不同来流量条件下藕池河东支水动力调整

柳 恒 ，李志威，陈 帮，胡旭跃

(1.长沙理工大学 水利与环境工程学院，长沙 410114；2.中国水利水电科学研究院 水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京 100038；3. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 研究背景

藕池河位于湖北省公安县和石首市交界的天心洲附近，1852年因长江大堤决口未封堵而形成藕池口，并因1860 年后的洪水沿程冲刷而最终形成，成为连接长江与洞庭湖的重要水流通道之一[1]。1950年以来随着下荆江系统裁弯、葛洲坝截流和三峡水库蓄水，藕池口分流量逐年减小，年均分流比由1956—1966年的14.1%降至2003—2005年的2.9%，荆南三口中藕池口径流量减少最大，占减少总量的70.0%[2]。藕池河分流量的减少导致荆江河段径流量扩大，并且随着2003年三峡水库蓄水，水流含沙量锐减，荆江河段冲刷下切1.5～3.9 m[3]。分流量的减少导致入洞庭湖水量减少、湖区面积缩减，以及调蓄能力下降、藕池河沿程区域水资源短缺[4]。随着藕池口门段淤积萎缩，康家岗和管家铺2个水文站连续多年出现严重断流的现象，枯水年份康家岗和管家铺水文站的断流天数达到半年以上[5-10]。1951—2003年管家铺站年均断流天数由17 d增至185 d，2004—2014年断流天数虽有增加，但变化趋势并不明显。

近几十年来二维水动力模型逐渐成熟，无论在工程方案的比选还是在河道水流特性的研究中，水动力数值模型都发挥了重要的作用[11-14]。受江湖关系变化和人类活动的影响，藕池口分流量逐年减少，三峡水库运行后藕池河萎缩趋势强化，而且汛期主要是藕池口东支过流，因此开展藕池河东支分流特性的研究具有较重要的现实意义。为认识三峡水库蓄水后藕池河东支的汛期流量变化对河道水动力的影响，本研究基于实测水文资料和河道地形数据，建立MIKE 21 FM二维水动力学数学模型，分析不同工况下水动力调整及参数变化，为藕池河段河道整治、疏浚和水系连通等工程实践提供一定参考。

2 研究河段

藕池河是长江入洞庭湖“四口”之一，自东向西分成东、中、西3支(图1)。按流量大小区分，东支为主流，自藕池口经管家铺、黄金闸、殷家洲、梅田湖、罗文窑北、刘家铺、新洲等地注入东洞庭湖。东支主流在殷家洲的东侧分支称为鲇鱼须河，经鲇鱼须、宋家嘴、沙口、悬河口在九都山与东支主流汇流后继续分东、南两支，南支称沱江，于茅草街与藕池河中支汇流后入南洞庭湖，东支顺流而下入东洞庭湖。1999年水利部门将注滋口的弯曲河段裁直拓宽，并对沱江的南北两端进行封堵。东支主流于黄金闸段西侧分支称为藕池河中支，之后水流在陈家岭处继续分支，于华美垸尾汇流后继续顺流南下，在下柴市与藕池河西支汇合入南洞庭湖。受江湖关系调整和人类活动的双重影响，藕池口门区淤积严重，中、西支断流现象尤为严重。结合未来藕池河通过建闸以保留东支、堵闭西支和中支的总体治理方案，本研究以藕池河东支作为数值模拟的研究河段，探讨不同来流量条件下藕池河东支不同河段的水动力变化。

图1 长江中游藕池河水系分布和研究河段Fig.1 River network of Ouchi River in the middle Yangtze River and studied channel reach

3 藕池河东支水动力模型建立

3.1 数据来源与研究方法

以2003年藕池河实测地形数据，以及康家岗、罗文窑、注滋口3个水文站实测水文数据为基础，运用MIKE 21 Flow Model模块模拟二维自由表面流场。该模型以Navier-Stokes浅水方程为基础，通过构建非结构化三角网格将空间拆分为互不重叠的连续离散单元，将由动量、密度盐度和温度构成的连续方程运用有限体积法进行二维求解。按照汛期和非汛期，依据管家铺水文站的实测水文数据分别选取Q=373、735、1 100 m3/s 共3种流量级，依次编为RUN1、RUN2、RUN3工况。

水动力分析分为局部水动力分析和沿程水动力分析2种。局部段的水动力分析选取在管家铺、殷家洲和南县，具体位置分布如图2所示。H1、H2为管家铺进口段横断面，分布于分汊口下游0.9 km和1.3 km处。H4、H5、H6分别为殷家洲分汊口上游、分汊口浅滩前沿以及汇流区横断面。S3为上游至浅滩前沿的纵断面，S4、S7以及S5、S6分别为梅田湖、鲇鱼须河进、出口段河道中部的纵断面。沿程水动力分析通过计算横断面的平均水深、流速，比较平均水深、流速沿程的变化。不同河段均分为14个横断面，管家铺至殷家洲段、梅田湖与鲇鱼须河段、南县至注滋口河段断面间距分别为0.9、2.2、1.2 km。

图2 水动力数值模拟的断面分布Fig.2 Cross sections for hydrodynamic numericalsimulation

3.2 模型参数设置

在MIKE ZERO中导入河流边界文件，定义开边界生成非结构化三角网格，与2003年的水深地形文件进行插值，断面分布设置、计算网格和河床地形如图2和图3所示。网格的最大面积设置为2 165 m2，最小角度设置为33°，边界条件设置方面具体参数如表1所示。开边界源项定义为2，开边界汇项由上游到下游黄金闸、沱江、注滋口依次定义为3、4、5。管家铺作为进口采用流量边界，黄金闸、注滋口均采用水位边界。由于沱江自2001年开始筑坝拦水，故采用流量边界并取恒定值0，涡黏系数取恒定值0.28。起始水位设置为30.00 m，模型从静止状态开始，流场中X、Y方向初始流速均设定为0 m/s。根据模拟河流的地理位置以及模拟的时间段，未考虑科氏力、风力、冰盖引潮力、波浪辐射应力等参数条件的影响。

图3 藕池河水系的计算网格与河床地形Fig.3 Model grids and riverbed topography ofriver network in the Ouchi River

表1 不同工况下水动力模拟边界参数Table 1 Boundary parameters of hydrodynamicssimulation

3.3 模型验证

模型验证采用水位验证和分流比验证2种方式。通过MIKE 21 FM水动力模型验证不同流量级下罗文窑北水文站的水位，依据数学模型输出藕池河中支的流量计算出黄金闸段藕池河中支的分流比，结果如表2所示。由于本模型未考虑降雨、蒸发、沿河垸区农田灌溉取水以及居民生活用水等自然或人为因素的干扰，模型计算水位值均略高于实测水位，计算分流比略低于实测分流比。计算值与实测值总体吻合情况较好，可用于藕池河东支的水动力计算。

表2 模拟水位和分流比验证Table 2 Verification result of simulated water leveland diversion ratio

4 研究结果及分析

4.1 平面流场变化

藕池河东支属于稳定分汊河道，整体形态较为细长，因此流场、局部水动力分析选择在具有代表性的管家铺、殷家洲分流区以及南县汇流区。不同来流量下管家铺段的二维流场如图4(a)所示。长江来水经藕池口、管家铺进入藕池河东支后，由于进口过流面积减少，流速先增加后减少，最大流速均分布于分汊口下游0.9 km处的H1断面，流速最大值Umax=0.79 m/s且靠近左岸。最小流速位于分汊口下游1.3 km处的H2断面，流速最小值Umin=0.16 m/s靠近左侧河槽。

殷家洲段的水流动力轴线自上游已经开始偏向右岸，来流量很小时，仅有右汊道过流，见图4(b)中的RUN1工况。鲇鱼须河断流后部分水流滞留在口门区形成环流，由于过流面积减少，上游至梅田湖进口的平均流速由U=0.35 m/s增至U=0.60 m/s，最大流速靠近左岸。随着流量级的增加，水位逐渐抬升，鲇鱼须河虽有水流经过但河段平均流速远小于主流区(图4(b)中的RUN2、RUN3工况)。分流前受到分汊口的阻挡，水流流速沿程减小。受分汊口逆坡影响，最大流速偏向右岸。

南县汇流区附近的二维流场如图4(c)所示。由于过流面积增加，梅田湖出口口门区的平均流速由U=0.69 m/s减小为U=0.35 m/s。鲇鱼须河断流后，水流倒灌，鲇鱼须河的出口口门区出现半径为35.00 m的逆时针环流，平均流速为0.04 m/s。随着流量级的增大水位抬升，汇流区河段的最大流速由河道中部逐渐偏向右岸，受到主流区顶托鲇鱼须河出流受阻，最小流速出现在出口口门区。

图4 管家铺、殷家洲和南县的二维模拟流场Fig.4 Two-dimensional simulated velocity fields ofGuanjiapu, Yinjiazhou, and Nanxian river segments

4.2 水动力局部变化

4.2.1 管家铺

H1断面水深随地形先增加后减小，水深随流量级的增加逐渐升高，最大水深为10.22 m，位于14号断面点(图5(a))。流速分布呈马鞍状(图5(b))，受离心力的影响最大流速偏向左岸。RUN1工况的最大流速Umax=0.42 m/s分布于15号断面点，RUN2、RUN3工况的最大流速分别为Umax=0.64 m/s和Umax=0.79 m/s分布在13号断面点。H2断面水深随地形先增加后减少，水深峰值均位于7号断面点(图5(c))。RUN1工况的最大流速Umax=0.18 m/s分布于10号断面点，RUN2、RUN3的最大流速Umax2=0.32 m/s和Umax3=0.44 m/s均分布于11号断面点(图5(d))。水流经分汊口在进入管家铺后，水流动力轴线由左岸逐渐偏向右岸。

图5 不同流量条件下H1和H2断面水深和流速的变化Fig.5 Changes in water depth and flow velocity of crosssections (H1 and H2) under three discharge conditions

4.2.2 殷家洲

H4、H5断面的水深随地形呈双峰状分布(图6(a)和图6(c))，各工况下的水深峰值均位于4号和11号断面点。H4断面流速分布呈峰状(图6(b))，左岸至右岸流速缓慢升高。断面的最大流速为Umax=0.78 m/s靠近河道右岸，最大流速位于右岸而非中部,表明从上游开始流速已经开始受到逆坡作用的影响。H5断面的流速分布呈马鞍状(图6(d))，随流量级的增大，左汊的流速逐渐增加，最大流速为Umax=0.29 m/s位于河道中部。右汊进口段的最大流速靠近河道左岸，RUN1、RUN2工况下右汊进口处的最大流速Umax分别为0.50、0.55 m/s，均分布在18号断面点。随着来流量增加，最大流速偏向右岸，RUN3工况的最大流速增加至Umax=0.58 m/s，位于23号断面点。受分汊口壅水和阻挡的影响，自上游开始水深流速沿程减小均于浅滩前沿降至0 m/s，具体分布如图6(c)和图6(d)所示。

4.2.3 南 县

H6断面水深分布呈单峰状(图6(e))，不同来流量下水深峰值均分布于6号断面点。由于鲇鱼须河断流，RUN1工况的流速分布与顺直河流相似，最大流速Umax=0.48 m/s位于河道中部。鲇鱼须河过流后，受主流区的顶托上游至出口口门形成壅水区，流速沿程减小，流速分布如图6(j)所示。鲇鱼须河水流与干流剧烈掺混，在汇流区靠近左岸的区域形成低流速分离区，流速分布如图6(f)所示。RUN2和RUN3工况下的最小流速Umin=0.40 m/s和Umin=0.36 m/s位于1号断面点。由于分离区的存在外部水流产生收缩现象，形成偏向干流右岸的收缩区RUN2、RUN3的最大流速Umax分别为0.60、0.56 m/s，均分布于9号断面点。随着流量级增大，汇流区的最大流速逐渐偏向右岸，冲刷多集中在右侧河槽。

图6 H4、H5、H6、S3、S6断面水深、流速变化Fig.6 Changes in water depth and flow velocity of cross sections (H4, H5, H6, S3, and S6)

4.3 水动力沿程变化

水深随流量级的增加逐步增大。管家铺至下游2.7 km河段的水深随地形先增加后减少，平均水深沿程分布如图7(a)所示，RUN1、RUN2、RUN3工况的最大水深分别为9.20、10.55、9.86 m，均分布于于分汊口下游1.8 km的L3断面，下游河段的水深沿程变化不大，各断面平均水深分别围绕着3.51、4.28、4.81 m上下波动。

图7 管家铺—黄金闸—殷家洲—南县—注滋口的水深和流速变化Fig.7 Changes in average water depth and flow velocity of Guanjiapu-Huangjinzha-Yinjiazhou-Nanxian-Zhuzikou stations

流速随来流量的改变变化较为明显，按照黄金闸、殷家洲、南县呈节点变化，沿程分布如图7(b)所示。RUN1工况下，管家铺—殷家洲河段流速缓慢升高，河段平均流速为U=0.28 m/s。水流经殷家洲分汊口入梅田湖后由于过流面积减少流速增加，梅田湖段平均流速增至U=0.49 m/s，相对上游河段升高75%。南县下游河段由于水面展宽流速变缓，河段平均流速降至U=0.40 m/s。RUN2和RUN3工况下，管家铺—黄金闸段流速先增加后减小，最大流速出现在分汊口下游5.4 km处，流速最大值Umax分别为0.55、0.69 m/s，河段平均流速U分别为0.39、0.47 m/s。受藕池河中支分流的影响，黄金闸—殷家洲河段流速明显减少，RUN2、RUN3工况河段平均流速U均为0.38 m/s，相对管家铺—黄金闸河段平均流速分别下降3.16%和19.27%。水流在殷家洲再次分流入梅田湖后，由于过流面积减少流速迅速增加，河段平均流速分别为U=0.51 m/s和U=0.43 m/s，相对黄金闸—殷家洲，河段流速分别增加34.09%和12.51%。RUN2工况下南县下游河段平均流速U=0.47 m/s平均流速减小8.18%，RUN3工况的平均流速U=0.49 m/s，平均流速升高4.91%。

4.4 汊道分流

运用回归分析研究殷家洲分汊口处梅田湖、鲇鱼须河分流比的变化与流量级、宽深比和过流断面面积的关系。除了水动力分析的3种工况之外，为减小误差，本研究增算了5种来流量，管家铺来流量Q分别取值为467、512、639、822、2 070 m3/s，右汊分流比与流量级、宽深比、过流断面面积相关系数分别为-0.91、0.98、-0.95，绝对值均>0.75，对计算结果进行线性拟合，分流比与流量级、宽深比、过流断面面积关系如图8所示。右汊分流比均随着流量级和过流断面面积的增加逐渐减小，趋势线斜率分别为-0.000 2和-0.000 4。左汊分流比与流量级、宽深比、过流断面面积相关系数分别为0.91、-0.18、0.95，分流比随流量级、过流面积的增加而逐渐增大，趋势线斜率分别为0.000 2和0.000 3，但分流比与宽深比之间的关系并不明显。

图8 分流比与流量级、宽深比、过流断面面积关系Fig.8 Relations of flow diversion ratio versus discharge,width-depth ratio, and cross-section flow area

5 结 论

(1)以黄金闸、殷家洲、南县为分流节点将藕池河东支分为4个河段，不同来流量下流速沿程变化基本呈先增加后减小再升高后降低的趋势，中、低流量下最大流速主要集中在梅田湖段，相对于黄金闸—殷家洲河段平均流速分别增加57.34%和34.09%。中、高流量下的最小流速集中在黄金闸—殷家洲河段，相对管家铺—黄金闸河段平均流速分别减少3.16%和19.27%。

(2)受分汊口壅水的影响，上游至殷家洲分汊口的水流流速沿程减小，中、低来流量下殷家洲分汊口段最大流速出现在梅田湖进口口门靠近左侧河槽。右汊分流比与宽深比线性正相关，与流量级和过流断面面积线性负相关。受主流区顶托，鲇鱼须河下游出流受阻，下游河段流速沿程减小，最小流速出现在鲇鱼须河出口。南县汇流区受鲇鱼须来流的影响，最大流速由河道中部逐渐偏向右岸。

(3)中、高来流量下受中支分流的影响，黄金闸—殷家洲河段平均流速明显减少，为缓解此河段继续淤积，应对此河段进行疏浚。为防止藕池河中支、鲇鱼须河段因断流造成水质恶化，同时保证沿岸地区正常的农田灌溉和生活用水，需要对藕池河中支和鲇鱼须进口段扩挖或增设提水泵站。梅田湖进口进一步冲刷扩大将削弱鲇鱼须河分流能力，进口段两岸应修筑生态护岸。

由于实测地形资料与水文数据的限制，本模拟结果与实际天然河流仍存在差异，藕池河分流量变化对沿程灌溉与供水保障和下荆江水位变化的影响有待进一步研究。