長壽-洛磧河段回水變動區(qū)二維水沙數(shù)值模擬研究

朱利晴，俞俊平，吳江鵬，何金寶，孫斌

(1.江西省交通科學研究院， 江西 南昌 330200；2.江西省港航管理局， 江西 南昌 330006)

三峽水庫正常蓄水后，長壽到洛磧河段的回水變動區(qū)航道條件變得極為復雜，雖然國內(nèi)有許多學者[1-6]從河床演變理論分析、數(shù)學模型計算、實體模型試驗等不同角度對三峽蓄水后變動回水區(qū)的泥沙淤積情況進行了研究，得到了較為深入的認識，但以往大多采用19世紀60年代水沙資料，然而近年來，長江上游及其支流建庫、水土保持等使得水沙條件發(fā)生了明顯變化，該水沙資料已難以體現(xiàn)輸沙量減小的最新趨勢[7]，原有的研究成果可能與實際情況存在很大差異，不再適用。本文采用二維水沙長時段數(shù)學模型，選用2002年—2011年+1998年的10+1序列對三峽庫區(qū)回水變動區(qū)水流與泥沙運動規(guī)律進行了模擬研究，通過對回水變動區(qū)各時段水流運動規(guī)律及泥沙運動形態(tài)的研究，主要包括懸移質(zhì)、推移質(zhì)的運動和水流流速、流態(tài)等的運動規(guī)律，進而分析該河段河道沖淤長時段變化規(guī)律，從而為航道整治及日常航道維護管理提供科學依據(jù)與理論基礎。

1 三峽庫區(qū)泥沙沖淤特性

長壽-洛磧河段位于重慶下游約50 km，河段全長約28.5 km，出口距三峽樞紐約530 km。該河段具有典型的山區(qū)河流特點，包括彎道，邊灘，淺灘、深槽、分叉等多種河型，計算成果可反映多種河型的泥沙沖淤特點，具有較強的代表性，該河段的河勢圖見圖1，其中SC1～SC9是選取的9個典型斷面。

圖1 三峽工程回水變動區(qū)長壽到洛磧河段河勢圖

1.1 沖淤強度

相關(guān)資料顯示，三峽水庫蓄水以來，2003年3月至2011年11月間庫區(qū)大壩至銅鑼峽干流全河段泥沙淤積總量為12.649億m3，其中大壩至李渡鎮(zhèn)段淤積12.417億m3，李渡鎮(zhèn)至銅鑼峽河段淤積2326萬m3。通過三峽庫區(qū)各河段淤積量和淤積強度對比可知，泥沙淤積分布和淤積強度與河道形態(tài)存在著密切的關(guān)系，河道寬谷段淤積強度相對較大，窄深段淤積強度較小甚至局部出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，蓄水后大壩～銅鑼峽干流寬谷段總淤積量為11.106億m3[8]，占全河段總淤積量的93.1%，窄深河段總淤積量為0.826億m3，僅占全河段總淤積量的6.9%。

1.2 沖淤形態(tài)

（1）淤積現(xiàn)象普遍。蓄水前，三峽庫區(qū)縱剖面呈鋸齒狀分布。蓄水后泥沙淤積使縱剖面發(fā)生了一定變化。相較于2006年，2011年深泓線高程大，即工程河段存在普遍游積現(xiàn)象。

（2）垂向沖淤變化顯著。三峽庫區(qū)兩岸一般為基巖組成，故岸線基本穩(wěn)定，斷面變化主要表現(xiàn)在河床的垂向沖淤變化。自蓄水以來，三峽庫區(qū)淤積形態(tài)主要有[9]：

①主槽平淤，此淤積方式分布于庫區(qū)各河段內(nèi)，如壩前段、臭鹽磧河段、黃花城河段等；

②沿濕周淤積，此淤積方式也分布于庫區(qū)各河段內(nèi)；

③左岸或右岸主槽淤積，此淤積形態(tài)主要出現(xiàn)在某些河道形態(tài)為彎道處，以土腦子河道為典型；沖刷形態(tài)主要表現(xiàn)為主槽沖刷和沿濕周沖刷，一般出現(xiàn)在河道水面較窄的峽谷段和回水末端位置。

工程所處的洛磧河段位于銅鑼峽至涪陵河段中段部位，為川江典型的淺灘河段，三峽水庫進入156 m蓄水期后，該河段成為三峽水庫變動回水區(qū)河段，試驗性蓄水后該河段枯水位進一步抬高，但由于目前該河段受蓄水影響時間較短，且處于變動回區(qū)上段，汛期基本為天然河道狀態(tài)，該河段還未出現(xiàn)明顯的累積性淤積狀態(tài)。

（3）洲灘深槽淤積穩(wěn)定。根據(jù)相關(guān)實測河床地形資料，工程河段整體河勢穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的灘槽移位。相較2006年，2009年河床地形普遍淤積1.5 m～2 m，局部深槽邊灘淤積超過2 m，如麻柳場淤積約3 m，中擋壩淤積約4 m，雀石子淤積約3 m，板凳角淤積3 m，川江駁船廠碼頭前淤積4 m，重鋼碼頭淤積6 m，王家灘右岸邊灘淤積4 m～6 m，龍舌梁淤積3 m；2010年地形較2009年普遍淤積1 m～2 m，過年石至麻柳場出現(xiàn)2 m淤積帶，中擋壩淤積2 m～4 m，車家石梁化?？诖a頭、川江駁船廠和重鋼碼頭等水工建筑物附近均出現(xiàn)了 2 m～5 m的淤積，騎馬橋出現(xiàn)2 m～4 m淤積，龍舌梁至羊角堡左岸邊灘有2 m～5 m淤積。

2 二維水沙模型建立及驗證

2.1 二維水沙模型

本文所用二維水沙模型通過參考熊偉[9]等人的研究內(nèi)容建立，利用 Mike軟件對所建立的二維水沙模型進行相關(guān)數(shù)值模擬，因篇幅所限且此處并非本文研究重點，模型建立的基本方法、邊界條件、應注意的核心問題及模型求解等詳見參考文獻[10]。本文采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格剖分，計算區(qū)域從南坪壩（上游航道里程609 km）開始，至長壽釣魚嘴（上游航道里程580.5 km）處結(jié)束，全長共計28.5 km，建筑物附近5 m、灘段10 m～20 m、其它河段40 m～50 m，平均20 m，按疏密漸變的方式劃分，共剖分節(jié)點82 958個，單元168 046個。

2.2 糙率研究

河道對水流的阻力用糙率值表示，在二維水沙模型的水力計算中，糙率值是關(guān)鍵參數(shù)，糙率的大小與河床質(zhì)組成、河道坡降、平面地形、斷面形狀及流量、水位等參數(shù)相關(guān)，需要用實測資料進行率定[11]。參考長江重慶航運工程勘察設計院“三峽庫區(qū)（175 m運用初期）設計最低通航水位計算與分析”，采用一維數(shù)學模型對工程河段的糙率進行率定，長壽-扇沱、扇沱-麻柳嘴和麻柳嘴-太洪崗各河段平均糙率分別為0.0366、0.0333和0.0394。

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）。

首先，為了比較不同床沙粒徑對淤積的影響，固定來水來沙條件和輸沙因子kb=ks=1，選取了 4種床沙粒徑進行分析，分別為d50=0.28 mm，0.2 mm，0.1 mm和0.05 mm，進行了2009年的淤積計算。圖2是進口流量、含沙量和出口水位的邊界條件；圖3比較了2009年4種粒徑的淤積量，可見床沙粒徑0.28 mm和0.2 mm淤積量基本相同，床沙粒徑0.1 mm和0.05 mm淤厚基本相當。隨著粒徑增加，淤積量增加。分析認為不同粒徑對淤積厚度有一定的影響，但敏感性不強。

其次，為了比較不同來沙條件對淤積的影響，固定床沙粒徑d50=0.2 mm，kb=ks=1，比較了2種來沙條件的淤積厚度。來沙量減小，淤積隨之減小，但影響并不顯著。

圖2 2009年水位、流量和含沙量過程

圖3 不同床沙粒徑淤厚比較

最后，為了比較輸沙因子對河床輸沙的影響，分別取值計算2009年6月1日至6月15日共15 d的淤積情況。各組淤積高程比較可知，不同輸沙因子對淤厚有明顯影響。

2.4 水位驗證

驗證資料參考值采用 2008年麻柳嘴和扇沱水位站實測水位值。通過模型計算值與實測水位值的對比分析可知：計算值與實測值整體契合程度良好，水位值基本一致，不過由于汛期水位通常變化較大，故汛期部分時段計算值與實測值稍有出入，但總體而言誤差尚在可接受范圍內(nèi)。

2.5 地形驗證

本文采用2006年－2009年三峽水庫回水變動區(qū)實測地形資料進行地形驗證?？傮w來看，數(shù)模計算與實測主要淤積部位基本一致，實測平均淤高1.16 m，數(shù)值計算平均淤高1.06 m，數(shù)模計算淤積量為3863.28萬m3，實測地形淤積3846.72萬m3，兩者相差16.57萬m3，相對誤差為0.43%。

3 河床沖淤規(guī)律分析

3.1 邊界條件

為了分析工程河段長時段的河床沖淤變化規(guī)律，選用2002年—2011年和1998年的10+1序列重復一次對22 a間工程河段的沖淤變化計算，該序列既考慮輸沙量減小的最新趨勢，也包含各種特征年，考慮因素比較全面，具有較強的代表性。

3.2 淤積量變化

三峽水庫運行5 a、10 a、15 a和22 a淤積量分別為 3867.878 萬 m3、9774.527 萬 m3、15 846.700 萬m3和24 144.410萬m3，對應的累積平均淤積厚度分別為1.22 m、3.09 m、5.01 m和7.63 m，由于每年的來沙量不同，每年的淤積強度和淤積厚度有所差異，最大的淤積強度發(fā)生在 2021年，淤積強度為1749.350 m3/a，淤厚為0.55 m/a；多年平均淤積強度為1097.473 m3/a，多年平均淤厚為0.35 m/a。

3.3 沖淤斷面變化

總體來看，淤積主要發(fā)生在深槽和邊灘，當三峽工程運行 22 a時，河段內(nèi)的深槽基本上都被淤平，而淺灘河床淤積則相對較小，致使斷面形狀發(fā)生很大變化，寬深比明顯增大，逐漸向“U”形發(fā)展，河槽向“單一”發(fā)展。具體來看，SC1斷面（過年石附近）屬于回流區(qū)，其右岸深槽最大淤積厚度達25 m，在深槽左側(cè)淺區(qū)有少量沖刷；SC2斷面（金錢罐附近）整個斷面均發(fā)生淤積，最大淤厚約10 m；SC3斷面（石船梁附近）屬于寬淺河段，其深槽部位最大淤厚約 13 m；SC5斷面（渝懷鐵路橋上游600 m）整體斷面淤積，最大淤厚約8.5 m；SC7斷面（重鋼碼頭下游400 m）屬于彎沱區(qū)，其左深槽有26 m淤積，右岸邊灘淤厚約5 m。

3.4 沖淤平面分布

三峽水庫運行5 a、10 a、15 a和22 a后，可以看出整個河段均出現(xiàn)累積性泥沙淤積，這是由于汛后蓄水，水位大幅度提升，水流不能歸槽，汛期淤積的泥沙難以得到有效沖刷造成的，同時還可以看出泥沙主要淤積在回流區(qū)、彎沱及河道的寬淺河段，主要的淤積區(qū)域位于南坪壩左槽、南坪壩尾至麻柳場、雀石子至點燈石左槽一帶、渝懷鐵路橋下游至車家石梁、白鷺嘴、騎馬橋至螺絲口左槽、龍舌梁至羊角堡左槽，這些區(qū)域在三峽水庫運行5 a、10 a、15 a和22 a時，淤高分別為5 m～7 m、6 m～26 m、10 m～32 m和14 m～34 m。

4 泥沙淤積對重點河段航道的影響

由于泥沙主要淤積在回流區(qū)、彎沱及河道的寬淺河段，故這些河段航道條件的變化相比其他河段更大。對于回流區(qū)，受累積性淤積影響較大的是過年石處河段，由于汛期水流趨直，該處回流區(qū)擴大，泥沙淤積，而在枯水期由于水庫蓄水使得沖沙時間減少，泥沙不能完全沖走，造成了累積性淤積，但由于泥沙主要淤積于深槽，以及河道水位的整體抬升，其航道條件不會發(fā)生較大變化；對于彎沱區(qū)，騎馬橋至螺絲口河段航道條件變化較為顯著，兩岸彎沱會出現(xiàn)較大強度的淤積，隨著淤積年限的延長，彎沱逐漸被淤平，主槽將趨于順直，航道寬度會有所減小，尤其是王家灘段，在中枯水時，其河道被忠水磧分成兩汊，左汊為枯水航道，而左汊通航水域又主要在深槽，三峽水庫運行5 a時，河段會因彎沱及深槽的淤積，出現(xiàn)河深及河寬不足的問題，需加強關(guān)注，必要時采取適當?shù)恼未胧?，但是隨著河道水位的整體抬升，運行20 a后河段整體水位將抬高1 m～6 m，且兩汊深槽逐漸被淤滿，斷面逐漸向“U”形發(fā)展，成為單汊河段，存在的問題將會得以解決；而對于寬淺河段，由于過流面積突然增加，流速迅速減小而發(fā)生累積性泥沙淤積，淤積主要發(fā)生在邊灘和江心洲處，在邊灘處淤積，較為典型的是石船梁處河段，其凸岸進一步發(fā)展，河型逐漸向凹岸深槽的彎曲型過渡，寬度雖有所減少，但仍滿足航運寬度要求，而在江心洲處淤積，變化較大的是南坪壩處河段，右汊河槽雖有所淤積，但其水深不會發(fā)生明顯變化，寬度變化也不大，均滿足航運要求，左汊則有逐漸淤廢的趨勢。

總的來說，除王家灘段外的其他河段，雖然也有累積性淤積，但航道條件不會產(chǎn)生明顯變化，而對王家灘段，短期內(nèi)可能會出現(xiàn)礙航現(xiàn)象，但長期來看，因泥沙落淤部位主要在深槽和邊灘，不會對航道水深產(chǎn)生不利影響，且河道整體水位抬升，該段的礙航現(xiàn)象可得到緩解，航道條件也不會發(fā)生明顯變化。

5 結(jié)論

本文通過建立二維水沙數(shù)學模型，在分析其敏感因素及其可靠性的基礎上，對工程河段進行了長時段水沙數(shù)值模擬，分析了工程河段河床沖淤變化規(guī)律，預測了2012年—2033年間累積淤積情況，表明工程河段有比較明顯的累積性淤積趨勢，泥沙主要淤積在回流區(qū)、彎沱及河道的寬淺河段，短期內(nèi)這些河段可能會出現(xiàn)礙航現(xiàn)象，但因泥沙落淤部位主要在深槽和邊灘，且河道整體水位抬升，航道條件不會產(chǎn)生明顯變化。本研究成果與實際情況十分吻合，可為計算河段的航道規(guī)劃、航道維護、航道整治、碼頭選址以及挖砂采石等提供指導，也可為航道管理提供支撐。