水位降落對湘江長沙樞紐至蘆林潭河段 航道條件影響數(shù)值分析

胡雄

摘 要：針對湘江長沙樞紐至蘆林潭河段開展水位降落研究，結(jié)合水文資料，建立湘江長沙樞紐至蘆林潭河段的二維數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型展開水位降落對航道條件的分析，探討河段上魚尾～文經(jīng)灘群控制節(jié)點(diǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：水位降落;礙航淺灘;數(shù)值模擬

中圖分類號：TV61? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0148-02

湘江是湖南省第一大河流，直通長江黃金水道，湖南省超65%的水運(yùn)量都發(fā)生于此，湘江水系水運(yùn)企業(yè)分布超全省水運(yùn)企業(yè)的50%，而湘江下游上的湘江株洲至城陵磯河段，是湘江水系航道的咽喉，是湖南省水運(yùn)的最主要的動(dòng)脈[1]。目前，湘江長沙樞紐至蘆林潭河段內(nèi)的魚尾～文經(jīng)灘群在枯水季節(jié)，航道水深嚴(yán)重不足，淺灘段礙航的特性日益突顯。為了解枯水季節(jié)下游水位下降對魚尾～文經(jīng)灘段控制節(jié)點(diǎn)及長沙樞紐壩下水位的影響，數(shù)學(xué)模型開展了設(shè)計(jì)流量下湘陰水位不同降落值對研究河段航道條件影響的預(yù)測分析。

1模型建立與驗(yàn)證

1.1 控制方程

基于笛卡爾坐標(biāo)系，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建立二維水動(dòng)力模型[2-3]，其控制方程離散方法采用單元中心的有限體積法求解，模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格更有利于擬和復(fù)雜河道邊線，同時(shí)可以對挖槽附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

1.2 計(jì)算范圍及網(wǎng)絡(luò)劃分

根據(jù)研究內(nèi)容及河段河勢情況，擬定數(shù)學(xué)模型范圍為：長沙樞紐壩下至蘆林潭下游約4km處，包括湘江東、西支，總長約94.5km（湘江西支33km、資水入?yún)R口以上3km）。模型范圍內(nèi)共劃分了1335×236個(gè)正交曲線網(wǎng)格，并對魚尾～文經(jīng)灘段網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格縱向長度10～120m，橫向長度1～30m。

1.3 模型驗(yàn)證

依據(jù)2018年1月實(shí)測長沙樞紐壩下至蘆林潭河段地形圖建立了研究河段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，采用2017年12月～2019年11月間四次水文測驗(yàn)資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，模型計(jì)算水位與實(shí)測水位誤差在±0.1m內(nèi)，水面線波動(dòng)±0.1m內(nèi)，測流斷面計(jì)算流量與實(shí)測流量誤差在±5%內(nèi)，斷面流速分布趨勢與實(shí)測基本一致，數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證結(jié)果滿足規(guī)范要求（見表1）。

2水位降落分析

受長江三峽樞紐出庫流量大小、湘江尾閭及洞庭湖區(qū)水文地形變化等因素的影響，湘江尾閭水位在疏浚之后存在進(jìn)一步降落的可能，數(shù)學(xué)模型以長沙樞紐下泄流量385m3/s，資水入?yún)R流量225m3/s，湘陰水位18.55m為基礎(chǔ)，計(jì)算水位分別降低0.2m、0.5m、1.0m，即湘陰水位下降至18.35m、18.05m、17.55m時(shí)對工程河段航道條件的影響。

計(jì)算結(jié)果分析表明，隨著湘陰站水位的降落，研究河段沿程水位同步降落。受魚尾～文經(jīng)灘段節(jié)點(diǎn)控制的影響，灘段水位落差增大，水面比降增大。長沙樞紐壩下至蘿卜洲梳齒壩壩頭河段水位降落值與下游河段相比相對較小，湘陰站水位分別降低0.2m、0.5m、1.0m時(shí)，長沙樞紐壩下水位分別降低0.07m、0.14m、0.2m。水位沿程變化詳情見圖1。

長沙樞紐壩下至蘆林潭河段各支汊分流比隨著湘陰站水位降落值的增大，各工況下蘿卜洲右汊分流比由現(xiàn)狀的87.8%分別增大至90.4%、93.5%、96.1%，湘江東支分流比略有增大，但變化幅度不大。

此外，隨著湘陰站水位降落，航道內(nèi)流速及航道水深均受到影響。湘江站水位降落后，魚尾～文經(jīng)灘段航道內(nèi)水流流速呈增大趨勢，且隨著水位降落值的增大，航道內(nèi)流速逐漸增大。當(dāng)湘陰站水位分別降落0.2m、0.5m、1m時(shí)，魚尾～文經(jīng)灘段最大流速增幅分別為0.11m/s、0.24m/s、0.36m/s。其余河段最大流速增幅一般在0.1m/s以內(nèi)。航道水深根據(jù)圖2顯示：隨著湘陰站水位的逐步降低，魚尾～文經(jīng)灘段航道內(nèi)最小水深逐漸減小，當(dāng)湘陰站水位降落1m時(shí)，魚尾～文經(jīng)灘段航道內(nèi)最小水深將不足0.5m，并且湘陰以下局部河段將出現(xiàn)新的礙航淺區(qū)，這將不利于船舶的航行。

3結(jié)論

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型與資料分析相結(jié)合的技術(shù)手段，以現(xiàn)狀條件下湘陰站水位為基礎(chǔ)，開展魚尾～文經(jīng)灘段航道水位降落研究。結(jié)論如下： 在枯水季節(jié)，隨著湘陰站水位的降落，設(shè)計(jì)流量下魚尾～文經(jīng)灘段水位落差增大，水面比降增大，航道水深減小，航道內(nèi)水流流速呈增大趨勢，蘿卜洲右汊分流比增大，湘江東支分流比略有增大。由此可知，枯水期控制節(jié)點(diǎn)魚尾～文經(jīng)灘段水位變化對長沙樞紐壩下至蘆林潭河段通航狀況有重大影響，需要借助一些工程措施改善通航條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]官志鑫，田紅偉，劉學(xué)著，等.湘江株洲與長沙樞紐共同影響下的壩間航道整治數(shù)值分析[J].水道港口，2020（08）：441-446.

[2]劉虎英.城陵磯建閘對洞庭湖主要航道影響分析[J].交通科學(xué)與工程，2018（03）：50-55.

[3]楊峰.草尾河阿彌石河段航道整治效果數(shù)值分析[J].中國水運(yùn)，2020（04）：18-20.

基金項(xiàng)目：湖南省交通運(yùn)輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新項(xiàng)目（202024）;洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2018DT03）;水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2017SS05）。