長江下游揚中環(huán)島崩岸段河勢變化及水動力特征分析

曹雙　劉沛　蔡磊　郭德俊

摘要：為了預(yù)防崩岸的發(fā)生，對長江下游揚中河段環(huán)形島嶼水動力特性及河勢變化情況進(jìn)行了研究。構(gòu)建了水動力模型并采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，對河道斷面形態(tài)及河坡比變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：沉船對指南村崩窩處水位、流速場影響不大，崩窩外側(cè)深槽區(qū)陡然劇烈沖刷下切是崩窩發(fā)生的直接誘因。對于太平洲洲頭左右緣、小炮沙左汊出口段、落成洲右汊出口段等部位，應(yīng)預(yù)防大流量級下主流對環(huán)島近岸河床的沖刷，以避免導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)，甚至在灘地狹窄區(qū)域直接沖垮洲堤;太平洲洲頭左右緣及泰洲大橋左汊大橋下游側(cè)近岸沿岸水流長期流速較大，使近岸河床屬于易沖區(qū)，應(yīng)采取措施預(yù)防沖刷以免造成邊坡失穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：崩岸;河勢變化;水動力特征;數(shù)學(xué)模型;環(huán)島;長江下游;揚中河段

中圖法分類號：TV147

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.010

1河段概況

長江下游揚中段江心洲發(fā)育。北側(cè)自洲頭至落成洲河道主流頂沖，深槽貼岸，河床長期以沖刷為主，在長江中下游崩岸治理中被列為重點險工險段，見圖1。南側(cè)夾江洲頭段及中部彎曲部位也是局部深槽靠岸，高水位下水流湍急，河床沖刷。長江下游揚中河段河道近年斷面特征見表1。

近10多年來，長江下游來水來沙條件發(fā)生了較大的變化，特別是水流含沙量較三峽水庫蓄水前大.幅下降，降幅超過60%。長期清水沖刷作用引發(fā)下游部分河段發(fā)生崩岸，危及江堤及沿岸居民的安全[1-7]2017年11月8日05：00左右，揚中市三茅街道指南村泰州大橋上游約1.5km處江岸發(fā)生較大尺度崩岸，崩岸從外灘向長江干堤迅速延伸，11：20長江千堤開始坍失，至18：00崩岸基本趨于穩(wěn)定。此次崩岸造成岸線崩塌540m，坍失主江堤440m，崩岸最大進(jìn)深190m，坍失房屋9戶、江堤涵洞1座，坍失土地面積9.733hm2（146畝）。

2長江中下游崩岸研究現(xiàn)狀

影響崩岸的因素一般分為4類：河岸邊界條件、河流水沙動力條件、水文氣象因素以及人類活動81。對于崩岸的預(yù)防主要從河岸邊界條件和河流水沙動力條件l9-1l2個方面考慮，本文主要研究水動力條件對于河岸的影響。

國內(nèi)對于長江中下游崩岸的研究和預(yù)測方法包括：①通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測崩岸的各影響因素8，需要一定的數(shù)據(jù)量才能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果;②構(gòu)建河岸穩(wěn)定評價體系，根據(jù)各影響因子權(quán)重，計算出崩岸的總權(quán)重來預(yù)測崩岸2，需要結(jié)合大量的崩岸實例以不斷完善評價指標(biāo);③使用先進(jìn)的現(xiàn)代儀器監(jiān)測河岸以預(yù)測崩岸[9，成本投入較大;④通過模擬崩岸試驗制定崩岸預(yù)防措施13-19]9，能夠快速找出崩岸規(guī)律，但無法完全模擬真實的崩岸場景。對于不同地區(qū)，河岸邊界、水文氣象以及人類活動等影響因素難以形成共性，唯有水動力因素在不同地區(qū)具有共性。本文針對水動力因素進(jìn)行研究，能夠直接分析得出沖刷力較大的位置，提前針對岸邊的結(jié)構(gòu)實施防沖措施。

3水動力模型分析

3.1計算依據(jù)

長江下游防洪設(shè)計水位近期仍采用《長江流域綜合規(guī)劃報告（2012～2030年）》公布的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，按1954年型洪水設(shè)計，長江下游防洪設(shè)計水位（無臺風(fēng)影響）為5.35m（江陰水位站），相應(yīng)設(shè)計流量97400～100400m/s（千流85400m'/s，加淮河近期規(guī)劃人江12000m'/s，遠(yuǎn)期規(guī)劃人江15000m'/s）?？紤]到崩岸在洪中、枯期的發(fā)生概率，從枯水至洪水分5級流量級計算。

3.2基本原理

3.2.1水動力計算原理

采用平面二維模型MIKE21FM，以垂線平均的水流因素作為研究對象，模擬研究水域不同水文條件下非穩(wěn)態(tài)水動力過程，并通過工況計算分析工程建設(shè)前后水動力的變化情況。本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的水動力模塊進(jìn)行模擬。

3.2.2模型特點

對于河道灘地復(fù)雜的地貌形態(tài)，傳統(tǒng)矩形網(wǎng)格如單一矩形差分網(wǎng)格、矩形嵌套網(wǎng)格和曲線網(wǎng)格很難貼合地形邊界。由于長江邊界形狀和河底地形比較復(fù)雜，本文模型采用能較好擬合邊界的不規(guī)則三角網(wǎng)格作為計算網(wǎng)格（見圖2）。

3.2.3二維淺水控制方程

（1）提出假設(shè)。Bousinesq渦粘假定：建立紊動應(yīng)力和時均流速梯度的關(guān)系：

式中，t為時間;x，y，z為右手Cartesian坐標(biāo)系;n為水位;h為靜止水深;u，v，w分別為流速在x、z方向上的分量;p.為當(dāng)?shù)卮髿鈮?p為水密度;p.為參考水密度;f=22sing，為Coriolis參量（其中l(wèi)=0.729x104s-，為地球自轉(zhuǎn)角速率，中為地理緯度）;f和fu分別為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度;syw，Syy，syx，syw為輻射應(yīng)力分量;T，Tn，T.，T為水平粘滯應(yīng)力項;S為源匯項;u。，v。為源匯項水流流速。

3.2.4初始條件

（1）邊界條件。開邊界：

n，=n，（t）或u，=u，（t）或，=y，（t）

式中，n，、u，、j，為開邊界r上的已知水位、流速過程。

閉邊界：

（2）初始條件：

式中，no為計算初始時刻水位空間分布函數(shù)。

3.2.5計算方法

模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法[20-21]。對笛卡兒坐標(biāo)系下二維淺水方程歸一化：

4模型計算方案

4.1數(shù)學(xué)模型率定與驗證

4.1.1

率定與驗證計算條件

模型采用計算河段2017年8月的實測水文資

料進(jìn)行率定，采用2017年2月的實測水文資料進(jìn)行驗證計算。

2017年8月實測期間，布設(shè)了K-1L、K-3R、K-6L、K-8L、K-11R等5個水位觀測點;布置了KAZ1、KAZ2、KAZ4L、KAZ4R、KAZ6、KAZ9、KAZ10、KAZ1L、KAZ11M等9個測流斷面進(jìn)行流速、流向、流量測驗。

局部河演分析表明：指南村崩窩突發(fā)是由于坡腳外深槽大幅沖刷下切逼岸、近岸河坡土層抗沖性較差，加之各流量級下近岸流速較大等幾重因素疊加造成的。

治理后的河道斷面變化表明，崩窩外側(cè)不規(guī)則大深槽依然存在，考慮到模型所算各級水位下近岸流速較大，應(yīng)對該河段加強(qiáng)監(jiān)測。

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（編輯：李慧）