浅谈数值模拟技术在长江中下游航道整治中的应用

张明进，伍文俊

（1.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.长江航道局，武汉430010）

长江中下游航道是长江交通运输的主骨架，对地方经济发展起到了重要作用［1］。该区段多属于冲积性平原河流，河道水面宽阔、洲滩广布、河床可动性强，碍航河段众多［2］。自三峡水利枢纽蓄水运用以来，水库下游长河段水沙运动规律产生了较大的变化，水道碍航状况出现了新的特性。为了解决长江干线目前的碍航现状，根据国家对长江航道的总体规划，长江中下游航道的治理已经有序开展［1-4］。在目前已经启动的航道整治工程研究工作中，物理模型试验和数值模拟计算2种模拟手段都得到了广泛的应用。2种研究手段各有优势，均有助于工程方案的确定。本文拟就数值模拟技术在航道整治研究中的一些特点做探讨性的总结。

数值模拟研究相对于物理模型试验研究的优势主要体现在2个方面：（1）数值模拟研究在“点”与“面”上具有可扩展性。数值模拟不但可以同物理模型研究一样，针对一处工程区域一“点”进行模拟论证，更重要的是体现在“面”上。这里的“面”包含2层含义，一是平面上的可扩展性，数值模拟研究可以在大范围平面上模拟长河段水流泥沙运动，既可以满足局部工程方案的论证，又可以对工程实施后可能造成的上下游水道的影响情况作出相应的预测；另一方面是体现在全面上，物理模型研究范围有限，且不可能考虑太多的影响因素，数值模拟则可以考虑综合影响因素，如对取水口、采砂区、港区布置等外部影响因素进行综合分析研究，保证航道整治方案能兼顾各方利益，使整治工程得以顺利实施。（2）数值模拟研究可在时间与空间上进行灵活调整。在时间方面，物理模型在进行长系列年份模拟中，需要对水文过程进行相应的概化，而数学模型可以真实模拟长系列水文年后航道整治工程效果情况，数值模拟周期相对物理模型要短，精度更高；在空间方面，物理模型一旦建模，基础地形难以改动，数值模拟可以针对工程河段不同年份、不同类型地形条件下的水沙特性进行模拟分析，可为工程比选及整治工程优化布置提供重要参考依据。

本文结合上述数值模拟的一些特点，以具体的航道整治工程应用实例为基础，对长江中下游航道整治中数学模型能够回答的探索性问题做一些阐述，这些研究可以作为物理模型试验研究的基础与延展。

1 弯曲分汊河段洲头工程布置位置的选取（洲头分流面）

目前长江中下游航道整治的重点河段多为分汊碍航河段，洲头工程是分汊河段航道整治的重点，对于顺直分汊河段，洲头工程的起点可以设置在相对稳定的分流点附近，可基本做到不明显改变两汊的分流比［5］，如果要改变两汊分流比，将工程的起点偏向一侧即可达到目的。

对于弯曲分汊河段，洲头工程的布置要不改变两汊的分流比是无法实现的，因为洲头不存在单一的分流点，而是以分流面的形式存在。分流面的含义［6］是在洲头以上河段取若干断面，以一汊的岸侧开始累积流量，将各断面的累积流量和该汊分流量值相等时的点连接起来，即洲头分流面连线（即这条线左边为左汊分流比，右边为右汊分流比）。不同来流流量时河段具有不同的分流面位置。不同年份，由于地形条件不同，洲头分流面的位置也有很大区别。

图1-a、图1-b分别为长江中游戴家洲洲头2006年和1993年不同地形及流量级下分流面的情况［6］，由图1可知，当流量小于20 000 m3/s时，戴家洲洲头水流有自右向左摆的趋势，体现在分流面曲线上就是分流面曲线从上游靠近右岸逐渐向左过渡，直至洲头两汊分流点。当流量大于20 000 m3/s时，各级流量下分流面曲线位置基本一致。2006年分流面连线与地形高点连线相近，其枯水分流面连线与洪水分流面连线在河宽方向上的距离最宽约为390 m，而1993年地形时枯水分流面连线与洪水分流面连线在河宽方向上的距离最宽约为180 m。枯季洪季分流面在河宽方向的变化体现了这种地形特征下两汊分流比的变化，2006年这种变化比较剧烈，两汊分流变化也相对较大，这对两汊（尤其是较宽的右汊）航道条件的稳定会产生一定的影响。而1993年地形时，洲头分流面的这种变化较2006年要小的多。根据长江航道局的航道维护资料，2006年是戴家洲河段碍航较为严重的年份，而1993年航道情况相对较好。

由以上戴家洲洲头分流面的变化情况分析可知，洲头分流面在洪枯季河宽方向上的变化程度影响两汊洪枯季分流比的大小，这种变化也在一定程度上对航道条件的稳定产生影响；戴家洲河段航道整治选择右汊为通航主汊，戴家洲洲头航道整治布置工程（鱼骨坝脊坝）应尽可能布置在洪水分流面附近，这样既可以增加右汊的枯水分流比，又减少了工程对两汊河道行洪的影响（目前实施的戴家洲整治工程鱼骨坝脊坝位置与2006年洪水期分流面连线相近）；在长江中下游弯曲分汊河段整治工程关于洲头工程的布置位置选取上，应充分应用数值模拟手段，考虑弯曲分汊河段洲头分流面的变化特性，确定合适的工程位置。

2 航道整治工程汛后冲刷效果模拟

2.1 三峡工程运行后对下游航道影响

长江三峡工程于2003年6月蓄水至135 m后，又于2006年汛后蓄水至156 m，2007年三峡工程继续按照156 m蓄水方案运行，2008年试蓄水至172 m，2009年三峡工程准备蓄水至175 m，但由于汛后上游来水较少和水库下游地区严重干旱，蓄水至171 m左右。三峡水库蓄水运用，对长江中游河道的来水来沙条件、河床变形等产生了重大的影响，改变了下游河道的来水来沙条件和泥沙冲淤特性，下游航道问题已经逐渐显现。

从三峡水库运行6 a多的时间来看，水库对下游航道条件的不利影响主要体现在水库的汛后蓄水过程上。长江中游河段在洪水期来水来沙量较大，河道内会产生淤积，而这种淤积会随着汛后水位的缓慢降落而逐渐冲刷。然而三峡水库汛后蓄水过程使得汛后水位回落过快，河道内洪水期淤积下来的泥沙来不及冲刷而使得航道内水深急剧下降，长江中游航道出浅，影响船舶正常通行，2007年汛后这种情况尤其突出。2007年，长江中游多个浅滩汛后出浅，其中窑监水道、太平口水道和牯牛沙水道同时出浅，航道形势十分严峻，这在长江航道的历史上也是少有的。2007年三峡汛后蓄水后，长江中游航道的恶化程度远远超出各研究单位的预测［2］。

2.2 汛后冲刷效果模拟

牯牛沙航道整治前期工作中，数值模拟研究考虑了汛期航道严重淤积，汛后蓄水时不同工程布置时的航道冲刷情况［7］。严重淤积地形选择了2007年9月地形，此时牯牛沙水道上下深槽间浅区4.5 m等深线（航行基面下）不能贯通，浅区局部床面高程与航行基面相近。数值模拟以2007年9月测图为基础地形，利用2007年10月～2008年1月水沙资料，计算分析以下3种条件下牯牛沙水道浅区航道冲刷情况，分析航道整治工程效果：（1）不实施任何工程，计算天然情况下浅区冲刷情况；（2）考虑仅实施护滩工程（一期工程），计算浅区冲刷情况；（3）计算整体工程方案实施后（丁坝工程），牯牛沙浅区冲刷情况。

为明确工程效果，以下数模计算结果均按月显示，即对比上述不同情况下牯牛沙浅区经历1个月（2007年10月）、2个月（2007年10～11月）、3个月（2007年10～12月）和4个月（2007年10月～2008年1月）冲刷后的航道水深变化情况。

2.2.1 计算结果

（1）无工程情况下冲刷情况。

图2为牯牛沙水道2007年9月份地形经历1、2、3、4个月冲刷后的水深情况。由图2可知，虽然经历了枯水期的冲刷，牯牛沙水道过渡段浅区逐渐得到改善，但仍不能满足航行基面下4.5 m水深要求。经历4个月的冲刷后，上下深槽过渡段存在浅沙埂和较多的沙包。在2007年9月地形条件下，单纯依靠枯水自然冲刷4个月后仍不能使浅区过渡段水深达到规划尺度要求。

（2）护滩工程的工程效果。

考虑仅实施一期护滩工程，计算浅区冲刷情况。图3为牯牛沙水道2007年9月份地形实施护滩工程后，经历1、2、3、4个月冲刷后的水深情况。由图3可知，对比同期无工程冲刷情况，该水道进行护滩工程并经历枯水冲刷后，牯牛沙水道过渡段浅区改善程度略优于无工程情况，但仍不能满足基面下4.5 m水深要求。在经历4个月的冲刷后，上下深槽过渡段存在较多的沙包，航道情况稍好于无工程时的情况。

（3）总体工程实施后的工程效果。

图4为牯牛沙水道2007年9月份地形实施护滩工程后，经历1、2、3、4个月冲刷后的水深情况。由图4可知，整体工程方案实施后，经历3个月（10月～12月）的冲刷后，牯牛沙水道过渡段浅区4.5 m等深线基本贯通，浅区仅存在少数沙包；经历4个月（10月～次年1月）的冲刷后，牯牛沙水道过渡段浅区4.5 m等深线全线贯通，工程效果明显。

2.2.2 工程效果分析

综合上述汛后蓄水冲刷模拟分析可知：（1）在汛期航道强烈淤积时，不采取任何工程措施，牯牛沙水道上下深槽过渡段浅区经历4个月的汛后枯水冲刷后，航道条件不能满足规划航道水深要求，该水道浅区在枯季有碍航的可能。（2）总体整治工程方案实施后，经历3个月的枯水冲刷后，航道水深基本可以满足规划航道水深要求，工程效果明显。（3）考虑三峡水库汛后蓄水、流域同时出现多年一遇特枯水情况等条件的影响，一期工程护滩方案工程效果有限。

长江中下游其他类似碍航河段，在实施整治工程时，应结合河段碍航特性，应用数值模拟手段，对三峡汛后蓄水影响情况和航道整治效果做出预测分析，为航道整治工程的最终实施奠定基础。

3 航道系统整治中的数值模拟

长江航道整治工程的实施（研究）多以1个水道或2个水道作为工程研究对象，这种工程实施和研究方式，对上、下游水道间的相互影响情况，以及整个河段内如何进行有序整治问题没有进行充分的考虑与论证。长江航道整治目前已经提出了系统整治的思路，并在长江下游江心洲—乌江河段航道整治工程中得到了一些应用，系统整治研究从整个河段的整体演变关系出发，提出相应的工程解决方案，有利于航道整治效果和整治水平的提高。

对于系统整治中研究河段的选取，应尽可能以一个较长的河段作为航道整治的单元研究对象［5］，其单元上下游水道的洲滩宏观长期变化较小，这种整治研究单元内部各水道的整治工程上、下的相互影响问题在研究中可以直接得到暴露和解决。数值模拟在这种长河段系统整治研究中能发挥其独特的优势。

航道系统整治的研究对象从局部河段上升到区域或流域，数值模拟可以对多种物理过程、多个调控目标、多重时空尺度进行耦合嵌套的情况进行研究，这种研究要求的提高对数值模拟的需求程度也将越来越高。大区域水沙输移模拟将势在必行，这也是长江中下游航道整治中数值模拟的重要发展方向。

4 结论

本文以长江中下游典型的航道整治工程为例，对数值模拟技术在长江中下游航道整治中的应用做了一些探讨。在一定程度上对航道整治中数值模拟应该回答、能够回答以及将来需要回答的一些工程问题作了些分析，并利用工程实例给出一些认识。数值模拟技术作为一个发展前景较好的技术手段，其研究在上述诸多方面均与一般的物理模型研究有所不同，这些不同可以作为物理模型试验的基础与延展。

随着江河水运资源利用和水能开发力度的加大，长江中下游航道治理实践将面临着与泥沙输移、环境保护等相关的新问题，这也将推动数值模拟技术进入新的发展阶段。伴随着相关研究深度和广度的不断扩展，数值模拟技术在解决工程泥沙、水资源利用及与其他学科的交叉问题等方面将发挥更为显著的作用。

［1］交通部三峡办公室.长江三峡工程泥沙和航运问题研究成果汇编II［R］.北京：交通部，1997.

［2］长江流域规划办公室水文局.长江中下游河道基本特征［R］.武汉：长江流域规划办公室水文局，1983.

［3］李义天，谢鉴衡.二维及三维泥沙数学模型的研究进展［C］//中国水利学会泥沙专业委员会.全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集.西安：西安理工大学，2006.

［4］陈晓云，周冠伦，刘怀汉.长江中游航道整治技术研究［J］.水道港口，2006，25（S0）：7-14.

［5］李旺生.长江中下游航道整治技术问题的几点思考［J］.水道港口，2007，28（6）：418-424.LI W S.Some thoughts about technical problems on regulation of waterway in the middle and lower reach of the Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（6）：418-424.

［6］张明进，张华庆，刘万利，等.长江中游戴家洲河段航道整理工程数值模拟研究［J］.水道港口，2008，29（3）：193-198.ZHANG M J，ZHANG H Q，LIU W L，et al.Numerical study on navigation regulation engineering of Daijiazhou section in the middle reaches of the Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008，29（3）：193-198.

［7］张明进，张华庆.长江中游牯牛沙水道航道整理工程数学模型研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2007.