荆江河道水流运动特性研究

渠 庚，朱勇辉，唐 峰，孙贵洲

荆江河道水流运动特性研究

渠 庚1，2，朱勇辉1，唐 峰1，孙贵洲1

（1.长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

利用长江防洪实体模型，全面系统地对荆江不同流量条件下的各水力要素进行测量，并结合三峡水库蓄水以来的水沙、地形资料，分析了荆江河段水流运动的基本规律和近期变化的特点，在此基础上对荆江不同河道整治方案进行了研究，并针对不同河型提出了具体的河势控制措施。研究成果表明：通过试验分析较详细地掌握了荆江水面纵比降、断面宽深比、流速分布及水流动力轴线变化等水力要素变化的特点，揭示了荆江河段水流运动规律，并为河道（航道）整治工程提供了科学依据。

长江防洪模型；荆江；水流运动特性；河道治理

1 概 述

荆江位于长江中游上起枝城下至城陵矶，全长约340 km。以藕池口为界分为上、下荆江，其中上荆江全长约167 km为微弯分汊型河道，下荆江长约173 km为典型的蜿蜒型河道。荆江北岸有支流沮漳河入汇，南岸沿程有松滋口、太平口、藕池口分流入洞庭湖，洞庭湖又集湘、资、沅、澧四水于城陵矶汇入长江，形成复杂的江湖关系（见图1）。河道特性多变、河床冲淤剧烈，水流变化复杂，历来是长江中游重要的险工段，有“万里长江，险在荆江”之说。近几十年来，荆江实施了一系列规模较大的河道整治和水利工程，使河道水沙等边界条件发生了不同程度的变化；特别是三峡水库运用以来，荆江河段来沙量大幅减少，局部河道河势发生一定程度的调整，对荆江河段的水流运动特性带来较大的影响，也引起了广泛的社会关注。目前学者们对河道水流运动特性研究较多［1－9］，并取得了较为丰富的成果，但大多是涉及运用数学或实体模型手段研究局部河段（河型）的水流运动特性，较少对长江河段水流运动规律进行系统研究。本文利用长江防洪实体模型，首次全面地对荆江不同流量条件下的各水力要素进行测量，结合三峡水库蓄水以来的水沙、地形资料，分析了荆江河道水流运动的基本规律和近期变化的特点，并在此基础上对荆江不同河道整治方案进行了研究，以期全面认识荆江水流运动规律并为荆江河道治理提供科学依据。

2 模型及试验条件

2.1 实体模型

长江防洪实体模型模拟范围为长江干流枝城至螺山，并且包括其间的主要支流、洞庭湖区及分蓄洪区等，其中干流河道长约380 km。模型设计平面比尺 αL＝400，垂直比尺 αH＝100，模型变率 e＝4。其水流运动相似关系为：流速比尺αV＝10、糙率比尺αn＝1.08、流量比尺αQ＝400 000、时间比尺αt＝40。

图1 荆江河道河势图Fig.1 The river regime of Jingjiang River

由于本次试验主要研究长江干流与洞庭湖出流不同汇流比条件下荆江河段水流特性，模型试验分成2部分，即上荆江模型和下荆江模型。其中上荆江模型进口为枝城，出口为北碾子湾；下荆江模型长江干流进口为北碾子湾，江湖汇流段洞庭湖一侧进口为七里山，出口为螺山，模型按照2002年10月1∶10 000实测地形制作。

2.2 试验条件

荆江模型试验选取四级典型流量以观测河道水流运动特性。以沙市站实测流量为依据，四级典型流量包括该河段（沙市）通航保证流量5 500 m3／s（三峡正常蓄水运用后），多年平均流量12 500 m3／s，平滩流量 32 000 m3／s，河道安全泄量 50 000 m3／s。荆江河段水流运动特性观测试验条件见表1。

表1 荆江河段水流运动特性模型试验条件Table 1 Conditions for model experiments of flow characteristics in Jingjiang River

3 水流运动特性试验成果及分析

3.1 荆江沿程水面纵比降变化

通过对各级流量下荆江沿程水位的观测，计算得到荆江沿程水面纵比降变化（见图2）。由图可知：各级流量下，上下荆江水面纵比降变化范围分别为（0.15～0.97）×10－4和（0.13～0.68）×10－4，其中尤以枝城－大埠街段最大为（0.55～0.97）×10－4，并且呈现上荆江纵比降总体大于下荆江的变化规律；荆江河段水面纵比降沿程呈波浪线状变化，即如果一河段（如公安－郝穴段）水面纵比降较大，则同流量下与其相邻的河段（观音寺－公安和郝穴－新厂段）水面纵比降则相对较小，反之亦然；就整个荆江河段而言在同流量下不同部位水面纵比降是相互转化和谐相应的。与此同时荆江河段水面纵比降与河道沿程断面形态变化存在密切的关系：如喇叭状放宽型河道水面纵比降随来流增加有逐渐减小的趋势（陈家湾－沙市、塔市驿－监利等）；与之相对倒喇叭状束窄型河道水面纵比降随来流的增加而逐渐增大（如沙市－观音寺、公安－郝穴）。由此可见，影响荆江水面纵比降的因素主要为流量大小和河道断面形态，其中河道断面形态变化对水流沿程能量的分配和消耗起到重要作用，是引起荆江水面纵比降变化的重要原因。

3.2 典型流量下沿程断面宽深比变化

图2 不同流量下荆江水面纵比降变化过程Fig.2 The change of longitudinal slope in Jingjiang River under different flows

由图可知，枯水和平滩流量下，上下荆江断面宽深比变化范围分别为1.11～22.16和1.45～13.32，并呈现随流量增大断面宽深比整体有所减小的趋势。与此同时在不同流量情况下荆江断面宽深比呈现不同的变化规律：即枯水流量上荆江断面平均宽深比要明显大于下荆江（如上荆江断面平均宽深比为6.16，下荆江为4.71）；与之相反，平滩流量下上荆江断面平均宽深比要明显小于下荆江（如上荆江断面平均宽深比为3.42，下荆江为5.53）。以上分析表明，上荆江弯曲分汊型河道和下荆江蜿蜒型河道在水流作用下表现出不同的变化规律，与上荆江相比下荆江由于两岸堤防较宽、边滩分布较广，河势变化复杂，不同时期河道宽深比变化较大。

3.3 典型断面流速分布变化

图3 典型流量下荆江河道断面宽深比沿程变化Fig.3 The change of width-depth ratio in Jingjiang River under typical flow

荆江河段在横断面形态上存在着明显的差异，这较强地影响着河段的水流结构及其运动特性。试验选取2种较典型的复式断面即“W”，“V”型，对于2种断面形态，当水流不漫滩时，不同流量下各断面流速分布基本相似，主流线的变化基本与深泓线一致，但当流量增大时，主流线有逐渐趋中的趋势，随着流量的增大，水流开始漫滩形成复式河道后断面流速分布较漫滩前明显复杂，特别在滩槽交界面附近存在着大量的涡旋气泡，复杂的掺混流和强烈的湍流场，在涡旋气泡、掺混流、湍流场运动的作用下，滩槽交界面处水流发生掺混交换。伴随着掺混交换，滩槽水流间发生明显的动量交换。这种动量交换使滩槽平均流速横向分布发生改变，由于交界面水流发生交换与碰撞，水流动能迅速减小，因此交界面附近流速急剧减小（图4），而在距离交界面较远的滩地受此影响较小则出现局部的高流速区，从而使流速进行了重新分布。

3.4 典型河段水流动力轴线变化

3.4.1 弯道段水流动力轴线变化

以下荆江调关－中洲子弯道为例，由图5可见，2弯道为反向急弯河道，其间几乎无过渡段，在小流量下2弯道水流动力轴线变化受河道地形影响较大，与深泓走向基本一致；在中大水流量下，主流在调关弯道进口处逐渐左移偏靠凸岸，经过较短过渡直接将主流导入中洲子弯道凸岸，使弯道凸岸流速大幅增加，在可动边界条件下，中大水时两弯道主流的变化势必会造成凸岸边滩冲刷，甚至是撇弯切滩，引起河势的大幅调整。由此可见，在枯水流量下水流往往在弯道凹岸坐弯，中大水情况下水流动力轴线相对趋直，并在弯道进口处逐渐向凸岸偏移，而在弯道凹岸局部区域产生缓流区，不同流量下水流动力轴线的变化，往往引起下游过渡段和相邻弯道主流线的调整，并且随着流量的增大调整幅度越大。

图4 典型流量下荆江河道断面平均流速横向分布变化Fig.4 The change of lateral distribution of average flow velocity in Jingjiang River cross-sections under typical flow

图5 调关－中洲子弯道水流动力轴线平面变化图Fig.5 The change of flow dynamic axis in Tiaoguan and Zhongzhouzi meandering channel under different discharges

3.4.2 过渡段水流动力轴线变化

以上荆江董市过渡段为例，董市过渡段水流动力轴线受松滋口分流变化影响较大，随流量变化呈现左右往复式摆动的特点，并且流量越小摆幅越大。由图6可见：在松滋口口门附近主流平面摆幅与分流大小密切相关，当来流较小时口门分流不大，因此对主流的影响较小，此时主流居左岸，随来流增加口门分流量逐渐增大，分流口对长江主流吸溜影响也越大，主流逐渐向松滋口口门方向偏移，四级流量最大摆幅为1.5 km；过松滋口后小流量时主流又经过2次左右过渡在马家店附近贴左岸进入江口弯道凹岸，沿程表现为往复式“S”型摆动，而中大流量下主流左右摆动的幅度相对较小，水流动力轴线也较顺直。由此可见，顺直河道水流动力轴线易受上下游水流条件的影响，年内和年际间主流摆动平面较大，呈“小水弯曲，大水趋直”的变化规律。

图6 董市过渡段水流动力轴线平面变化图Fig.6 The change of flow dynamic axis in Dongshi transition section under different discharges

3.4.3 弯曲分汊段水流动力轴线变化

以上荆江突起洲汊道段为例，该汊道为典型的弯曲分汊河段，其中左汊在凸岸为支汊，右汊在凹岸为主汊。由图7可见：各级流量下水流动力轴线自左岸邓家台逐渐向右岸（凹岸）过渡，并在西湖庙附近顶冲右岸；随流量增加，水流动量逐渐加大，流路也越发趋直，水流逐渐向流路较短的凸岸方向偏移，突起洲洲头处流速明显增加，左汊分流比也逐渐增大，凹岸顶冲点也逐渐下移至荆58附近。由此可见，对于弯曲分汊型河道，具有弯曲河道的典型特征（小水坐弯，大水趋直），但又保持分汊河型的特殊性质，当流量逐渐变大时凸岸汊道的分流比将明显增加，使凸岸汊道冲刷，进而改变汊道分流格局，引起上下游河势的调整。

图7 突起洲分汊段水流动力轴线平面变化图Fig.7 The change of flow dynamic axis in Tuqizhou branching river under different discharges

4 三峡蓄水后荆江河道治理研究

通过对荆江不同流量各水力要素的研究，掌握了荆江水流运动特性的基本规律。但需要说明的是模型试验采用的初始地形为蓄水前2002年10月份资料。三峡水库蓄水后，由于调度原因，中水历时增加，峰型由尖瘦型向肥胖型转化，输沙量锐减至建库前的1／3。荆江河道将对新的来水来沙过程进行适应性调整，河道从堆积或平衡型逐渐向侵蚀型发展，边滩落淤迅速减少，滩面淤高也明显减慢，导致中水以上河床逐渐展宽，大水主流易于趋直上滩，边滩不可避免地遭到冲刷，中枯水河道明显展宽，由此引起荆江局部河段河势和水流运动特性发生改变。以下分几种不同河型进行河道治理研究。

4.1 弯曲型河段

荆江水流运动特性研究表明，一般在弯道进口段水流动力轴线偏靠弯道凸岸所在的一侧。进入弯道后，水流动力轴线逐渐向凹岸转移，至弯道顶端上游一定部位水流动力轴线偏靠凹岸，主流顶冲点以下相当长的距离内，水流动力轴线则紧贴凹岸。当流量较小时，水流动力轴线贴凹岸下行；但随着流量的逐渐增大，水流动力轴线逐渐偏离凹岸而向凸岸偏移。

三峡蓄水后随着水沙条件的变化，由于大部分弯道凹岸守护较好，不饱和水流为寻求泥沙补给，只能冲刷凸岸边滩，凸岸边滩冲刷后弯道主流逐渐向凸岸方向摆动，使凹岸顶冲点下移，原先凹岸近岸处流速明显下降，泥沙逐渐落淤抬高，形成弯道的双流（槽）格局。与此同时，由于顶冲点下移使已有的凹岸护岸工程逐渐脱溜，并在下游形成新的险工段，如果不及时对新顶冲段守护和加固，则岸线容易崩退，并引起下游水流主流线和河势的调整。因此未来一段时间荆江河段特别是下荆江段应加强弯道凸岸和凹岸中下部的新护和加固，以防止河势的进一步调整。类似弯道如公安弯道、石首弯道、调关弯道、中洲子弯道、监利弯道、荆江门弯道，七弓岭弯道等。

4.2 顺直过渡型河段

荆江相邻弯道之间往往存在长短不同的顺直过渡段，由于这些过渡段两岸多交错有边滩，而这些边滩的演变和水流主流的摆动往往和上下游弯道演变息息相关。

三峡水库蓄水后，受上游来沙量大幅减少的影响，未来一段时期河道将持续表现为边滩冲刷，深槽淤积，河宽增加，河道断面向宽平方向发展的趋势。这样就为水流提供充分的摆动空间，使年内和年际间主流线摆动幅度加大，对上下游河道水流条件的稳定性造成一定影响，正所谓“一弯变，弯弯变”。由此可见，对于弯道“纽带”顺直过渡河段的治理显得尤为重要。

根据以上分析，对顺直过渡河段的治理应着重在控制两岸交错边滩的变化上，维持过渡河段水流主流的相对稳定；因此要对顺直过渡段边滩进行守护和适当固定，这样才能保持水流的稳定，巩固上下游河势，使弯道守护工程效果得以长久维持。经过分析类似重点整治的河段有太平口过渡段、杨家厂过渡段、新厂过渡段、太和岭－盐船套过渡段等。

4.3 弯曲分汊型河段

荆江水流运动特性研究表明，对于弯曲分汊型河道，其既具有弯曲河道的性质又具有分汊河型的特点，小流量时水流主流贴凹岸汊道，随流量增加水流逐渐向流路较短的凸岸一汊偏移，洲头相应部位冲刷，并可能引起汊道分流格局的调整，进而改变下游主流走向。三峡蓄水后金城洲、突起洲、熊家洲等弯曲汊道段近期凸岸支汊均有所发展，分流格局也发生一定改变，河型也由建库前稳定的主支汊分流形势，向主（凹岸主汊）消支（凸岸支汊）长的分流格局转化，在一定条件下存在主支汊易位和河势、河型大幅调整的可能。因此为稳定类似河段的分流格局，避免出现大规模主支汊易位情况，应加强对江心洲特别是洲头的守护，并在凹岸中下部适当新护或加固岸线，防止顶冲点下移冲刷凹岸，引起岸线崩退和河势调整。

5 结 语

本文利用长江防洪实体模型，对荆江不同流量条件下的各水力要素进行测量，并结合三峡水库蓄水以来水沙、地形资料，分析了荆江河道水流运动的基本规律和水流运动的新特点。并在此基础上对荆江不同河道整治方案进行了研究，得到以下研究结论。

（1）同流量下上荆江纵比降总体大于下荆江，荆江河段水面纵比降与河道沿程断面形态变化存在密切关系，并且不同河段水面纵比降是相互转化和谐相应的。

（2）荆江断面宽深比随流量增大整体有减小的趋势，枯水流量上荆江断面平均宽深比要明显大于下荆江，而平滩流量下上荆江断面平均宽深比要明显小于下荆江。

（3）复式断面当水流漫滩时滩槽交界面处水流发生掺混交换，交界面附近流速急剧减小，而在距离交界面较远的滩地受此影响较小则出现局部的高流速区，使流速进行了重新分布。

（4）对于荆江不同河型水流动力轴线变化规律有所不同，但也存在共同特征：小流量时水流受河道地形的限制较大，主流往往随河道深泓变化而蜿蜒下行；中高水情况下，水流保持直线运动的特性得以充分体现，水流往往趋直。

（5）对弯曲型河道应加强弯道凸岸和凹岸的中下部的新护和加固；对顺直过渡段应加强两岸交错边滩的守护和固定；对弯曲分汊型河段应加强对江心洲特别是洲头的守护，并在凹岸中下部适当新护或加固岸线，防止顶冲点下移冲刷凹岸，引起岸线崩退和河势调整。

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Study on Flow Characteristics of Jingjiang River

QU Geng1，2，ZHU Yong-hui1，TANG Feng1，SUN Gui-zhou1
（1.Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The Yangtze River Flood Protection Physical Model is employed to comprehensively measure the hydraulic elements for different flow discharges of Jingjiang river.Furthermore，the water sediment and topography data since the impoundment of Three Gorges Reservoir were taken to analyse the general laws and characteristics of flow movement.Based on the above analysis，different river regulation programs are studied and detailed solutions for different river regimes are offered.The study reveals the flow movement rules for Jingjiang River by clearly presenting the inherent laws of hydraulic elements variation including that of the water level，water surface longitudinal slope，breadth to depth ratio of cross section，flow velocity distribution and dynamic axis of flow，and consequently provides scientific basis for river regulation.

Yangtze River Flood Control Physical Model；Jingjiang River；flow characteristics；river regulation

TV147；TV149.2

A

1001－5485（2011）06－0076－06

2011-05-03

水利部水利前期项目“三峡工程运用初期荆江河道演变与治理研究”（QQ0871／HL15）；水利部公益性行业专项（200910004）；国家自然科学基金（51079104）

渠 庚（1980-），男，江苏徐州人，工程师，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面的研究，（电话）027-84238177（电子信箱）qugeng0516＠163.com。

（编辑：周晓雁）

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