上荆江瓦口子至马家咀河段河床演变趋势预测研究

张 红，刘启航

(1.秭归县水行政执法大队，湖北 宜昌 443600；2.湖北汉鑫水务咨询有限公司，湖北 武汉 430070)

三峡水库蓄水运用以来，荆江河段河床发生了较为剧烈的演变，部分河段河床演变出现了一些新的特点[1-4]，如蓄水前的“冲槽淤滩”转变为“滩槽均冲”，部分弯道段出现了“凹冲凸淤”的演变特征[5-6]。作为长江黄金水道的重要组成部分，上荆江瓦口子和马家咀河段一直是研究的重点，许多学者对这一河段的河床演变特性进行了研究。如陆永军等[7]建立了该河段的平面二维水沙数学模型，模型结果显示三峡蓄水运用20年内全河段除马家咀弯道外基本呈冲刷趋势，突起洲左、右汊深槽均冲刷下切。假东东等[8-9]通过二三维耦合数学模型对三峡蓄水后上荆江沙市至新厂河段横向调整进行了模拟预测，金城洲两汊均冲刷发展、滩体冲刷萎缩，突起洲两汊均冲刷发展，滩体头部及左缘均冲刷后退。邓晓丽等[10]通过物理模型试验研究了三峡水库蓄水运用初期马家咀河段的演变情况，指出突起洲前缘将冲刷，其左汊冲刷发展并可能影响右汊航道条件。陈勇等[11]基于实测资料对瓦口子水道近期(2013—2016年)演变特点进行了分析，指出三峡水库蓄水运用后该河段以冲刷为主、金城洲洲体往复性淤长与冲刷。江凌等[12]基于实测资料分析并预测三峡水库蓄水运用初期金城洲头部将冲刷、尾部淤积，且金城洲右汊将持续冲刷。李溢汶等[13-14]基于实测和遥感资料分析了三峡工程运用后沙市河段洲滩形态的调整特点，并指出金城洲滩体面积变化与前5年平均的汛期水流冲刷强度具有良好的滞后响应关系。赵维阳等[15]基于实测资料分析了沙市河段洲滩联动的关系及成因，指出了金城洲面积变化与上游滩体(三八滩和腊林洲边滩)形态调整的关系较为密切。

以往这些研究均对三峡水库蓄水运用20年内即2022年前的情况进行了分析和预测，预测趋势与目前实际发生情况有的相符，有的则有所偏离，因此有必要结合近期水沙实测和地形测量资料对本河段未来演变趋势进行预测研究，为本河段河道及航道整治提供技术支撑。

1 研究河段概况

瓦口子至马家咀河段处于上荆江中段，其中瓦口子河段上起柳林洲，下至观音寺，全长约12 km；马家咀河段上起观音寺，下至青龙庙，全长约15 km。研究河段为微弯分汊河型，河床主要由0.09～0.36 mm的细沙组成，中值粒径约0.2 mm。河段内主要有金城洲和突起洲2处江心洲，并有雷家洲、白渭洲和青安二圣洲等多处边滩。研究河段现状河势见图1。

图1 研究河段河势

2 主要洲滩近期演变

金城洲位于瓦口子河段，三峡蓄水前后金城洲30 m滩体平面变化见图2。

a)1975—2002年

三峡蓄水前的1970年代，金城洲为右岸边滩，1980年代后期主流切滩，金城洲成为心滩并淤积发展；之后右汊淤积，金城洲并入右岸。三峡蓄水后(2002年后)，金城洲右侧窜沟冲开成为心滩，两汊总体冲刷下切，同时洲体大幅冲刷萎缩且被切割成几处零散滩体，洲体面积减小至0.84 km2，仅为蓄水初期的20%。

雷家洲边滩和突起洲位于马家咀河段，三峡蓄水前后30 m滩体平面变化见图3。三峡蓄水前，雷家洲边滩冲淤交替，总体表现为头淤尾刷；突起洲左侧窜沟冲刷发展，成为心滩。三峡蓄水后，雷家洲边滩基本稳定；突起洲头部淤积上移、右缘冲刷，洲体中下部较稳定，左汊受汊道内航道整治工程(护滩带和护底带)有所淤积萎缩。

a)1975—2002年

3 数学模型

3.1 控制方程

为贴合河道不规则边界，本文求解如下。一般曲线坐标系ξ-η下的水流泥沙运动及河床变形方程：

(1)

(2)

(3)

JαKω(SK-SK*)

(4)

(5)

式中J=xξyη-xηyξ；U=yηu-xηv；V=xξv-yξu；x、y——笛卡尔坐标系；t——时间；z、h——水位和水深；zb=z-h——河床高程；u、v——x、y方向流速；g——重力加速度；n——曼宁系数；Sμξ、Sμη及Ssk——x、y方向运动方程及悬移组输运方程的扩散源项；ω——泥沙沉速；γ′——泥沙干密度；SK、SK*、αK——第K组悬移质泥沙的分组含沙量、挟沙力和恢复饱和系数。

模型中挟沙力采用张瑞瑾公式计算，式中k、m需率定，ω为代表沉速；分组挟沙力和床沙级配采用文献[16]中模式处理。控制方程(1)—(5)采用基于同位网格的有限体积法进行离散求解。为避免出现水位和速度的失耦，界面流速采用动量插值方法计算。

3.2 计算区域及模型率定验证

数值模拟区域上边界取在埠河附近(荆44)；为方便给定出口边界条件，下边界取在郝穴水位站，总长52 km。进口边界位于埠河，受埠河卡口限制，主流相对集中，洪中枯期主流位置变化不大，进口流速分布按照曼宁公式确定。出口位于郝穴水位站，给定出口水位。计算网格顺水流方向共划分451个、沿河宽方向121个。

采用2019年4月(Q=10 300 m3/s)和2019年7月(Q=26 000 m3/s)2个测次水文资料进行定床率定验证，计算结果见图4、5。采用2013年6月、2016年10月、2019年4月共3次地形资料及沙市站、郝穴站水文资料进行动床率定验证，计算与实测断面地形对比见图6、7。总体而言，模型计算结果与实测值吻合良好，计算河段主槽糙率为0.019～0.025，边滩糙率为0.024～0.030，悬移质挟沙力系数k为0.09～0.12，指数m取0.92；悬移质泥沙恢复饱和系数α冲刷时取1.0，淤积时取0.25。

a)荆52

a)荆48

a)荆45

a)荆45

4 河床演变趋势计算分析

4.1 计算条件

近年来沙市站实测来沙量整体偏少，随着向家坝、溪洛渡蓄水运用未来研究河段来沙仍将较少。鉴于此，本研究选用近期2010—2018年沙市站来水来沙过程作为研究河段进口水沙边界条件；另外参考文献[3]的做法，在系列年中加入减沙处理后的1998年水沙过程(置于系列年第6年)。减沙处理方式为依据沙市站2014—2018年水沙过程拟合流量-输沙率关系，再根据1998年来流过程拟定来沙过程。系列年长10年，模拟时段为20年，即系列年循环计算2次。计算中考虑了本河段航道整治工程(金城洲护滩带、突起洲护滩和护底带)的影响，计算初始地形选用2019年4月的1∶10 000实测地形。

4.2 河床冲淤分布计算结果

第5、10、15、20年末计算河段河床冲淤厚度分布见图8。未来20年内，计算河段总体表现为主槽冲刷发展且不断朝下游发展，这与三峡蓄水以来中下游河床总体演变趋势一致[17]。

a)5年末

表1统计了未来20年计算河段枯水河槽(流量5 000 m3/s)的冲淤量及平均冲淤厚度。对于瓦口子水道，第5、10、20年末，河床平均冲深分别为0.99、2.43、3.76 m；对于马家咀水道，第5、10、20年末，河床平均冲深分别为0.28、0.92、2.03 m。可见，未来20年计算河段将处于较为剧烈的冲刷发展阶段。

表1 冲淤量及冲淤厚度统计

4.3 江心洲与深泓线变化

金城洲及突起洲30 m滩体平面变化见图9。现状(2019年)金城洲由3块零散的滩体构成，受金城洲护滩带的影响，至第5年末金城洲略有淤积，零散滩体合并，此后金城洲头部有所蚀退，尾部则淤积下延。总体而言，未来金城洲变化不大。

图9 金城洲及突起洲平面变化

对于突起洲，洲顶逐年冲刷蚀退、但幅度不大，洲尾有所淤积下延，洲体右缘中上部有所冲刷。突起洲左汊逐步淤积、右汊冲刷发展，未来主流仍将走右汊。值得说明的是，前期陆永军[7]、假东东[8-9]、邓晓丽等[10]研究预测本河段河床演变情况时采用的初始地形均为2006年以前的地形，此时研究河段的航道整治工程尚未实施，因而其研究成果中预测突起洲左汊会冲刷发展；本文研究则是采用航道整治工程实施后的最新实测地形(2019年)，而预测的突起洲左汊将会逐步淤积也与近期观测资料一致。从某种意义上讲，这也体现了本河段航道整治工程正发挥着抑制左汊冲刷发展、稳定右汊通航槽的积极作用。

图10给出了研究河段深泓线的平面变化。现状情况下自埠河至观音寺河道深泓一直紧贴左岸，至雷家洲附近逐步过渡到突起洲右汊深槽行进。总体上看，未来20年内工程河段深泓走向与现状情况基本一致，观音寺、雷家洲附近深泓线年际间有所摆动，幅度不大。

图10 深泓线平面变化

4.4 横断面变化

图11给出了研究河段典型断面变化情况。荆45位于金城洲上游3 km处，未来20年内左岸高滩部分有所淤积，主槽冲刷下切，20年末最大冲深4.5 m。荆55位于雷家洲附近、突起洲上游3 km处，受突起洲左汊淤积影响，断面左侧有所淤积，右岸主槽年际间有所冲刷，深泓线逐步移至河槽中部而靠近突起洲头部西侧，这使得突起洲头部西侧位置发生冲刷(图9)。荆59断面位于突起洲下游0.7 km，呈W形，受突起洲左汊淤积影响，河槽左侧有所淤积，20年末最大淤厚5.0 m，河槽右侧冲刷，20年末最大冲深4.9 m。总体上看，未来研究河段岸线将基本稳定，主河槽将有较大程度冲刷。

a)荆45

4.5 平面流场变化

河道演变与河道流场紧密相关。图12给出了平滩流量条件(流量为35 000 m3/s)下现状及未来5年末、10年末、20年末的计算河道平面流场。未来20年研究河段主流位置与现状情况基本一致，主流走向大体为：进口贴左岸下行，至观音寺过渡到右岸，再贴右岸下行。随着河床冲刷，同流量条件下主河槽流速有所减小，突起洲左汊因河床淤积流速减小较为明显。

a)现状情况

4.6 突起洲分流比变化

突起洲两汊未来20年分流比变化见表2。受左汊航道整治工程的影响，突起洲左汊将继续淤积，右汊进一步冲刷下切。相应的，左汊分流比略有减小，在5年末、10年末、20年末，左汊最大分流比减小分别为0.4%、1.0%、2.5%。

表2 突起洲分流比变化 %

5 结论

本文建立了瓦口子至马家咀河段的平面二维水沙数学模型，采用实测水文泥沙资料对模型参数进行了率定验证，进而对本河段未来20年河床演变趋势进行了模拟研究。研究表明：①瓦口子水道未来第5年末、10年末、20年末枯水河床平均冲深分别约0.99、2.43、3.76 m，马家咀水道冲刷幅度略小，第5年末、10年末、20年末枯水河床平均冲深分别为0.28、0.92、2.03 m；②本河段未来河势总体稳定，深泓线年际间有变化但平面摆幅不大；③金城洲总体变化不大，突起洲左汊淤积，右汊冲刷，“左支右主”分汊格局保持稳定。若未来来水来沙条件与本文研究中所采用的条件没有大的变化，突起洲左汊淤积、流速减小的趋势将进一步促使突起洲左汊淤积而右汊发展，直至达到冲淤平衡状态。