边界条件对荆江监利河段枯水河槽形态调整的影响

2021-04-02 09:14林芬芬，夏军强，周美蓉，邓珊珊

人民长江 2021年3期

林芬芬，夏军强，周美蓉，邓珊珊

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072； 2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

监利河段位于荆江段尾部，通常指塔市驿至城陵矶之间的河段。该河段进口断面位于三峡大坝下游约332 km，尾端有洞庭湖来水入汇，属于典型的弯曲型河段。受三峡工程运用及洞庭湖出流顶托的影响，该河段进口水沙过程及其出口侵蚀基准面发生改变，枯水河床冲刷剧烈，河槽形态相应调整，航道条件变化较为复杂，故有必要研究近期监利河段枯水河槽的演变过程。目前，关于三峡工程运用对监利河段枯水期航道条件的影响，主要有以下3种看法：① 利大于弊,工程运用后监利河段枯水河床主要表现为冲深下切，河槽宽深比减小，航道条件改善[1]；② 弊大于利，监利河段局部区域河床冲深与展宽同时发生，航道水深无明显变化，但主流摆动范围增大，航道条件恶化[2]；③ 利弊相当，一方面枯水流量增大、河床冲深下切等使得航道水深整体有所增加，而另一方面洲滩冲刷、河岸崩退等引起局部河段航道条件恶化[3]。以上成果多从宏观上定性描述监利段航道条件的变化过程，较少定量分析该河段枯水河槽调整及其对航道条件的影响。

关于冲积河流河床调整的研究方法主要有物理模型试验[4]、数值模拟计算[5-7]及实测资料分析等[8-11]。邓晓丽等[4]借助物理模型试验，开展了长江下游张家洲水道河床演变特征及其航道整治工程效果研究。假冬冬等[7]通过三维水沙动力学模型，分析了岸滩侧蚀对长江中游太平口水道通航条件的影响。朱玲玲等[10]则基于原型观测资料分析，预测了近期下荆江急弯段的演变过程及航道条件的变化趋势。物理模型试验对于研究整治建筑物附近的水沙输移及河床变形较为有效，但由模型几何变态及时间变态带来的问题仍有待于深入研究，通常不适于模拟长河段的河床演变过程。数值模拟在长河段一维河床变形预测中优势明显，但在研究边滩冲刷后退对航道条件的影响时，通常需采用二维及三维水沙模型进行计算，这对输入资料的要求较高且仍有一定难度。实测资料分析法因其基于大量原型观测数据，所得结论真实可靠，在河床演变研究中被广泛应用。但现有成果多为航道演变过程的定性描述，且大多学者侧重于分析典型断面的变化过程，无法从整体上预测研究河段内枯水河槽的变化特点。

本文首先采用一维水动力学模型[12]及河段平均的河床演变分析方法[13]，计算了监利段2002～2017年断面尺度及河段尺度的枯水河槽形态特征值(枯水河槽面积、宽度、水深及宽深比)，用于研究三峡工程运用后该河段枯水河槽形态的变化过程及其对航道条件的影响。其次，建立了枯水河槽形态特征值与上下游边界条件之间的经验关系，用以定量分析边界条件变化对监利段枯水河槽形态调整的影响。

1 监利河段概况

三峡工程的运用导致该河段的进口沙量大幅度降低，河床普遍发生冲刷。而洞庭湖的出流顶托则明显影响了监利河段出口处的水位-流量关系，改变了河段出口的侵蚀基准面条件。本文收集了1991～2017年监利及城陵矶(七里山)2个水文站的日均流量、含沙量及水位数据，以及同时期莲花塘水位站的日均水位值。从图1可以看出：监利站位于研究河段进口下游约12 km，该站实测水沙数据可近似代表进入监利河段的水沙条件。城陵矶站位于洞庭湖出口，该站实测流量值反映了洞庭湖入汇流量的大小。莲花塘站位于研究河段出口，该站流量近似等于监利与城陵矶(七里山)两站流量之和，通常采用该站水位-流量关系代表河段出口的侵蚀基准面条件。下面将具体描述监利河段的上下游边界条件以及近期河床冲淤过程。

图1 研究区域示意Fig.1 Sketch of study area

1.1 河段上下游边界条件

1.1.1上游边界条件

上游来水来沙条件是河床冲淤过程的主要控制因素。监利河段水、沙量主要来源于长江干流，汛期集中在5～10月，尾端有洞庭湖来水入汇，区间内无较大汇流或分流。实测资料显示，该河段水沙主要集中于汛期输送，多年平均汛期水量约占年总水量的73%，汛期沙量则占年总沙量的91%。由汛期水沙条件的变化过程可知(见图2)，三峡工程运用后(2003～2017年)，监利站水量稍有减少，多年平均汛期水量降至2 577亿m3，较蓄水前(1991～2002年)减小9%；多年平均汛期沙量降至0.60亿t，较蓄水前减小近80%，故三峡工程运用后监利站沙量大幅度降低。

图2 1991～2017年监利站汛期平均水沙变化过程Fig.2 Temporal variations of water volume and sediment load in flood-season at Jianli Station from 1991 to 2017

(1)

式中：Qfi为监利站汛期日均流量，m3/s；Sfi为监利站汛期日均悬移质含沙量,kg/m3；Nf为汛期总天数,d。

(2)

1.1.2下游边界条件

图3给出了1991～2017年监利站与城陵矶站汛期平均流量、莲花塘站汛期平均水位的变化过程。可以看出：① 监利站与城陵矶站汛期平均流量相差不大，相应平均值分别为16 948 m3/s和11 644 m3/s；② 莲花塘站汛期平均流量值介于19 063～40 071 m3/s之间，相应水位值为23.19～28.63 m；③ 莲花塘站汛期平均水位与城陵矶站流量总体上呈正相关，二者相关系数达0.84。从莲花塘站不同年份的水位-流量关系可以看出(见图4)：在河床发生累积性冲刷的情况下，同一流量下该站2010年水位值总体上仍大于2005年。分析同时期干支流的来流量变化可知，2010年城陵矶站汛期平均流量较2005年增大了2 933 m3/s，而同时期监利站汛期平均流量较2005年减小了2 165 m3/s。可以看出：当河段出口莲花塘站总流量一定时，城陵矶站流量所占比重越大，则监利河段出口水位将越高，故洞庭湖入汇流量的增大是造成莲花塘站水位抬升的重要因素之一。

图3 监利站与城陵矶站汛期平均流量及莲花塘站汛期水位的变化过程Fig.3 Temporal changes in the discharge at Jianli Station(QJL)and Chenglingji Station(QCLJ)，and stage at Lianhuatang Station(ZLHT)

图4 不同年份的莲花塘站水位-流量关系Fig.4 Different rating curves between stage and discharge at Lianhuatang Station in 2005 and 2010

(3)

1.2 河床冲淤过程

三峡工程运用后，进入监利河段的沙量大幅度降低，河床发生累积性冲刷，2002～2017年枯水河槽冲刷总量达1.72亿m3，约占平滩河槽的87%[17]。从监利河段枯水河槽冲淤量的变化过程来看(见图5)：三峡工程运用初期冲刷强度较大，2002～2005年枯水河槽累计冲刷量为0.54亿m3，相应冲刷强度为18.75万m3/(km·a)；2005～2008年冲刷强度有所减弱，冲刷强度仅为3.70万m3/(km·a)；2008年10月三峡水库进入175 m试验性蓄水阶段，此后河床冲刷加剧，2008～2017年监利河段枯水河槽累计冲刷量为1.07亿m3，相应冲刷强度为12.52万m3/(km·a)。

2 计算方法

采用一维水动力学模型[12]及河段平均的河床演变分析方法[13]，计算监利河段2002～2017年断面尺度及河段尺度的枯水河槽特征值(面积、宽度、水深及宽深比)。应当指出，考虑到监利河段内水位或水文站数量较少(仅监利及广兴洲两站)，无法对水动力学模型进行详细率定及验证，故本研究中一维水动力学模型的计算范围为整个下荆江河段。模型主要控制方程如下[12]：

水流连续方程

(4)

水流运动方程

(5)

(1) 给定边界条件。上游边界条件为每隔200 m3/s设定的不同流量级，下游边界条件为出口断面莲花塘站实测的水位-流量关系，根据该关系曲线，可确定不同流量级下的出口水位。以2007年为例，当流量为8 000 m3/s时，监利河段出口(莲花塘站)的水位值为18.62 m(见图6)。

图6 莲花塘站2007年水位-流量关系Fig.6 Rating curve between stage and discharge at Lianhuatang Station in 2007

(2) 率定各流量级下的糙率值。以2005年为例(见图7)，对各流量级下沿程各站(石首(SS)、调弦口(TXK)、监利(JL)及广兴洲(GXZ)站)所在断面的糙率进行率定，使得以上4站计算的水位-流量关系与实测值符合较好。其余断面的糙率通过这些断面率定的糙率插值确定，并进一步计算出这些断面的水位-流量关系。糙率率定结果表明，各站糙率年际间无明显波动，基本介于0.01～0.03之间。

图7 2005年典型断面计算与实测水位-流量关系比较Fig.7 Comparisons between the calculated and measured stage-discharge rating curves at typical sections in 2005

(6)

3 断面尺度的枯水河槽形态调整

3.1 断面尺度枯水河槽特征值的沿程变化

图8(a)～(d)分别给出了监利河段2002，2017年不同断面的枯水河槽面积、宽度、水深及宽深比的计算结果，可见各断面枯水河槽特征值差别较大。以2017年为例，监利河段枯水河槽面积的取值范围为2 630～8 809 m2，宽度和水深则分别介于338.00～1 187.00 m和2.99～12.85 m之间，相应宽深比最大值(10.37)出现在荆江门弯道附近，最小值(2.40)则出现在洪山头-盐船套顺直段附近。

图8 监利河段2002，2017年各断面枯水河槽特征值Fig.8 Temporal variations in low-water channel dimensions at section-scale in 2002 and 2017

对比三峡水库蓄水前后枯水河槽特征值的沿程变化可知：三峡工程运用后监利河段枯水流量下的河床变形整体上以冲深下切为主，断面宽深比减小，航道条件整体有所改善，其中尤以顺直段最为明显。这主要是因为近年来监利河段主流顶冲及贴岸段护岸工程的有效实施，该河段岸线基本保持稳定，加之近期航道整治工程的实施，进一步提升了河段内滩槽的稳定性。如在监利河段进口乌龟夹局部河段，航道部门先后实施了窑监河段航道整治一期工程和乌龟洲右缘中下段守护工程，稳定了乌龟夹左边界，改善了航道条件[3]。同时，应当指出，由于部分过渡段与急弯段边滩剧烈冲刷，断面趋于宽浅，枯水河槽宽深比蓄水前有所增加，航道条件发生恶化，如大马洲段、荆江门段及七弓岭段等。

3.2 典型断面枯水河槽特征值的历年变化

此处选取监利河段不同位置(顺直段、弯道段及过渡段)的典型断面作为研究对象，分析其历年枯水河槽形态的调整特点。

(1) 顺直段。对于监利河段内的顺直段(洪山头-盐船套段)而言，河道形态相对单一，枯水流量下的河床变形主要表现为冲深下切，河床朝窄深方向发展，航槽位置稳定，断面宽深比总体呈减小趋势，航道条件整体有所改善。选取典型断面荆169进行分析(见图9(a))，可以看出：蓄水后该断面深泓点累计冲深约6.8 m，枯水河槽宽度无明显变化，枯水河槽水深由2002年的3.37 m增大到2017年的6.17 m，相应枯水河槽宽深比则由9.07减小到4.94。

(2) 弯道段。近期监利河段内的部分急弯段凸岸边滩冲刷明显，断面形态趋于宽浅，导致弯道水流分散，难以集中冲槽而出浅碍航。以典型断面荆174和JJL179.1为例展开分析。荆174断面位于荆江门弯道，2002～2017年凹岸深槽有明显淤积，深泓点累计抬升15.4 m的同时，向左岸淤进约276 m；凸岸边滩则发生持续冲刷，该断面形态由深槽靠右的偏V形向深槽不明显的U形转化，其枯水河槽宽深比由2002年的2.40增大到2017年的3.18(见图9(b))。JJL179.1断面位于七弓岭弯道，随着左侧边滩冲刷后退、右侧深槽淤积抬高，该断面形态由深槽贴右岸的偏V形向双槽的W形发展，相应枯水河槽宽深比由4.93增大到5.70(见图9(c))。

图9 典型断面的枯水河槽形态变化Fig.9 Temporal changes of cross-sectional profiles at typical sections

(3) 过渡段。近年来监利河段过渡段内的边滩整体呈冲刷后退趋势，断面趋于宽浅化，主流摆动范围加大，航槽稳定性减弱。例如，主流经过乌龟夹后被太和岭矶头挑向右岸，导致下游大马洲段的丙寅洲边滩发生强烈冲刷，滩体不断冲刷后退，河床展宽明显。图9(d)给出了丙寅洲边滩处荆148断面的变化过程，可以看出：三峡工程运用后该断面凸岸边滩冲刷后退，凹岸深槽淤积抬升，且深槽向右移动约531 m，断面形态由偏左岸的V形向U形转化，相应宽深比由5.00增大到5.26。

4 河段尺度的枯水河槽形态调整

4.1 河段尺度枯水河槽特征值的历年变化

图10 河段尺度的枯水河槽特征值的逐年变化Fig.10 Temporal variations in reach-scale low-water channel dimensions from 2002 to 2017

4.2 边界条件对枯水河槽形态调整的影响

4.2.1上游边界条件的影响

图与汛期平均水流冲刷强度及上下游水位差的相关系数R2随滑动平均年数n的变化Fig.11 Coefficient of determination between calculated and observed low-water areas，based on the tests of and for different delay years