长江中游鲤鱼山水道现状水流特性研究

刘鹏飞，朱玉德，雷雪婷

(1.交通运输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.长江航道规划设计研究院，武汉 430011)

河道水流特性是研究河床演变规律、分析碍航特性的基础，在航道整治工程方案研究中，对河段现状水流特性与方案实施后水流特性对比分析，是判断方案效果的重要方法。在长江中游鲤鱼山水道航道整治工程物理模型试验中，为深入了解河段水流运动规律，在定床模型阶段开展了现状水流特性试验，弥补本水道原型测量资料的不足。

本文以长江中游鲤鱼山水道航道整治物理模型试验数据为基础，对鲤鱼山水道现状条件下的比降、流速、水动力轴线、分流比等水力要素进行分析研究，以研究各水力要素的特征及变化规律，为本水道航道整治思路的确立提供依据，对方案研究奠定基础。

1 基本概况

1.1 河道概况[1-3]

鲤鱼山水道位于长江中游湖北省境内，水道上起半壁山，下迄仙姑山，全长13.5 km(图1)，水道上游承接搁排矶水道，下游为武穴水道。本水道为两头窄中间宽的弯曲河型，水道右岸进、出口分别有半壁山和尖山两个节点，水道放宽段左岸盘家港至龚龙湾存在厍家湾边滩，河心偏右存在黄莲洲心滩，心滩左槽为主航道。近年来由于黄莲洲心滩冲刷，不利年份左槽进、出口淤积，出现浅包、沙埂，航道条件不稳定，并有向不利方向发展的趋势。

1.2 来水来沙特征[1,4]

本河段下游45 km处设有九江水文站，河段与九江水文站间没有大的分汇流，该站的水文特征基本能够代表鲤鱼山水道的水文泥沙特性。通过对九江站的水文资料分析，本河段来水来沙特征主要表现为：

(1)本河段一般4～6月为涨水期，7～9月为洪水期，10～12月为退水期，次年1～3月则为枯水期；(2)三峡蓄水后月水位平均值较蓄水前有所降低，其中7～10月份水位降幅较大，最大达2.78 m；(3)三峡蓄水前河段多年平均年径流量约7 111×108m3，蓄水后约6 713×108m3，较蓄水前减少约5.6%，本河段径流量年内分配不均匀，其中5～10月约占全年的70%；(4)受三峡工程拦沙和长江上游来沙量减小等因素影响，悬移质输沙量急剧减少，三峡工程蓄水前，九江站年输沙量2.78×108t，三峡工程蓄水后，年输沙量0.94×108t，较蓄水前减少66%；(5)本水道来沙以悬移质为主，推移质沙量相对较小；(6)鲤鱼山水道床沙级配变化不大，基本上为中细沙，粒径d=0.1～0.5 mm沙重约占90%左右，中值粒径D50为0.18 mm左右。

2 模型概况及试验水文条件[5-7]

2.1 模型概况

表1 相似比尺汇总表Tab.1 Similar scale summary table

鲤鱼山水道物理模型模拟范围上起搁排矶水道郝矶附近，下迄武穴水道狗头矶，全长约26 km。模型制作依据2016年3月枯水期河道地形图，模型比尺见表1。

模型开展了验证试验，分别对实测枯、中、洪流量下的水面线、断面流速分布、流向、分流比等进行对比验证。验证结果表明，模型与原型达到了阻力相似和水流运动相似的要求。

表2 试验流量级Tab.2 Test discharge stage

2.2 试验水文条件

模型试验流量级见表2。其中8 030 m3/s、17 930 m3/s、25 960 m3/s、35 530 m3/s流量的尾门水尺控制水位采用实测值，其余各级流量的尾门水尺水位利用九江水文站的水位-流量关系和九江水文站水位-尾门水尺水位相关关系计算得出。

3 各级流量下的水面比降[1]

图2为各级流量下河段沿程水面比降变化，由图可以看出：(1)沿程水面平缓，各级流量下水面比降在0.23～0.40之间变化，全河段平均水面比降均在0.35以下，且各级流量相差不大；(2)全河段平均水面比降并未随流量增大而持续增大，相同区域水面纵比降一般中水大于枯水和洪水；(3)半壁山至盘塘段河道逐渐展宽，水面比降不大，盘塘至郭家铺段存在心滩，河床阻力增大，水面比降减小，尖山以下河道缩窄，水面比降又有所增大，水面比降的变化基本反应河段水动力条件的变化[8-9]。

4 各级流量下流速场变化[1,10]

4.1 水流动力轴线位置

图3为各级流量下鲤鱼山水道水动力轴线变化，分析可知：

图2 各级流量下沿程水面比降变化图Fig.2 Variation of water surface slope at all discharge stage

(1)半壁山至盘塘段，受半壁山矶头在不同水期挑流作用强弱不同的影响，枯水期(8 030 m3/s)水动力轴线偏右岸，随着流量增大，水流动力轴线左摆；中洪水流量后，随流量增加水流动力轴线逐渐右摆，流量为50 000 m3/s时，已基本居中。该段水流动力轴线在不同水期的变化，直接影响到黄莲洲心滩段滩头及两槽的冲淤演变；(2)盘塘至厍家湾段(黄莲洲心滩分汊段)，主流位于左槽，枯、中、洪水期的水流动力轴线的位置摆动幅度较大。枯水期水动力轴线居于左槽河道中间，随着流量增大至中洪水，受上段水流动力轴线摆动的影响，该段水流动力轴线不断左摆；流量增加到35 530 m3/s后，随着流量增大，水流动力轴线又向右摆动，50 000 m3/s流量时贴近黄莲洲左缘。不同水期水动力轴线在左槽内的摆动变化，是造成左槽深槽位置不稳的原因之一；(3)黄莲洲汇流段。左槽出口水流动力轴线的位置总体上呈枯水坐弯偏右，中洪水取直的变化规律。试验观测表明，两槽汇流点随流量增大逐渐上提；(4)尖山节点有一定挑流作用，随流量增大，挑流作用逐渐减小，尖山以下水流动力轴线在各级流量下摆动幅度不大。

图3 各级流量下水动力轴线变化图Fig.3 Variation of hydrodynamic axis at all discharge stage

4.2 各级流量下断面平均流速

图4为各级流量下沿程断面平均流速。由图4可以看出：

图4 各级流量下沿程断面平均流速比较图Fig.4 Comparison of sectional average velocity along river reach at all discharge stage

(1)当流量为8 030 m3/s、11 800 m3/s时，水道中段的断面平均流速稍大于进口段，这表明水道中段即黄莲洲放宽段水流挟沙能力大于进口段，黄莲洲放宽段河床在枯水期以冲刷为主；(2)当流量为25 960 m3/s、30 000 m3/s时，水道进口与出口断面平均流速稍大于中间河段，但差值不大，表明在中洪水流量下，水道内沿程的平均输沙能力基本一致，在这一流量范围内，水道内泥沙冲淤趋于平衡，不存在单向冲刷或单向淤积；(3)当流量为40 000 m3/s以上时，水道进、出口断面平均流速明显大于中间段，表明在大水期黄莲洲放宽段水动力条件相对偏弱，输沙能力小于进口段，泥沙易于落淤，浅区表现为洪水期淤积的特点；(4)随流量的增大沿程断面平均流速不断增大，相应地水流动力条件、输沙能力不断增强，从而导致水道内泥沙输移、河床变化幅度增大，这表明大流量对本河段的造床作用较强[7]。

图5为黄莲洲左、右槽及滩面上断面平均流速随流量变化图。由图可知：

(1)在同一流量下，左槽内断面平均流速大于右槽，随着流量的增加，这种差值逐渐增大，这是左槽的主槽地位稳定的原因；(2)流量大于12 000 m3/s时，黄莲洲心滩淹没，心滩滩面上流速随流量不断增大，其增幅大于左右槽内流速增幅。当流速大于40 000 m3/s时，滩面平均流速大于左槽和右槽内平均流速，表明大水时滩面冲刷，洪水对滩体的稳定不利。

图5 黄莲洲左、右槽及滩面上断面平均流速随流量变化图Fig.5 Average velocity changed with discharge at Huanglianzhou section

4.3 平面流速分布特征

图6为各级流量下沿程断面流速分布，由图可见：

图6 沿程断面流速分布Fig.6 Sectional average velocity distribution along river reach

(1)小流量时，半壁山附近流速右侧大、左侧小，呈偏“V”形分布；随流量的增大，流速分布趋于均匀，洪水流量下大流速区偏左岸。半壁山存在一定的挑流作用，随着流量增大，挑流作用逐渐减弱；(2)半壁山以下河道受河床不断放宽的影响，水流出半壁山后表现为较为快速的扩散，断面流速分布趋于均匀；(3)黄莲洲头部滩地流速略小于两侧流速，随着流量增大，流速差值逐渐减小，从流向来看，黄莲洲心滩中上段存在从左至右的斜流，表明黄莲洲心滩存在被斜向冲刷的动力条件；(4)黄莲洲心滩汇流段，由于尖山深槽吸流作用，枯水水流迅速归槽，尖山附近断面流速呈明显偏右“V”型，左槽出口及左边滩流速减小。黄莲洲心滩汇流段断面水流变化特征是左槽出口易形成浅区的原因之一。

5 黄莲洲心滩分流比沿程变化

图7 137 00 m3/s流量下黄莲洲滩脊线右侧分流比沿程变化Fig.7 Variation of discharge ratio along right channel of Huanglianzhou under 13 700 m3/s

以黄莲洲心滩滩脊线为界，对两侧分流进行统计。图7显示了137 00m3/s流量下黄莲洲滩脊线右侧分流比沿程变化情况。由图可知：右槽分流比从上游至下游依次为15.1%、16.2%、19.7%、21.0%、21.4%，该流量下黄莲洲滩脊线右侧(右槽)所占流量逐渐增大，右槽分流的变化表明中枯水流量下黄莲洲上段存在一股由左至右的斜向漫滩水流；该斜向水流对黄莲洲心滩上段的稳定不利。

6 结论

(1)河道边界条件决定了本水道的水流特征，半壁山节点挑流、河段弯曲放宽、尖山深槽吸流等特征决定了水道进口段、放宽段及出口段的水动力轴线位置、断面平均流速、沿程流速分布等变化规律不同；(2)河道放宽段断面平均流速在枯水流量下相对较大，在洪水流量下相对较小，决定了放宽段河床在枯水期以冲刷为主，在洪水期以淤积为主，表明放宽段浅滩“洪淤枯冲”的演变特点。受上游半壁山节点挑流、河道展宽等因素影响，左槽内水流动力轴线在不同水期摆动频繁，展宽段易于淤积出浅；(3)黄莲洲心滩作为左槽航道的右边界，它的稳定是航道稳定的重要条件。从模型试验结果来看，漫滩水流和心滩上段斜流对黄莲洲心滩的稳定均不利，洪水流量下，水流动力轴线贴近心滩左缘，心滩将呈整体冲刷之势，滩体左侧冲刷尤为显著，从而导致主航槽枯水河宽加大，航槽更易淤积出浅而碍航。通过实施整治工程，对黄莲洲心滩尤其是心滩左缘等关键部位进行守护，维护心滩稳定，稳定航道边界条件，是稳定鲤鱼山水道滩槽格局，改善航道条件的关键。