三峡水库175 m方案成库运行后龙门浩河段水流特性变化分析

罗全胜，谢 龙

(1. 小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封 475003； 2. 黄河水利职业技术学院，河南开封 475003； 3. 江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏南京 210017)

三峡水库175 m方案蓄水后，常年回水区的末端位于重庆长寿，变动回水区末端到达重庆江津[1]，整个重庆主城河段都成为变动回水区，河道特性在库区特性及天然河道情况下转换，水流条件极其复杂，水流特性发生显著变化[2]。同时，龙门浩河段位于重庆主城区域，河段内散布着大片卵石浅滩，常因航深、航宽不足而碍航[3]。据不完全统计，自1957年来，龙门浩河段整治次数多达6次，但整治效果不好且不易稳定，该河段目前基本每年都要进行挖槽疏浚及相关航道维护。究其原因，主要是因为水动力条件过于复杂，同时对卵石成滩机理认识不足。因此，针对三峡水库175 m蓄水后引起龙门浩河段的水动力条件变化，分析其水流特性，将为该河段河床演变的研究、航道治理提供依据，此项工作具有十分重要的意义。

图1 龙门浩河段河势Fig.1 River regime of Longmenghao reach

1 河段自然条件

龙门浩河段上起黄桷渡，下至玄坛庙，全长4.8 km，河段平面形态微弯，弯曲半径约为1 800 m，上接九龙滩2个连续急弯，下连长江与嘉陵江的交汇口，河段内老鹳碛、鸡翅膀伏于河心，右岸有猪儿石向航槽凸伸(图1)，航道条件十分恶劣，常因航深、航宽不足而影响通航，基本每年都需要进行疏浚维护，是重庆河段的主要滩险和重点整治河段[4-5]。

根据猪儿碛河段上游7.6 km处鹅公岩水位站实测数据[6]，成库前2003—2007年，龙门浩河段日均径流量为7 057 m3/s，日均输沙量6.94 t/s，成库后2007—2010年则分别为6 813 m3/s与5.13 t/s，来水量基本不变，泥沙输移量则明显下降，降幅达35.3%。

2 河段二维数模的建立及验证

2.1 模型建立

综合考虑模型计算精度、计算结果认可度以及计算条件的适用性[7-8]，本文采用Aquaveo.SMS(地表水系统模拟软件)进行模拟计算。选用2003年及2010年实测地形数据，分别建立龙门浩河段成库前后的平面水流二维数学模型。计算模块采用有限单元法(FESWMS)，全河段采用等边三角网格，为保证精度，网格间距设为10 m，全河段共有125 664个节点及76 808个网格。

2.2 模型验证

根据蓄水前后的多次实测资料对各时段、各流量级下模型计算精度进行验证，从模拟计算结果来看，水位值误差在0.1 m以内的保证率为93.2%，流速值误差在10%以内的保证率为79.8%，可见本文建立的龙门浩河段二维数学模型计算精度较高，适用于该河段水流条件的模拟计算。

3 成库前后水流特性变化分析

将三峡175 m蓄水以后坝前水位调度过程点绘于图2。从图2可见，三峡水库年内调度可分为4段：① 6月初至9月末为汛期，上游来流量猛增，该时段内按防洪限制水位运行，坝前水位降至全年最低，回水末端位于长寿，龙门浩河段恢复天然河道特性；② 10月初至10月末为蓄水期，此时上游洪峰已过，来流量逐渐减小，库区水位受调度影响迅速上抬，回水末端向上游移动，龙门浩河段又转变为库区特性；③ 11月初至次年1月末为蓄水维持期，此阶段上游来流量变化甚微，坝前水位维持在175 m高水位运行，坝前至回水末端河段的水流特性基本维持不变；④ 2月初至5月末为消落期，上游来水降至最小，河段进入枯水期，为保证下游通航及供水需求，坝前水位逐渐消落，直至5月末降至消落低水位。

图2 175 m试验性蓄水以来坝前水位调度过程Fig.2 Scheduling process of upstream water level after 175 m experimental water storage

选择成库后年内变化各阶段内的平均流量代表该阶段的水流特性，参照长江上游水文局的实测资料，将各特征流量下的对应信息列于表1。

表1 成库前后龙门浩河段计算条件Tab.1 Calculation conditions of Longmenghao reach before and after impoundment

考虑坝前调度具有周期性，因此在选择计算条件时，为避免时间因子的影响，在流量误差相差5%的情况下，尽量保证成库前与成库后对应年内时间一致。

3.1 水位变化

根据表1条件下的计算成果，将各工况下龙门浩河段成库前后的水位沿程变化点绘于图3。

图3 成库前后龙门浩河段水位变化Fig.3 Changes in water level along Longmenghao reach before and after impoundment

从图3可见，成库后汛期水位与成库前一致，其他时期则大幅提升，提升幅度从几米至十几米不等，蓄水维持期水位增幅最大，消落期增幅最小。越靠近下游，水位抬升越明显。同时，龙门浩河段同一断面在6 800 m3/s下蓄水前后的水位差，小于3 680 m3/s、却大于3 350 m3/s对应的值，可见成库后水位抬升幅度主要取决于蓄水程度，即坝前水位，受流量影响较小。

3.2 横断面流速变化

选择CY20断面作为代表断面，将各工况下龙门浩河段横向流速变化绘于图4。

由图4可见，成库后非汛期内，同一流量下龙门浩河段水面线变宽，流速减小，断面流速分布更加均匀，横向流速状况较成库前发生大幅变化。水动力轴线(主流区)有向左岸摆动的趋势。

进一步统计可知，蓄水维持期该断面的平均流速降幅最大，达到89.3%，远大于蓄水期的55.4%及消落期的60.1%。流速变化最大的区域集中在航槽附近(断面平距340～490 m)，在蓄水维持期，局部位置流速降幅最大可达95.3%。

(a) 汛 期 (b) 蓄水期

(c) 蓄水维持期 (d) 消落期图4 龙门浩河段成库前后横断面流速变化 Fig.4 Changes in cross-section velocity along Longmenghao reach before and after impoundment

3.3 水面比降变化

根据表2计算结果，成库前后龙门浩河段的水面比降有以下特点：① 成库前，河段比降与河段来流量呈指数关系，流量越大河段比降越小；成库后，河段比降主要取决于尾水(坝前水位)壅高程度，受来流量影响较小，比降与流量对应关系散乱。② 天然情况下，河段比降较大，基本在2以上，在受回水影响下，比降大幅下降，各时期的平均比降均小于1。在同流量下，成库前的比降通常要比成库后大几倍，甚至十几倍。③ 各时期内平均比降变幅差异较大，蓄水维持期降幅最大，达到93.61%，蓄水期及消落期降幅分别为81.9%与72.4%，汛期则基本无变化，这与水位、流速等变化相对应。

3.4 水流功率变化

根据文献[1]，长江干流重庆河段水流功率可用下式表示：

(1)

图5 龙门浩河段成库前后水流功率变化Fig.5 Changes in stream power of Longmenghao reach before and after impoundment

式中：U为断面平均流速(m/s)；H为断面平均水深(m)；J为断面平均水面比降；g为重力加速度(9.81 m/s2)，γS为推移质密度(kg/ m3)；γ为水的密度(kg/ m3)；D为推移质中值粒径(m)。

将各时期水力因子平均量代入式(1)，计算得出水流功率，并点绘于图5。从图中可看出，成库后非汛期内，水流功率大幅下降，其中，各时期的变化幅度与水位、流速等因子相对应。根据各时期持续时间进行加权估算，成库后年内平均水流功率较成库前下降47.9%，水流功率的年内变化分布极不均匀，这将导致河段输沙规律的大幅变化，甚至可能引起新的冲淤变化及改变河床演变规律。

4 结 语

本文采用SMS平面水流二维数学模型，对三峡大坝175 m方案成库运行后龙门浩河段水流特性变化进行了分析研究，分析结果表明：

(1)通过成库前后年内坝前水位变化对比，可将三峡水库年内调度分为4个时期：汛期(6月初至9月末)、蓄水期(10月初至10月末)、蓄水维持期(11月初至次年1月末)和消落期(2月初至5月末)。

(2)成库后非汛期内，龙门浩河段转变为库区特性，尾水位抬升，水深增大，过水断面增加，水面比降放缓，水流流速、水流功率大幅下降，水流动力条件发生重大变化。汛期内河段恢复天然河道特性，水流特性与成库前基本一致。

(3)取各时期的平均流量下水流特性代表各时期水力因子的平均状况，通过成库前后各时期相同流量下该河段水流特性模拟对比，蓄水维持期水力因子的变幅最大、蓄水期次之、消落期最小、汛期则不发生变化。

(4)从各断面横向流速变化来看，成库后整个断面过流区域拓宽，流速分布趋于均匀，变化最大的区域主要分布在航槽附近。同时，断面的水动力轴线有向左岸摆动的趋势。

(5)通过加权估算，成库后年内平均水流功率较成库前下降47.9%，同时由于水流功率的年内变化分布极不均匀，将引起原有的输沙平衡发生新的变化。

参 考 文 献：

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