三峡水库不同调蓄方式对枝城至杨家垴河段冲淤变化的影响

2018-03-21王洁

中国农村水利水电 2018年1期

王洁

(长江勘测规划设计研究有限责任公司施工处，湖北武汉 430010)

0 引言

长江中游枝城-杨家垴河段全长约70 km，上邻三峡工程、葛洲坝水利枢纽，处于长江由山区河流向平原河流的过渡地带，其河床组成、河道形态具有不同于一般山区河流或冲积平原河流的特性。由于其独特的地理位置，该河段对于长江，尤其是荆江段的防洪有着重要影响。三峡水库蓄水后，坝下游枝城-杨家垴河段发生了自上而下的剧烈冲刷，引起了众多学者的广泛重视。陈立[1]、罗优[2]等研究了芦家河水道河道演变态势，分析了引起该水道航道条件变化的主要原因；彭严波等[3]鉴于河段的整体性研究了关洲水道、松滋口和芦家河浅滩的关系；陆永军[4]、陈义武[5]则分别通过数学模型和物理模型试验对芦家河水道的演变趋势进行了研究；杨芳丽、黄伟等[6]分析了枝江江口河段河床演变特点、碍航特性和航道存在的主要问题；李彪、付中敏等[7]探讨了枝江江口河段航道整治一期工程前后航道条件、水流条件变化情况；刘怀汉、茆长胜等[8]通过物理试验，分析了枝江江口河段下游水位下降与洲滩冲刷变形对航道条件的影响。但是，已有的研究都基于现行的三峡水库调蓄方式，然而在实际应用中，为全面提高三峡工程综合效益，尤其在利用汛期洪水资源与中小洪水调度方面，三峡水库进行了大量的优化调度与实践，然而以上研究都没有考虑中小洪水调度方式的影响，因此都具有一定的局限性。从研究方法上而言，大部分的研究都基于物理模型试验[1, 2, 5, 8]和资料分析[3, 6, 7]，物理模型试验受到场地、资金、周期等条件的天然限制，一般都研究特定因素的影响，如整治工程的影响，并且对河道地形有一定程度的简化；历史资料分析一般都只能给出定性的预测分析，因此需要通过其他手段，如数学模型，展开进一步研究。

基于此研究现状，本文利用二维水沙数学模型，系统全面地研究了三峡水库不同调蓄方式对枝城至杨家垴河段河床冲淤的影响，该研究结果对于充分发挥三峡水库的综合效益有着重要参考价值，并为治江决策提供科学技术支撑。

1 河道概况与水沙特性

枝城至杨家垴(大步街)河段全长约70 km，位于上荆江进口，上距宜昌60 km，处于三峡下游沙卵石河段中下段，其下游大步街以下为抗冲性较弱的砂质河床。该河段主要由弯曲分汊和顺直分汊河型组成，河段陈二口附近右岸有松滋口分流，以昌门溪为界，分为枝城--昌门溪河段和枝江--江口河段，河势见图1。

图1 枝城-杨家垴河段近期河势图

研究河段径流和泥沙主要来自宜昌以上的长江干、支流。同时受荆江松滋口分流入洞庭湖。三峡工程于2003年5月25日开始预蓄水，2009年汛后按照国务院《三峡水库优化调度方案》运行。三峡水库蓄水后，2003-2008年坝下游宜昌、枝城、沙市站水量较蓄水前偏枯5%～10%；2009-2013年，长江上游来水略有偏少，坝下游各主要水文站年均径流量分别为3 934、4 074、3 717 m3。而蓄水后坝下游输沙量锐减，2009-2013年，三峡水库上游来沙量减小明显，加之三峡水库拦截了长江上游来沙的80.4%(2003-2008年为70.6%)，各站年均输沙量分别为0.29、0.34、0.44 亿t，较蓄水前减小幅度为94%～90%。

2 模型建立与验证

在分析水沙特性及河床演变特征的基础上，本文采用二维水沙数学模型进行计算分析，模型基本控制方程与数值解法参考李义天等[9]。采用枝城至杨家垴河段河道，流量为2.8 万m3/s的条件下，水流和泥沙冲淤过程对二维水沙数学模型进行验证。验证表明，计算水位(图3)、1号断面流速分布(图4，其他断面流速分布略)，以及河段冲淤变化与实测值吻合良好。以上结果说明应用二维水沙数学模型研究不同调蓄方式对枝城至杨家垴河段的冲淤影响是合适的。

图2 枝城-杨家垴河段测流断面布置图

图3 沿程水位验证图

图4 1号断面流速验证图 (Q=2.8 万m3/s)

图5 计算和实测冲淤分布图

3 三峡水库不同调蓄方式对河道冲淤的影响

3.1 计算工况简介

三峡水库自2003年6月首次蓄水水位达135 m以来，削减洪峰流量，拦截上游来沙，下泄清水或低含沙量水流冲刷下游河道，长江中下游挟沙水流长期处于非饱和状态，中下游河道不可避免经历长期的河床冲刷[10]，将严重影响中下游河道的河床演变[11]，尤其是清水冲刷江心洲洲体，引起洲体面积的减小与整体蚀退，严重影响河槽稳定，对于河道发育产生显著的影响。另外，在保证防洪安全的前提下，为充分利用洪水资源，实施中小洪水调度，成为了如何优化三峡水库调度的热点问题，但是中小洪水调度方式对洲滩发育的影响仍然有待研究。

基于以上背景，考虑了5种计算工况(表1)。具体而言，计算工况1和2对比了有无水库条件下河段冲淤变化，其中水沙边界条件分别选取了经现行调度方式调蓄后的2003-2012年实测水沙系列，以及经水沙还原后的2003-2012年无水库调度水沙系列，泥沙颗粒级配按近年来实际变化处理，具体的上游边界处水沙条件、下游边界处水位流量关系见图6-图8，同时表2总结了有无水库条件下枝城站各流量级持续时间变化。计算工况3、4和5对比分析了不同的中小洪水调度方式对目标河段河道冲淤变化的影响，即选取了三峡水库下泄流量分别为4.0、4.5、5.5 万m3/s 时的3种情况，水沙边界条件考虑了经过控制性水库的运用并经不同调度方式调蓄后的2009-2013年水沙过程，上游边界处流量过程及流量含沙量关系如图9、10所示，下游边界处的流量过程采用宜昌站考虑清江入汇修正后流量。5种计算工况的初始地形均为2014年12月实测河道地形。

表1 计算工况总结

图6 来流过程图

图7 含沙量过程图

工况Q<1.2万m3/s1.2万m3/s2.9万m3/s无水库21311438有水库22211924

图8 下游边界处水位流量相关关系图

图9 不同中小洪水调度方式下上游边界处进口流量(计算工况3、4、5)

3.2 现行调度方式对河段冲淤变化的影响

表3为枝城-杨家垴河段计算累积冲淤量。结果表明，无水库条件下，河床变形以全局冲刷为主，枝城至昌门溪，10年内总的冲刷强度为 66.3 万m3/km，昌门溪以下河段，在10年末整体冲刷强度为69.4 万m3/km；而现行调度方式调蓄下，研究

图10 上游边界处进口流量与含沙量关系(计算工况3、4、5)

河段虽然也以冲刷为主，但由于上游来沙大幅减少，冲刷强度远大于无水库条件。枝城至昌门溪，10年内总的冲刷强度为92.8 万m3/km，昌门溪以下河段，在10年末整体冲刷强度为88.8 万m3/km。同时，从表中可知，冲刷量随时间的发展呈现出前期较大，后期减小的趋势，80%以上的冲刷量发生在前6年，在10年末冲淤变幅不大。基于计算结果，预计10年末河道地形接近冲刷极限地形，研究河段在十年内将冲刷变幅不大，河道将基本保持稳定状态。

图11显示了模型计算的有无水库两种工况下沿程累积冲淤厚度分布情况。定性而言，现行调度方式下，研究河段主要冲刷沿程分布与无水库调度基本一致。无水库调度下[图11(a)])，对于滩槽变化，由于上游来沙相对较大，年均含沙量达0.5 kg/m3，且洪水持续时间相对较多(表2)，除了局部洲滩呈现出小幅淤积，如关洲洲体等，大部分洲滩主要以冲刷为主；对于汊道变化，除了关洲左汊冲刷幅度较大，大部分汊道都基本保持稳定状态。按照现行调度方式[图11(b)]，研究河段的冲淤性质并未发生根本性改变，但较无水库条件下，洲滩整体呈现出萎缩态势，如关洲洲体、关洲左汊边滩、芦家河碛坝头部及左侧、柳条洲中下部及江口老洲等，主要原因是河段来沙大幅减少，导致冲刷幅度显著增加。此外，关洲左汊也呈现出冲刷发育的态势，主要原因是三峡水库调蓄方式也改变了下游的流量过程，使得与左汊冲刷密切相关的中水流量持续时间增加(表2)，但是，总体而言，其他汊道仍基本保持稳定状态。

表3 枝城-杨家垴河段计算累积冲淤量

图11 2003-2012 年系列计算冲淤分布图

3.3 中小洪水调度对河道发育的影响

表5 和6 分别对比了三种调度方式下，心滩和主要边滩形态特征的变化。定性而言，研究河段整体仍均处于冲刷状态，河道演变趋势定性上相似，即滩、槽总体均表现为冲刷，其中以滩地冲刷为主、河槽冲刷则相对较小；洲滩的冲刷部位主要集中于有一定可冲性的芦家河碛坝坝头、柳条洲中下部、江口老洲及大步街出口位置等。定量而言，不同调度方式导致滩槽格局略有不同。