熊家洲新汊道對七弓嶺彎道水動力調(diào)整的影響

劉亦倫 ，李志威，譚 嵐，陳 幫，王贊成，姜英豪

(1.湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司，長沙 410011； 2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，長沙 410007; 4.長沙理工大學 水利與環(huán)境工程學院，長沙 410114)

1 研究背景

荊江是指長江自湖北省枝城至湖南省岳陽城陵磯的360 km河段，自藕池口分為上、下荊江段，上荊江為微彎河段，下荊江為典型彎曲河道[1]。熊家洲河段位于下荊江尾部，該河段由熊家洲、七弓嶺、觀音洲3個反向的高彎曲度的河灣組成。下荊江河床調(diào)整的影響因素包括人工裁彎后河勢控制工程、洞庭湖分流減少和三峽水庫運行[1-2]。下荊江河道演變受人類活動包括筑堤護岸工程及人工裁彎的影響[3-4]，其中熊家洲河段由微彎逐步朝S型發(fā)展，最終形成目前的彎曲分汊平面形態(tài)。

熊家洲彎道在三峽水庫蓄水前河槽斷面形態(tài)由偏U型過渡到偏V型，蓄水后又逐漸恢復到U型。七弓嶺彎道在三峽水庫蓄水前已有凸沖凹淤的現(xiàn)象發(fā)生，在三峽水庫蓄水后該趨勢進一步加劇[5]，并且凹岸區(qū)域形成沙洲。七弓嶺、觀音洲上下兩彎道表現(xiàn)出相反的沖淤規(guī)律，汛期上沖下淤，枯水期上淤下沖[6]。七弓嶺彎道上游順直過渡段深泓位置隨上游熊家洲出流水流條件調(diào)整變化為左-右-左，七弓嶺彎頂部分的深泓擺動有相同變化趨勢[7]，深泓線的頻繁擺動導致尾閭段河道彎曲度加大[8-9]。熊家洲河段的八姓洲頸口附近在熊家洲新汊道水流頂沖作用下，七弓嶺彎道有可能發(fā)生崩岸型裁彎，對城陵磯水位上漲帶來一定風險[10-11]。熊家洲新汊道在三峽水庫蓄水后有所發(fā)展，在一定條件下加劇河勢調(diào)整的可能性，故控制下游順直過渡段邊灘(銀沙灘)和岸線穩(wěn)定顯得尤為重要[12]。

熊家洲彎道的切灘撇彎形成新汊道，改變了下游出口的水流條件，也影響下游七弓嶺彎道水動力結(jié)構(gòu)和河床沖淤，但是對七弓嶺頸口附近的水動力條件及發(fā)生裁彎的影響尚不清晰，而且缺乏對熊家洲彎曲分汊河段的水動力模擬研究。因此，本文基于MIKE 21軟件建立熊家洲彎曲分汊河段的水動力數(shù)值模型，模擬不同開槽、不同流量條件下七弓嶺河段水動力變化，以期為熊家洲和七弓嶺河段的河道治理與防洪安全提供一定參考。

2 河段特性與數(shù)據(jù)來源

2.1 河段特性

熊家洲彎道位于長江中游下荊江尾閭，是下荊江彎道曲度最大的河段。自荊江門彎道開始出現(xiàn)荊江門、熊家洲、七弓嶺、觀音洲4個連續(xù)急彎(圖1)。下荊江河段的河床床面沉積物以中細沙為主，抗沖性較弱，自然裁彎和切彎撇灘曾經(jīng)多次發(fā)生于下荊江河道。熊家洲彎道在1950年左右發(fā)生切彎撇灘，形成一個新生汊道(圖1(b)，圖1(d))，從此形成主流與支汊共存的分汊河勢。新生汊道的兩岸物質(zhì)組成以非黏土為主，上層黏性土較薄，部分厚度不到1 m。汊道左岸被密集蘆葦覆蓋，右岸前沿為沙質(zhì)淺灘、后方植被以蘆葦為主。該河段靠近洞庭湖城陵磯出口，水位-流量關(guān)系不僅受上游來水條件影響，而且還受洞庭湖出流的一定頂托作用。

圖1 下荊江熊家洲河段Fig.1 Xiognjiazhou reach of the lower Jingjiang River

熊家洲新汊道水流對七弓嶺彎道水流、河床沖淤以及頸口的頂沖都有一定影響，同時城陵磯交匯處水流頂托對頸口影響不大，可不予考慮。圖2為七弓嶺彎道頸口處，2019年1月考察發(fā)現(xiàn)此處河岸受熊家洲新汊道頂沖作用，發(fā)生長河段的強烈崩岸現(xiàn)象，崩岸長度達數(shù)百米，平面上成半圓形嵌入河岸，崩岸類型為窩崩。

圖2 七弓嶺彎道頸口上游側(cè)崩岸影像Fig.2 Bank collapse of upstream side at the neck of Qigongling Bend

在七弓嶺彎道凸岸頸口處分別采集河岸上層、中層、下層原狀土樣，對<1 mm的細顆粒采用馬爾文MasterSizer 2000激光粒度分析儀進行粒徑分析。河岸土體粒徑級配分布如圖3所示。極細砂土(75～100 μm)和粉土(5～75 μm)占絕大多數(shù)，黏土(<5 μm)含量低。上層土粒徑d10=8.68 μm，中值粒徑d50=47.49 μm，d90=140.10 μm。中層土粒徑d10=3.41 μm，中值粒徑d50=17.68 μm，d90=40.62 μm。下層土樣粒徑d10=3.64 μm，中值粒徑d50=14.71 μm，d90=61.76 μm。上層、中層、下層土體的不均勻系數(shù)(Cu=d60/d10)分別為7.3、5.0、5.6。

圖3 河岸土體的泥沙顆粒級配曲線Fig.3 Grading curves of bank soil particles

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究河段內(nèi)共設(shè)有下荊江的監(jiān)利水文站、洞庭湖區(qū)出口城陵磯(七里山)水文站、城陵磯(蓮花塘)水文站和洪湖市螺山鎮(zhèn)螺山水文站4個一類精度水文站。選取三峽水庫運行后2004—2016年各站水文數(shù)據(jù)作為MIKE21水動力數(shù)值模型運行條件。河道地形選取2013年實測數(shù)據(jù)，將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為MIKE常用格式導入MIKE ZERO中的Mesh Generator以確定邊界，隨后設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)條件點擊生成網(wǎng)格。單位網(wǎng)格面積設(shè)置為最大不超過20 000 m2，共生成27 384個計算網(wǎng)格，14 973個計算節(jié)點。對生成網(wǎng)格進行光滑處理，最后對網(wǎng)格插值確保每一個網(wǎng)格都有計算數(shù)據(jù)并生成Mesh文件。其中，地形數(shù)據(jù)高程基準面統(tǒng)一采用1985年黃海高程。監(jiān)利—螺山河道地形如圖4所示。

圖4 長江中游監(jiān)利—螺山河段的河道地形Fig.4 Channel topography of the Jianli-Luoshan reach in the middle Yangtze River

3 研究方法

利用MIKE 21軟件建立柳口—螺山段水動力數(shù)值模擬模型，并利用柳口—螺山河段的水文數(shù)據(jù)驗證其可靠性。本研究只關(guān)注熊家洲河段，模擬新汊道與主流共存河勢下不同流量和不同汊道尺寸對下游七弓嶺彎道的水動力影響。

研究河段自柳口至螺山中間經(jīng)城陵磯有洞庭湖水流匯入，全長約123 km，設(shè)置柳口、城陵磯(七里山)2個進流斷面和螺山出流斷面。為保證模型模擬準確性，模擬初始水位。先建立熱啟動文件，以2016年9月1日3個水文站流量數(shù)據(jù)為邊界值，生成全區(qū)域初始水面高度。構(gòu)建MIKE 21水動力數(shù)值模型，先導入適用于MIKE Flow Model FM的mesh文件。選取2016年9月水位、流量數(shù)據(jù)進行模擬,時間步長為600 s，模擬步數(shù)為4 320。選擇水動力模塊，添加干濕邊界允許干枯和水淹，初始干枯深度為0.005 m，水淹深度為0.05 m，采用高階計算精度。渦黏性系數(shù)采用Smagorinsky公式，曼寧系數(shù)選取32 m1/3/s。以2016年9月流量數(shù)據(jù)作為邊界條件。其他參數(shù)如風力、冰層覆蓋、潮汐勢、波浪輻射等因素不予考慮。

采用2016年9月的水位及流量數(shù)據(jù)進行流場模擬，對比分析模擬結(jié)果與實測水位數(shù)據(jù)進行正確性驗證,見圖5。

圖5 蓮花塘模擬水位與實測水位比較Fig.5 Comparison of water level between simulation and measurement in Lianhuatang hydrological station

由圖5可得，城陵磯(蓮花塘)處MIKE 21模擬水位與實測水位較吻合，利用納什效率系數(shù),即

(1)

為定性分析熊家洲新汊道分流對下游產(chǎn)生的影響，在mesh文件中設(shè)置汊道為原始尺寸、無汊道和汊道寬度分別拓展為50、200、500 m，來模擬新汊道水流對下游七弓嶺段的水動力影響程度。熊家洲洲灘的物質(zhì)組成較為單一，差異不大，因此河槽展寬時未受約束，向兩側(cè)自由擴展。分別計算三峽水庫運行以來2004—2016年逐日流量頻率P=10%、50%、90%時其對應流量作為模擬工況的高中低檔流量。定義監(jiān)利水文站流量分別為21 000、9 500、5 800 m3/s，城陵磯(七里山)水文站流量分別為15 000、6 000、2 200 m3/s。工況設(shè)計如表1所示。

表1 不同模擬工況下來流量和汊道尺寸Table 1 Incoming discharge and branch size under different simulation conditions

4 結(jié)果分析

4.1 平面流場分析

三峽水庫運行后，下荊江年內(nèi)流量削峰補枯，中水流量出現(xiàn)頻率增加，故本節(jié)分析采用中水流量條件(表1，工況5—工況8)。中水流量條件下水流動量大，慣性作用強，邊灘淹沒，對水流約束小以致主流線曲率小，使得主流線貼近彎道凸岸側(cè)而行。圖6表明了不同尺寸汊道在中水流量條件下流速分布情況。在無汊道時，出熊家洲彎道后的流速分布不均勻，流速偏向無明顯規(guī)律，進入七弓嶺彎道流速分布才開始均勻化，流速無偏向。出七弓嶺彎道后主流開始偏向七弓嶺凹岸側(cè)，隨后逐漸向凸岸側(cè)轉(zhuǎn)移。

圖6 熊家洲中水條件工況5—工況8的模擬流場Fig.6 Simulated flow fields under medium flow condition (Run 5-8) in Xiongjiazhou reach

新汊道寬度為50 m時，熊家洲彎道出流流速均勻，主流偏向七弓嶺彎道凹岸側(cè)，接近觀音洲彎道逐漸向左岸偏移。汊道寬度為200 m時，熊家洲彎道出流沿程依舊偏向凹岸，但主流線始終貼近凸岸側(cè)前行，流速大小基本無變化。當汊道寬度拓寬至500 m時，熊家洲新汊道分流能力明顯增強，已成為主要分流河道，而且汊道流速與主河道流速相當，熊家洲新汊道出流直接指向八姓洲頸口處。主支汊交匯處的流場分布散亂，向下游前行一段后才恢復，主流偏向七弓嶺彎道凹岸側(cè)，而主流線沿凸岸側(cè)前行流速相比小尺寸汊道有所增加。

當汊道尺寸增大到某一級別后，才有水流通過并影響下游水動力條件。選取汊道發(fā)育至200 m×10 m和500 m×15 m兩種大尺寸，具體分析其在中水條件下的流場變化(圖7)。在200 m×10 m的汊道尺寸條件下，主河道流速高于支汊，在熊家洲彎道最大主流線偏向右岸。在500 m×15 m的汊道尺寸條件下主支流流速相當，左側(cè)部分近岸流速甚至高于主河道流速，汊道分流明顯。隨汊道尺寸增加，流向逐漸偏向頸口，流速減小。隨汊道尺寸變大，頸口橫向流向集中指向左岸，橫向流速變大。同一汊道條件下，流量級的改變不影響頸口橫向流向變化，只有流速變大。

圖7 中水流量條件下2種大尺寸(寬×深)的汊道模擬流場Fig.7 Simulated flow fields of two large-scale branches in medium discharge condition

中水流量條件在不同汊道尺寸情形下，七弓嶺彎道流線均偏向凹岸側(cè)，但主流線隨汊道拓寬后逐漸貼近七弓嶺彎道凸岸，沿程均出現(xiàn)水動力軸線走向和水流流向偏轉(zhuǎn)截然相反的現(xiàn)象，水流流向偏向凹岸而水動力軸線偏向凸岸。相同流量條件下隨著汊道增大，熊家洲出流流線均偏向七弓嶺彎道凹岸側(cè)，而主流線逐漸貼近七弓嶺彎道凸岸。

4.2 新汊道的分流量及出口水流分析

圖8為不同工況下新汊道流量，隨著汊道開口的拓寬，通過流量也不斷增加。小尺寸汊道只有在高水位時才有流量通過。隨著汊道尺寸增大，汊道過流量對上游來流要求逐漸降低。小尺寸汊道高水位條件下的過流量和下一級大尺寸汊道中水位條件下的過流量基本相同。

圖8 不同工況下新汊道的分流量Fig.8 Diversion discharge of the new cutoff channel in different simulated conditions

表2為不同工況下新汊道流量，隨著汊道擴大分流能力逐漸增強，分流比也逐漸增加。小尺寸汊道下只有高水位情況下水流才能通過但占比很小，隨著尺寸增加，分流量逐漸增大。在500 m×15 m的大尺寸開口汊道，高水位條件下分流量達到8 398.08 m3/s，總占比達到39.99%，隨著汊道尺寸的增加，有成為分流主河道的趨勢。

表2 不同工況下新汊道流量Table 2 Diversion discharge of the new cutoff channel under different simulated conditions

利用MIKE21模擬無汊道和較大尺寸汊道時高、低流量下熊家洲新汊道出口處橫向水流流場(圖9)。在無汊道時，大部分流速均指向右岸，流速方向無較大調(diào)整。當汊道尺寸達到500 m×15 m時，流場方向改變。同時，同一流量條件下，橫向流速增大，方向變化不大，均指向左岸，頂沖七弓嶺彎道頸口上游側(cè)，加劇崩岸強度，有可能加快七弓嶺觸發(fā)頸口裁彎的極端地貌事件[13]。

圖9 不同條件下熊家洲新汊道出口處橫剖面流場Fig.9 Transverse flow fields at the outlet of the new cutoff channel in Xiongjiazhou reach under different discharge conditions

5 結(jié) 論

(1)下荊江熊家洲河段的新汊道形成與發(fā)展對其河道分流比、沿程水位及下游七弓嶺彎道水流結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生了較顯著影響。熊家洲新汊道在不同發(fā)展尺寸下，七弓嶺彎道水流流線均偏向凹岸側(cè)，但主流線隨汊道拓寬后逐漸貼近七弓嶺彎道凸岸。

(2)隨著熊家洲新汊道的拓寬和加深，汊道分流量和分流比都會同向增加，隨著汊道橫向和縱深的發(fā)展，其對出口下游河道水動力調(diào)整的影響在增強，而且主要體現(xiàn)在主流線偏移和流速變化。

(3)熊家洲新汊道分流對上游河道流場的影響可忽略，但是明顯改變其下游七弓嶺彎道頸口上游河道橫向水流的方向和大小，這不利于本河段河勢穩(wěn)定。