三峡工程运用后武汉段河道冲淤变化研究

崔占峰，张细兵，渠 庚

三峡工程运用后武汉段河道冲淤变化研究

崔占峰，张细兵，渠 庚

（长江科学院河流研究所，武汉 430010）

三峡工程建成运用后，改变了水库下游河道的水沙条件，坝下游河道水流输沙能力处于不饱和状态，河道将发生沿程冲刷，并可能影响武汉河段的河势调整，进而可能对防洪产生一定影响。为此，在三峡大坝下游一维水沙数学模型最新计算成果基础上，采用数学模型计算与实测资料分析的手段进行了三峡工程建成后武汉河段水沙变化及河道冲淤演变研究。结果表明：三峡工程运用50年武汉河段河势没有发生大的变化，深泓线总体没有发生大的调整，白沙洲仍保持两汊过流的趋势，天兴洲左汊持续衰退，右汊发展。

三峡工程；武汉河段；冲淤

1 概 述

长江武汉河段上起武汉市汉南区纱帽山，下迄新洲区阳逻镇，全长约70．3 km。平面形态为顺直分汊和微弯分汊河形。两岸有临江的山丘和阶地，出露基岩及护岸建筑物。本文研究范围为武汉河段中下段，即军山大桥下至新洲区阳逻镇，全长约66 km。

三峡水库运用后改变了长江中下游河道来水来沙特性。在不考虑上游建库条件下，三峡水库下泄水沙特点为［1－3］：汛期6－9月流量与建库前相比基本不变，仅洪峰流量有所削减；10月份水库蓄水，出库流量陡减，较建库前同期多年平均值减小约42．7%；从多年月平均流量看，汛后流量10 000 m3／s左右持续时间增加，流量变化幅度较小。三峡水库尽管采用了“蓄清排浑”的运用方式，但水库的淤积量仍然较大，蓄水初期水库排沙比约30%；运行80年后，水库淤积达到基本平衡。城陵矶至武汉段约为14．98亿t，武汉至大通段累计最大冲刷量为9．39亿t。最大冲刷量出现后逐渐发生回淤，冲刷从上段向下段逐步发展，发展过程中，下段初期还可能发生淤积。

由于三峡工程建成后坝下游发生长时期、长距离的冲刷，武汉河段来水来沙和河床冲淤情况变得非常复杂。而一维模型只能反映河道整体上的冲淤变化，不能详细了解洲滩的变化情况。因此，为较详细研究武汉河段河道的冲淤变化规律及趋势，本文采用平面二维水流泥沙数学模型对武汉河段滩槽变化、河段冲淤进行了研究。

2 武汉河段近期演变特点

武汉河段由于沿江两岸受节点控制与护岸工程的实施，自20世纪30年代至今河道平面外形基本稳定，沿江两岸岸线变化相对较小，河道演变主要表现在河床冲淤、洲滩消长和汊道的兴衰交替变化。纱帽山至龟山河段主流平面摆动较小，白沙洲汊道分流分沙比相对稳定，没有单向变化的趋势，河势相对稳定，但洲滩仍将随不同水文年的来水来沙条件变化而有所冲淤变化。龟山至阳逻河段，汉口边滩已处于相对稳定，天兴洲汊道自20世纪70年代完成了主支汊交替转化后右汊成为主汊；20世纪70年代后，天兴洲逐渐萎缩；洲头崩退，洲尾下延；左汊持续淤积；洲滩左缘延伸，右缘崩退，1998年以后至今天兴洲河段的演变渐趋稳定。

3 平面二维数学模型及验证

3．1 模型方程

采用一般曲线坐标系下平面二维水流泥沙方程组：

（1）水流连续方程

（2）水流运动方程

（3）泥沙连续性方程

（4）河床变形方程

上述方程组即为一般曲线坐标系下平面二维水沙数学模型的基本方程，式中：J＝xξyη－xηyξ；ξx＝yn／J；ξy＝－xη／J；ηx＝－yξ／J；ηy＝xξ／J；q11＝ξ2x＋ξ2y；q12＝ξxηx＋ξyηy；q22＝η2x＋η2y；Mξ，Mη，Nξ，Nη表示偏导数，如为曲线坐标中流速在ξ和η方向的分量；H为水深（m）；u和v为x和y方向的流速；u0和v0为侧向入流x和y方向的流速分量M＝uh，N＝vh；Z为水位（m）；n为Manning糙率系数；D为紊动粘性系数；q为单位面积上水流的源汇强度（m／s）；ρ为水体密度（g／cm3）；S为含沙量；S*为挟沙力；ω为泥沙颗粒沉速（m／s）；γ′为泥沙干密度（kg／m3）；α为恢复饱和系数；ε为泥沙扩散系数；ωK，SK，S*K分别对应分组泥沙颗粒沉速、含沙量和挟沙力。

在求解微分方程时，控制方程（1）－（5）的数值离散采用有限体积法，离散方程的求解基于SIM-PLEC算法，限于篇幅，这里不再赘述。

3．2 模型有关问题的处理

3．2．1 计算河段及网格划分

综合考虑河势、工程研究内容以及水文资料等因素，二维数模计算河段范围选取为：上游选取军山大桥下游附近为进口断面，下游以阳逻为出口控制断面，全长约66 km；支流考虑汉江入汇。

二维计算网格采用河道边界贴体正交曲线网格形式，网格节点数为304×80个，水流向网格间距50～280 m，垂直水流方向网格间距15～80 m。计算河段河势图及网格划分图见图1所示。

3．2．2 动边界处理

数模计算动边界问题，主要由水位变化和迭代计算引起。本报告采用了如下动边界模拟技术：根据每次计算的水深值判别和区分水域和陆域计算节点；对岸边界计算节点采用边界隔墙法处理；岸边界计算节点保持一较小富裕水深，以使计算得以进行；陆域水位采用近岸水域水位外延等。

3．2．3 糙率等参系数

计算河段内的糙率由实测水文资料反求，并根据局部地形，按单元分块调试。本次计算的糙率系数，河床取0．018～0．022，滩地一般为0．022～0．035。

图1 计算河段河势及网格布置图Fig．1 Layout of the computed river regime and grids

水流紊动粘滞系数D与水流内部的湍流应力有关，由紊流模型确定，一般情况下，为简化计算，通常采用常系数方程求解，取其经验关系式为D＝cu*h，c为经验常数（取值范围0．25～1．0），本次计算时，c取值1．0。对于泥沙紊动扩散系数，一般取其值与水流紊动粘滞系数相等，即εx＝εy＝D。

3．2．4 床沙交换及床沙级配调整

本模型将计算河段内河床由上至下分成4层，即表层（泥沙交换层）、中间两层（过渡层）和底层。悬沙与床沙的直接交换发生在交换层中，交换层厚度在完成级配调整后，保持不变；过渡层中泥沙级配视表层的床面的冲刷或淤积相应地向下或向上移动，与表层泥沙发生交换，过渡层厚度不变；底层与过渡层相应地进行级配调整，底层的厚度视表层的床面的冲刷或淤积相应地减小或增加。

3．2．5 模型定解条件

模型的定解条件包括边界条件和初始条件2类。本文采用了恒定流边界条件：上游给定流量、含沙量及级配等，下游给定水位；岸边界流速、含沙量给零值。在计算河段内给定河床初始地形及床沙级配。汉江入汇按侧向入流考虑。初始条件：初始流速场给零值，初始水位按水面线比降给出。

3．3 模型验证

表1给出了本文模型率定验证的计算水文条件。采用2008年11月25－26日实测资料率定水位，其余用于验证。水位率定和验证计算结果见表2、表3。从表中可看出：在小、中、大3级流量下，武汉河段沿程水位计算值与实测值相差较小；率定误差一般在3．0 cm内，验证误差一般在4．0 cm内。因此，水位率定验证结果较好。

组次 测验时间 水文条件 率定验证内容 率定、验证位置1 2008年11月25－26日实测流量：武汉关约20 100 m3／s水位、断面流速分布、断面含沙量分布金口、邵家湾、杨泗矶洲头、王家圩、沌南洲、滚装码头、白沙洲头、白沙洲尾、杨泗港2 2004年12月5－7日实测流量：武汉关约12 600 m3／s水位、断面流速分布、断面含沙量分布杨泗港、长江一桥上、江汉路、南京路、37码头、青山、五通口、阳逻3 2002年7月29－31日实测流量：武汉关约40 500 m3／s水位、断面流速分布、断面含沙量分布汉阳煤厂、杨泗港、青岛路、37码头、青山、五通口、阳逻、国棉一厂4 2004年12月、2006年4月、2008年8月实测1／10 000地形冲淤量验证地形高程线对比

表2 武汉河段沿程水位率定结果Table 2 Calibration of water level along Wuhan river regime m

表3 武汉河段沿程水位验证结果Table 3 Verification of water level along Wuhan river regime m

表4为2002年测次断面平均流速、平均含沙量对比表。限于篇幅，图2、图3和图4给出了3个测次部分典型断面计算与实测断面流速分布和含沙量分布对比验证图。

表4 武汉河段典型断面平均流速、含沙量Table 4 M ean velocity and sedimentation concentration of typical section along W uhan river regime

由图表中可见，垂线平均流速、含沙量沿河宽分布趋势基本吻合，计算主流位置与实测一致，计算值与实测值相差较小；垂线平均流速误差一般小于0．15 m／s；断面平均流速、含沙量值误差一般均可控制在5%之内；个别节点误差稍大。表5为2008年11月测次白沙洲分流比与分沙比对比结果，从表中看，分流比误差在0．1%以内，分沙比误差基本在0．1%内。从以上流速含沙量验证结果来看，流速、含沙量验证结果较好，模型基本能反映该河段的水流泥沙运动规律。

表5 武汉河段白沙洲分流比与分沙比验证结果Tab le 5 Verification of discharge diversion ratio and sand diversion ratio of Baishazhou sandbar at W uhan section %

图2 2002年典型断面流速、含沙量分布验证Fig．2 Verification of velocity and sediment distribution of typical section（July，2002）

图5 给出了2006年4月测次0 m等高线和2008年11月10 m等高线验证结果图，由图可见计算和实测的等高线吻合较好。

由以上水位、断面流速分布、含沙量分布、地形等高线验证情况来看，本文采用的河道平面二维水

图3 2004年典型断面流速、含沙量分布验证Fig．3 Verification of velocity and sediment distribution of typical section（December，2004）

图4 2008年典型断面流速、含沙量分布验证Fig．4 Verification of velocity and sediment distribution of typical section（November，2008）

沙数学模型能较好模拟整个计算河段的水沙运动，且验证计算精度较高。因此，该数学模型精度满足研究要求。

4 计算条件及结果分析

4．1 计算条件

图5 计算与实测等高线验证对比（2006年4月0 m等高线和2008年11月10m等高线）Fig．5 Contrast of calculated and m easured contour lines（0 m isograms in April，2006 and 10 m isogram s in November，2008）

本文计算预测三峡工程运用50年内武汉河段冲淤变化特点。进口水沙条件、出口水位由长江科学院宜昌至大通三峡工程运用50年的一维水沙计算成果（1991－2000年水沙系列，考虑了向家坝、溪洛渡等水库）提供，每年概化为60个时段。计算初始地形采用实测2008年10月1／10 000河道地形图资料，模型起算时间为2008年10月，终止时间为2052年12月。

数模计算中，悬移质级配选取武汉河段2007－2008年实测悬移质月均级配，床沙级配采用2008年实测的床沙级配。悬移质中值粒径d50为0．016 mm，与三峡水库蓄水运用后多年平均悬沙中值粒径（0．015 mm）相当；床沙中值粒径d50为0．2 mm。

4．2 计算成果分析

为便于分析，本文选取了9个典型断面，分别为汉流06、汉流07、汉流09、汉流11、汉流13、汉流13－2、汉流13－3、汉流15、汉流17，如图6所示。图7给出了三峡工程运用50年后典型断面的变化情况，图8给出了武汉河段计算初始地形和三峡工程运用50年后的地形对比图。

由图7和图8可知，由于受龟山和蛇山两节点控制，以及两岸堤防和护岸工程实施的影响，三峡工程运用50年后较2008年河势没有发生大的变化，只是主流区冲深，尤其是杨泗矶和长江大桥附近，由于河道束窄，冲刷较大，深泓线总体没有发生大的变化。深泓呈现以下规律：进口段依然走白沙洲的左汊，在白沙洲大桥至长江大桥河段深泓较2008年整体向右岸移动，经潜洲左汊至杨泗庙下约1km处开始深泓逐渐向右岸武昌深槽过渡，至隧址右岸附近贴右岸沿武昌深槽下行，较2008年情况有所上提，在长江大桥至武汉长江二桥段深泓较2008年整体有所左移，但幅度不大。过长江二桥后，深泓走向基本与2008年相似。

三峡工程运用50年后，计算河段内洲滩和深槽局部也发生了一定的调整，下面就洲滩和深槽做一分析。

4．2．1 白沙洲的变化

图6 典型断面位置图Fig．6 Layout of typical sections

图7 三峡工程运用50年后典型断面变化图Fig．7 Variation of cross-sections after 50-year operation of the Three Gorges Project

图8 三峡工程运用50年末时武汉河段地形与2008年地形对比图Fig．8 Contrast of contour line variation between year 2008 and year 2053（after 50-year operation of the Three Gorges Project）

相对初始地形来说，白沙洲有所淤长，右汊淤积。由汉流07断面可见，断面最深点的位置基本相同，断面形态也基本相似，只是局部区域呈冲淤交替。具体为，在白沙洲左汊的左侧没有发生大的变化，左汊左部少许淤高，淤积幅度在1～2 m，左汊的中部发生了冲刷，幅度在1～5 m；在白沙洲的右汊有所淤积，平面位置整体变化不大。从以上说明可以明显看出，左汊大部分区域冲刷高程降低，深泓点右移、右汊淤积抬高，但由于左汊冲刷范围、幅度均较大，而右汊淤积范围较小，因此白沙洲汊道段整体表现为冲刷。

4．2．2 荒五里边滩和潜洲的变化

汉流07断面可知，荒五里边滩较初始地形有一定程度的淤积，但淤积厚度不大，约为1～2 m。

由汉流07及汉流09断面图可知，潜洲左侧地形均较初始地形有不同程度的冲刷，冲刷幅度约1～10 m；潜洲洲体略有淤高，淤积高度较小，不到1 m；而在潜洲的右侧有冲有淤，淤积大于冲刷，说明潜洲有向右靠岸淤高的趋势。从以上分析看，对于潜洲，相对2008年上部洲体左侧缩窄、上延，右侧淤高靠岸；在中部主要表现为洲体左侧缩窄，洲体高程增加，右侧淤高靠岸；在下部左侧冲刷向上游崩退，由于武昌深槽向上游发展使洲尾右侧冲深并与武昌深槽相连。

4．2．3 汉阳边滩和汉口边滩的变化

由图8可见，汉阳边滩处左侧地形较初始地形发生了冲刷，幅度约为1～3 m，中部较初始地形冲刷约2～8 m，右侧则变化较小。因此，汉阳边滩较2008年在面积上有一定程度的减小，但幅度不大。

以汉流11、汉流13断面分析汉口边滩的变化，由图可知，三峡工程运用50年末，汉口边滩上段有所淤长，下段基本没有变化，不过在下段受武昌深槽下延后主流向右调整的影响，左岸泥沙落淤量有稍许增大。因此汉口边滩计算较2008年在面积上变化幅度不大。

4．2．4 天兴洲的变化

由汉流13－2、汉流13－3、汉流15及汉流17断面可以看出，在计算条件下，三峡工程运用50年末时，天兴洲左右汊朝2个不同的方向发展：天兴洲左汊有较大淤积，平均淤积厚度约3～5 m；天兴洲右汊则有冲有淤，总体为冲刷，平均冲刷约1～3 m。在三峡工程运用50年末时，枯水期天兴洲左汊不过流，汛期左汊分流比也有所下降，总体朝有利于左汊的方向发展。

4．2．5 武昌深槽的变化

以0 m等高线分析武昌深槽变化为例，从图8可看出，三峡工程运用50年末时，武昌深槽的宽度有较大的增加，最宽处较2008年增加约500 m，武昌深槽向上游有所上延，相对2008年上延了约300 m，至鲶鱼套附近；0 m等高线较2008年向下游大幅度伸展，2008年武昌0 m深槽在徐家棚附近结束，而计算地形显示：0 m深槽相对2008年向下游延展了约2 700 m。最深点高程也有所降低。

5 结 论

本文在宜昌至大通一维水沙数学模型计算成果基础上，采用平面二维水沙数学模型三峡工程运用50年后对武汉河段河势变化情况进行了预测计算分析，结果表明：

（1）三峡工程运用50年后，较2008年河势没有发生大的变化，深泓线总体没有发生大的调整。深泓线在模型进口段依然走白沙洲的左汊，后经潜洲左汊至杨泗庙下约1 km处开始逐渐向右岸武昌深槽过渡，后贴右岸沿武昌深槽下行，直至天兴洲右汊；

（2）武汉河段总体表现为冲刷；

（3）白沙洲右汊略有淤积，仍保持两汊过流趋势；

（4）天兴洲左汊淤积较大，右汊则进一步发展扩大。

［1］ 卢金友，黄悦，宫平．三峡工程运用后长江中下游冲淤变化［J］．人民长江，2006，37（9）：55－57．（LU Jin-you，HUANG Yue，GONG Ping．Scouring and Silting Variation in Middle and Lower Channel of the Yangtze River After TGP［J］．Yangtze River，2006，37（9）：55－57．（in Chi-nese））

［2］ 胡向阳，张细兵，黄 悦．三峡工程蓄水后长江中下游来水来沙变化规律研究［J］．长江科学院院报，2010，6（27）：4－9．（HU Xiang-yang，ZHANG Xi-bing，HUANG Yue．Research on Change of Coming Sediment and ComingWater of Middle-Lower Yangtze River After TGPEarly Op-eration［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（6）：4－9．（in Chinese））

［3］ 董耀华，惠晓晓，蔺秋生．长江干流河道水沙特性与变化趋势初步分析［J］．长江科学院院报，2008，25（2）：16－20．（DONG Yao-hua，HUIXiao-xiao，LIN Qiu-sheng．Preliminary Analysis on Characteristics and Changing Tendency of Annual Runoff and Sediment Load of Changjiang River Main Channels［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（2）：16－20．（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

Erosion-Deposit Variation of the Channel in W uhan Reach After the Operation of TGP

CUIZhan-feng，ZHANG Xi-bing，QU Geng
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The completion of the Three Gorges Project has changed the conditions of water and sediment in the downstream channel of the Three Gorges reservoir．Sediment transport capacity of the channel is in an unsaturated state．As a result，riverbed scouring will take place along the river channel，which may bring about adjustment of the Wuhan river regime andmay further impact the flood control．In view of this，based on the latest research result of one-dimensional sedimentmathematicmodel，themathematicmodel computation alongwith the observed data a-nalysis is used to conduct preliminary researches on the variation of sediment and the erosion-deposit evolution of the river channel in Wuhan river regime．The research result shows that after a 50-year operation of the Three Gor-ges Reservoir，there is little change of the river regime and the thalweg of the Wuhan reach．The two branches of Baisha sandbar are kept flowing．However，the left branch of Tianxing sandbar continues to decline，whilewith the right branch growing．

the Three Gorges project；Wuhan reach；erosion and deposit

TV147．5

A

1001－5485（2011）04－0080－07

2011-02-17

长江科学院院所基金项目－水沙变化与河流系统调整的多维复合模型研究（CKSF2010001）；国家自然科学基金（50879020）；水利部公益性行业专项经费项目（200901003）

崔占峰（1978-），男，河南睢县人，高级工程师，博士，主要从事河流泥沙数值模拟研究，（电话）027-82829871（电子信箱）jss9871＠vip．163．com。