(diào)整過程對防洪形勢和取水工程正常運(yùn)用的影響。

5.1 邊界條件

試驗河段模型水流特性試驗選取4級典型流量，以觀測河道水流運(yùn)動特性。4級典型流量包括該河段保證通航流量5 500 m3/s(三峽水庫正常蓄水運(yùn)用后)，多年平均流量12 500 m3/s，平灘流量32 000 m3/s，河道安全泄量50 000 m3/s?，F(xiàn)狀地形下出口水位按現(xiàn)狀河段水位流量關(guān)系推求得到，由一維數(shù)學(xué)模型根據(jù)2022年預(yù)測地形給出典型流量下對應(yīng)水位。試驗河段不同地形下4級流量對應(yīng)尾門水位見表4。

表4 定床模型試驗邊界條件

注：表中出口水位為黃?；?/p>

5.2 典型流量定床試驗成果與分析

5.2.1 沿程水位及比降變化與分析

典型流量下，沿程各水位站水位及比降變化見圖3。由圖可見，2022年地形條件與現(xiàn)狀地形條件相比，各水位站枯水位有較明顯下降，降幅均在1 m左右，其中石首站水位降幅最大，達(dá)到1.61 m；隨著水位升高，各站水位下降幅度有所降低，流量為50 000 m3/s時，2022年各站水位與2011年相比略有下降，降幅均不超過0.2 m；各水位站沿程下降幅度與各河段枯水河槽沖刷結(jié)果相對應(yīng)，即枯水河槽沖刷較大的河段，枯水位降幅也較大；各水位站洪水位沒有明顯變化，整體下降幅度不大。

圖3 河段沿程各水位站水位及比降變化

在2022年地形條件下，沙市至觀音寺河段、公安至郝穴河段、郝穴至新廠河段由于河道斷面由上而下逐漸窄深，當(dāng)流量增加，水位上升時，其過水?dāng)嗝娴脑鲩L較寬谷河段為小，為宣泄更大的水量，需加大水面比降，以增加水流速度，水面縱比降隨流量的增加有逐漸增大的趨勢；其余河段陳家灣至沙市河段、觀音寺至公安河段、新廠至石首河段則相反，河段斷面逐漸寬淺，水面縱比降隨流量的增加有逐漸減小的趨勢。

與2011年現(xiàn)狀地形條件比較，2022年預(yù)測地形條件下各河段在各流量級下水面縱比降整體呈現(xiàn)下降趨勢。分析其原因，與荊江由上自下的沖刷發(fā)展過程有關(guān)，由于上游沖刷發(fā)展較早，與下游河床高程差減小，河床相對平坦，造成2022年預(yù)測地形與2011年初始地形相比，各流量級下水面縱比降有所減小。

5.2.2 典型斷面流速分布變化與分析

上荊江定床模型試驗分別在2011年現(xiàn)狀地形和2022年預(yù)測地形條件下施放50 000 m3/s洪水流量，選取沿程典型水位站斷面進(jìn)行流速測量，并對比分析上荊江河床再造過程對各典型水位站防洪形勢影響。

河段沿程各典型水位站斷面流速分布與變化主要表現(xiàn)在：①2022年與2011年現(xiàn)狀相比，總體上看，洪水流量下各水位站斷面流速分布未有明顯變化，主流線位置均未有大幅度擺動；②受上荊江河床沖淤調(diào)整過程影響，各水位站斷面流速相比2011年略有增大。

表5 現(xiàn)狀地形和預(yù)測地形下各取水工程在各級流量下水位對比 m

6 對防洪形勢及取水工程運(yùn)用的影響

6.1 對防洪形勢的影響

本文在上荊江楊家腦至北碾子灣河段2011年末現(xiàn)狀地形和通過動床模型試驗預(yù)測得到的該河段2022年再造地形基礎(chǔ)上，開展定床模型試驗研究，并預(yù)測該河段枯水位和流量的變化情況，分析河床沖淤調(diào)整過程對該河段防洪形勢的影響結(jié)果詳見表5。

(1) 2022年地形條件與現(xiàn)狀地形條件相比，各水位站在各級流量下水位均有所下降，各水位站沿程下降幅度與各河段枯水河槽沖刷結(jié)果相對應(yīng)，即枯水河槽沖刷較大的河段，枯水位降幅也較大，其中枯水流量對應(yīng)水位下降幅度最大；隨著水位升高，各站水位下降幅度有所降低，當(dāng)出現(xiàn)大水流量32 000 m3/s時，2022年各站水位與2011年水位相比略有下降，降幅均不超過0.2 m，在一定程度上會減輕該河段防洪壓力；在洪水流量50 000 m3/s時，各水位站洪水位沒有明顯變化，整體下降幅度不大。由此可見，上荊江河道再造過程對該河段洪水位雖有一定程度的降低，但并不能根本緩解該河段防洪壓力。

(2) 2022年與2011年現(xiàn)狀相比，總體上看，洪水流量下各水位站斷面流速分布未有較大變化，主流線位置均未有大幅度擺動；受上荊江河床再造過程影響，各水位站2022年斷面流速較2011年略有增大。因而上荊江河道再造過程該河段主流位置影響較小，對該河段防洪形勢的不利影響較小。

6.2 對取水工程運(yùn)用的影響

向家壩、溪洛渡和三峽等水庫聯(lián)合運(yùn)用后，清水下泄將會造成壩下游河道發(fā)生較大幅度的沖淤調(diào)整，進(jìn)而對長江中游取用水工程處的水位流量關(guān)系造成較大影響[7]。本文通過開展定床模型試驗，分別在現(xiàn)狀地形和向家壩、溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用以及2022年末地形上，選取引江濟(jì)漢工程取水口、鹽卡、觀音寺閘及顏家臺閘4個典型取水工程斷面補(bǔ)充監(jiān)測各流量級下該處水位及流速變化情況，從而研究河床沖淤調(diào)整過程對取水工程運(yùn)用的影響。

6.2.1 取水工程斷面水位流量關(guān)系變化

由圖4可以看出，向家壩、溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用至2022年末地形條件下，與2011年初始地形條件相比，典型取水工程斷面水位流量關(guān)系變化如下：各流量級水位均有所下降，枯水流量下降幅度最大，在1 m以上，其中顏家臺閘處水位下降幅度最大，達(dá)到1.55 m；隨著水位升高，各取水工程處水位下降幅度有所降低，洪水流量50 000 m3/s時，2022年各取水工程處水位與2011年水位相比略有下降，降幅均不超過0.5 m。其中顏家臺閘較其他取水工程各級流量下水位降幅最大，分析其原因，顏家臺閘位于郝穴-新廠河段，由圖3可看出，該河段2022年水面縱比降較2011年大幅增加，導(dǎo)致顏家臺閘處水位降幅較大。

圖4 典型斷面水位流量關(guān)系變化/(m3·s-1)

6.2.2 取水工程處斷面流速變化

由上節(jié)定床試驗結(jié)果可知，中枯流量下，河床沖淤調(diào)整過程對取水工程正常運(yùn)用影響最大，因此上荊江定床模型試驗分別在2011年現(xiàn)狀地形和2022年預(yù)測地形條件下施放12 500 m3/s中水流量，對沿程典型取水工程(引江濟(jì)漢取水口、鹽卡、觀音寺閘、顏家臺閘)斷面進(jìn)行流速測量，并對比分析上荊江河床沖淤調(diào)整過程對各典型取水工程正常運(yùn)行的影響。

圖5 各典型取水工程斷面流速變化

由圖5可以看出，河段沿程各典型取水工程斷面流速分布與變化主要表現(xiàn)在：①引江濟(jì)漢取水口斷面2022年流速分布基本不變，主流略有右擺，但幅度不大，受河床再造過程影響，太平口心灘左汊進(jìn)口處沖刷下切，斷面左側(cè)灘面流速也略有增大；②受左側(cè)主槽沖刷發(fā)展影響，鹽卡斷面2022年主流整體呈左擺趨勢，金城洲右汊河床淤積抬高，河道斷面右

汊流速相應(yīng)地有所減??；③觀音寺閘斷面2022年流速分布基本不變，左側(cè)主槽沖刷下切引起斷面主流線向左略有擺動，但幅度不大，主槽位置流速則有所增大；④顏家臺閘斷面2022年流速分布變化相對較大，受河床再造過程影響，顏家臺閘處淤積體刷低，主流由斷面中部擺向左側(cè)，擺幅約300 m，主槽流速增大有利于顏家臺閘取水運(yùn)用。

綜上所述，楊家腦至北碾子灣段各取水工程斷面水位流量關(guān)系發(fā)生改變，即在各級流量下水位均有所下降，各處水位下降幅度與各工程所在河段枯水河槽沖刷結(jié)果相對應(yīng)，即枯水河槽沖刷較大的河段，枯水位降幅也較大；其中各取水工程處在枯水流量(5 500 m3/s)下水位下降幅度最大，降幅均在1 m以上；隨流量增加，各取水工程處水位降幅逐漸減小。中水流量下各取水工程斷面流速分布未有大的變化；受上荊江河床再造過程影響，個別取水工程處斷面主流線位置發(fā)生一定幅度的擺動?？傮w上，河床沖淤調(diào)整過程對沿岸的取用水工程會產(chǎn)生明顯的不利影響。

7 結(jié) 論

本文利用長江防洪實(shí)體模型動床模型試驗研究向家壩、溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合運(yùn)用后荊江楊家腦至北碾子灣河段河床沖淤調(diào)整規(guī)律，并利用定床模型試驗研究該河段河床沖淤調(diào)整過程對防洪形勢及取水工程運(yùn)用的影響，得出以下主要結(jié)論。

(1) 動床模型試驗運(yùn)行至2017年及2022年，楊家腦至北碾子灣河段總體河勢與初始地形(2011年11月)基本一致，隨運(yùn)行年限延長河床呈沿程逐步整體沖刷下切的趨勢，深槽刷深拓展，過渡段主流整體有所下移，過渡段間主流平面擺動較大，局部段江心洲灘及汊道段變化較為劇烈，沙市河段上段(J29～J45)、石首河段(J82～J104)變化尤為顯著。

(2) 各水位站沿程下降幅度與各河段枯水河槽沖刷結(jié)果相對應(yīng)，隨著水位升高，各站水位下降幅度有所減小，洪水流量下各水位站洪水位及斷面流速分布未有較大變化，河床沖淤調(diào)整過程對該河段防洪形勢的不利影響較小。

(3) 河段沿程各取水工程處在各級流量下水位均有所下降，隨流量增加，各取水工程處水位降幅逐漸減小。受河段河床沖淤調(diào)整過程影響，個別取水工程處斷面主流線位置發(fā)生一定幅度的擺動，對沿岸的取用水工程會產(chǎn)生一定的不利影響。應(yīng)加強(qiáng)河道沿岸的原型觀測，在河床沖淤對取水工程運(yùn)用產(chǎn)生較大不利影響時，及時采取有效措施保證取水工程的正常運(yùn)用。

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(編輯：李曉濛)

2017-09-15

水利部公益性行業(yè)科研專項(201401011)

陶 銘, 男,長江科學(xué)院河流研究所，工程師.

1006-0081(2017)11-0029-06

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