嘉陵江草街—河口段航道通航條件及補水需求分析*

李忠勇，馬 倩，2，3，高桂景，何進朝，2，3，謝靈運，3

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶400016；2.重慶交通大學，西南水運工程科學研究所，重慶400016；3.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶400016；4.重慶市港航海事事務(wù)中心，重慶400016)

嘉陵江是國家規(guī)劃的水運主通道，是國家綜合運輸大通道的重要組成部分。自三峽成庫蓄水后，重慶朝天門—湖北宜昌段成為庫區(qū)航道，蓄水位抬高，通航水位得到保障，基本滿足通航標準要求。但嘉陵江草街—河口段位于三峽庫區(qū)回水末端，受上游水庫調(diào)度和庫區(qū)回水的影響，枯水期部分航道泥沙淤積礙航等問題凸顯[1-2]。近年來，該河段雖進行了大量淺灘整治(如土灣灘、二郎灘以及斑鳩背灘灘群等[3-4])，但由于上游來流量較小，僅通過航道整治很難滿足通航尺度[5]需求，發(fā)生擱淺礙航事件的概率較大，如近兩年重慶主城九龍灘航道水深不足和九龍坡港區(qū)船舶突然擱淺等[6]。因此，分析研究該河段在現(xiàn)狀地形邊界條件下的通航水流條件，提出重點灘段達到河段規(guī)劃航道尺度的流量要求，可為嘉陵江草街—河口段航道改善措施的提出和通航管理提供科學依據(jù)，具有重要的理論價值和指導意義。

河道的渠化工程可以增加回水區(qū)航道水深，降低河道流速，有效改善回水區(qū)的航道條件。但與此同時，也會帶來諸如庫區(qū)泥沙淤積和下游清水沖刷等一些不利的影響，尤其對于水深本就不滿足航道尺度的變動回水區(qū)河段。川江長壽水道和洛磧水道消落期航道條件遠遠不能滿足通航的要求。向家壩建成后4年內(nèi)(2008—2012年)，壩址下游14 km河床平均下降0.56 m，最深下切達5 m，在中小流量(3 000～10 000 m3/s)下，2012年下游水文站實測水位比2008年低了0.2～0.4 m，通航條件變得更加不利[7]?？梢?，通過傳統(tǒng)的航道整治工程可改善航道通航條件，但復(fù)雜的水沙條件和河床沖淤情況使得這類工程措施的效果往往不能達到預(yù)期。通過合理的水庫調(diào)度可以增加枯期下泄流量，改善航道通航條件。根據(jù)三峽水庫蓄水期(2008—2014年)觀測資料，與建庫前相比，下泄流量增加1 000～2 000 m3/s、航道水深增加1 m[8]。

嘉陵江廣元—合川段為645 km的Ⅳ級航道，合川—河口段為95 km的Ⅲ級航道。受草街樞紐泄流[9]和三峽水庫變動回水的影響[10]，草街—河口部分河段的灘險情況、水流條件及泥沙沖淤變化情況極其復(fù)雜[11]，尤其在中、枯水期航道水位受限，河段礙航淺灘出露，船舶航行風險大，通航條件較差[12]。

嘉陵江草街—河口段68 km航道在2008—2012年期間按Ⅲ級航道開展整治工作[13]，其中治理灘險24個，航道尺度擴為60×2.0×480 m(航寬×水深×彎曲半徑)，可通行1 000噸級自航機駁。但近年來由于水沙條件變化引起的河床沖淤演變[14]和河道水流條件變化的影響，部分灘段通航條件未達到預(yù)期整治效果[15]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該河段在設(shè)計流量(327 m3/s)下僅油榨磧—蠻子灘段水深、航寬和彎曲半徑滿足Ⅲ級航道尺度要求，其余灘群河段均存在設(shè)計流量下航道水深不足的問題。

本文采用深度平均平面二維數(shù)學模型[16]，模擬分析嘉陵江草街—河口段重點灘險河道礙航情況，研究不同河口水位下各灘段航道通航尺度，提出各重點灘段達到Ⅲ級航道尺度要求的補水需求及對應(yīng)保證率，可為類似工程設(shè)計提供參考。

1 二維水動力數(shù)學模型

二維水動力數(shù)學模型的基本方程包括連續(xù)性方程和運動方程。

連續(xù)性方程：

(1)

運動方程：

(2)

(3)

式中：h為水深；t為時間；u、v分別為x、y方向流速；g為重力加速度；zb為床面高程；ρ為水密度；τsx、τsy為表面切應(yīng)力的x、y方向分量；τbx、τby為底部切應(yīng)力的x、y方向分量；εxx、εyy、εyx為渦黏系數(shù)；f為科氏力系數(shù)；p、q為x、y方向上的流量。

2 模型建立與驗證

2.1 網(wǎng)格劃分

控制河段數(shù)值模擬計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行離散，根據(jù)河道地形變化情況調(diào)整局部網(wǎng)格疏密程度。本次計算的總網(wǎng)格數(shù)量為6.1萬個，網(wǎng)格最大邊長30 m。道地形高程分布云圖及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 研究河段高程分布云圖及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

本文以實測的水面線資料率定參數(shù)。由于河道斷面地形多變、地質(zhì)復(fù)雜，故河段內(nèi)分段驗證糙率，主槽內(nèi)糙率取值范圍在0.022～0.035，淺灘、丁壩區(qū)糙率取值在0.035～0.050。

2.3 計算結(jié)果驗證

由于研究河段較長，水位原型觀測于不同時間分段開展，故使用2018年嘉陵江草街—河口段原型觀測資料對模型進行驗證。水面線驗證采用2018-03-09—2018-04-08、2018-07-04流量分別為395、534、871和20 200 m3/s實測水面線。計算水面線與實測水面線驗證結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，水位誤差控制在0.10 m以內(nèi)，計算結(jié)果滿足《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》[17]所規(guī)定山區(qū)河道水位允許偏差值，因此可采用本模型進行進一步分析和計算。

圖2 研究河段不同時段不同流量下水面線驗證結(jié)果

3 枯水期航道通航條件及船舶通行情況分析

3.1 三峽回水影響

根據(jù)嘉陵江草街—河口段水流特性和梯級渠化規(guī)劃方案，研究河段可分為草街—北碚段、北碚—井口段(三峽水庫175 m蓄水最上端)和井口—朝天門河口河段。其中草街—北碚段主要受草街樞紐下泄水流的影響，中、下兩個河段還受到三峽水庫回水和長江洪水頂托影響，具有庫區(qū)河道和天然河道的雙重特性。

因研究河段中枯水期礙航主要表征為淺灘出露，航道水深或航寬不足，因此本文主要針對河道水深分布進行分析，其計算結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，設(shè)計流量(327 m3/s)下，河口水位為158.35 m(設(shè)計水位)時，研究河段基本不受三峽庫區(qū)回水和長江水位頂托影響，呈天然河流的特性；當河口水位為163 m時，三峽庫區(qū)回水和長江水位頂托影響河口以上約23 km；河口水位升至166 m時，回水影響范圍增至河口以上約29 km；河口水位升至169 m時，回水影響范圍增至河口以上約35 km；河口水位升至173.3 m時，回水影響范圍增至河口以上約52 km?；厮儎佣蝺?nèi)水深增加，水面變寬。

圖3 Q=327 m3/s不同河口水位下河段沿程水位計算結(jié)果

3.2 中枯水期航道水深分布

通過本文所建水力學計算模型得到河口不同水位下、設(shè)計流量為327 m3/s時研究河段沿程水深分布，研究河段典型灘段徐家灘—響水灘沿程水深分布見圖4?？梢钥闯觯佣螠\灘出露，礙航表征顯著。流量327 m3/s河口不同水位下各灘險段在設(shè)計60 m航寬范圍內(nèi)水深小于2.0 m河段長度見表1?？梢钥闯?，在嘉陵江來流流量較小且河口水位較低的情況下，研究河段各灘險除油榨磧—蠻子灘段外，其余河段航道尺度均不能滿足Ⅲ級航道尺度要求，受三峽庫區(qū)回水的影響，隨著河口水位的升高，各影響區(qū)域范圍內(nèi)出露淺灘的長度明顯減小，但草街—北碚段仍存在一定范圍的淺灘礙航段。

圖4 Q=327 m3/s不同河口水位下徐家灘—響水灘沿程水深分布

表1 Q=327 m3/s草街—河口段淺灘里程分布

3.3 河道通行船舶情況

根據(jù)2017年9—12月期間航行于嘉陵江草街—河口段的部分船舶參數(shù)見表2，發(fā)現(xiàn)除工作船外，嘉陵江河口航段大部分為散貨船通行，船舶滿載吃水均大于2.0 m。為了明確不同草街下泄流量和河口水位組合情況下草街—河口段航道沿程水位變化，設(shè)定327、400、500、600、800、1 000、1 200和1 400 m3/s 8級流量，河口分別為最不利情況(設(shè)計水位158.35m)、161、163、165、167、169、171 和173 m 8級水位，共計64組工況進行水力學計算。統(tǒng)計得到各種工況下草街—河口段滿足60 m航寬且航道水深大于2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0 m的航道長度，從而確定不同吃水船舶可航行水域范圍，計算結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，金沙灘(河口以上0～3 km)、土灣中上部(河口以上11～12 km)、蹇家梁(河口以上18～20 km)、響水灘(河口以上29～32 km)利灘中上部(河口以上35～36 km)、桌子角灘(河口以上48～49 km)和白鶴灘(河口以上51～52 km)為主要控制性河段，隨著草街下泄流量和河口水位的增加，船舶自河口以上可航行區(qū)間增加。

表2 部分船舶種類和吃水深度

圖5 不同河口水位下相同吃水船舶的可航行水域范圍

2012、2014、2016、2018、2020年內(nèi)嘉陵江河口水位過程見圖6a)?？菟诤涌谒环秶鸀?59.4～174.7 m，5個年份枯水期不同水位權(quán)重見圖6b)，其中水位為158.35～163 m的時間占1.8%，163～166 m的時間占13.6%，166～169 m的時間占25.2%。結(jié)合不同河口水位下研究河段淺灘分布結(jié)果，可見嘉陵江草街—河口段枯水期較長時間范圍內(nèi)均存在淺灘礙航的風險，影響河段通航能力及通航安全。

圖6 統(tǒng)計年份河口水位

4 河道補水需求分析

4.1 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果

根據(jù)前述分析，枯水期嘉陵江草街—河口段由于淺灘水深或航寬不足，淺灘礙航，不能達到規(guī)劃航道維護尺度標準。雖然河口水位升高后可改善航道通航條件，但河口水位變化顯著，且低水位時期占比較大，因此進一步探討嘉陵江草街—河口段各主要灘險河段滿足Ⅲ級航道尺度要求的最小流量需求。由2017年8月—2018年8月期間草街—河口段主航道最小水深統(tǒng)計結(jié)果，繪制得到草街—北碚段、北碚—井口段和井口—河口段主航道最小水深隨草街下泄流量變化，見圖7?？梢钥闯觯煌瑸┒卧谙嗤髁肯碌乃徊町惷黠@，各種流量下均有水位小于2 m的情況出現(xiàn)，由于嘉陵江通航船舶滿載吃水均大于2 m，故不能滿足航道通航需求。

圖7 3個河段主航道最小水深隨草街下泄流量變化

嘉陵江草街—北碚段航道水深僅受河道地形和草街下泄流量的影響，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及最小水深與草街下泄流量關(guān)系分析，得到觀測時段內(nèi)該河段水深小于2.0 m對應(yīng)的草街出庫流量；嘉陵江北碚—河口段位于三峽回水變動區(qū)，航道通航條件不僅受草街下泄流量過程的影響，還受到河口水位的影響，航道水流條件較復(fù)雜，觀測時段內(nèi)草街—北碚段和北碚—河口段水深小于2.0 m對應(yīng)的草街出庫流量見表3?？梢钥闯?，觀測時段內(nèi)草街下泄流量范圍為300～1 800 m3/s時，各灘段水深也存在較大變化，水深與流量變化規(guī)律性較差。

表3 嘉陵江草街—北碚段和北碚—河口段水深小于2.0 m時草街出庫流量

4.2 航道補水需求計算分析

考慮到水位觀測在時空連續(xù)性的限制，采用水力學計算模型對嘉陵江草街—河口段各主要灘險河段滿足Ⅲ級航道尺度要求的最小下泄流量需求進行計算。其中下游河口邊界采用最不利情況，即不考慮三峽庫區(qū)回水和長江水位頂托作用的影響。

根據(jù)計算結(jié)果繪制得到不同灘段60 m航寬范圍內(nèi)最小水深與流量的關(guān)系，見圖8。各灘段60 m航寬范圍內(nèi)最小水深與流量呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。采用線性插值近似得到各灘段滿足Ⅲ級航道尺度要求的最小下泄流量見表4?？梢钥闯?，在現(xiàn)有地形條件和不考慮三峽回水和長江水位頂托影響的情況下，嘉陵江草街—河口段滿足Ⅲ級航道尺度要求的最小下泄流量約為1 620 m3/s。

圖8 3個河段各灘段60 m航寬范圍內(nèi)最小水深與流量關(guān)系

表4 嘉陵江草街—河口各險灘滿足Ⅲ級航道尺度要求最小下泄流量需求

為保障河段最小下泄流量需求，上游草街電站應(yīng)執(zhí)行梯級水電站水庫調(diào)度方案，保證通航最小流量要求，同時水量調(diào)度要保證上下游最低通航水位。但根據(jù)流域水文徑流特征，嘉陵江徑流量年內(nèi)分配不均，其中汛期5—10月占全年來水總量83.1%。根據(jù)近年來研究河段水文資料統(tǒng)計結(jié)果，研究河段1 620 m3/s的保證率僅為30%左右。隨著氣候改變和人類活動的影響，河段徑流量變化更為復(fù)雜，各灘段滿足對應(yīng)航道尺度要求的最小下泄流量對應(yīng)的保證率可能進一步減小。因此，結(jié)合流域徑流分配規(guī)律及草街電站實際調(diào)度運行情況，單純依靠草街電站提高下泄流量以達到航道規(guī)劃尺度的可能性較小，還需要深入研究河口段航道提升的可能性，進一步結(jié)合航道整治工程或渠化工程以改善通航條件。

5 結(jié)論

1)嘉陵江草街—河口段航道水深受河口水深影響，草街下泄流量為327 m3/s，河口水位為158.35 m時，河段基本不受三峽庫區(qū)回水和長江水位頂托影響，呈天然河流的特性。

2)草街—北碚段、北碚—井口段和井口—河口段主航道不同灘段在相同流量下的水位差異明顯，現(xiàn)狀條件下淺灘礙航問題突出。

3)在現(xiàn)有地形條件下，嘉陵江草街—河口段滿足Ⅲ級航道尺度要求的最小下泄流量要求約為1 620 m3/s，但保證率僅為30%左右。研究河段還需深入研究河口段航道提升的可能性，進一步結(jié)合航道整治工程或渠化工程以改善通航條件。