水沙條件對(duì)大湖口河沖淤特性的影響

常留紅，覃瓶山，鄭景琦，劉曉群，孫文碩，湯 薇

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

水沙過(guò)程是江湖關(guān)系演變的重要驅(qū)動(dòng)力，也是引起河道沖淤變化的根本原因[1-2]。長(zhǎng)江上游水庫(kù)群的修建與運(yùn)行攔截了大量泥沙[3]，破壞了原有的水沙過(guò)程，改變了長(zhǎng)江中下游河流原有的沖淤平衡，引起中下游河流再造床過(guò)程[4]。

三峽等水庫(kù)運(yùn)行初期下泄沙量大幅度減少，致使壩下游河道發(fā)生長(zhǎng)時(shí)期、長(zhǎng)距離的河床沖刷，引起一系列河形變異和河勢(shì)調(diào)整等問(wèn)題[5-6]。以宜昌站為例，2002年之前宜昌站平均輸沙量為4.92億t，而2002—2012年間宜昌站輸沙量為0.482億t，減幅達(dá)到90%。同時(shí)，三峽水庫(kù)出庫(kù)懸移質(zhì)泥沙粒徑明顯偏細(xì)，加之水流沖刷強(qiáng)度增加，導(dǎo)致長(zhǎng)江中游局部河段崩岸險(xiǎn)情頻發(fā)[7-8]，影響河勢(shì)穩(wěn)定，危及防洪安全。洞庭湖作為長(zhǎng)江中游重要的通江湖泊，其上游水沙的劇烈變化勢(shì)必會(huì)影響洞庭湖流域河流沖淤態(tài)勢(shì)[9-10]，而荊江三口是長(zhǎng)江與洞庭湖水沙交換的重要紐帶，其河段沖淤以松滋口為主，最大沖深達(dá)到18.2 m[11]。研究表明，2003—2018年松滋河道沖刷主要是由干流輸沙量顯著減少引起[12]，1987—2018年松滋口門(mén)區(qū)的各沙洲面積減小0.4 km2，減幅為4.2%[13]。可見(jiàn)，上游水庫(kù)的修建與運(yùn)行引起長(zhǎng)江中下游水沙條件變化，進(jìn)而影響長(zhǎng)江中下游河段沖淤特性變化，尤其是洞庭湖流域的荊江三口較為明顯。

大湖口河又稱(chēng)松滋?hào)|支，是荊江三口之一松滋口的分支，作為長(zhǎng)江入洞庭湖的重要通道，源源不斷地向洞庭湖輸送水沙。由于長(zhǎng)江上游水庫(kù)群的修建，松滋口的水沙條件產(chǎn)生劇變，大湖口河的水沙條件也隨之發(fā)生變化。大湖口河水沙條件變化主要為來(lái)水、來(lái)沙量在年際和年內(nèi)的變化，三峽建成時(shí)間點(diǎn)前后，大湖口河年際徑流量無(wú)顯著變化，但來(lái)沙量減少了83.6%。同時(shí)，大湖口河年內(nèi)徑流量分配變化不大，來(lái)水量無(wú)顯著變化，但來(lái)沙量大幅減少使得大湖口河下游河段沖刷嚴(yán)重，容易產(chǎn)生崩岸與滑坡，不利于堤防穩(wěn)定，對(duì)其防洪形勢(shì)有所影響[14-15]。因此，研究水沙條件變化對(duì)大湖口河沖淤特性的影響，了解水沙條件變化條件下洞庭湖流域典型河流的沖淤變化，對(duì)洞庭湖區(qū)河道治理及防洪安全具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

大湖口河位于湖南省常德市安鄉(xiāng)縣境內(nèi)，處于東經(jīng)112.06°～112.13°、北緯29.47°～29.77°之間，全長(zhǎng)42 km。作為荊江三口中松滋口的東支，大湖口河是長(zhǎng)江水沙進(jìn)入洞庭湖的重要通道。根據(jù)大湖口水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1991—2002年大湖口年均徑流量為127.2億m3，年均輸沙量為85.6萬(wàn)t，三峽工程修建后的2003—2017年，年均徑流量為114.8億m3，年均輸沙量為14.0萬(wàn)t?？梢?jiàn)三峽工程建成前后，大湖口河徑流無(wú)顯著變化，但輸沙量減少了83.6%，使得水流挾沙能力加強(qiáng)，加劇了對(duì)河床的沖刷。1995年大湖口河整體河床平均高程約為35 m，2018年整體河床平均高程約為29 m，平均下切深度達(dá)6 m。

2 大湖口河水沙數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

基于大湖口河流域?qū)崪y(cè)地形數(shù)據(jù)，建立大湖口二維水沙數(shù)學(xué)模型，研究不同來(lái)水來(lái)沙情況下，典型年份大湖口河段沖淤變化。模型計(jì)算河段從余家港至小望角(圖1)，全長(zhǎng)約40 km。平面二維模型計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共22 554個(gè)網(wǎng)格，在洲灘處進(jìn)行加密(圖2)，計(jì)算起始地形采用大湖口河2011年實(shí)測(cè)地形。以上游流量、含沙量、懸移質(zhì)泥沙級(jí)配為模型進(jìn)口條件，以下游水位過(guò)程作為模型出口條件。

圖1 大湖口河示意圖

圖2 洲灘加密網(wǎng)格

模型主槽糙率為0.023，即曼寧值取43.5，洲灘糙率為0.025，即曼寧系數(shù)取40。根據(jù)《洞庭湖水文氣象統(tǒng)計(jì)分析》，大湖口河(松滋?hào)|支)懸移質(zhì)泥沙中值粒徑d50=0.008 mm，因此模型泥沙粒徑取d50=0.008 mm。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)2011年實(shí)測(cè)地形建立大湖口河道(上迄余家港，下至小望角)長(zhǎng)約40 km的二維水沙模型，利用2017年7月洪季水文資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。大湖口水道中布置的水位測(cè)驗(yàn)點(diǎn)及典型斷面位置見(jiàn)圖1，測(cè)驗(yàn)點(diǎn)水位、典型斷面流速和斷面地形驗(yàn)證成果見(jiàn)表1及圖3和圖4所示。

表1 大湖口河水位測(cè)驗(yàn)點(diǎn)水位

圖3 大湖口斷面流速驗(yàn)證

圖4 大湖口斷面地形驗(yàn)證

如表1所示，6個(gè)水位測(cè)驗(yàn)點(diǎn)水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合程度較好。2號(hào)點(diǎn)實(shí)測(cè)水位高于1號(hào)點(diǎn)實(shí)測(cè)水位，為測(cè)量誤差導(dǎo)致。部分河段由于地形測(cè)量時(shí)兩側(cè)邊灘裸露于水面，未進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)致附近測(cè)站水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值有所偏差，但偏差在允許誤差范圍內(nèi)，符合SL 58—1993《水文普通量測(cè)規(guī)范》要求。

局部邊灘位置處的流速模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較大，但深槽位置模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較小(圖3)。這是因?yàn)槟Ｐ瓦厼┎糠衷O(shè)置的糙率相對(duì)于實(shí)際糙率較小，而深槽部分設(shè)置的糙率相對(duì)較大。除個(gè)別點(diǎn)偏差較大外，其余計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的偏差基本都在0.1 m/s以?xún)?nèi)，模型能反映大湖口水道流速分布規(guī)律。

泥沙進(jìn)口邊界條件設(shè)為平衡狀態(tài)，泥沙出口邊界設(shè)為零梯度條件，水兩側(cè)邊壁條件均為陸地邊界。選取大湖口河段3個(gè)水文監(jiān)測(cè)斷面(圖1)的河床高程進(jìn)行河床變形驗(yàn)證，典型斷面驗(yàn)證情況如圖4所示。斷面地形與實(shí)測(cè)資料在河床中心處誤差較大，是因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)與驗(yàn)證資料相隔時(shí)間較久，河道已經(jīng)發(fā)生了一定程度的沖淤變形，使得河床斷面地形驗(yàn)證不夠理想。但誤差尚在允許范圍以?xún)?nèi)，因此該模型較好地模擬了大湖口河內(nèi)的水沙過(guò)程，符合JTS/T 231-4—2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

3 水沙條件變化對(duì)大湖口河沖淤特性的影響

模型采用洪、中、枯3種情況進(jìn)行重復(fù)20 a的沖淤模擬，洪中枯年份按GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》從大湖口1991—2017年實(shí)測(cè)逐日水沙數(shù)據(jù)進(jìn)行典型年選取，以流量劃分為1998年、2007年、2006年，分別對(duì)應(yīng)豐水、平水、枯水年，以沙量劃分為1991年、1994年、2015年，分別對(duì)應(yīng)豐沙、平沙、枯沙年。取典型年對(duì)應(yīng)的年均流量及輸沙量，作為數(shù)值模擬的工況(表2)。

表2 大湖口河數(shù)值模擬工況

3.1 水流流態(tài)變化

通過(guò)大湖口河水沙數(shù)學(xué)模型，得到了河道的流場(chǎng)分布，考慮到大湖口河道狹長(zhǎng)，截取其中一段典型的河道流場(chǎng)分布(圖5)。由圖5可知，典型河道凹岸處流速相對(duì)較大，基本都在2 m/s以上，并且隨著河道徑流增加凹岸處流速也在增大，這會(huì)造成凹岸的沖刷越來(lái)越嚴(yán)重，特別是在洪水年。水流在凹岸的沖刷會(huì)影響河道岸堤穩(wěn)定性，誘發(fā)崩岸與滑坡，從而對(duì)整個(gè)河道防洪形勢(shì)產(chǎn)生不利影響。

圖5 典型河道流場(chǎng)

3.2 河道沖淤分布變化

不同水沙條件下的沖淤情況如圖6所示。大湖口河根據(jù)1號(hào)洲灘、2號(hào)洲灘以及下游河勢(shì)由曲折轉(zhuǎn)向相對(duì)筆直的3號(hào)節(jié)點(diǎn)分為4段。初始時(shí)刻的原始地形，表現(xiàn)為第一、二、四段淤積，第三段沖刷(圖6(a))。工況1和2，大湖口河段淤積主要分布在第一段，沖刷主要集中在第二、三、四段；工況3淤積主要分布在第一、二段，沖刷分布在第三、四段。所有工況沖淤都呈現(xiàn)上淤下沖的態(tài)勢(shì)，第一段相較于原始地形都有淤積，但淤積程度有所不同。原始地形中最低處高程為20 m左右，枯水-枯沙淤積最低處高程為22 m左右，淤積厚度為2 m，平水-平沙及豐水-豐沙淤積最低處高程都為25 m，其淤積厚度為5 m。

圖6 典型年份大湖口河道淤積分布

由于地勢(shì)影響，進(jìn)入大湖口河的水流流速降低，泥沙沉降，致使一、二段淤積。隨著上游淤積厚度增加，上下游水頭差變大，就會(huì)重新啟動(dòng)流速。上游泥沙沉積之后，水流挾沙能力有所增加，對(duì)第三段河床產(chǎn)生沖刷。第四段河流由曲折轉(zhuǎn)為相對(duì)筆直，水面變寬，水流流速下降，挾帶的泥沙得以淤積。但長(zhǎng)江上游水庫(kù)群的運(yùn)行使得大湖口河來(lái)水量無(wú)顯著變化，來(lái)沙量顯著下降，水流挾沙能力加強(qiáng)，改變了河道原有的沖淤情況，河床整體呈現(xiàn)出上淤下沖的態(tài)勢(shì)。

3.3 大湖口河河勢(shì)變化

大湖口河河床整體呈現(xiàn)上淤下沖的態(tài)勢(shì)，為進(jìn)一步研究大湖口河斷面沖淤規(guī)律，以6 km為間隔，另選取6個(gè)斷面(圖1中水位測(cè)驗(yàn)點(diǎn)位置)對(duì)大湖口河斷面沖淤進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 大湖口河床斷面沖淤變化

1號(hào)、2號(hào)斷面選自河道上游，3號(hào)、4號(hào)斷面選自中游，5號(hào)、6號(hào)斷面選自下游。由圖7可知，來(lái)水來(lái)沙量變化加劇了上游的淤積與中下游的沖刷，其中豐水-豐沙年的淤積和沖刷最多。河床整體呈現(xiàn)上淤下沖的態(tài)勢(shì)，河床斷面表現(xiàn)為左淤右沖。上游河道的淤積隨著來(lái)水來(lái)沙量的變化表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，河道中下游處于沖刷的態(tài)勢(shì)。河道斷面呈現(xiàn)左岸淤右岸沖的規(guī)律，來(lái)水來(lái)沙量的變化使得沖淤進(jìn)一步加強(qiáng)，但總體沖刷量大于淤積量。

3.4 大湖口河段沖淤特性變化對(duì)防洪的影響

大湖口河道凹岸處流速相對(duì)較大，并隨徑流量增加逐漸增大，使得凹岸沖刷狀況越來(lái)越嚴(yán)重。同時(shí)，大湖口河河床整體表現(xiàn)為上淤下沖的態(tài)勢(shì)，河段斷面呈現(xiàn)為左淤右沖。長(zhǎng)期上淤下沖使得上下游水頭差愈加明顯，對(duì)右岸長(zhǎng)期沖刷，使得右岸逐漸被掏空。河岸容易產(chǎn)生崩岸與滑坡，不利于堤防穩(wěn)定，對(duì)防洪形勢(shì)有所影響；河勢(shì)彎曲程度會(huì)加深，形成單一、彎曲的新河流。因此需要采取護(hù)坡護(hù)岸工程保護(hù)河岸，增加堤防穩(wěn)定性，穩(wěn)定防洪形勢(shì)。

4 結(jié) 論

a.基于大湖口河泥沙沖淤數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)典型河道凹岸處的流速相對(duì)較大，且隨著河道流量的增加逐漸增大，造成凹岸的沖刷越來(lái)越嚴(yán)重，從而影響河道岸堤穩(wěn)定性。

b.原始沖淤表現(xiàn)為第一、二、四段淤積，第三段沖刷?？菟?枯沙及平水-平沙大湖口河段淤積主要分布在第一段，沖刷主要集中在第二、三、四段；豐水-豐沙淤積主要分布在第一、二段，沖刷分布在第三、四段。所有工況沖淤都整體呈現(xiàn)上淤下沖的態(tài)勢(shì)。

c.通過(guò)河道斷面分析，發(fā)現(xiàn)大湖口河河道斷面沖淤規(guī)律表現(xiàn)為左岸淤積，右岸沖刷。且隨著來(lái)水來(lái)沙量的變化，沖淤程度進(jìn)一步加強(qiáng)，但總體來(lái)看河床沖刷程度大于淤積程度，易引發(fā)崩岸與滑坡，從而影響河流防洪形勢(shì)；同時(shí)河勢(shì)的彎曲程度進(jìn)一步加深，向單一、彎曲的新河流演化，因此需要采取護(hù)坡護(hù)岸工程穩(wěn)定防洪形勢(shì)。