上荊江瓦口子至馬家咀河段河床演變趨勢預測研究

張 紅，劉啟航

(1.秭歸縣水行政執(zhí)法大隊，湖北 宜昌 443600；2.湖北漢鑫水務咨詢有限公司，湖北 武漢 430070)

三峽水庫蓄水運用以來，荊江河段河床發(fā)生了較為劇烈的演變，部分河段河床演變出現(xiàn)了一些新的特點[1-4]，如蓄水前的“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┎劬鶝_”，部分彎道段出現(xiàn)了“凹沖凸淤”的演變特征[5-6]。作為長江黃金水道的重要組成部分，上荊江瓦口子和馬家咀河段一直是研究的重點，許多學者對這一河段的河床演變特性進行了研究。如陸永軍等[7]建立了該河段的平面二維水沙數(shù)學模型，模型結(jié)果顯示三峽蓄水運用20年內(nèi)全河段除馬家咀彎道外基本呈沖刷趨勢，突起洲左、右汊深槽均沖刷下切。假東東等[8-9]通過二三維耦合數(shù)學模型對三峽蓄水后上荊江沙市至新廠河段橫向調(diào)整進行了模擬預測，金城洲兩汊均沖刷發(fā)展、灘體沖刷萎縮，突起洲兩汊均沖刷發(fā)展，灘體頭部及左緣均沖刷后退。鄧曉麗等[10]通過物理模型試驗研究了三峽水庫蓄水運用初期馬家咀河段的演變情況，指出突起洲前緣將沖刷，其左汊沖刷發(fā)展并可能影響右汊航道條件。陳勇等[11]基于實測資料對瓦口子水道近期(2013—2016年)演變特點進行了分析，指出三峽水庫蓄水運用后該河段以沖刷為主、金城洲洲體往復性淤長與沖刷。江凌等[12]基于實測資料分析并預測三峽水庫蓄水運用初期金城洲頭部將沖刷、尾部淤積，且金城洲右汊將持續(xù)沖刷。李溢汶等[13-14]基于實測和遙感資料分析了三峽工程運用后沙市河段洲灘形態(tài)的調(diào)整特點，并指出金城洲灘體面積變化與前5年平均的汛期水流沖刷強度具有良好的滯后響應關(guān)系。趙維陽等[15]基于實測資料分析了沙市河段洲灘聯(lián)動的關(guān)系及成因，指出了金城洲面積變化與上游灘體(三八灘和臘林洲邊灘)形態(tài)調(diào)整的關(guān)系較為密切。

以往這些研究均對三峽水庫蓄水運用20年內(nèi)即2022年前的情況進行了分析和預測，預測趨勢與目前實際發(fā)生情況有的相符，有的則有所偏離，因此有必要結(jié)合近期水沙實測和地形測量資料對本河段未來演變趨勢進行預測研究，為本河段河道及航道整治提供技術(shù)支撐。

1 研究河段概況

瓦口子至馬家咀河段處于上荊江中段，其中瓦口子河段上起柳林洲，下至觀音寺，全長約12 km；馬家咀河段上起觀音寺，下至青龍廟，全長約15 km。研究河段為微彎分汊河型，河床主要由0.09～0.36 mm的細沙組成，中值粒徑約0.2 mm。河段內(nèi)主要有金城洲和突起洲2處江心洲，并有雷家洲、白渭洲和青安二圣洲等多處邊灘。研究河段現(xiàn)狀河勢見圖1。

圖1 研究河段河勢

2 主要洲灘近期演變

金城洲位于瓦口子河段，三峽蓄水前后金城洲30 m灘體平面變化見圖2。

a)1975—2002年

三峽蓄水前的1970年代，金城洲為右岸邊灘，1980年代后期主流切灘，金城洲成為心灘并淤積發(fā)展；之后右汊淤積，金城洲并入右岸。三峽蓄水后(2002年后)，金城洲右側(cè)竄溝沖開成為心灘，兩汊總體沖刷下切，同時洲體大幅沖刷萎縮且被切割成幾處零散灘體，洲體面積減小至0.84 km2，僅為蓄水初期的20%。

雷家洲邊灘和突起洲位于馬家咀河段，三峽蓄水前后30 m灘體平面變化見圖3。三峽蓄水前，雷家洲邊灘沖淤交替，總體表現(xiàn)為頭淤尾刷；突起洲左側(cè)竄溝沖刷發(fā)展，成為心灘。三峽蓄水后，雷家洲邊灘基本穩(wěn)定；突起洲頭部淤積上移、右緣沖刷，洲體中下部較穩(wěn)定，左汊受汊道內(nèi)航道整治工程(護灘帶和護底帶)有所淤積萎縮。

a)1975—2002年

3 數(shù)學模型

3.1 控制方程

為貼合河道不規(guī)則邊界，本文求解如下。一般曲線坐標系ξ-η下的水流泥沙運動及河床變形方程：

(1)

(2)

(3)

JαKω(SK-SK*)

(4)

(5)

式中J=xξyη-xηyξ；U=yηu-xηv；V=xξv-yξu；x、y——笛卡爾坐標系；t——時間；z、h——水位和水深；zb=z-h——河床高程；u、v——x、y方向流速；g——重力加速度；n——曼寧系數(shù)；Sμξ、Sμη及Ssk——x、y方向運動方程及懸移組輸運方程的擴散源項；ω——泥沙沉速；γ′——泥沙干密度；SK、SK*、αK——第K組懸移質(zhì)泥沙的分組含沙量、挾沙力和恢復飽和系數(shù)。

模型中挾沙力采用張瑞瑾公式計算，式中k、m需率定，ω為代表沉速；分組挾沙力和床沙級配采用文獻[16]中模式處理?？刂品匠?1)—(5)采用基于同位網(wǎng)格的有限體積法進行離散求解。為避免出現(xiàn)水位和速度的失耦，界面流速采用動量插值方法計算。

3.2 計算區(qū)域及模型率定驗證

數(shù)值模擬區(qū)域上邊界取在埠河附近(荊44)；為方便給定出口邊界條件，下邊界取在郝穴水位站，總長52 km。進口邊界位于埠河，受埠河卡口限制，主流相對集中，洪中枯期主流位置變化不大，進口流速分布按照曼寧公式確定。出口位于郝穴水位站，給定出口水位。計算網(wǎng)格順水流方向共劃分451個、沿河寬方向121個。

采用2019年4月(Q=10 300 m3/s)和2019年7月(Q=26 000 m3/s)2個測次水文資料進行定床率定驗證，計算結(jié)果見圖4、5。采用2013年6月、2016年10月、2019年4月共3次地形資料及沙市站、郝穴站水文資料進行動床率定驗證，計算與實測斷面地形對比見圖6、7?？傮w而言，模型計算結(jié)果與實測值吻合良好，計算河段主槽糙率為0.019～0.025，邊灘糙率為0.024～0.030，懸移質(zhì)挾沙力系數(shù)k為0.09～0.12，指數(shù)m取0.92；懸移質(zhì)泥沙恢復飽和系數(shù)α沖刷時取1.0，淤積時取0.25。

a)荊52

a)荊48

a)荊45

a)荊45

4 河床演變趨勢計算分析

4.1 計算條件

近年來沙市站實測來沙量整體偏少，隨著向家壩、溪洛渡蓄水運用未來研究河段來沙仍將較少。鑒于此，本研究選用近期2010—2018年沙市站來水來沙過程作為研究河段進口水沙邊界條件；另外參考文獻[3]的做法，在系列年中加入減沙處理后的1998年水沙過程(置于系列年第6年)。減沙處理方式為依據(jù)沙市站2014—2018年水沙過程擬合流量-輸沙率關(guān)系，再根據(jù)1998年來流過程擬定來沙過程。系列年長10年，模擬時段為20年，即系列年循環(huán)計算2次。計算中考慮了本河段航道整治工程(金城洲護灘帶、突起洲護灘和護底帶)的影響，計算初始地形選用2019年4月的1∶10 000實測地形。

4.2 河床沖淤分布計算結(jié)果

第5、10、15、20年末計算河段河床沖淤厚度分布見圖8。未來20年內(nèi)，計算河段總體表現(xiàn)為主槽沖刷發(fā)展且不斷朝下游發(fā)展，這與三峽蓄水以來中下游河床總體演變趨勢一致[17]。

a)5年末

表1統(tǒng)計了未來20年計算河段枯水河槽(流量5 000 m3/s)的沖淤量及平均沖淤厚度。對于瓦口子水道，第5、10、20年末，河床平均沖深分別為0.99、2.43、3.76 m；對于馬家咀水道，第5、10、20年末，河床平均沖深分別為0.28、0.92、2.03 m?？梢?，未來20年計算河段將處于較為劇烈的沖刷發(fā)展階段。

表1 沖淤量及沖淤厚度統(tǒng)計

4.3 江心洲與深泓線變化

金城洲及突起洲30 m灘體平面變化見圖9。現(xiàn)狀(2019年)金城洲由3塊零散的灘體構(gòu)成，受金城洲護灘帶的影響，至第5年末金城洲略有淤積，零散灘體合并，此后金城洲頭部有所蝕退，尾部則淤積下延?？傮w而言，未來金城洲變化不大。

圖9 金城洲及突起洲平面變化

對于突起洲，洲頂逐年沖刷蝕退、但幅度不大，洲尾有所淤積下延，洲體右緣中上部有所沖刷。突起洲左汊逐步淤積、右汊沖刷發(fā)展，未來主流仍將走右汊。值得說明的是，前期陸永軍[7]、假東東[8-9]、鄧曉麗等[10]研究預測本河段河床演變情況時采用的初始地形均為2006年以前的地形，此時研究河段的航道整治工程尚未實施，因而其研究成果中預測突起洲左汊會沖刷發(fā)展；本文研究則是采用航道整治工程實施后的最新實測地形(2019年)，而預測的突起洲左汊將會逐步淤積也與近期觀測資料一致。從某種意義上講，這也體現(xiàn)了本河段航道整治工程正發(fā)揮著抑制左汊沖刷發(fā)展、穩(wěn)定右汊通航槽的積極作用。

圖10給出了研究河段深泓線的平面變化?，F(xiàn)狀情況下自埠河至觀音寺河道深泓一直緊貼左岸，至雷家洲附近逐步過渡到突起洲右汊深槽行進?？傮w上看，未來20年內(nèi)工程河段深泓走向與現(xiàn)狀情況基本一致，觀音寺、雷家洲附近深泓線年際間有所擺動，幅度不大。

圖10 深泓線平面變化

4.4 橫斷面變化

圖11給出了研究河段典型斷面變化情況。荊45位于金城洲上游3 km處，未來20年內(nèi)左岸高灘部分有所淤積，主槽沖刷下切，20年末最大沖深4.5 m。荊55位于雷家洲附近、突起洲上游3 km處，受突起洲左汊淤積影響，斷面左側(cè)有所淤積，右岸主槽年際間有所沖刷，深泓線逐步移至河槽中部而靠近突起洲頭部西側(cè)，這使得突起洲頭部西側(cè)位置發(fā)生沖刷(圖9)。荊59斷面位于突起洲下游0.7 km，呈W形，受突起洲左汊淤積影響，河槽左側(cè)有所淤積，20年末最大淤厚5.0 m，河槽右側(cè)沖刷，20年末最大沖深4.9 m?？傮w上看，未來研究河段岸線將基本穩(wěn)定，主河槽將有較大程度沖刷。

a)荊45

4.5 平面流場變化

河道演變與河道流場緊密相關(guān)。圖12給出了平灘流量條件(流量為35 000 m3/s)下現(xiàn)狀及未來5年末、10年末、20年末的計算河道平面流場。未來20年研究河段主流位置與現(xiàn)狀情況基本一致，主流走向大體為：進口貼左岸下行，至觀音寺過渡到右岸，再貼右岸下行。隨著河床沖刷，同流量條件下主河槽流速有所減小，突起洲左汊因河床淤積流速減小較為明顯。

a)現(xiàn)狀情況

4.6 突起洲分流比變化

突起洲兩汊未來20年分流比變化見表2。受左汊航道整治工程的影響，突起洲左汊將繼續(xù)淤積，右汊進一步?jīng)_刷下切。相應的，左汊分流比略有減小，在5年末、10年末、20年末，左汊最大分流比減小分別為0.4%、1.0%、2.5%。

表2 突起洲分流比變化 %

5 結(jié)論

本文建立了瓦口子至馬家咀河段的平面二維水沙數(shù)學模型，采用實測水文泥沙資料對模型參數(shù)進行了率定驗證，進而對本河段未來20年河床演變趨勢進行了模擬研究。研究表明：①瓦口子水道未來第5年末、10年末、20年末枯水河床平均沖深分別約0.99、2.43、3.76 m，馬家咀水道沖刷幅度略小，第5年末、10年末、20年末枯水河床平均沖深分別為0.28、0.92、2.03 m；②本河段未來河勢總體穩(wěn)定，深泓線年際間有變化但平面擺幅不大；③金城洲總體變化不大，突起洲左汊淤積，右汊沖刷，“左支右主”分汊格局保持穩(wěn)定。若未來來水來沙條件與本文研究中所采用的條件沒有大的變化，突起洲左汊淤積、流速減小的趨勢將進一步促使突起洲左汊淤積而右汊發(fā)展，直至達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)。