不同整治工程条件下赣江尾闾河网水流特性试验研究

2019-07-29

长江科学院院报 2019年7期

(1.江西省水利科学研究院，南昌 330029；2.河海大学水利水电学院，南京 210098)

1 研究背景

赣江通过鄱阳湖与长江相连，是长江的主要支流之一。赣江下游尾闾为冲积性的分汊型河道，赣江干流在八一桥下约2 km处被扬子洲分成左、右两汊道。左汊在樵舍附近分成西支(主支)和北支，西支是赣江主流，过樵舍经昌邑至吴城入鄱阳湖，是赣江入鄱阳湖主航道，现状航道等级为Ⅱ级；北支在樵舍与西支分开后，向东北方向，在五星圩西端田垅村附近分为南、北两汊，北汊为官港河，南汊为三老官河(沙汊河)，分别朝东北方向汇入鄱阳湖。右汊(东河)在赣江铁桥下约1.7 km处分为中支和南支，分别绕蒋巷联圩两侧入鄱阳湖，南支是赣江联系信江、抚河的主要航道，现状为Ⅴ级航道，规划为Ⅳ级航道标准。自北向南，赣江尾闾河道按西支、北支(官港河与三老官河)、中支、南支4支呈扇型分别汇入鄱阳湖。

近年来，由于鄱阳湖枯水时间提前、延长，枯水位降低[1-2]，加上河道采砂、上游来沙减少等影响，赣江下游同流量下水位持续下降[3-5]，输沙量大幅度减少[6-9]，东河分流比持续减小、西河分流比持续增大。这些水文情势的改变使得赣江西河河势稳定性降低、堤防工程安全问题加剧、沙滩出露[10]使水景观变差，东河断流导致水环境和航行条件恶化等。赣江尾闾洪水主要受2方面来水影响：一是赣江洪水(河洪)；二是鄱阳湖水位高低(湖洪)。长江的汛期在5—10月份，主汛期在7—9月份，与赣江稍有错开，故常发生长江汛期洪水倒灌鄱阳湖的现象，使鄱阳湖水不能排出而长期维持在高水位，并顶托赣江下游来水。受到近几年河道中大量的人为采砂活动、万安水库运用(1993年建成蓄水)和水土保持等因素的综合影响，赣江南昌河段河床发生大幅下切，导致同流量下的水位逐年下降。赣江径流量总体趋势基本不变，输沙量逐渐减少，特别在1992年后，减幅越加明显。从研究河段近期演变看，河床演变表现为河床纵向冲淤，河床下切，断面相对窄深，总体上河势稳定少变。洪水岸线相对稳定，中枯水岸线局部变化大，河床演变主要集中在中、枯水期河床洲滩深泓(主流线)的变化。

针对上述问题,赣江下游尾闾河道开展了大量河道治理工程，虽取得了巨大成就，但河道整治工程会影响堤防安全[11]，同时存在着一些与经济社会发展要求不相适应的突出问题。研究赣江尾闾综合整治工程对河段水流特性的影响尤为必要。不同整治工程将对赣江尾闾各支分流比、水位、流速分布重新调整[12-14]，本文基于赣江下游尾闾模型，通过模型试验分析赣江尾闾不同整治工程对尾闾河网水流特性的影响，为赣江下游尾闾河道整治提供技术依据。

2 模型概况

赣江自南昌进入鄱阳湖尾闾，在南昌的裘家洲分为东、西2河，东河在焦矶头分为中支和南支，南支是东河的主流，西河在樵舍分为西支和北支。赣江尾闾河段模型如图1所示。根据研究目的，河道模拟范围为上起赣江外洲水文站，西支(主支)下至铁河口，北支下至官港河口，中支下至沙汊河口下游，南支下至三江口，全长约54 km、宽36 km。本模型试验综合选定采用平面比尺1∶300，垂直比尺1∶80，变率为3.75。模型长度180 m，宽度125 m。模型各项比尺列于表1。

图1 赣江尾闾河段模型Fig.1 Model of the tail channels of Ganjiang River

表1 赣江尾闾模型比尺汇总
Table 1 Summary of the model scales

比尺名称符号比尺比尺名称符号比尺平面比尺λL300流量比尺λQ214 665垂直比尺λH80糙率比尺λn1.07水流流速比尺λV8.944水流时间比尺λt133.5

3 模型验证

3.1 模型加糙

根据研究河段的河型特点、河床形态、洲滩分布，综合考虑加糙方法及加糙物对水流的阻力特性、对流态的影响等各方面因素，在赣江尾闾模型全河段内采用梅花型布置加糙：高大的洲滩地应用塑料草沿程按照8～12 cm间距加糙，以模拟洲滩地上的植被和部分农作物对行洪的阻力；水深和比降较大河段的河槽内应用1.0～1.5 cm的卵石或白石子按照8～10 cm间距加糙；宽浅(象湖滩)河段的河槽内应用0.8～1.0 cm的卵石按照10 cm间距加糙，以确保有效水深。

3.2 验证试验

基于2014年5月26日、6月5日及10月9日实测瞬时水面线资料，相应流量分别约为9 910，4 830，932 m3/s，对赣江尾闾模型洪、中、枯流量阻力相似进行了验证。在各级流量的验证过程中，根据水面线和流速分布的相似程度，对河段内的加糙条件进行多次的调整后，模型的水面线、流速分布基本达到要求。

4 试验工况及成果分析

赣江尾闾模型试验主要针对北支控堵、南支疏浚、洲头控导和4支建闸整治工程措施对河道水位、流速分布、分流比影响而进行，对比分析工程措施对河道防洪及河势的影响。试验水位、流速测量断面布置见图2。

图2 水位、流速断面布置Fig.2 Layout of sections for water level andflow velocity measurement

整治工程措施包括：南支河道整治(含洲头控导工程)及新建枢纽工程、北支控制利用等，工程布置见图3。

图3 整治工程布置Fig.3 Layout of regulation projects

工程整治主要建设内容如下:

(1)河道综合整治。在南支长约32 km河道进行河道两岸岸线整治、疏扩卡口，部分堤防加固或新建，实施西支扬子洲矶头、中支焦矶头保护工程，处理相关受影响建筑物。

(2)新建枢纽工程。在西支、中支、南支河道新建枢纽工程，以控制赣江南昌河段枯水期水位在15.5～16.0 m左右。其中西支、南支枢纽工程功能为枯水期挡水、汛期行洪、通航(西支为Ⅱ级航道、南支为Ⅳ级航道)、过鱼；中支枢纽工程功能为枯水期挡水、汛期泄洪、过鱼。

(3)堵北支(北支长约50 km)及调整北支河道两岸圩堤内的相关水系。

4.1 试验工况

本文研究整治工程实施对赣江尾闾各级支汊河道防洪形势的影响，选取100 a一遇P=1%和20 a一遇P=5%河洪2种工况进行试验，针对鄱阳湖水位不同边界，考虑了下游不同水位边界的影响。试验工况见表2。

表2 试验工况Table 2 Test conditions

注：水位为黄海高程

4.2 试验成果分析

4.2.1 对洪水位的影响

4.2.1.1 北支控堵对洪水位的影响

河洪条件下，北支控制工程后洪水位壅高较大(见表3)。其中100 a一遇洪水条件下，西支洪水位最大壅高0.91 m；中支洪水位最大壅高0.38 m，南支洪水位最大壅高0.47 m。20 a一遇来水条件下，西支、中支和南支洪水位壅高规律和发生位置与100 a一遇来水条件类似，但壅高幅度略小。

在堵沙汊河后，各支河水位也基本有所提高，雍高幅度较堵北支减弱。

表3 不同整治工程断面位置与最大壅高(P=1%)
Table 3 Maximum backwater levels and corresponding locations in each regulation project (P=1%)

河道名称断面位置最大雍高/m雍高平均值/m堵北支堵沙汊4支建闸堵北支堵沙汊4支建闸堵北支堵沙汊4支建闸西支朝西村河段附近XZ4北支控制口上游附近南昌水文站附近0.910.380.120.530.250.05中支焦矶头洲头下游ZZ3焦矶头赣江中支大桥卡口0.380.150.020.240.080.01南支扬子洲头豫章大桥下游卡口断面NZ7焦矶头附近0.470.260.030.310.190.02北支北支官港河口北支入口断面BZ31.100.010.670.01

4.2.1.2 南支疏浚对洪水位的影响

河洪条件下，南支疏浚对各支水位影响有限，除西支外水位壅高幅度均在0.1 m以内。其它各支水位存在0～0.06 m不同程度的降低。

4.2.1.3 4支建闸对洪水位的影响

河洪条件下，4支建闸工程后洪水位壅高较小。100 a一遇洪水条件下，西支洪水位最大壅高0.12 m，中支洪水位最大壅高0.02 m，其余断面水位有一定的降低，降低幅度在0.01～0.05 m之间，这是4支建闸后中支分流比减少的原因；南支洪水位最大壅高0.03 m；4支建闸后北支分流比降低，北支大部分断面水位降低，降低幅度为0.03～0.10 m。

4.2.2 对分流比的影响

4.2.2.1 北支控堵对分流比的影响

表4、图4为实施赣江北支控制工程后，不同试验条件下西支、北支、中支和南支分流比、分流量统计。由表4、图4可以看出：

北支控制前，赣江尾闾遭遇20 a一遇及以上洪水西河(西支+北支)分流比为49%左右，其中西支36%左右，北支13%左右；东河(中支+南支)分流比为51%左右，中支分流比28%左右，南支分流比23%左右。

北支控制后，北支不再过流，过流流量减至0，引起西支、中支、南支的分流比重新分配。西支、中支和南支分别承担其分流比、分流量，承担作用大小依次为西支>中支>南支。试验结果表明：河洪条件

表4 赣江北支控堵工程后分流比变化Table 4 Change of diversion ratio after the blockage andcontrol project in the north branch

图4 北支控堵分流比变化柱状图(P=1%)Fig.4 Histogram of diversion ratio after the blockageand control project in the north branch (P =1%)

下堵北支对各支分流比影响较大。河洪100 a一遇来水条件下，堵北支后西河分流比与工程前相比减少了5.35%，西支分流比增大了7.29%，北支分流比从工程前的12.65%减少至0；东河分流比增加5.35%，其中中支分流比增大了3.03%，南支分流比增大了2.33%。西支增加的流量占北支减小流量的57.6%，中支和南支合起来增加42.4%。

北支控制、堵沙汊后，河洪条件P=1%下，西支、中支和南支分流比、分流量的变化与堵北支变化类似。

4.2.2.2 南支疏浚对分流比的影响

表5、图5为南支疏浚工程后，不同试验条件下西支、中支、南支和北支分流比统计。可以看出：南支疏浚后西河分流比减少、东河分流比增大。P=1%河洪工况下，南支疏浚对增大东河分流比不明显，南支仅增大0.07%；中支分流比增大0.15%。对比长江水利委员会(下称长委)边界1和长委边界2条件下的分流比(考虑三峡水库蓄水对鄱阳湖水位影响，长委边界1赣江尾闾各支入湖水位较长委边界2低)，发现尾门水位高时，西河、西支、中支分流比相对尾门水位低时的分流比较小，东河、北支、南支分流比相对较大。

表5 赣江南支疏浚工程后分流比变化Table 5 Variation of flow diversion ratio afterthe dredging project in the south branch

图5 南支疏浚分流比变化柱状图Fig.5 Histogram of flow diversion ratio afterthe dredging project in the south branch

4.2.2.3 4支建闸对分流比的影响

表6、图6为赣江尾闾4支建闸工程后，不同试验条件下西支、北支、中支和南支分流比统计。可以看出：4支建闸后，赣江尾闾西河分流比减少，东河分流比增大；河洪条件下，西支、中支、南支和北支分别承担其分流比，承担作用大小与工程前一样依次是西支>中支>南支>北支。

表6 赣江4支建闸工程后分流比变化Table 6 Variation of flow diversion ratio after buildingsluices in the four branches

图6 4支建闸分流比变化柱状图Fig.6 Histogram of flow diversion ratio after buildingsluices in the four branches

河洪P=1%水文条件下，西河分流比与工程前相比减少1.25%，东河相应增大1.25%，西支分流比增加了2.86%；北支分流比减小了4.13%；南支分流比增加2.06%；中支分流比减小了0.78%。河洪P=5%水文条件时，西河分流比与工程前相比减少0.93%，西支分流比增加了1.05%；北支分流比减小了1.98%；南支分流比增加2.92%；中支分流比减小了1.99%。

4.2.2.4 洲头控导对分流比的影响

洲头控导型式将对东西河分流比产生一定的影响。结合洲头控导设计方案，对洲头东偏5°、西偏5°条件下分流比变化进行试验研究。如图7所示，试验研究发现：洲头东偏，西河分流比略为增大，东河分流比相应减少，分流比变化在1%以内；洲头西偏，东河分流比增大，西河分流比相应减少，在流量>4 830 m3/s时，分流比变化在1%以内，在流量为2 130 m3/s时，分流比变化较为明显，为3.44%。

图 7 洲头控导分流比变化柱状图(P=1%)Fig.7 Histogram of flow diversion ratio after the controland diversion project at the head of sandbar (P=1%)

图8 北支控堵下游流速分布Fig.8 Distribution of downstream flow velocity afterthe blockage and control project in the north branch

4.2.3 对流速分布的影响

4.2.3.1 北支控堵对流速分布的影响

从图8分析，100 a一遇洪水条件下，赣江尾闾扬子洲头上游干流段，由于工程实施后工程河段水位雍高而流量不变，流速相应降低；西河樵舍之前断面(XZ3，XZ4)流速普遍降低，主要原因在于控堵北支工程后，西河分流比减少；樵舍以下西河西支断面(XZ5，XZ6)流速普遍增大，主要原因在于工程实施后，西支分流比较工程前增大。

南支和中支分流比增大，主要原因是工程河段分流比增大，流量相应增加，从而使得流速增大，但增幅不大。

图9 南支疏浚下游流速分布Fig.9 Distribution of downstream flow velocityafter dredging in the south branch

图10 4支建闸流速分布Fig.10 Distribution of flow velocityafter building sluices in the four branches

4.2.3.2 南支疏浚对流速分布的影响

从图9断面ZZ1和XZ1流速分布来看，南支整治对其他各支(干流、西支及中支)断面流速分布的影响很小；整治工程对工程河段内流速分布的影响主要在于使得主流线向左岸偏移，而对断面最大流速的影响较小。以NZ17断面为例分析，南支受到造地工程、扩卡工程等影响，部分河段的近堤流速有一定的变化，需要加强堤岸的保护。

4.2.3.3 4支建闸对流速分布的影响

以闸上XZ4断面、闸下XZ9断面流速分布为例，从图10可看出：4支建闸后，闸址上游各断面流速相应较工程前有一定幅度减小，主要原因是工程后西支分流比增大不足，水位抬升导致过水面积增大引起上游流速有所减缓；闸下游流速普遍增大，主要原因是分流比有所增加，上下游水位形成一定的落差，应重点观测闸下游局部河床冲刷，对下游河床加强保护。