汉江雅口枢纽坝下河道冲淤及水面线变化数值模拟

郭 海 晋，邴 建 平,2，余 明 辉2，汪 飞

(1.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

汉江中下游干流规划丹江口(已建)、王甫洲(已建)、新集(拟建)、崔家营(已建)、雅口(拟建)、碾盘山(拟建)、兴隆(已建)等7级枢纽开发方案。丹江口水利枢纽初期规模1968年蓄水运行，正常蓄水位157 m(吴淞高程)；丹江口水库后期规模2013年8月蓄水运行，正常蓄水位170 m(吴淞高程)。雅口航运枢纽上距丹江口水利枢纽约172 km，崔家营航电枢纽约52 km，下距碾盘山水利水电枢纽约58 km。雅口航运枢纽开发任务以航运为主，正常蓄水位55.22 m(黄海高程)，死水位54.72 m(黄海高程)，调节库容0.415亿m3，具有日调节性能。碾盘山水利水电枢纽开发任务以发电、航运为主，正常蓄水位50.72 m(黄海高程)，死水位50.32 m(黄海高程)，调节库容0.8亿m3，具有日调节性能。

丹江口水库初期规模建成运行后，枢纽下游径流、输沙过程发生改变，水沙变异引发下游河道的再造床作用，河道发生了冲淤调整。丹江口大坝加高和南水北调中线工程通水后，进一步改变了汉江中下游的水沙条件，河床冲淤将随之变化。很多专家学者依据实测水文、河道地形资料，采用历史实测资料分析法[1-5]、水沙数学模型[6-8]、物理模型试验[9-11]等方法，分析研究了丹江口水库坝下游水沙特性、河道冲淤的变化过程和规律。如林云发等[3]基于实测水沙、地形资料，研究了汉江丹江口至碾盘山河段近期冲刷规律，发现丹江口水库清水下泄造成汉江中下游河道沿程冲刷，坝下游河段冲刷强度随时间及距坝里程的不同而发生变化，随着时间的推移，重点冲刷河段由丹江口至襄阳向下游发展，且近期重点冲刷段在崔家营至碾盘山河段。毛红梅等[4]利用汉江中下游1977～2005年河道地形资料,分析研究认为由于丹江口水库运行清水下泄影响, 碾盘山至仙桃河段总体呈冲刷, 其中河段内洲滩较多的碾盘山至沙洋河段以冲滩为主，整个河段冲淤尚未达到平衡。陈立等[5]采用实测资料分析方法，分析了汉江下游仙桃至小陈家台河段单向冲刷演变及河道形态调整的特点，认为该河段处于单向冲刷阶段，河段深泓单向冲刷下降，深槽展宽、延长、贯通。朱铁蓉等[6]采用一维非恒定非均匀泥沙数学模型预测了崔家营航电枢纽下游河道冲刷趋势，预测成果表明，航电枢纽修建后坝下游河道最大累计冲刷量与河床冲刷厚度均不大。吴娱等[7]采用平面二维水流泥沙数学模型计算模拟了兴隆弯曲宽浅河段在不同水沙条件下的河床冲淤变化，模拟结果表明，各典型年水沙条件下汉江兴隆弯曲宽浅河段整体发生冲刷。

汉江中游干流雅口至碾盘山河段，河床宽浅、洲滩密布，河床冲刷仍在发展中。雅口和碾盘山枢纽兴建后，梯级枢纽间互相影响，雅口至碾盘山河段水沙条件变异将会使河床形态继续发生改变。针对目前汉江中游干流河道边界条件和水沙条件的改变，及梯级水库影响下的长河段河道冲淤演变预测研究现状，本文建立汉江中游干流雅口至碾盘山河段一维恒定非均匀不平衡输沙数学模型，系统全面地研究预测受梯级水库运行影响的雅口至碾盘山河段河床冲淤演变及对水面线的影响，为梯级水库建设、航道整治、河道治理、防洪工程等工程设计和论证提供科学技术支撑。

1 河道概况及水沙特性

1.1 河段概况

汉江中游雅口至碾盘山河段长约58 km，河宽0.9～5 km，河道蜿蜒曲折，为游荡性河段。河段内既有依附着左右岸的边滩，又有心滩或江心洲，水流散乱。河段两岸有堤防或高地控制，关山、中山口和碾盘山附近河道较窄。河段内有蛮河、丰乐河、浰河等较大支流入汇。随着历年来水来沙条件的变化，河段内深泓摆动频繁，尤其河宽较大的河段，洲滩冲淤变化大，洲滩消长、流路多变，深泓左右易位较常见。岸线变化主要是洲滩冲淤变化引起的，大部分为冲淤相间，单一冲刷或淤积的情况较少。河道断面宽浅特性有所减弱，主槽发生冲刷，沿程深泓高程降低。近年航道整治工程逐步实施后，河道变化以冲槽淤滩为主。汉江雅口至碾盘山枢纽河段近期河势见图1。

图1 汉江雅口至碾盘山枢纽河段近期河势Fig.1 Recent river trend of the Hanjiang River fromthe Yakou to the Nianpanshan junction

1.2 水沙特性

1.2.1 流量变化特性

丹江口水库初期规模时，对汉江中下游干流的流量过程产生了较大影响，汛期洪峰明显被削减，年内分配趋于均匀，中水历时延长，枯水流量加大[3]。皇庄站1969～2013年，多年平均流量1 420 m3/s，汛期5～10月平均流量1 910 m3/s，径流量占全年的67.9%，非汛期11月至次年4月平均流量920 m3/s，径流量占全年的32.1%；各月历年最大流量相差较大，极值比达14.7，年最大洪峰流量主要出现在7～10月；各月历年最小流量为189～451 m3/s。

丹江口水库大坝加高后，受上游来水较少和南水北调中线工程调水影响，各月平均流量和最大流量明显减小，而最小流量明显加大，见图2(a)。皇庄站2014～2017年，多年平均流量1 000 m3/s，较加高前减少29.6%，除10月由于2017年发生较大洪水外，年内各月径流均有所减少，汛期5～10月径流量占全年的63.6%，非汛期11月至次年4月径流量占全年的36.4%，年内分配进一步趋于均匀，中水历时延长；年最大洪峰流量主要出现在7～10月，最大流量亦明显小于加高前；各月历年最小流量较加高前明显增加，非汛期最小流量平均增加31%。

1.2.2 悬移质泥沙变化特性

丹江口水库初期规模蓄水运行后，拦蓄了大部分上游来沙，致使汉江中下游含沙量锐减、输沙总量大幅减少。皇庄站1969～2013年，多年平均含沙量0.318 kg/m3，输沙量1 447万t，汛期5～10月输沙量占全年的84.7%，非汛期11月至次年4月输沙量占全年的15.3%；历年最大含沙量6.29 kg/m3，最小含沙量0.009 kg/m3，汛期6～10月含沙量较大；多年平均级配的中数粒径为0.052 mm。

丹江口水库大坝加高后，受上游来水及水库下泄水沙条件变化影响，皇庄站2014～2017年，多年平均含沙量0.055 kg/m3，输沙量248万t，较加高前明显减少，见图2(b) ，汛期5～10月输沙量占全年的88.1%，非汛期11月至次年4月输沙量占全年的11.9%；历年最大含沙量0.697 kg/m3，最小含沙量0.004 kg/m3；多年平均级配的中数粒径为0.028 mm，较加高前有所减小。

图2 汉江皇庄站水沙过程变化Fig.2 Flow and sediment process change atthe Huangzhuang hydrological station of Hanjiang river

2 一维水沙数学模型简介

采用武汉大学水利水电学院研究开发的一维恒定非均匀不平衡输沙数学模型(SUSBED-2)，建立汉江雅口至碾盘山河段梯级水库影响下的一维水沙数学模型。模型基本方程和求解过程参见文献[10-11]。因篇幅有限，本节未给出模型率定和验证的具体成果。

模型计算区域上起雅口枢纽推荐坝址，下至碾盘山枢纽比选坝址(中山口坝址)，全长约50 km，见图1。计算地形采用2012年3月实测河道地形，计算河段划分为25个断面(CS01～CS25)，断面最大间距3.5 km，最小间距1.5 km，平均间距2 km。

模型采用2012年3月31日实测水面线(河道流量1 640 m3/s)进行水流率定计算，率定得河段糙率为0.018～0.035。同时，模型采用2012年8月14日实测水面线(流量1 820 m3/s)进行验证计算，计算与实测水位的差值在2 cm以内，表明河段糙率取值较为合理。

含沙量率定采用2012年8月14日实测资料，实测含沙量为0.04～0.055 kg/m3。河床冲淤率定基于2005年10月和2012年3月两次实测河道地形，进口水沙条件采用皇庄站2005～2012年实测水沙过程，河段糙率采用水流率定成果0.018～0.035。由于计算河段缺乏实测床沙级配资料，床沙级配采用近期(2012年8月)取样分析成果，最大粒径27.8 mm，中值粒径2.88 mm，平均粒径8.64 mm，床沙级配见表1。含沙量率定结果表明，计算值与实测值的差别不超过0.003 kg/m3。河床冲淤量率定结果表明，2005～2012年，计算所得冲刷量(2 326万m3)与实测冲刷量(2 354万m3)基本接近，差别为1.2%，典型断面冲淤分布变化的计算值与实测值基本相符合。

表1 床沙级配Tab.1 Bed sediment gradation

整体而言，研究采用的一维恒定非均匀不平衡输沙模型能较好地模拟本河段的水流泥沙运动特性，可用于后续模拟计算和分析。

3 河道冲淤变化及对水面线的影响

3.1 模拟条件

模型计算初始地形采用2012年3月河道实测地形，计算范围及断面布置与率定计算相同。河道冲淤计算水沙过程采用考虑上游丹江口和雅口枢纽调节后下泄的水沙过程。选取1984～1993年共10 a的系列代表年，包含大水大沙、中水中沙、小水小沙年份，10 a系列代表年循环计算5次，年限为50 a。

水面线计算采用两个流量级：雅口枢纽2 a一遇洪水最大下泄流量8 710 m3/s，50 a一遇洪水最大下泄流量20 200 m3/s。

碾盘山枢纽建成前，雅口枢纽下游属于天然河道，出口边界采用碾盘山坝址天然水位流量关系。碾盘山枢纽建成后，出口边界按碾盘山枢纽调度运行方式控制。

3.2 河床冲淤变化预测

3.2.1 碾盘山枢纽未建冲淤变化

在碾盘山枢纽未建情况下，雅口枢纽坝下河段不同时期沿程累计冲淤量和累计冲淤厚度(断面平均)变化见图3。

图3 雅口枢纽坝下河段沿程累计冲淤量和冲淤厚度(断面平均)变化(碾盘山枢纽未建)Fig.3 Cumulative erosion-deposition amount and thickness(cross-section average) variation along the reach downstreamYakou junction (Before the construction of Nianpanshanjunction)

雅口枢纽运行10，20，50 a末坝下河段冲刷总量为3 149万,4 105万,6 330万m3，见图3(a)。

雅口枢纽运行20 a末，坝下(文中“坝下”均指“雅口枢纽坝下”)近坝段冲刷强度明显大于下游河段，坝下20.6 km(CS01～CS10)河段平均冲深0.94 m，接近极限值；坝下20.6～50 km(CS10～CS25)河段平均冲深0.28 m，见图3(b)。枢纽运行50 a末，坝下20.6 km河段平均冲深0.99 m；20.6～26 km(CS10～CS13)的中间河段平均冲深1.1 m；26～50 km河段平均冲深0.68 m。

雅口枢纽运行50 a末，坝下河段深泓最大冲深为1.57 m，位于坝下20.6 km处CS10断面，断面冲淤变化基本发生在枢纽运行前20 a，见图4。

图4 断面CS10冲淤变化(碾盘山枢纽未建)Fig.4 Erosion-deposition variation of CS10 cross-section(Before the construction of Nianpanshan junction)

3.2.2 碾盘山枢纽建成后冲淤变化

考虑碾盘山枢纽建成运行后，雅口枢纽坝下河段不同时期沿程累计冲淤量及累计冲淤厚度(断面平均)变化见图5。

图5 雅口枢纽坝下河段沿程累计冲淤量和冲淤厚度(断面平均)变化(碾盘山枢纽建成)Fig.5 Cumulative erosion-deposition amount and thickness(cross-section average) variation along thereach downstream Yakou junction (After the constructionof Nianpanshan junction)

枢纽运行10,20,50 a末坝下河段淤积总量为1 021万,1 970万,4 300万m3，见图5(a)。

枢纽运行20 a末，坝下4.3 km(CS01～CS03)河段平均冲深0.18 m；4.3～26 km(CS03～CS13)河段平均淤积0.30 m；26～31 km(CS13～CS15) 河段淤积最大，达1.05 m；31～50 km(CS15～CS25)河段平均淤积0.13 m，见图5(b)。枢纽运行50 a末，坝下4.3 km河段平均冲深0.27 m；4.3～26 km河段平均淤积0.51 m；26～31 km (CS13～CS15) 河段平均淤积最大，达2.32 m；31～50 km河段平均淤积0.40 m。

枢纽运行50 a末，坝下23 km处断面(CS11)深泓淤积最大，为1.65 m，断面冲淤变化见图6。

图6 断面CS11冲淤变化(碾盘山枢纽建成)Fig.6 Erosion-deposition variation of CS11 cross-section(After the construction of Nianpanshan junction)

3.2.3 碾盘山枢纽建成前后冲淤变化对比

碾盘山枢纽未建时，雅口枢纽下游河床冲淤变化总体表现为沿程整体冲刷，冲刷量逐年增加，且随枢纽运行时间增加，冲刷部位逐渐朝下游发展，见表2。

表2 雅口枢纽坝下河段累计冲淤量对比Tab.2 Comparison of cumulative erosion-deposition amountalong the downstream reach of Yakou junction

碾盘山枢纽建成后，雅口枢纽坝下河段位于碾盘山库区，水位较天然状态有所抬高，加之碾盘山枢纽下泄流量受调度运行方式控制，雅口枢纽坝下河床冲淤变化趋势由整体冲刷转为总体淤积。坝下河段冲淤变化主要表现为近坝段微冲，其余河段有所淤积，且冲淤幅度随枢纽运行期增加呈缓慢减小的趋势，见表2。从冲淤厚度对比来看，50 a末，坝下4.3 km河段由平均冲刷0.87 m减小至0.27 m，20.6～26 km河段由平均冲刷1.1 m转变为淤积0.59 m，26～31 km河段由平均冲刷0.83 m变为淤积2.32 m。

3.3 雅口枢纽坝下河段水面线变化分析

3.3.1 碾盘山枢纽未建水面线变化

在碾盘山枢纽未建情况下，雅口枢纽运行不同时期，坝下河段在不同流量级下的水面线变化见图7。

图7 雅口枢纽坝下河段水面线变化(碾盘山枢纽未建)Fig.7 Water suface curve variation along the Yakoujunction downstream channel(Before the constructionof Nianpanshan junction)

雅口枢纽运行后，坝下河床沿程整体冲刷下切，受此影响，同流量下沿程水位有不同程度降低，且下降幅度朝下游逐渐减小，见表3。

枢纽运行20 a后，在河道流量8 710 m3/s下，坝下9.2 km内水位降低超过0.3 m，其中，坝下4.3 km处水位降低最大，达0.36 m；在河道流量20 200 m3/s下，坝下5 km内水位平均下降0.16 m，坝下46 km处水位降低0.03 m。

枢纽运行50 a后，由于坝下河床沿程持续冲刷，且朝下游发展，同流量下沿程水位持续下降，见表3。河段流量为8 710 m3/s时，坝下23 km内水位下降超0.3 m，最大下降0.47 m(坝下9.2 km处)；河段流量为20 200 m3/s时，坝下23 km内水位下降超0.2 m，而坝下46km处水位降低0.05 m。

表3 雅口枢纽坝下河段水面线变化统计(碾盘山枢纽未建)Tab.3 Water suface variation along the downstreamreach of Yakou junction (Before the construction ofNianpanshan junction)

3.3.2 碾盘山枢纽建成后水面线变化

雅口枢纽坝下河段位于碾盘山枢纽库区，碾盘山枢纽修建后，库区水面线较天然情况抬升显著(见表4)。在河段流量8 710 m3/s下，雅口坝下河段水位抬高0.33～1.63 m；在河段流量20 200 m3/s下，水位抬高0.20～0.92 m。

碾盘山枢纽建成后，雅口枢纽运行不同时期，坝下河段水面线变化见图8。

图8 雅口枢纽坝下河段水面线变化(碾盘山枢纽建成)Fig.8 Water suface curve variation along the Yakoujunction downstream channel(After the constructionof Nianpanshan junction)

受碾盘山枢纽运行影响，雅口枢纽坝运行20 a后，除近坝段微冲外，坝下河床总体淤积。受此影响，同流量下沿程水位相应不同程度的升高，见表4。在河段流量8 710 m3/s下，坝下水位抬升0.01～0.24 m，其中，坝下28.3 km水位抬升超过0.1 m；在流量20 200 m3/s下，坝下水位抬升0.02～0.13 m。

雅口枢纽坝运行50 a后，坝下河床除近坝段继续微冲外，总体呈继续淤积态势，同流量下沿程水位相应不同程度的继续升高，见表4。河段流量为8 710 m3/s时，坝下水位抬升0.03～0.48 m，其中，坝下4.3 km水位升高超过0.2 m，坝下6.4～28.3 km段水位升高显著，均超过0.3 m；河段流量为20 200 m3/s时，坝下水位抬升0.05～0.31 m，其中，坝下6.4～28.3 km段水位抬升超过0.2 m。

表4 雅口枢纽坝下河段水面线变化统计(碾盘山枢纽建成)Tab.4 Water suface variation along the downstream reach of Yakoujunction (After the construction of Nianpanshan junction)

3.3.3 碾盘山枢纽建成前后水面线变化对比

碾盘山枢纽未建时，雅口枢纽坝下河道不同时期水面线受河床冲刷影响表现为河段沿程水位整体降低，上游河段水位降低幅度大于下游河段；前20 a水位下降速度较快，变幅较大，此后下降速度放缓；相同时期河道流量越大，水位降低幅度越小。雅口枢纽运行20 a末，坝下4.3 km处水位降低幅度最大，在流量8 710,20 200 m3/s下水位降低0.36,0.16 m。枢纽运行50 a末，在流量8 710 m3/s下，坝下9.2 km处水位降低最大，为0.47 m；在流量20 200 m3/s下，坝下15.2 km处水位降低最大，为0.22 m。碾盘山枢纽建成后，雅口枢纽坝下河道冲淤变化由整体冲刷转变为总体淤积，坝下河段沿程水位由整体下降转变为整体抬升，且随着雅口枢纽运行期增加，坝下河段累积淤积，水位相应的累积抬升；相同时期河道流量越大，水位降低幅度越小。雅口枢纽运行20 a末，坝下6.4 km处水位升高幅度最大，在流量8 710,20 200 m3/s下升高0.24,0.13 m。枢纽运行50 a末，坝下15.2～28.3 km河段水位升高幅度最大，在流量8 710,20 200 m3/s下平均水位分别升高0.46,0.30 m。碾盘山枢纽蓄水抬高天然河道水位幅度远大于河床淤积引起的水位升高幅度。

4 结 论

采用一维水沙数学模型SUSBED-2模拟计算了汉江雅口枢纽建设对坝下河段冲淤变化及水面线变化的影响，得出以下主要结论。

(1)在下游碾盘山枢纽未建时，雅口枢纽坝下河道未来呈沿程整体冲刷态势，且随着枢纽运行期增加，河段冲刷朝下游发展；枢纽运行50 a末，坝下河段冲刷6 330万m3，坝下河段冲深0.5～1.1 m。碾盘山枢纽建成后，除坝前段微冲外，坝下河道总体呈累积淤积态势；枢纽运行50 a末，坝下河段淤积4 300万m3，坝下4.3 km冲深0.27 m，其余河段淤积0.0～2.32 m。

(2)在碾盘山枢纽未建时，雅口枢纽坝下河道水面线受河床冲刷下切影响而整体降低，上游水位降低幅度大于下游，水位下降幅度随枢纽运行期增加而增加；枢纽运行50 a末，2 a、50 a一遇洪水下水位最大降低0.47,0.22 m。碾盘山枢纽建成后，雅口枢纽坝下河道总体淤积，受此影响，坝下河道水面线整体抬升，且抬升幅度随着枢纽运行期增加而增加；枢纽运行50 a末，2 a、50 a一遇洪水下水位最大抬升0.48,0.31 m。