引江济汉水环境补偿工程取水口河工模型试验研究

张 慧,黎礼刚,谷利华

(长江科学院河流研究所,武汉 430010)

1 概 述

引江济汉水环境补偿工程是一条引长江水到汉江的特大型干渠,是南水北调中线一期工程的组成部分,该工程从长江荆江河段引水至汉江兴隆以下河段,渠道设计引水流量 350 m3/s,设计最大引水流量 500 m3/s,工程主要任务是减免中线工程调水后汉江兴隆以下河段水量减小的不利影响,改善该河段的水环境和东荆河沿线的城镇供水及农业灌溉用水条件。

补偿工程取水口河段上起长江中游上荆江火箭洲进口(荆 25),下迄新三八滩出口(荆 46),长约40余km,由弯曲分汊的涴市河段和沙市河段组成。取水口渠首布置于南向的涴市河弯和北向的沙市河弯之间的顺直过渡段左岸,上距沮漳河口约3.34km,引水渠进口段全长约4.0km。本文通过整体和局部河工模型试验,重点研究三峡工程蓄水运用后取水口河段河道演变对引水的影响和引水工程布置对该河段河势、水位、流速流态等变化的影响,引水渠进水闸消能、沉沙池沉沙和沉螺池阻螺效果等。

2 河工模型设计

整体河工模型分定床模型和动床模型。根据试验研究任务及该河段的水沙条件,考虑到引水方案对上下游水文条件及河势可能带来的最大影响范围,确定定床模型模拟范围上起火箭洲进口(荆25),下至杨二月矶(荆 47),长约45km;动床模型模拟范围上起火箭洲尾,下至三八滩汇流口,其中有效测量范围为马羊洲进口(断面 CS320)至三八滩尾部(断面 CS436),长约26km,如图1所示。

引水渠局部河工模型包括清水模型和浑水模型,模型试验范围均为长江进口至引水渠进口段末端附近,由闸前引水渠、进水闸、沉沙池及灭螺池、提水泵站、泵站节制闸及其上下游渠道、荆江大堤防洪闸等组成,长约3.1km,如图2所示。

定床模型的设计相似条件主要包括几何相似、水流运动相似,动床模型还包括泥沙运动相似,模型比尺见表1。

3 试验条件及模型验证

3.1 试验水沙条件

(1)整体河工模型。定床模型试验在上荆江安全流量、沙市河段造床流量、最高通航流量、最低通航流量等 4种水文条件下进行,见表2。动床模型试验进出口控制条件采用宜昌至大通河段一维河床冲淤数学模型计算成果,即三峡工程蓄水运用 20年(2003-2022年)的坝下游宜昌至大通河段长距离计算成果,试验水位、流量、沙量及太平口分流等水沙条件均根据上述数模成果概化得到。由于系列年中第1年仅半年水沙条件,因此数模计算第2年为模型第1年,实际试验过程为19年。

(2)局部河工模型。引水渠清水模型试验在设计最大引水流量、设计引水流量和最高引水位(消能设计控制工况)等 3种水文条件下进行,见表3。根据实测和计算分析,三峡水库蓄水后第1年(即2003年,实测)和第50年(计算)的年平均含沙量为最大和次大,对工程的淤积影响较大。根据试验目的,引水渠选择三峡水库蓄水后第1年(即2003年)和第50年为典型系列年进行浑水模型试验。水位与含沙量选用三峡蓄水后第1年实测值与第50年计算值,流量采用设计水平年月旬流量进行概化。

图1 整体河工模型布置图Fig.1 Layout of the integral river model

图2 引水渠局部河工模型布置图Fig.2 Partial river model of the diversion channel

表1 模型比尺汇总表Table 1 Scale relation of the model

表2 整体定床模型试验水文条件Table 2 Hydrological conditions of the test used for immovable riverbed of the whole model

表3 清水模型试验水文条件Table 3 Hydrologic conditions of the test in immovable riverbed model

3.2 模型验证

整体定床模型水面线、流速及分流比验证采用2003年水文实测资料。整体动床模型验证初始地形采用 2002年10月天然实测 1/10 000水道地形图制作,终结地形选用 2004年8月实测地形,在模型中施放 2002年10月至 2004年8月的天然水沙过程,以复演 2004年8月实测地形。局部河工模型进行设计最大引水流量 500 m3/s、设计引水流量 350 m3/s和提水引水流量 430 m3/s三级流量的水面线验证试验。

模型验证试验表明,整体定床模型与原型在洪、中、枯三级流量下水面线最大偏差0.09 m,三八滩南北两汊模型和原型分流比误差 ±1.61%,模型各级流量下,各断面主流位置,垂线平均流速分布及大小与原型基本一致,即水面线、流速分布和三八滩南北两汊分流比等方面基本相似;整体动床验证河段观测中,泥沙滩槽冲淤性质,纵、横向分布模型与原型基本一致;局部模型与原型在水面线方面基本相似。模型验证成果符合《河工模型试验规程》(SL99-95)要求。

4 试验成果

4.1 整体定床模型

4.1.1 工程前后水位变化

引水角度分别为30°,50°,60°的试验结果表明,引水角度对水位的影响规律不明显。但长江流量和引水流量的大小对水位降低值的影响比较有规律且较为明显,一般情况下,取水口附近水位降低较为明显,而远离取水口水位受到的影响相对要小。其中长江流量 Q=5 500 m3/s时,引水对水位变化的影响最大,引水流量 Q=500 m3/s时,荆 28至二郎矶范围河段内的水位下降达0.15～0.38 m;引水流量Q=150 m3/s,荆 28至二郎矶范围河段内的水位下降为0.05～0.17 m。详见表4。

4.1.2 工程前后流速变化

当长江流量 Q=5 500 m3/s时,取水对流向的影响 5#-7#断面较为明显,取水口附近的6#断面影响最大,且引水量越大,对流向影响越大;离口门越近,对流向影响越大。6#断面近岸 28 m(起点距 120 m)引水 500 m3/s时,流向左偏 54°,至近岸 268～328 m处引水对流向影响基本消失,3#和8#断面引水对流向的影响在9°以内。

取水对流速的影响,5#-8#断面较为明显,取水口以上流速增加,取水口以下流速减小,且左半江影响较右半江大。6#断面近岸 28 m处流速在引水分别为150 m3/s,300 m3/s和500 m3/s时,分别增大0.19m/s,0.44m/s和0.75m/s,至近岸 268～328 m以外流速变化不明显。3#断面当引水量为500 m3/s时,左半江流速有所增大,增大幅度为0.02～0.2m/s。8#断面流速减小0.03～0.28m/s。

长江流量 Q分别为27 000 m3/s和40 800 m3/s时,引水 500 m3/s的流速分析表明,除取水口附近6#断面近岸流速和流向有明显影响外,对其它断面的影响均不明显。

4.1.3 三八滩分流比变化

10#断面引水前后分流比表明,引水前和引水150 m3/s,300 m3/s和500 m3/s时,左汊分流比分别为26.3%,25.5%,25.7%和26.2%,基本在测量误差范围内。因此,引水对三八滩分流比基本无影响。

4.2 整体动床模型

4.2.1 地形试验

动床研究表明,取水口河段第11年末冲刷至最大值,全河段冲刷 4 600万m3,至 14年末有所回淤,马羊洲、太平口、三八滩 3个河段冲刷基本时序一致。至 11年末,马羊洲河段平均冲深1.05 m,太平口河段平均冲深1.69 m,三八滩平均冲深0.72 m,河段宽深比变小。

表4 长江流量 Q=5 500 m3/s时各引水方案实施后水位下降值Table 4 Water level drop values after every diversion plan implementation when Yangtze River discharge Q=5 500 m3/s m

从河势上看,主要变化是在太平口水道,原双槽且右槽为主槽的格局逐步向双槽左槽为主槽的格局转变,5-11年末心滩由于河段大幅冲刷而导致高程降低和面积缩小,至 14年末则随河道回淤心滩淤高、面积扩大,河段宽深比变大。三八滩河段三八滩面积缩小,由于太平口水道至三八滩右汊一线形成间断的深槽群,三八滩左汊萎缩,右汊发展。马羊洲河段总体河势变化不大,右汊为主的格局末发生任何变化。

4.2.2 含沙量试验

枯水时太平口南北槽起始主输沙带在北槽,在河道冲刷过程中(至第11年),主输沙带逐步移至南槽,而在河槽淤积过程中(第11年至第19年)主输沙带回至北槽;中、洪水期北槽总体含沙量相对减小。三八滩南北汊含沙量变化规律不明显。详见表5。

表5 含沙量分布表Table 5 Sediment concentration distribution kg/m3

4.3 局部清水模型

(1)进水闸消能试验。流量、外江水位及闸门开启方式不同,对应的闸下游流态有所不同。在设计最大引水流量和设计引水流量工况下,闸孔敞泄时,闸下为淹没出流,消力池内无水跃形成。在消能工况下,闸门开启 8孔(全开)和6孔(2#,3#,4#,5#,6#,7#)时,有水跃形成,水跃跃头位于闸室内;闸门开启 4孔(3#,4#,5#,6#)时,在消力池斜坡上形成较稳定的水跃,水跃与尾水衔接较好,下游沉沙池进口段左岸有局部回流;闸门开启 2孔(4#,5#)时,产生远驱水跃,水跃跃首位于尾坎下游(0+600),下游沉沙池进口段附近右岸有较大范围的回流,消能效果不理想。故运行时应避免局部开启。

(2)沉螺池沉螺试验。清水模型试验对沉螺池桩号1+250,1+350,1+450,1+550,1+650,1+750断面的流速进行观测。当为设计引水流量工况(350 m3/s)时,除极个别断面垂线平均流速为0.20m/s外,其余均在0.10～0.19m/s之间。设计最大引水流量 500 m3/s时,除部分垂线平均流速小于0.20m/s外,一般流速为0.20～0.25m/s,最大为0.27m/s,难以满足沉螺要求。

4.4 局部浑水模型

(1)沉沙池沉沙试验。引水渠沉沙池有一定的沉沙效果,在各级流量情况下,入口含沙量愈大,含沙量沿程衰减也愈大,特别是在桩号 1+100断面以上,含沙量沿程衰减较快;其断面以下含沙量沿程变化较缓。第1级流量时,出口断面的含沙量为入池断面的39.93%;第6级流量时,出口断面的含沙量为入池断面的62.67%;第9级流量时,出口断面的含沙量为入池断面的89.86%,但受淤积的影响,后级流量比前级流量的沉沙效率降低。

试验表明,沉沙池在运行过程中,随着时间的推移,沉沙效率降低,淤积较为明显。

(2)沉螺池沉螺试验。浑水模型试验选择第1级概化流量(354 m3/s)和第7级概化流量(455 m3/s)进行观测。第1级流量时,除极个别断面垂线平均流速为0.20m/s外,其余均在0.14～0.19m/s之间;第7级流量时,除部分垂线平均流速小于0.20m/s外,一般流速为0.20～0.28m/s,最大为0.30m/s,难以满足沉螺的要求。浑水试验第7级流量的流速较清水试验设计最大引水流量的实测流速略大主要因沉沙池(沉螺池)泥沙淤积所致。

5 结 论

(1)三峡工程建成后,马羊洲河段总体河势变化不大,太平口水道原双槽且右槽为主槽的格局逐步向双槽左槽为主槽的格局转变,三八滩河段三八滩面积缩小,左汊萎缩,右汊发展,工程河段的河势总体上有利于取水口工程布置。

(2)取水口引水角度对水位的影响规律不明显,长江流量和引水流量的大小对水位降低值的影响比较有规律且较为明显,引水带来的可能最大水位下降值在取水口附近为0.38 m。引水量愈大,对流向影响愈大;离口门愈近,对流向影响愈大;引水使取水口以上流速增加,取水口以下流速减小,且左半江影响较右半江大。引水对三八滩分流比基本无影响。因引水后引起取水口上游河道近岸流速增加和取水口附近流向偏离较大,建议加强太平口水道取水口以上左岸至沮漳河的防护。

(3)引水渠的布置基本合理。进水闸消能工况局部开启 2孔时,产生远驱水跃,消能效果不理想,运行时应避免局部开启;沉沙池有一定的沉沙效果,但随着时间的推移,沉沙池沉沙效率降低,淤积较为明显,建议采取适当措施提高沉沙效率;引水流量达455 m3/s以上时,沉螺池断面垂线平均流速大部分大于0.2m/s,难以满足沉螺的要求,建议适当优化沉螺池布置或采用集螺沟、浮坝等辅助设施,以提高沉螺效果。

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