三峡回水变动区长寿-洛碛河段水沙数值模拟

毕 方 全

(长江重庆航道局，重庆401147)

三峡回水变动区长寿-洛碛河段水沙数值模拟

毕 方 全

(长江重庆航道局，重庆401147)

三峡库区泥沙累积性淤积给航道的日常维护管理以及航道整治带来了新的问题。建立了二维水沙数学模型对三峡库区回水变动区长寿至洛碛河段的泥沙输移进行了数值模拟。敏感性分析表明输沙因子对泥沙淤积量影响最大。水位、流速流向和地形验证表明：数模计算成果较好地反映了实际水文、泥沙淤积情况。计算表明：受三峡回水影响，长寿至洛碛河段发生累积性的泥沙淤积，淤积区主要位于岸线凹凸不平的弯沱、回流区及河道的宽浅河段，淤积部位主要是深槽和边滩。淤积时间在每年的汛期6—9月份。受泥沙淤积影响，上、下洛碛和王家滩在低水位时航深不足，有碍航现象，建议加强监测，及时采取整治措施。

航道工程；水沙数学模型；三峡工程；回水变动区；河床演变

三峡水库正常蓄水运行后，长寿-洛碛河段成为三峡工程变动回水区，是长江上游重点碍航河段之一。据有关学者研究[1-2]，变动回水区河段泥沙淤积较为严重，河道两岸形成淤积边滩，影响港口作业，部分航道条件恶化，为航道的日常维护管理以及航道整治带来了新的问题。水沙条件和水库调度方式是影响三峡工程变动回水区河床演变的重要因素。长江上游大型梯级水库群及嘉陵江航电枢纽的建设改变了三峡工程变动回水区的来水来沙条件[3-6]，库区淤积情况与已有的研究成果相比发生了较大的变化。因此对泥沙问题的治理，还需做进一步的包括蓄水后的原型观测[7]、数值模拟、河工模型试验等方面的深入研究。笔者建立了二维水沙数学模型，在新的水沙条件下，对长寿-洛碛河段的冲淤趋势进行分析。

1 河段概况

长寿-洛碛河段位于重庆下游约50 km，长约30.5 km，出口距三峡大坝约530 km，是三峡工程变动回水区中宽浅、多滩的典型河段之一。天然情况下长寿-洛碛河段基本遵循年内洪淤枯冲、年际间冲淤交替且基本平衡的冲淤特性。

三峡水库蓄水运行当坝前水位低于148 m时，长寿-洛碛河段恢复为天然河段；当坝前水位148～158 m时，长寿-洛碛河段部分受壅水影响；当坝前水位在158～175 m时，整个长寿-洛碛河段处于壅水状态。

2 二维水沙模型建立及验证

2.1 二维水沙模型建立

建立的二维水沙模型基本方程包括水流连续方程、动量方程、悬移质不平衡输沙方程、推移质不平衡输移方程及河床变形方程，有关模型的基本控制方程、数值解法、关键问题环节的处理、初始边界条件及动边界技术等详见文献[8]。计算河段进口位于南坪坝(上游航道里程609 km)，下游出口位于长寿钓鱼嘴(上游航道里程580.5 km)，全长28.5 km。采用三角形非结构网格对计算域进行网格剖分，建筑物附近5 m、滩段10～20 m、其它河段40～50 m，平均20 m，按疏密渐变的方式划分，共剖分节点82 958个，单元168 046个。

2.2 糙率研究

糙率值是水力计算的关键参数之一，它综合反映了河道对水流的阻力。采用一维数学模型对工程河段的糙率进行率定，长寿-扇沱、扇沱-麻柳嘴和麻柳嘴-太洪岗各河段平均糙率分别为0.036 6，0.033 3和0.039 4。

2.3 敏感性分析

一般影响泥沙淤积量的因素主要有床沙粒径d50、来沙条件Q沙和输沙因子(Kb是推移质输沙因子，Ks是悬移质输沙因子)。目前常用的输沙公式有Engelund and Hansen模型、Van-Rijn模型、Engelund and Fredse模型和Meyer-Peter and Müller模型。为校证各输沙公式计算结果与实测输沙量之间的误差，在各输沙公式中引入输沙因子，其取值范围为0.1～2.0。通过对4种泥沙粒径、两个来沙条件和6组输沙因子组合的淤积厚度进行比较。限于篇幅，仅列出不同输沙因子淤积厚度比较，如图1。分析认为输沙因子对淤积强度的影响最为突出。使用Van-Rijn模型，选取不同输沙因子对2006—2009年河床地形进行验证计算，确定Kb=Ks=0.15；床径d50=0.123 mm；来沙条件Q沙采用寸滩水文站实测来沙量。

图1 不同输沙因子取值淤积厚度比较(2009年)Fig.1 Deposition comparison of different sediment load factor

2.4 水位验证

图2比较了扇沱和麻柳嘴水位站计算水位和实测水位，可见计算值与实测值相位符合良好，水位值基本相当。误差较大的时段主要出现在汛期，分析原因是汛期水位变幅较大，数模只给定平均糙率不能完全反应不同水位糙率的影响。

图2 水位验证(2008年)Fig.2 Verification of water level

2.5 流速流向验证

图3比较了计算流速与浮标实测值的大小和方向，可见流速分布及最大值、最小值的位置均与实测资料较为一致。

图3 流速流向验证Fig.3 Verification of water level

2.6 地形验证

采用2006—2009年实测地形资料进行地形验证。图4是选取的典型断面淤积地形比较，总体来看数模计算与实测主要淤积部位基本一致，实测平均淤高1.16 m，数值计算平均淤高1.06m，数模计算淤积量为3 863.28万m3，实测地形淤积3 846.72万m3，两者相差16.57万m3，相对误差在0.43%。

图4 地形验证Fig.4 Verification of topography

3 河床冲淤规律分析

3.1 边界条件

为了分析工程河段淤积规律，进行了2009—2011年这3年的模拟计算。图5显示了2009—2011年进口流量过程线、进口含沙量过程线和出口水位过程线。

图5 边界条件Fig.5 Boundary conditions

3.2 冲淤平面分布

图6显示了2009年初至2011年末河床淤积厚度分布。整体来看工程河段河床平均淤厚1.15 m。局部来看，在南坪坝左槽发生淤积，平均淤厚约3～4 m；南坪坝后至金钱罐右槽有淤积带，平均淤厚2～3 m，过年石与下迎春石之间最大淤厚达6 m；小碛包、小金堆、大金堆和荷叶坪一带淤厚约 2～3 m；沙公溪、大滩嘴至占灯石原深槽一带有比较明显的淤积，平均淤厚在3～5 m，最大淤厚达7 m；渝怀铁路下游深潭部位出现约7 m的淤积。化危品码头前沿有2～3 m的淤积。周家碛右槽深潭淤厚3～5 m；白鹭嘴和重钢码头上游淤积明显，最大淤厚7～9 m；骑马桥、大沙坝和螺丝口左槽带有较大的淤积带，平均淤厚约5～6 m，骑马桥处最大淤厚达9 m；忠水碛右槽有1～2 m的淤积；龙舌梁至羊角滩左深槽有约5～6 m的淤积，最大淤厚达9 m。总的来看，淤积区主要位于岸线凹凸不平的弯沱(扇沱～忠水碛)、回流区(南坪坝后)及河道的宽浅河段，淤积后的河床岸线趋于平顺，边滩淤高长大，河道变窄，主槽位置一般不变。

图6 工程河段2009—2011年淤积平面分布Fig.6 Siltation plane distribution in works river section from Changshou to Luoqi during 2009 to 2011

3.3 冲淤断面变化

图7显示了8个典型断面淤积分布。总体来看，淤积主要发生在深槽和边滩。具体来看，SC1断面(过年石附近)右岸深槽淤积约4 m，右岸边滩淤积约2 m，在深槽左侧浅区有少量冲刷；SC2断面(金钱罐附近)主要在边滩淤积，最大淤厚约6 m，断面形状向U形发展；SC3断面(石船梁附近)主要在深槽有少量淤积，淤厚约3 m；SC4断面(薛家梁附近)在左岸深槽有大量淤积，淤厚近8 m；SC5断面(渝怀铁路桥上游600 m)淤积发生在两岸边滩，淤厚约4 m；SC6断面(化危口码头附件)左侧深槽和右岸边滩，最大淤积约4 m；SC7断面(重钢码头下游400 m)左深槽有8 m淤积；SC8断面(横石板)在忠水碛两侧深槽有淤积，淤厚约 5 m。

图7 工程河段典型断面淤积分布Fig.7 Typitcal sectional siltation distribution in works river section

3.4 淤积量变化

图8显示了2009—2011年底累积淤积量，可见工程河段有比较明显累积性淤积的趋势。图9是平均每月淤积量比较，可见淤积主要发生在每年的6—9月的汛期。分析淤积量随时间的变化规律为汛期来水来沙量增大，以落淤为主；汛后坝前水位由145 m 逐步抬升至175 m，水位升高，流速减小，挟沙能力减弱，泥沙淤积；每年的汛前坝前水位从175 m降至防洪限制水位145 m，河床主槽及边滩略有冲刷。因此，淤积量过程每年均有冲淤交替的变化，总体上呈上升趋势。

图8 2009—2011年累积淤积量Fig.8 Cumulative siltation volume from 2009 to 2011

图9 2009—2011年月均淤积量Fig.9 Average monthly siltation volume from 2009 to 2011

4 泥沙淤积对重点浅滩航道的影响

洛碛和王家滩是川江航道上最著名的低水位期弯道浅滩。洛碛河段平面形态为宽窄相间，窄段水深较大，宽段多江心洲和边滩，在洲尾和边滩，或者两个边滩之间形成过渡段浅区。上洛碛河段右岸南坪坝尾的狭长淤积带迫使低水位航槽逐渐向河心移动，若遇到大沙小水年份时，在次年消落期可能出现碍航问题，建议加强监测，及时采取整治措施。下洛碛河段左边滩的淤积使得低水位航槽向右岸位移，航线贴近五金堆、金钱罐等礁石区，对船舶安全航行有较大的危害，需加强关注。王家滩段中低水位时河道被忠水碛分成两汊，左汊为低水位航道。由于泥沙淤积，左槽航深不足，有碍航现象。

5 结 语

建立了二维水沙数学模型对三峡库区回水变动区长寿至洛碛河段的泥沙输移进行了数值模拟，敏感性分析认为输沙因子取值对泥沙淤积量影响最大。水位、流速流向和地形验证表明数模计算成果较好反映实际水文、泥沙淤积情况。

对长寿-洛碛河段2009—2011年泥沙淤积的计算表明，该河段发生累积性的泥沙淤积，淤积区主要位于岸线凹凸不平的弯沱(扇沱～忠水碛)、回流区(南坪坝后)及河道的宽浅河段，淤积部位主要是深槽和边滩。淤积后的河床岸线趋于平顺，边滩淤高长大，河道变窄，主槽位置一般不变。淤积发生时间在每年的汛期6—9月份。受泥沙淤积影响，上、下洛碛和王家滩在低水位航深不足，有碍航现象，建议加强监测，及时采取整治措施。

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Sediment Numerical Simulation of Changshou to Luoqi Reach in FluctuatingBackwater Area of Three Gorges Project

BI Fangquan

(Changjiang Chongqing Waterway Bureau, Chongqing 401147, P.C. China)

The accumulated siltation and sediment in Three Gorges reservoir zone caused new problem to the daily management, maintenance and regulation of waterway. In this paper, the 2D flow-sediment mathematical model was established to simulate the muddy sand transport in the Three Gorges Reservoir regional backwater variation zone in the river reach from Changshou to Luoqi. Sensitivity analysis shows that sediment input factor is key parameter influencing sedimentation volume. Water level, flow velocity and direction and topography verifications show that this mathematical model calculation results well reflect the reality hydrology and siltation. The calculation results show that subject to the influence of backwater of the Three Gorges Reservoir, cumulative deposition happens in the reach from Changshou to Luoqi and siltation zones are located primarily in the river sinuses，the backflow zones and broad-shallow reaches of the river and siltation mainly occurred in deep trench and side beach in flooding season from June to September. Because of the siltation and sediment, water depth at upper and lower reaches of Luoqi and Wangjiatan is insufficient so as to impede navigation. It is suggested to enhance monitoring and take timely rectification and regulating measures.

channel engineering; flow-sediment mathematical model; Three Gorges project; backwater variation zone; river bed evolution

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.15

2015-02-02；

2015-06-01

毕方全(1962—)，男，重庆人，高级工程师，硕士，主要从事航道、港口工程方面的研究。E-mail：993182321@qq.com。

TV147. 5

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1674-0696(2015)02-064-06