三峡水库蓄水以来关洲汊道形态调整效应的数值模拟

伍文俊

（长江航道局，武汉430010）

三峡水库蓄水以来关洲汊道形态调整效应的数值模拟

伍文俊

（长江航道局，武汉430010）

为明晰三峡水库蓄水后关洲汊道形态调整对航道条件的影响，采用平面二维水流数学模型，研究了关洲汊道地形变化与水流运动特征及枯水位的关系。结果表明：关洲汊道左汊冲刷发展引起分流比调整，减弱了其对枯水位的控制作用，下游河道冲刷引起的水位降幅向上游传递作用增强；关洲汊道左汊冲刷还导致其下游芦家河汊道进口断面流速左减右增，增加了鸳鸯港边滩淤积及芦家河石泓的冲刷动力条件，不利于芦家河水道航道条件。为了维护上游枯水位的稳定并保证下游浅滩冲刷动力，应对关洲汊道进行守护，对分流比进行控制。

关洲汊道；形态调整；数值模拟；枯水位

关洲汊道位于长江中游荆江河段进口，上距宜昌站约60 km，受三峡水库清水下泄影响，河床冲刷严重，其冲刷调整不仅关系到坝下游沙卵石河段枯水位的维持，而且与下游芦家河水道淤沙浅滩形态密切相关［1-2］，对长江中游航道建设有重要影响。

三峡水库蓄水以来，多位学者基于实测资料对关洲汊道的冲淤调整特性进行了分析，普遍认为关洲汊道受主流年内摆动及河床组成平面不均的制约，左汊冲刷强度显著大于右汊，分流比增加近15％，过水面积扩大引起枯水位下降，水道出口枯水主流位置向左偏移［3-6］。但这些成果多是基于实测资料分析的河道调整综合作用定性研究，将上下游河势调整等因素交织在一起，对于关洲汊道形态调整的独立效应缺乏针对性分析，如关洲汊道调整对水流特征、下游芦家河浅滩冲淤动力的影响程度如何，对河道上游枯水位变化有何作用，关系到航道治理对策等实际问题，需要专门开展研究。

为此，本文根据关洲汊道不同时期地形资料，采用平面二维水流数学模型设计了多种概化数值试验方案，计算分析了关洲汊道形态调整对上下游水流条件的影响效应，以期为该水道治理提供参考。

1河道概况

关洲汊道自枝城水文站至陈二口，长约16 km，上距葛洲坝和三峡坝址分别约60 km和100 km，下接松滋口及碍航问题突出的芦家河水道，其为双股微弯分汊河型，左汊习称关洲夹，右汊为常年主航道。关洲汊道床面组成平面分布极不均匀，左汊内边滩及洲体表层由大量中细沙覆盖，而右汊主要为砾卵石夹沙。关洲水道两汊水沙分配随来流涨落而变化，其中洪水期主流通过左汊下泄，即关洲夹成为主汊，中、枯水主流从右汊下泄，以分流比50％作为主流在左右汊转移的判别指标，则左右汊发生主支地位变化的临界流量为20 000 m3/s，为典型年内交替型汊道，两汊内水流冲刷动力差异较大（图1）。

三峡水库蓄水前，受下荆江裁弯溯源冲刷和葛洲坝水库蓄水影响，关洲汊道有所冲刷，左汊进口展宽、出口下切，同济垸边滩面积不断萎缩；右汊深泓则较为稳定；洲顶串沟位置摆动不定，心滩和串沟高程均有所降低。但总体来看，关洲水道分汇流的相对态势以及两汊深泓的基本走势均变化不大，左汊及洲体表层仍有大量可冲泥沙。

三峡水库蓄水后，枝城水文站输沙量减少近90％，几乎为清水下泄［7］，关洲汊道冲刷剧烈，2003～2012年枯水河槽冲刷约4 300万m3，平均厚度为2.22 m。但受河床组成左细右粗的制约，河床冲刷以左汊为主，从汊道中部典型断面的变化来看（图2），左汊最大冲深近8 m，而右汊变化甚小；从两汊深泓高程变化来看（图3），自2003年～2012年，关洲水道左汊深泓降低主要发生于进口以下，高程降幅达10 m以上，而右汊深泓变幅相对较小，仅右汊出口临近陈二口深槽附近略有下降。虽然由于河床粗化及关洲左汊进口控制作用，枝城水文站的枯期水位降幅仅为0.21 m，但由于河道形态这种不均匀变形引起关洲汊道内左汊分流比增加近15％（表1），若关洲左汊进口再发生冲刷降低，则该水道可能发生主支汊的地位转换，对于上下游水动力条件、枯水位影响可能更加明显。

图1 关洲汊道示意图Fig.1 Sketch of Guanzhou reach

图2 GZ2#断面（关洲汊道中部）冲淤变化图Fig.2 Erosion and deposition variation of GZ2#

图3 关洲水道左右汊深泓变化Fig.3 Thalweg evolution of Guanzhou reach

表1 关洲汊道分流比变化Tab.1 Variation diversion ratio

2研究方法

主要采用平面二维水流数学模型对关洲汊道调整的效应进行研究，为反映汊道调整对下游芦家河水道的影响，将模型范围定为枝城水文站至昌门溪，中间包括淞滋口分流，共24 km。模型的建立、验证及计算条件如下所述。

2.1模型的建立

模型采用贴体正交曲线网格，共划分网格400×100个，其基本方程如下

水流连续方程

ξ方向动量方程

η方向动量方程

式中：ξ、η分别表示正交曲线坐标系中2个正交曲线坐标；u、v分别表示沿ξ、η方向的流速；h表示水深；H表示水位；f表示科氏系数；νt表示紊动粘性系数；Cξ、Cη表示正交曲线坐标系中的拉梅系数

σξξ、σξη、σηξ、σηη表示紊动应力

微分方程的数值离散采用有限体积法（控制容积法），同时为避免产生锯齿状流速场和压力场，流速分量u，v在交错网格系统的各自控制体中求解，而压强p在主控制体中求解。计算程式采用Pantankar压力校正法原理。

河段进口边界给定流量过程。进口断面的流速横向分布采用以下公式计算

式中：h为第i个网格结点处的水深，Q为断面流量，B为断面河宽，A为断面面积。采用上式计算出流速以后再次进行总流量的校正。对于河道两岸的边界则采用水流无滑动条件，即岸边流速为零。河段出口边界采用水尺观测水位，松滋口分流采用枝城水位～松滋口分流量关系确定。

2.2模型的验证

模型以2012年11月地形为基础，以2010年以来的实测水流资料在定床数学模型上对糙率等参数进行率定。从沿程水位、流速分布、分流比等方面的验证结果来看，水位误差多在±0.03 m以内，断面流速分布情况也与实测值总体符合较好，偏差基本在0.15 m/s以内，计算分流比与实测值最大差值为2％，计算值的变化趋势与绝对值与实测值基本一致，因此，所建立的模型可以用于汊道调整效应的研究。

图4 模型验证结果图Fig.4 Verification by the model

2.3计算条件

为研究河道形态的实际调整对水流运动特性的影响，以2003与2012年（11月）实测地形分别代表蓄水前及蓄水后计算地形，保持模型参数不变，仅改变关洲汊道地形以对比河道内沿程水面线、比降、分流比等变化特点。

表2 计算流量及结果指标Tab.2 Calculated flow and evaluation index

在不同地形数值试验的基础上，通过人为改变左汊河道地形来开展概化数值试验，研究地形调整对枝城水文站枯水位的影响，包括两种方法，一是在2012年地形基础上将左汊地形恢复至2003年水平，二是将蓄水以来变化不大的左汊进口降低为不同高程。同时为了研究地形变化对下游水位降幅向上游传递的限制作用，通过调整地形及下游水位的方法模拟了不同地形下陈二口水位降幅与枝城水文站降幅的关系。

计算流量选取包括洪、中、枯在内共8级流量（表2）进行计算，其中包括最小流量、多年平均流量、平滩流量在内的多个特征流量级，同时插补了多个流量级，以全面反映水流的运动特性。计算指标为河道水位、平面流速分布、分流比等。

3汊道调整对水流运动特征的影响

图5为关洲左汊2012年11月地形条件下相对于2003年地形各级流量的分流比增加幅度。与2003年相比，2012年11月的各流量下分流比均有不同程度的增大，且呈现抛物线状分布。关洲左汊在15 000～20 000 m3/s流量附近分流比增大最大，达到14％，而枯水由于左汊口门高程较高，分流比仅增大3％，流量在50 000 m3/s时分流比增大6.8％左右，地形变化对分流比的影响在流量介于10 000～20 000 m3/s的范围内为最大，高水及枯水的分流比增大值远小于中水，毫无疑问该范围流量的水流动力特性在蓄水后也发生了相对较大的变化。关洲汊道调整对芦家河分流比略有影响，流量为15 000 m3/s、50 000 m3/s时，芦家河沙泓分流比均减小1％左右，不利于沙泓的航道条件。

图5 关洲左汊各级流量下分流比增加值Fig.5 Diversion ratio′s increase in the left branch

图6 关洲头部断面流速分布变化（1 5000 m3/s）Fig.6 Velocity variation of the head cross section（15 000 m3/s）

图7 关洲汊道调整后陈二口断面流速分布变化Fig.7 Sectional velocity distribution in Chenerkou after the adjustment of Guanzhou

图8 关洲汊道调整后鸳鸯港边滩下部断面流速分布变化（15 000 m3/s）（Q=5 600 m3/s）Fig.8 Sectional velocity distribution in Yuanyanggang bench after the adjustment of Guanzhou（15 000 m3/s）

图9 恢复分流比前后的右汊内沿程水位（5 600 m3/s）Fig.9 Water level along the right branch

图6关洲头部的流速分布来看，左汊最大流速增大近1m/s，与左汊进口变形小，纵向比降较大相对应，这也说明了左汊的水动力条件有大幅度增加，该位置存在被冲刷的动力条件。图7为关洲汊道出口陈二口（芦家河分汊放宽段进口）的流速分布图，可以看出，流量在15 000 m3/s时，关洲左汊分流比减小后，陈二口断面流速左减右增，主槽内水流动力增强，流量在40 000 m3/s时的陈二口断面流速分布变化趋势与小流量时一致，只是幅度略小，反映了河床形态对大流量下水流动力控制作用的减弱。以上计算结果说明，关洲左汊分流比减小会使陈二口断面处主流更加集中，对下游河道的水流运动影响较大，需要特别注意。

图8为相应陈二口断面流速分布变化后鸳鸯港边滩下部断面流速变化，该位置流速变化趋势与陈二口一致，但幅度减小。在15 000 m3/s流量时引起右侧流速增大0.3 m/s，而引起鸳鸯港边滩处的右侧流速增大0.1 m/s；流量在40 000 m3/s时，这种流速增大值沿程衰减的趋势也明显存在。因此，随着陈二口断面处主流集中于深槽，芦家河汊道进口段内的断面流速分布左减右增，虽然幅度沿程递减，但鸳鸯港边滩处的水流动力条件仍然受到影响，这种变化有利于鸳鸯港边滩的淤积及芦家河石泓的冲刷。

4汊道调整对枯水位的影响

分别采用2003年和2012年地形和尾门水位，计算了2003年与2012年的右汊一侧水面线，作为对比，在2012年地形基础上将左汊地形恢复至2003年水平，计算了改变地形后的水面线。由图9可见，在2012年的地形及糙率条件下，若能将左汊高程恢复至2003年的水平，陈二口水位下降0.26 m，枝城水位下降0.09 m。由此可见，2003年以后枝城水位的下降，关洲左汊发展是主要原因之一。

2003年以来，关洲左汊自尾部而上不断发生溯源冲刷，至2012年左右仅余左汊口门约470 m的范围高程在32～35 m，汊道内部高程仅22～23 m，在左汊口门附近形成8/100的陡坡，若该位置继续发生冲刷，势必造成左汊分流比进一步增大和水位进一步下降。分别将左汊进口高程降低为不同高程，考察地形变化引起的分流比调整和水位变化如图10。由计算结果可见，即使陈二口水位保持不变，左汊口门降低后，左汊分流比迅速增大，枝城水位明显下降。当左汊口门高程降至32 m，左汊分流比将超过右汊而成为枯期主汊，当左汊口门高程降至接近汊道内部高程的24 m，造成的枝城水位降幅达0.3 m。

图10 左汊口门高程改变前后分流比调整及枝城水位降幅Fig.10 Adjustment of diversion ratio and the decrease of Zhicheng′water level

图11中，考察了左汊进口不同高程情况下，关洲汊道对水位的控制作用的变化。在当前地形下，陈二口水位下降0.3 m，则枝城水位下降0.14 m，两者比例约1：0.5；当左汊进口降至25 m高程，陈二口水位下降0.3 m，枝城水位下降0.26 m，两者比例约1：0.9。由此可见，若关洲左汊进口高程进一步冲刷降低，则关洲汊道对水位控制作用将急剧减弱甚至消失。

图11 左汊口门高程改变后的右汊内沿程水位（5 600 m3/s流量）Fig.11 Water level along the right branch

从以上数值试验可知，枝城水位下降的主要原因是陈二口水位下降与关洲左汊的发展，以左汊分流比增加为标志的关洲支汊发展是影响水位的重要因素，它不仅直接改变上游水位，而且还制约下游水位降幅的向上传递：若左汊分流比小，则陈二口水位下降对上游水位影响小，若左汊分流比大，则陈二口水位下降对上游水位影响大。因此为了维护上游水位的稳定，应对关洲左汊的分流比进行控制。

5结论

本文采用平面二维水流数学模型开展数值试验，对关洲汊道调整对上下游水流运动特性进行了模拟分析，结论如下：（1）关洲汊道左汊发展导致芦家河汊道进口段的断面流速分布左减右增，虽然幅度沿程递减，但鸳鸯港边滩处的水流动力条件仍然受到影响，这种变化有利于鸳鸯港边滩的淤积及芦家河石泓的冲刷，不利于下游芦家河水道的航道条件维持。（2）若左汊分流比小，则陈二口水位下降对上游水位影响小，若左汊分流比增大，则陈二口水位下降对上游水位影响大，左汊继续发展将引起上游枯水位的降低，不利于沙卵石河段的航道水深。（3）为了维护上游水位的稳定，并保证下游浅滩汛后及枯期冲淤动力，应对关洲左汊进行守护，对分流比进行控制。

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Numerical modelling of effects of channel morphology′s adjustment in Guanzhou inlet after impoundment of the Three Gorge Reservoir

WU Wen⁃jun
（Changjiang Waterway Bureau,Wuhan 430010,China）

In order to investigate the effects of channel morphology adjustment on waterway condition in Guan⁃zhou reach after the impoundment of the Three Gorge Reservoir,2D hydrodynamic numerical model was used to study the relationship between the changes of topography and hydraulic characteristics at low water periods.The re⁃sults show that the scouring of the left branch arouses the adjustment of diversion ratio,weakens the controlling ef⁃fects on the low flow water level and enhances the upstream transmission of the water level drop caused by the ero⁃sion of downstream reach.The scouring of the left branch also leads to the change of the cross section velocity at en⁃trance of Lujiahe reach.The velocity of the left branch reduces and the right increases.The changes of flow condi⁃tions cause deposition in Yuanyang sand bar and erosion in right branch of Lujiahe reach,which are harmful to the waterway conditions of Lujiahe reach.To maintain a stable water level in the upstream and ensure the scouring dy⁃namic conditions of the downstream shoals,the Guanzhou reach should be protected and the water diversion ratio be⁃tween the two branches should be controlled.

Guanzhou branch;adjustment of topography;2D numerical model;the low flow water level

U 617；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0426-06

2016-04-11；

2016-06-17

伍文俊（1973-），男，湖北省钟祥人，高级工程师，主要从事航道整治前期工作。

Biography：WU Wen⁃jun（1973-），male，associate professor.