长寿-洛碛河段回水变动区二维水沙数值模拟研究

朱利晴，俞俊平，吴江鹏，何金宝，孙斌

(1.江西省交通科学研究院， 江西 南昌 330200；2.江西省港航管理局， 江西 南昌 330006)

三峡水库正常蓄水后，长寿到洛碛河段的回水变动区航道条件变得极为复杂，虽然国内有许多学者[1-6]从河床演变理论分析、数学模型计算、实体模型试验等不同角度对三峡蓄水后变动回水区的泥沙淤积情况进行了研究，得到了较为深入的认识，但以往大多采用19世纪60年代水沙资料，然而近年来，长江上游及其支流建库、水土保持等使得水沙条件发生了明显变化，该水沙资料已难以体现输沙量减小的最新趋势[7]，原有的研究成果可能与实际情况存在很大差异，不再适用。本文采用二维水沙长时段数学模型，选用2002年—2011年+1998年的10+1序列对三峡库区回水变动区水流与泥沙运动规律进行了模拟研究，通过对回水变动区各时段水流运动规律及泥沙运动形态的研究，主要包括悬移质、推移质的运动和水流流速、流态等的运动规律，进而分析该河段河道冲淤长时段变化规律，从而为航道整治及日常航道维护管理提供科学依据与理论基础。

1 三峡库区泥沙冲淤特性

长寿-洛碛河段位于重庆下游约50 km，河段全长约28.5 km，出口距三峡枢纽约530 km。该河段具有典型的山区河流特点，包括弯道，边滩，浅滩、深槽、分叉等多种河型，计算成果可反映多种河型的泥沙冲淤特点，具有较强的代表性，该河段的河势图见图1，其中SC1～SC9是选取的9个典型断面。

图1 三峡工程回水变动区长寿到洛碛河段河势图

1.1 冲淤强度

相关资料显示，三峡水库蓄水以来，2003年3月至2011年11月间库区大坝至铜锣峡干流全河段泥沙淤积总量为12.649亿m3，其中大坝至李渡镇段淤积12.417亿m3，李渡镇至铜锣峡河段淤积2326万m3。通过三峡库区各河段淤积量和淤积强度对比可知，泥沙淤积分布和淤积强度与河道形态存在着密切的关系，河道宽谷段淤积强度相对较大，窄深段淤积强度较小甚至局部出现冲刷现象，蓄水后大坝～铜锣峡干流宽谷段总淤积量为11.106亿m3[8]，占全河段总淤积量的93.1%，窄深河段总淤积量为0.826亿m3，仅占全河段总淤积量的6.9%。

1.2 冲淤形态

（1）淤积现象普遍。蓄水前，三峡库区纵剖面呈锯齿状分布。蓄水后泥沙淤积使纵剖面发生了一定变化。相较于2006年，2011年深泓线高程大，即工程河段存在普遍游积现象。

（2）垂向冲淤变化显著。三峡库区两岸一般为基岩组成，故岸线基本稳定，断面变化主要表现在河床的垂向冲淤变化。自蓄水以来，三峡库区淤积形态主要有[9]：

①主槽平淤，此淤积方式分布于库区各河段内，如坝前段、臭盐碛河段、黄花城河段等；

②沿湿周淤积，此淤积方式也分布于库区各河段内；

③左岸或右岸主槽淤积，此淤积形态主要出现在某些河道形态为弯道处，以土脑子河道为典型；冲刷形态主要表现为主槽冲刷和沿湿周冲刷，一般出现在河道水面较窄的峡谷段和回水末端位置。

工程所处的洛碛河段位于铜锣峡至涪陵河段中段部位，为川江典型的浅滩河段，三峡水库进入156 m蓄水期后，该河段成为三峡水库变动回水区河段，试验性蓄水后该河段枯水位进一步抬高，但由于目前该河段受蓄水影响时间较短，且处于变动回区上段，汛期基本为天然河道状态，该河段还未出现明显的累积性淤积状态。

（3）洲滩深槽淤积稳定。根据相关实测河床地形资料，工程河段整体河势稳定，没有出现大的滩槽移位。相较2006年，2009年河床地形普遍淤积1.5 m～2 m，局部深槽边滩淤积超过2 m，如麻柳场淤积约3 m，中挡坝淤积约4 m，雀石子淤积约3 m，板凳角淤积3 m，川江驳船厂码头前淤积4 m，重钢码头淤积6 m，王家滩右岸边滩淤积4 m～6 m，龙舌梁淤积3 m；2010年地形较2009年普遍淤积1 m～2 m，过年石至麻柳场出现2 m淤积带，中挡坝淤积2 m～4 m，车家石梁化危口码头、川江驳船厂和重钢码头等水工建筑物附近均出现了 2 m～5 m的淤积，骑马桥出现2 m～4 m淤积，龙舌梁至羊角堡左岸边滩有2 m～5 m淤积。

2 二维水沙模型建立及验证

2.1 二维水沙模型

本文所用二维水沙模型通过参考熊伟[9]等人的研究内容建立，利用 Mike软件对所建立的二维水沙模型进行相关数值模拟，因篇幅所限且此处并非本文研究重点，模型建立的基本方法、边界条件、应注意的核心问题及模型求解等详见参考文献[10]。本文采用三角形非结构网格对计算域进行网格剖分，计算区域从南坪坝（上游航道里程609 km）开始，至长寿钓鱼嘴（上游航道里程580.5 km）处结束，全长共计28.5 km，建筑物附近5 m、滩段10 m～20 m、其它河段40 m～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

河道对水流的阻力用糙率值表示，在二维水沙模型的水力计算中，糙率值是关键参数，糙率的大小与河床质组成、河道坡降、平面地形、断面形状及流量、水位等参数相关，需要用实测资料进行率定[11]。参考长江重庆航运工程勘察设计院“三峡库区（175 m运用初期）设计最低通航水位计算与分析”，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0.0366、0.0333和0.0394。

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）。

首先，为了比较不同床沙粒径对淤积的影响，固定来水来沙条件和输沙因子kb=ks=1，选取了 4种床沙粒径进行分析，分别为d50=0.28 mm，0.2 mm，0.1 mm和0.05 mm，进行了2009年的淤积计算。图2是进口流量、含沙量和出口水位的边界条件；图3比较了2009年4种粒径的淤积量，可见床沙粒径0.28 mm和0.2 mm淤积量基本相同，床沙粒径0.1 mm和0.05 mm淤厚基本相当。随着粒径增加，淤积量增加。分析认为不同粒径对淤积厚度有一定的影响，但敏感性不强。

其次，为了比较不同来沙条件对淤积的影响，固定床沙粒径d50=0.2 mm，kb=ks=1，比较了2种来沙条件的淤积厚度。来沙量减小，淤积随之减小，但影响并不显著。

图2 2009年水位、流量和含沙量过程

图3 不同床沙粒径淤厚比较

最后，为了比较输沙因子对河床输沙的影响，分别取值计算2009年6月1日至6月15日共15 d的淤积情况。各组淤积高程比较可知，不同输沙因子对淤厚有明显影响。

2.4 水位验证

验证资料参考值采用 2008年麻柳嘴和扇沱水位站实测水位值。通过模型计算值与实测水位值的对比分析可知：计算值与实测值整体契合程度良好，水位值基本一致，不过由于汛期水位通常变化较大，故汛期部分时段计算值与实测值稍有出入，但总体而言误差尚在可接受范围内。

2.5 地形验证

本文采用2006年－2009年三峡水库回水变动区实测地形资料进行地形验证。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1.06 m，数模计算淤积量为3863.28万m3，实测地形淤积3846.72万m3，两者相差16.57万m3，相对误差为0.43%。

3 河床冲淤规律分析

3.1 边界条件

为了分析工程河段长时段的河床冲淤变化规律，选用2002年—2011年和1998年的10+1序列重复一次对22 a间工程河段的冲淤变化计算，该序列既考虑输沙量减小的最新趋势，也包含各种特征年，考虑因素比较全面，具有较强的代表性。

3.2 淤积量变化

三峡水库运行5 a、10 a、15 a和22 a淤积量分别为 3867.878 万 m3、9774.527 万 m3、15 846.700 万m3和24 144.410万m3，对应的累积平均淤积厚度分别为1.22 m、3.09 m、5.01 m和7.63 m，由于每年的来沙量不同，每年的淤积强度和淤积厚度有所差异，最大的淤积强度发生在 2021年，淤积强度为1749.350 m3/a，淤厚为0.55 m/a；多年平均淤积强度为1097.473 m3/a，多年平均淤厚为0.35 m/a。

3.3 冲淤断面变化

总体来看，淤积主要发生在深槽和边滩，当三峡工程运行 22 a时，河段内的深槽基本上都被淤平，而浅滩河床淤积则相对较小，致使断面形状发生很大变化，宽深比明显增大，逐渐向“U”形发展，河槽向“单一”发展。具体来看，SC1断面（过年石附近）属于回流区，其右岸深槽最大淤积厚度达25 m，在深槽左侧浅区有少量冲刷；SC2断面（金钱罐附近）整个断面均发生淤积，最大淤厚约10 m；SC3断面（石船梁附近）属于宽浅河段，其深槽部位最大淤厚约 13 m；SC5断面（渝怀铁路桥上游600 m）整体断面淤积，最大淤厚约8.5 m；SC7断面（重钢码头下游400 m）属于弯沱区，其左深槽有26 m淤积，右岸边滩淤厚约5 m。

3.4 冲淤平面分布

三峡水库运行5 a、10 a、15 a和22 a后，可以看出整个河段均出现累积性泥沙淤积，这是由于汛后蓄水，水位大幅度提升，水流不能归槽，汛期淤积的泥沙难以得到有效冲刷造成的，同时还可以看出泥沙主要淤积在回流区、弯沱及河道的宽浅河段，主要的淤积区域位于南坪坝左槽、南坪坝尾至麻柳场、雀石子至点灯石左槽一带、渝怀铁路桥下游至车家石梁、白鹭嘴、骑马桥至螺丝口左槽、龙舌梁至羊角堡左槽，这些区域在三峡水库运行5 a、10 a、15 a和22 a时，淤高分别为5 m～7 m、6 m～26 m、10 m～32 m和14 m～34 m。

4 泥沙淤积对重点河段航道的影响

由于泥沙主要淤积在回流区、弯沱及河道的宽浅河段，故这些河段航道条件的变化相比其他河段更大。对于回流区，受累积性淤积影响较大的是过年石处河段，由于汛期水流趋直，该处回流区扩大，泥沙淤积，而在枯水期由于水库蓄水使得冲沙时间减少，泥沙不能完全冲走，造成了累积性淤积，但由于泥沙主要淤积于深槽，以及河道水位的整体抬升，其航道条件不会发生较大变化；对于弯沱区，骑马桥至螺丝口河段航道条件变化较为显著，两岸弯沱会出现较大强度的淤积，随着淤积年限的延长，弯沱逐渐被淤平，主槽将趋于顺直，航道宽度会有所减小，尤其是王家滩段，在中枯水时，其河道被忠水碛分成两汊，左汊为枯水航道，而左汊通航水域又主要在深槽，三峡水库运行5 a时，河段会因弯沱及深槽的淤积，出现河深及河宽不足的问题，需加强关注，必要时采取适当的整治措施，但是随着河道水位的整体抬升，运行20 a后河段整体水位将抬高1 m～6 m，且两汊深槽逐渐被淤满，断面逐渐向“U”形发展，成为单汊河段，存在的问题将会得以解决；而对于宽浅河段，由于过流面积突然增加，流速迅速减小而发生累积性泥沙淤积，淤积主要发生在边滩和江心洲处，在边滩处淤积，较为典型的是石船梁处河段，其凸岸进一步发展，河型逐渐向凹岸深槽的弯曲型过渡，宽度虽有所减少，但仍满足航运宽度要求，而在江心洲处淤积，变化较大的是南坪坝处河段，右汊河槽虽有所淤积，但其水深不会发生明显变化，宽度变化也不大，均满足航运要求，左汊则有逐渐淤废的趋势。

总的来说，除王家滩段外的其他河段，虽然也有累积性淤积，但航道条件不会产生明显变化，而对王家滩段，短期内可能会出现碍航现象，但长期来看，因泥沙落淤部位主要在深槽和边滩，不会对航道水深产生不利影响，且河道整体水位抬升，该段的碍航现象可得到缓解，航道条件也不会发生明显变化。

5 结论

本文通过建立二维水沙数学模型，在分析其敏感因素及其可靠性的基础上，对工程河段进行了长时段水沙数值模拟，分析了工程河段河床冲淤变化规律，预测了2012年—2033年间累积淤积情况，表明工程河段有比较明显的累积性淤积趋势，泥沙主要淤积在回流区、弯沱及河道的宽浅河段，短期内这些河段可能会出现碍航现象，但因泥沙落淤部位主要在深槽和边滩，且河道整体水位抬升，航道条件不会产生明显变化。本研究成果与实际情况十分吻合，可为计算河段的航道规划、航道维护、航道整治、码头选址以及挖砂采石等提供指导，也可为航道管理提供支撑。