三峡大坝175 m蓄水运行后猪儿碛河段水动力条件变化分析

罗全胜，曹明伟，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. 江苏交通科学研究院股份有限公司,南京 210017)

三峡大坝175 m蓄水运行后猪儿碛河段水动力条件变化分析

罗全胜1,2，曹明伟2，谢 龙3

(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. 江苏交通科学研究院股份有限公司,南京 210017)

三峡大坝175 m成库运行后将对变动回水区的水流特性产生重大影响，对其展开分析将为该河段的航道整治、通航规划、水沙规律研究提供重要理论支持。在长江上游水文局实测资料基础上，选择变动回水区中段猪儿碛河段作为典型代表河段，采用数值模拟与原形观测数据理论分析相结合的方法，借助Aquaveo.SMS软件建立平面水流二维数学模型，将年内各时段与有无回水影响的各种工况进行组合，分析探讨了回水作用对流场、流速横向分布、水动力轴线等水动力条件的影响。分析成果可为该河段的河流研究与航道治理提供依据，建立的数值模拟方法可为同类河段的数模研究提供参考。

三峡大坝猪儿碛河段；175 m蓄水；水流特性；平面水流二维数学模型；水动力条件

三峡大坝于2008年完成175 m高水位蓄水运行，坝前水位抬升后，回水作用显著增强，变动回水区的末端也大幅上移，最远可达重庆江津的红花碛附近[1]，整个500 km的重庆河段成为变动回水区。在汛末感受回水影响转为库区河段，在次年汛初随坝前水位的消落又逐渐转呈天然河道，周而往复。库区回水作用将壅高主城河段下游尾水，放缓坡降，导致流速、水流功率大幅下降[2]，局部地区出现主流离槽、水动力轴线大幅摆动[3]，水动力条件发生明显变化。

重庆是西南航运中心，其航道畅通的重要性不言而喻。因此，针对三峡大坝175 m蓄水后引起变动回水区水流特性的变化，选择重庆航道典型整治河段猪儿碛段作为研究河段，分析其水动力条件的变化，将为该河段，甚至整个重庆河段的河流特性的研究以及航道工程的规划、治理提供技术支持。

1 河段自然条件

1.1 地理位置、平面形态

猪儿碛河段上起黄桷渡，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]。

图1 猪儿碛河段河势图

1.2 地质条件

猪儿碛河段属川江山区河段，河床组成主要为基岩、花岗岩，岩层褶皱以背斜为主，河床组成坚硬不易变形，整个河段断面主要呈“U”型或“V”型[5]。

1.3 来水来沙特性

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)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26.1%。

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(Surface Water Modeling System，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，分别建立猪儿碛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，控制条件为上游的流量Q与下游水位W。

表1 成库前后猪儿碛河段二维数模参数率定

注：表中“*”所对应的数据为流量，单位为103m3/s。

表2 猪儿碛河段二维数模计算精度验证

2.2 边界条件与初始条件

在二维数模中，边界条件主要包括进、出口边界，岸边界以及动边界等，本模型采用了如下边界条件。

2.2.1 初始条件

对于给定的研究域，在时间t=0时有：

(1)

式中：h0为初始时刻水位；r0，s0分别为初始时刻的流量在x,y方向上的分量。

2.2.2 开边界

r=rB(t),s=sB(t),

h=hB(t) 。

(2)

式中:rB,sB分别为已知流量在x,y方向分量的过程线；hB为已知水位过程线。

2.2.3 固壁边界

固壁边界即水与陆的边界，由壁面的不透水性，可令法向流速vn等于零，切向流速vt由曼宁-谢才公式确定。若法向流速与x轴夹角为θ，则r和s与vn和vt的转换关系为

(3)

式中T为时间过程线。

2.3 模型参数率定

以5 000 m3/s为步长，将猪儿碛河段可能出现的来流量分为10级，根据实测资料进行水位、流速验证，率定成库前后每级流量糙率n及紊动能系数V0的取值(表1)。

2.4 模型验证

根据蓄水前后的多次实测资料，选择各流量级的平均流量作为代表流量对模型计算精度进行验证，验证成果列于表2。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85%，流速值误差在10%以内的保证率为80%，可见本文建立的猪儿碛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

三峡大坝175 m成库运行后，年内调度可分为4段：6月初—9月末为汛期、10月初—10月末为蓄水期、11月初—次年1月末为蓄水维持期、2月初—5月末为消落期，选择各阶段的平均流量作为其代表流量。参照长江上游水文局的实测资料，将各特征流量下的对应的水文信息列于表3，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，在成库前后流量误差相差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 流场变化

将各工况下猪儿碛河段流场分布绘于图2。在图2中，上游边界输入进口流量，下游边界输入控制水位，图中箭头大小与颜色深浅都反映了该区域流速大小。从图2可知，成库前后同流量下汛期流场分布变化基本一致，非汛期成库后同流量下，水位抬升，过水面积增大，右岸边滩、潜碛由干地变为过水湿地，整个河段流速大幅下降，其中主航槽的流速降幅要高于其它区域，整个过水区域流速分布趋于平均，流向线与航槽中心轴线夹角减小，流态更为平顺。同时，由于蓄水维持期水位抬升最高，过水面积增加最大，流速下降幅度最大，蓄水期次之，消落期则最小。

表3 成库前后猪儿碛河段计算条件

图2 猪儿碛河段成库前后流场变化

3.2 流速横向分布变化

选择CY20断面作为代表断面，将各工况下猪儿碛河段横向流速变化绘于图3。图中横坐标为距各断面左边起点的水平距离。

图3 猪儿碛河段成库前后横断面流速变化

由图3可看出，成库后非汛期内，同一流量下猪儿碛河段水面线变宽，延伸方向主要向河段右侧潜碛处，尤其在老鹳碛至猪儿碛段，河段左岸为坚硬基岩，延伸距离不明显。各时段水面线延伸距离差别很大，在蓄水维持期，延伸距离最大可达320 m。同时，河段内最大流速下降，过水区域拓宽，平均流速大幅下降，流速横向分布由尖锐的“陡峭型”放缓为“平滑型”，变化最明显的区域主要分布在主流区及右侧浅碛附近。

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%。

3.3 水动力轴线变化

将各时段下猪儿碛河段水动力轴线(各断面最大流速连线)绘于图4。

图4 猪儿碛河段成库前后各时段下水动力轴线

从图4可看出，各时段的水动力轴线存在着左右摆动的现象。由于工况7下的水动力轴线最靠近右岸，因此选为基准线，将其他各时段向左岸摆动的距离列于表4。分析表4的数据可知，猪儿碛河段水动力轴线随水位的上升呈左移趋势。这是由于河段水位上升后，右侧暗礁、潜碛区域过水，在崎岖地形的引导下呈乱流、回流流态，分散了本来靠近右侧边界的主流，导致流速横向分布线右侧趋于平缓，主流带左移。天然情况下，猪儿碛河段水位W与流量Q为单值对应关系，水动力轴线随着来流量增大左移，年内最大摆动距离为51.3 m。成库后非汛期内，河段水位主要由坝前水位决定，水动力轴线受回水影响在各时段内都有不同程度的左移。非汛期内，由回水作用引起的加权平均摆动距离约为28.4 m。其中变化最大的蓄水维持期内，平均左移距离为36.7 m，最大左移距离为56.4 m。由图4还可看出，摆动最明显的区域主要分布在两侧有浅滩、暗碛的放宽河段，而在两岸有坚硬基岩束窄的河段，水动力轴线则较为稳定，摆动幅度很小。

表4 各工况下猪儿碛河段水动力轴线摆动距离

3.4 推移质运动强度变化

Shields[9]认为，推移质泥沙的运动是水流切应力作用的结果，因此推移质运动的强弱与床面切应力密切相关。Einstein(1950)基于水力半径分割法得到了沙粒切应力的表达式为

(4)

式中：v为平均流速(m/s)；h为平均水深(m)；d为泥沙中值粒径(m)；J为水面比降。

将各工况下的计算成果代入式(4)，并根据各时段持续时间进行加权计算，得到τ由成库前的22.8 Pa降为14.5 Pa，下降幅度达36.4%，这势必将导致推移质输沙强度的大幅下降，引起河床发生新的冲淤变化。

4 结 论

本文在长江上游水文局实测资料的基础上，借助SMS软件建立平面水流二维数学模型，对三峡水库175 m方案成库运行前后猪儿碛河段水动力条件变化进行了分析研究，分析结果表明：

(1) 成库后同流量下，猪儿碛河段水位上升，右侧边滩、潜碛过水，河段流速放缓，流速分布趋于均匀，流向线与航槽中心轴线夹角减小，流态更加平顺。其中航槽流速的降幅要大于其他区域。

(2) 成库后同流量下，猪儿碛河段内最大流速下降，过水区域拓宽，平均流速大幅下降，流速横向分布由“陡峭型”放缓为“平滑型”，变化区域主要分布在主流区与右侧浅碛处。

(3) 猪儿碛河段水动力轴线随水位的抬升向左摆动，摆动幅度最大的区域主要在两侧有浅滩、暗碛的放宽河段，两侧有坚硬基岩束窄的河段摆动则较小。天然情况下，水动力轴线年内最大摆动距离为51.3 m，成库后非汛期内，由回水作用引起的加权平均摆动距离约为28.4 m。

(4) 成库后，猪儿碛河段沙粒切应力τ由成库前的22.8 Pa降为14.5 Pa，下降幅度达36.4%，将导致推移质输沙强度的大幅下降，引起新的冲淤变化及河床变形。

[1] 谢 龙．三峡变动回水区末端段复合水动力条件分析及对泥沙输移的影响[D]．重庆：重庆交通大学, 2013．(XIE Long．Study on Compound Hydrodynamic Conditions in Terminal of Fluctuating Backwater Reach of Three Gorge Reservoir and Its Influence of Sediment Transport[D]．Chongqing：Chongqing Jiaotong University, 2013．(in Chinese))

[2] HEY R D．Flow Resistance in Gravel-Bed Rivers[J]．Journal of the Hydraulics Division, 1979，105(4)：365-379．

[3] WILCOCK P R．The Critical Shear Stress of Natural Sediments[J]．Journal of the Hydraulics Division, 1993，119(4)：491-505．

[4] GOODWIN P. Analytical Solutions for Estimating Effective Discharge[J]． Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 130(8): 729- 738．

[5] 倪晋仁，惠遇甲．嘉陵江入汇对重庆河段水力特性影响的水力学分析[J]．泥沙研究，1991,(2)：29-37．(NI Jin-ren, HUI Yu-jia. Hydraulic Analyses of the Effect of Inflow of Jialing River on Flow Characteristics of Chongqing Reach[J]．Journal of Sediment Research, 1991,(2)：29-37．(in Chinese))

[6] 郭继明，陈子湘．三峡水库变动回水区铜锣峡河段演变研究[J]．长江科学院院报，1998,(3)：1-5．(GUO Ji-ming, CHEN Zi-xiang．Evolution Research of Tongluoxia River Reach in Changing Backwater Region of TGP Reservoir[J]．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1998,(3)：1-5．(in Chinese))

[7] 谢 龙，杨胜发，付旭辉，等．天白水电站溢洪道弯曲段流态优化试验[J]．重庆交通大学学报：自然科学版，2013,32(2)：310-312．(XIE Long, YANG Sheng-fa, FU Xu-hui,etal．Flow Pattern Optimization Experiment of Bending Section of Tianbai Hydroelectric Station Spillway[J]．Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2013,32(2)：310-312．(in Chinese))

[8] ACKERS P, WHITE W R．Sediment Transport: New Approach and Analysis[J]．Journal of the Hydraulics Division，ASCE，1973，99(11)：41-60．

[9] SHIELDS G L.Prandtl’s Mixing Length Concept Modified for Equilibrium Sediment-Laden Flows[J]．Journal of Hydraulic Engineering，1966，42(4)：115-123．

(编辑：刘运飞)

Variation of Hydrodynamic Conditions in Zhuerqi Reach afterthe Three Gorges Reservoir Impounds to 175m

LUO Quan-sheng1,2，CAO Ming-wei2，XIE Long3

(1.Engineering Technology Research Center of Small Watershed Conservancy under Universities of Henan Province, Kaifeng 475003, China; 2.Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475003, China; 3.Jiangsu Transportation Institute, Nanjing 210017, China)

The operation of Three Gorges Reservoir at 175m impounded water level will have a significant impact on the flow characteristics in backwater area. Analysis in this regard will provide theoretical support for the waterway regulation, navigation planning, and study on water and sediment regularities. According to the observed data from

hydrology bureau in the upstream of Yangtze river, we employed Aquaveo.SMS to establish a two-dimensional plane flow model, and simulated the hydrodynamic conditions in the presence of and in the absence of backwater in different periods of year to analyse the influence of backwater on hydrodynamic conditions (flow field, horizontal distribution of flow velocity, and hydrodynamic axis). Zhuerqi reach in the backwater area is selected as a typical example for the research. The numerical simulation method could be taken as reference for similar study.

Zhuerqi reach; 175 m impoundment; flow characteristics; 2D mathematical model of flow; hydrodynamic conditions

2013-12-05;

2014-01-04

国家自然科学基金资助项目(50579041)

罗全胜(1970- )，男，河南南阳人，副教授，硕士，主要从事水利水电工程教学与研究工作，(电话)13837837220(电子信箱)hhsy1qs@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.001

2015,32(05):1-5,10

TV147

A

1001-5485(2015)05-0001-05