赣江南昌河段水位降低现状及影响因素

2018-11-28唐立模叶志恒杨家启

水利水电科技进展 2018年6期

唐立模,叶志恒,杨家启,肖洋

(1.河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

赣江是江西省最大的河流,南昌河段是赣江尾闾段,赣江水流注入鄱阳湖再流入长江。近年来,赣江南昌河段最低水位连创新低,给赣江防洪安全、抗旱灌溉、饮水安全、电网稳定等造成不利影响[1]。赣江南昌河段水位下降与其上下游边界条件有着密切关系,一般认为赣江尾闾段枯水期水位降低的主要影响因素是河床下切和鄱阳湖湖区水位下降[2-7];刘琦俊等[8]指出赣江南昌河段水位下降与来水来沙的减少、河床采砂以及下游鄱阳湖枯水位降低等因素有关。本文借鉴前人的研究成果,从赣江南昌河段水位降低与上游来水来沙、下游鄱阳湖水位降低以及南昌河段河床下切3个方面,采用资料分析以及数值模拟验证的方法,对赣江南昌河段水位降低现状及影响因素进行分析研究。

1 赣江南昌河段水位降低现状

图1 研究河段河道概况

受到大量的人为采砂活动、上游万安水利枢纽的运行(1993年建成蓄水)和赣江流域水土保持工作等综合因素的影响,赣江南昌河段水沙条件发生了较为明显的变化。图1为研究的河段,上起外洲水文站,下至西河国际集装箱码头、东河南支的豫章大桥上游、中支自礁矶头向下游约3 km处,全长约25 km。考虑到外洲水文站(简称外洲站)到南昌水位站(简称南昌站)之间的距离较短且无大的流量变化,故采用外洲站当天流量代表南昌站当天流量。

采用滑动平均法对外洲站的径流量和输沙量进行统计分析(图2)可见，在外洲站径流趋势没有发生明显变化的情况下,输沙量有显著减小的趋势,这与郑海金等[9]分析赣江1970—2009年径流及泥沙变化得出的结论一致。据此可以排除上游流量变化对赣江南昌河段水位降低的影响。

图2 外洲站年径流量和输沙量滑动平均曲线

点绘外洲站以及南昌站1990年、1996年、2001年、2003年、2005年、2007年及2008年的中枯水水位-流量关系曲线如图3、图4所示,可以发现,同流量下的水位逐年下降,且有加速趋势。

图3 外洲站水位-流量关系曲线

图4 南昌站水位-流量关系曲线

统计不同年份外洲站、南昌站枯水流量与中水流量条件下的水位(表1、表2),可以发现,外洲站和南昌站在同一级流量下水位是逐年降低的,且2000年以后水位在同流量下的降幅更大。2000—2004年与2006—2009年枯水流量时的下降幅度大于中水流量,而2004—2006年枯水流量的水位降幅远小于中水流量,说明在2004—2006年枯水水面线以上的边滩可能发生了较为显著的下切,而在2006年以后则主要是枯水河槽下切明显。

表1 外洲站、南昌站枯水流量下不同年份水位

表2 外洲站、南昌站中水流量下不同年份水位

2 平面二维水流泥沙数学模型

将计算区域划分为一系列连续但不重复的有限体积——控制体积,每个控制体积内包含一个计算节点,得到一组离散方程,采用Pantanker压力校正法即SIMPLEC算法,建立赣江南昌河段数学模型。模型模拟范围上起外洲水文站上游5 km,下至吴城水位站,全长约90 km。

2.1 基本方程

连续方程:

(1)

动量方程:

(2)

(3)

悬移质不平衡输移方程:

(4)

2.2 边界条件

数学模型进口给定u、k、ε沿河宽的分布,u分布遵循曼宁公式,并经进口流量闭合校正,进口紊动动能耗散率按下式给定,即

(5)

其中Cf=n2g/H1/3

式中：uj为进口断面节点纵向流速；n为曼宁系数。进口紊动黏性系数采用Laufer紊动黏性系数测量结果,即

νt=0.076 5u*H

(6)

式中：u*为摩阻流速。

由式(5)(6)可推知进口断面紊动动能

(7)

出流边界设置水位,同时使

(8)

固壁边界采用无滑移条件且固壁通量为0：

(9)

2.3 模型验证

根据2009年5—6月实测水文资料对数学模型进行水位、断面流速分布和河床冲淤量的验证。

表3给出了沿程水尺的计算水位与实测水位比较,模拟水位偏差最大为2.5 cm,最小不到1 cm。图5给出了典型断面流速分布的验证情况,计算的断面流速分布与实测结果基本一致,无系统偏差,主流位置与实测结果基本吻合,流速模拟偏差小于5%。

表3 验证计算水位与实测水位比较 m

图5 典型断面流速分布验证

根据2006年和2009年地形测图对比分析,南昌大桥至八一桥之间河床变化相对较小,基本无采砂的影响,主要是水沙作用而产生的河床自然演变,故选择该河段河床进行数学模型冲淤验证计算。经过2006—2008年实测水沙过程作用后,模型动床计算的河段冲刷量为-128.2万m3,根据地形测图统计的冲刷量为-153.7万m3,计算值与实测值基本接近,误差约为16.3%。

综上,经水位、断面流速分布、河床冲淤等验证,计算沿程水位最大偏差2.5 cm,流速偏差小于5%,河床冲淤量误差约为16.3%,符合JTJ/T 232—98《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》的相关要求,与实测结果基本相符,可用于进一步计算研究。

3 赣江南昌河段水位降低原因

3.1 河段地形下切与水位下降关系

相同流量状况下水位下降,最直接的推论就是河床的变形。无论是上游来水来沙的变化还是采砂、航道疏浚等人类活动的影响,最终都是体现为河段地形的变化。因此河段地形的下切应与水位的规律性变化之间存在直接的响应关系。

河段下切方量主要通过河段各典型断面之间的下切量沿程累积来反映。根据1999年、2003年、2006年和2009年的实测地形图选取10个河床典型断面(CS1～CS10,图6),套绘出各断面不同年份的地形变化情况,进行河段下切方量计算。

图6 河床演变分析断面布置

表4为1999—2003、2003—2006及2006—2009年间的河段下切方量及下切深度,从中可发现2003—2006年平均下切深度最大,2006—2009年河道下切有所好转。从河床下切方量计算结果可知,1999—2009年河段(自外洲站向下,图6所示10个断面之间)总计下切0.73亿m3,年均下切方量达666万m3;河床平均下切深度为4.25 m,年均下切深度约为0.386 m。

表4 河床下切方量及下切深度

通过数学模型计算在2006年地形基础上平均下切0.85 m后(即以2006年实测河道地形下降0.85 m生成近似的2009年地形,糙率采用2009年实测水文资料率定)的水位情况,并与实测的2009年水面线比较,用以分析河床下切对水位下降的影响。以2009年进行验证计算时,选择的边界条件是2009年外洲站流量为842 m3/s和2 180 m3/s所对应的水位流量资料,下边界采用吴城相应流量下的水位控制;采用2006年进行验证计算时,对应边界条件是2009年外洲842 m3/s的流量及吴城相应水位。计算结果列于表5,从表5可以看出,对于河床下切深度来说,计算水位与实测水位的差值较小,表明河床的下切是南昌河段水位降低的一个主要影响因素,同时沿程河床形态的变化等其他因素对河段的水位变化也有影响。

表5 模拟地形计算水位与实测水位之差 m

注:负号表示实测值小于计算值。

3.1.1 上游来沙量降低引起的冲刷下切

在万安枢纽运用后,赣江南昌河段的悬移质输沙量和水中含沙量都大幅降低,水体处于不饱和输沙状态,势必引起沿程河道的冲刷下切,导致一定程度上的水位降落。

上游樟树站到外洲站的距离约为89.4 km,其间有支流汇入,近似认为只有水量的增加,而不考虑泥沙量的汇入,从樟树站到外洲站输沙量的增加就等于区间由水流冲刷河床而增加的泥沙量。在1999—2003年,两站间水流年冲刷量分别为77万t、72万t、30万t、119万t,按樟树站到外洲站距离进行平均计算,分别为0.9 万t/km、0.8万t/km、0.3万t/km、1.3万t/km。研究河段从外洲站到下游近似取河段长15.5 km(与表4的计算河段相应),则这一阶段年平均冲刷量约为9.2万m3,与1999—2003年河床年平均下切量530万m3相比,只占1.73%。同样的方法可以计算的2003—2006年水流冲刷造成的年冲刷量约为8.5万m3,与2003—2006年河床年平均下切量990万m3相比,约占0.86%;2006—2009年水流冲刷造成的年冲刷量约为6.9万m3,与同期河床年平均下切量410万m3相比,只占约1.66%。

除依据水文站实测输沙资料进行水流冲淤量的估算外,还利用平面二维水流泥沙数学模型计算了河段的河床冲淤情况。模型计算中初始地形采用2003年的实测地形资料,计算时段从2003—2008年共6年。

表6 外洲水文站水位-面积关系

计算结果表明,2003—2008年,赣江南昌河段的河床总体表现为冲刷下切,6年间该河段总的冲刷量为260万m3。由实测地形计算的河床下切方量为7 500万m3,因此模型计算的冲刷量占总下切方量的比例约为3.5%,可见自然条件下的水力因素引起的河床下切量占比很小。

根据对樟树站、外洲站实测输沙资料的分析和数学模型模拟天然水力冲淤计算结果的分析,水流冲刷所造成的河床冲淤量仅占河床总下切方量的1.0%～3.5%,可见天然水文过程造成的河床冲刷并不是南昌河段河床下切的主要原因。另一方面,河床下切又只是影响河段水位下降的一个因素,因此,只要水流的冲刷不使河势产生大的变化,其对河段水位下降的影响很小。

3.1.2 采砂引起的河床下切

赣江南昌河段的采砂分为营利性的河道采砂、为整治河道而采取的疏浚挖槽以及为吹填造地实施的边滩开采,不论是那一类采砂,其结果最终都使得河床发生下切。

根据外洲站历年(逢0、逢5年份)河底高程变化(图7)以及实测大断面变化(图8),结合江西省水文局实测大断面资料分析,外洲站断面冲淤变化大致有以下规律:年内冲淤变化受洪水涨落影响,断面有冲有淤,冲淤交替进行;年际变化有冲有淤,河床变化总体逐年下切。河床变化大致可分为3个阶段:①1980年以前河床变化基本稳定,冲淤变化幅度在0.6 m左右;②1998年以后由于人工挖砂、航道疏浚和红谷滩、红角洲抽砂造地等[8]各种活动的影响,河槽下切相当明显,至2005年河床下切2.55 m,平均每年下切0.26 m;③1998年后主河槽由左向右扩展,右河槽下切比左河槽快。

图7 外洲站平均河底高程

图8 外洲站实测大断面(2003—2009年)

据外洲站历年实测大断面资料,得到其水位-面积关系如表6所示(水位基准为外洲站冻结高程)。大规模采砂前,外洲站断面变化幅度很小,河床变化稳定;20世纪90年代中期大规模采砂以来,断面面积平均每年增大380 m2,河床平均每年下切约0.26 m,河床严重变形。

在研究河段中,总的河床冲刷量减去水流引起的冲刷量即为挖砂引起的冲刷量。前文已分析出水流冲刷河床引起的冲刷量很小,可认为河床的冲刷下切主要是受挖砂的影响。根据河床下切与水位降低的响应关系,河床下切是南昌河段水位降低的主要影响因素。

3.2 下游水位降落引起的水位降低

由于赣江与长江的洪水期时常是错开的,长江汛期稍晚于赣江,因此每当长江汛期时,洪水倒灌进鄱阳湖,对赣江的来水就会产生顶托作用。据此推论,若鄱阳湖的水位降低了,其上游的水位也会相应有所降低,从而必然对赣江南昌河段的水位产生影响。

下游航道疏浚、三峡水库运行后鄱阳湖水位降低等均会导致赣江南昌河段下游的水位下降,从吴城站2000—2008年水位-流量关系的变化情况(图9)可以看出,吴城站最大水位降幅为2 m。针对吴城站水位的降落情况,采用二维水流数学模型进行赣江尾闾段水位下降模拟。在地形相对不变的情况下,单纯计算吴城水位下降2 m时外洲站水位的降落幅度。所选计算条件和相应的外洲站水位降幅见表7,外洲站至吴城站沿程水位降落情况见图10与图11(图中上方的水面线为现状条件下的沿程水位,下方的水面线为吴城站水位下降2 m后的沿程水位)。

图9 吴城站2000—2008年水位-流量关系

流量条件外洲站流量/(m3·s-1)吴城站水位/m外洲站水位/m现状下降2m后现状吴城站下降2m后降幅设计流量4368.886.8812.0011.97-0.03 整治流量162510.448.4413.8013.75-0.05 平滩流量387512.3410.3415.8015.70-0.10 造床流量746514.2612.2617.6017.38-0.22

图10 设计流量下外洲至吴城沿程水位降落

图11 造床流量下外洲至吴城沿程水位降落

计算结果表明,在上游来流量和河段地形不变的条件下,仅考虑下游吴城水位下降2 m，对外洲站水位降落的幅度为0.03～0.22 m,以外洲站同期水位降落总值为2 m估算,南昌河段的水位降落受下游吴城站(鄱阳湖)水位降低的影响程度为1.5%～11.0%。可见,下游水位的降落的确会造成南昌河段的水位下降,降幅随下游水位的变幅、距下游的距离以及流量的不同而不同,并且在枯水时受局部高滩(如图10北河口段)河床的影响尤其明显。