三峡大坝高水位运行后储奇门河段水流特性变化分析

谢龙

摘 要：三峡水库175 m成库运行后将对变动回水区的水流特性产生重大影响，本文在长江上游水文局实测资料基础上，选择变动回水区中段储奇门河段作为典型代表河段，借助Aquaveo.SMS软件建立平面水流二维数学模型，将年内各时段与有无回水影响的各种工况进行组合，分析探讨了回水作用对流场、流速横向分布、水动力轴线等水动力条件的影响。本文成果可为该河段的河流研究与航道治理提供依据，同时，本文建立的数值模拟方法可为同类河段的数模研究提供参考。

关键词：储奇门河段;175 m方案;水流特性;平面水流二维数学模型;水动力条件

中图分类号：TV147 文献标识码：A

1 河段自然条件

儲奇门河段在重庆主城区，上起珊瑚坝，下达东水门，全长约5.2 km，河段略微弯曲，河段两岸密布着礁石、浅滩，航道形态与航道条件十分恶劣，每年都需要进行整治、疏浚才能正常通航，水流特性十分复杂。

2 三峡大坝成库前后储奇门河段水流特性变化分析

本文选择地表河流计算软件中权威度较高的Aquaveo.SMS（地表水系统模拟软件）进行模拟计算。对研究河段进行建模分析，采用有限单元计算模块，网格划分采用三角网格，初始条件通过上游来流量、下游水位、河床糙率、紊动能传递系数等模型参数进行控制。

根据相关文献介绍以及实测数据分析可知，三峡大坝高水位成库运行后，在年内可分为四个调度时段，即6初-9月末为汛期、10月初-10月末为蓄水期、11月初-次年1月末为蓄水维持期、2月初-5月末为消落期，根据文献[1]所提供的资料，选择各阶段时期的代表水文资料进行建模计算，为了避免时间因子造成的计算误差，在保证三峡成库前后来流量尽量一致的情况下，尽可能选择对应的同一年内时段实测资料。

2.1 流场变化

将各工况下储奇门河段流场分布绘如下。从图中可知，成库前后同流量下汛期流场分布变化基本一致，非汛期成库后同流量下，水位抬升，过水面积增大，右岸边滩、潜碛由干地变为过水湿地，整个河段流速大幅下降，其中主航槽的流速降幅要高于其它区域，整个过水区域流速分布趋于平均，流向线与航槽中心轴线夹角减小，流态更为平顺。同时，由于蓄水维持期水位抬升最高，过水面积增加最大，流速下降幅度最大，蓄水期次之，消落期则最小。

2.2 流速横向分布变化

根据典型断面流速变化可看出，成库后非汛期内，同一流量下储奇门河段水面线变宽，延伸方向主要向河段右侧潜碛处，尤其在老鹳碛至储奇门段，河段左岸为坚硬基岩，延伸距离不明显。各时段水面线延伸距离差别很大，在蓄水维持期，延伸距离最大可达320 m。同时，河段内最大流速下降，过水区域拓宽，平均流速大幅下降，流速横向分布由尖锐的“陡峭型”放缓为“平滑型”，变化最明显的区域主要分布在主流区及右侧浅碛附近。

进一步统计可知，蓄水维持期该断面的平均流速降幅最大，达到89.3%，远大于蓄水期的55.4%及消落期的60.1%。流速变化最大的区域集中在航槽附近（断面平距340 m～490 m），在蓄水维持期，局部位置流速降幅最大可达95.3%。

2.3 推移质运动强度变化

Shields认为，推移质泥沙的运动是水流切应力作用的结果，因此推移质运动的强弱与床面切应力密切相关。Einstein（1950）基于水力半径分割法得到了沙粒切应力的表达式：

式中，为平均流速，m/s;为平均水深，m;为泥沙中值粒径，m;为水面比降。

将各工况下的计算成果代入公式，并根据各时段持续时间进行加权计算，得到由成库前的22.8 Pa降为14.5 Pa，下降幅度达36.4%，这势必将导致推移质输沙强度的大幅下降，引起河床发生新的冲淤变化。

3 结论

分析结果表明：

（1）成库后同流量下，储奇门河段水位上升，右侧边滩、潜碛过水，河段流速放缓，流速分布趋于均匀，流向线与航槽中心轴线夹角减小，流态更加平顺。其中航槽流速的降幅要大于其他区域。

（2）成库后同流量下，储奇门河段内最大流速下降，过水区域拓宽，平均流速大幅下降，流速横向分布由“陡峭型”放缓为“平滑型”，变化区域主要分布在主流区与右侧浅碛处。

（3）成库后，储奇门河段沙粒切应力由成库前的22.8 Pa降为14.5 Pa，下降幅度达36.4%，将导致推移质输沙强度的大幅下降，引起新的冲淤变化及河床变形。

参考文献：

[1]Hey，R.D.Flow resistance in gravel—bed river.

[2]Wilcock，P.R.The critical shear stress of natural sediments.