熊家洲新汊道对七弓岭弯道水动力调整的影响

刘亦伦 ，李志威，谭 岚，陈 帮，王赞成，姜英豪

(1.湖南省水运建设投资集团有限公司，长沙 410011； 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3.湖南百舸水利建设股份有限公司，长沙 410007; 4.长沙理工大学 水利与环境工程学院，长沙 410114)

1 研究背景

荆江是指长江自湖北省枝城至湖南省岳阳城陵矶的360 km河段，自藕池口分为上、下荆江段，上荆江为微弯河段，下荆江为典型弯曲河道[1]。熊家洲河段位于下荆江尾部，该河段由熊家洲、七弓岭、观音洲3个反向的高弯曲度的河湾组成。下荆江河床调整的影响因素包括人工裁弯后河势控制工程、洞庭湖分流减少和三峡水库运行[1-2]。下荆江河道演变受人类活动包括筑堤护岸工程及人工裁弯的影响[3-4]，其中熊家洲河段由微弯逐步朝S型发展，最终形成目前的弯曲分汊平面形态。

熊家洲弯道在三峡水库蓄水前河槽断面形态由偏U型过渡到偏V型，蓄水后又逐渐恢复到U型。七弓岭弯道在三峡水库蓄水前已有凸冲凹淤的现象发生，在三峡水库蓄水后该趋势进一步加剧[5]，并且凹岸区域形成沙洲。七弓岭、观音洲上下两弯道表现出相反的冲淤规律，汛期上冲下淤，枯水期上淤下冲[6]。七弓岭弯道上游顺直过渡段深泓位置随上游熊家洲出流水流条件调整变化为左-右-左，七弓岭弯顶部分的深泓摆动有相同变化趋势[7]，深泓线的频繁摆动导致尾闾段河道弯曲度加大[8-9]。熊家洲河段的八姓洲颈口附近在熊家洲新汊道水流顶冲作用下，七弓岭弯道有可能发生崩岸型裁弯，对城陵矶水位上涨带来一定风险[10-11]。熊家洲新汊道在三峡水库蓄水后有所发展，在一定条件下加剧河势调整的可能性，故控制下游顺直过渡段边滩(银沙滩)和岸线稳定显得尤为重要[12]。

熊家洲弯道的切滩撇弯形成新汊道，改变了下游出口的水流条件，也影响下游七弓岭弯道水动力结构和河床冲淤，但是对七弓岭颈口附近的水动力条件及发生裁弯的影响尚不清晰，而且缺乏对熊家洲弯曲分汊河段的水动力模拟研究。因此，本文基于MIKE 21软件建立熊家洲弯曲分汊河段的水动力数值模型，模拟不同开槽、不同流量条件下七弓岭河段水动力变化，以期为熊家洲和七弓岭河段的河道治理与防洪安全提供一定参考。

2 河段特性与数据来源

2.1 河段特性

熊家洲弯道位于长江中游下荆江尾闾，是下荆江弯道曲度最大的河段。自荆江门弯道开始出现荆江门、熊家洲、七弓岭、观音洲4个连续急弯(图1)。下荆江河段的河床床面沉积物以中细沙为主，抗冲性较弱，自然裁弯和切弯撇滩曾经多次发生于下荆江河道。熊家洲弯道在1950年左右发生切弯撇滩，形成一个新生汊道(图1(b)，图1(d))，从此形成主流与支汊共存的分汊河势。新生汊道的两岸物质组成以非黏土为主，上层黏性土较薄，部分厚度不到1 m。汊道左岸被密集芦苇覆盖，右岸前沿为沙质浅滩、后方植被以芦苇为主。该河段靠近洞庭湖城陵矶出口，水位-流量关系不仅受上游来水条件影响，而且还受洞庭湖出流的一定顶托作用。

图1 下荆江熊家洲河段Fig.1 Xiognjiazhou reach of the lower Jingjiang River

熊家洲新汊道水流对七弓岭弯道水流、河床冲淤以及颈口的顶冲都有一定影响，同时城陵矶交汇处水流顶托对颈口影响不大，可不予考虑。图2为七弓岭弯道颈口处，2019年1月考察发现此处河岸受熊家洲新汊道顶冲作用，发生长河段的强烈崩岸现象，崩岸长度达数百米，平面上成半圆形嵌入河岸，崩岸类型为窝崩。

图2 七弓岭弯道颈口上游侧崩岸影像Fig.2 Bank collapse of upstream side at the neck of Qigongling Bend

在七弓岭弯道凸岸颈口处分别采集河岸上层、中层、下层原状土样，对<1 mm的细颗粒采用马尔文MasterSizer 2000激光粒度分析仪进行粒径分析。河岸土体粒径级配分布如图3所示。极细砂土(75～100 μm)和粉土(5～75 μm)占绝大多数，黏土(<5 μm)含量低。上层土粒径d10=8.68 μm，中值粒径d50=47.49 μm，d90=140.10 μm。中层土粒径d10=3.41 μm，中值粒径d50=17.68 μm，d90=40.62 μm。下层土样粒径d10=3.64 μm，中值粒径d50=14.71 μm，d90=61.76 μm。上层、中层、下层土体的不均匀系数(Cu=d60/d10)分别为7.3、5.0、5.6。

图3 河岸土体的泥沙颗粒级配曲线Fig.3 Grading curves of bank soil particles

2.2 数据来源及处理

研究河段内共设有下荆江的监利水文站、洞庭湖区出口城陵矶(七里山)水文站、城陵矶(莲花塘)水文站和洪湖市螺山镇螺山水文站4个一类精度水文站。选取三峡水库运行后2004—2016年各站水文数据作为MIKE21水动力数值模型运行条件。河道地形选取2013年实测数据，将地形数据转化为MIKE常用格式导入MIKE ZERO中的Mesh Generator以确定边界，随后设置网格参数条件点击生成网格。单位网格面积设置为最大不超过20 000 m2，共生成27 384个计算网格，14 973个计算节点。对生成网格进行光滑处理，最后对网格插值确保每一个网格都有计算数据并生成Mesh文件。其中，地形数据高程基准面统一采用1985年黄海高程。监利—螺山河道地形如图4所示。

图4 长江中游监利—螺山河段的河道地形Fig.4 Channel topography of the Jianli-Luoshan reach in the middle Yangtze River

3 研究方法

利用MIKE 21软件建立柳口—螺山段水动力数值模拟模型，并利用柳口—螺山河段的水文数据验证其可靠性。本研究只关注熊家洲河段，模拟新汊道与主流共存河势下不同流量和不同汊道尺寸对下游七弓岭弯道的水动力影响。

研究河段自柳口至螺山中间经城陵矶有洞庭湖水流汇入，全长约123 km，设置柳口、城陵矶(七里山)2个进流断面和螺山出流断面。为保证模型模拟准确性，模拟初始水位。先建立热启动文件，以2016年9月1日3个水文站流量数据为边界值，生成全区域初始水面高度。构建MIKE 21水动力数值模型，先导入适用于MIKE Flow Model FM的mesh文件。选取2016年9月水位、流量数据进行模拟,时间步长为600 s，模拟步数为4 320。选择水动力模块，添加干湿边界允许干枯和水淹，初始干枯深度为0.005 m，水淹深度为0.05 m，采用高阶计算精度。涡黏性系数采用Smagorinsky公式，曼宁系数选取32 m1/3/s。以2016年9月流量数据作为边界条件。其他参数如风力、冰层覆盖、潮汐势、波浪辐射等因素不予考虑。

采用2016年9月的水位及流量数据进行流场模拟，对比分析模拟结果与实测水位数据进行正确性验证,见图5。

图5 莲花塘模拟水位与实测水位比较Fig.5 Comparison of water level between simulation and measurement in Lianhuatang hydrological station

由图5可得，城陵矶(莲花塘)处MIKE 21模拟水位与实测水位较吻合，利用纳什效率系数,即

(1)

为定性分析熊家洲新汊道分流对下游产生的影响，在mesh文件中设置汊道为原始尺寸、无汊道和汊道宽度分别拓展为50、200、500 m，来模拟新汊道水流对下游七弓岭段的水动力影响程度。熊家洲洲滩的物质组成较为单一，差异不大，因此河槽展宽时未受约束，向两侧自由扩展。分别计算三峡水库运行以来2004—2016年逐日流量频率P=10%、50%、90%时其对应流量作为模拟工况的高中低档流量。定义监利水文站流量分别为21 000、9 500、5 800 m3/s，城陵矶(七里山)水文站流量分别为15 000、6 000、2 200 m3/s。工况设计如表1所示。

表1 不同模拟工况下来流量和汊道尺寸Table 1 Incoming discharge and branch size under different simulation conditions

4 结果分析

4.1 平面流场分析

三峡水库运行后，下荆江年内流量削峰补枯，中水流量出现频率增加，故本节分析采用中水流量条件(表1，工况5—工况8)。中水流量条件下水流动量大，惯性作用强，边滩淹没，对水流约束小以致主流线曲率小，使得主流线贴近弯道凸岸侧而行。图6表明了不同尺寸汊道在中水流量条件下流速分布情况。在无汊道时，出熊家洲弯道后的流速分布不均匀，流速偏向无明显规律，进入七弓岭弯道流速分布才开始均匀化，流速无偏向。出七弓岭弯道后主流开始偏向七弓岭凹岸侧，随后逐渐向凸岸侧转移。

图6 熊家洲中水条件工况5—工况8的模拟流场Fig.6 Simulated flow fields under medium flow condition (Run 5-8) in Xiongjiazhou reach

新汊道宽度为50 m时，熊家洲弯道出流流速均匀，主流偏向七弓岭弯道凹岸侧，接近观音洲弯道逐渐向左岸偏移。汊道宽度为200 m时，熊家洲弯道出流沿程依旧偏向凹岸，但主流线始终贴近凸岸侧前行，流速大小基本无变化。当汊道宽度拓宽至500 m时，熊家洲新汊道分流能力明显增强，已成为主要分流河道，而且汊道流速与主河道流速相当，熊家洲新汊道出流直接指向八姓洲颈口处。主支汊交汇处的流场分布散乱，向下游前行一段后才恢复，主流偏向七弓岭弯道凹岸侧，而主流线沿凸岸侧前行流速相比小尺寸汊道有所增加。

当汊道尺寸增大到某一级别后，才有水流通过并影响下游水动力条件。选取汊道发育至200 m×10 m和500 m×15 m两种大尺寸，具体分析其在中水条件下的流场变化(图7)。在200 m×10 m的汊道尺寸条件下，主河道流速高于支汊，在熊家洲弯道最大主流线偏向右岸。在500 m×15 m的汊道尺寸条件下主支流流速相当，左侧部分近岸流速甚至高于主河道流速，汊道分流明显。随汊道尺寸增加，流向逐渐偏向颈口，流速减小。随汊道尺寸变大，颈口横向流向集中指向左岸，横向流速变大。同一汊道条件下，流量级的改变不影响颈口横向流向变化，只有流速变大。

图7 中水流量条件下2种大尺寸(宽×深)的汊道模拟流场Fig.7 Simulated flow fields of two large-scale branches in medium discharge condition

中水流量条件在不同汊道尺寸情形下，七弓岭弯道流线均偏向凹岸侧，但主流线随汊道拓宽后逐渐贴近七弓岭弯道凸岸，沿程均出现水动力轴线走向和水流流向偏转截然相反的现象，水流流向偏向凹岸而水动力轴线偏向凸岸。相同流量条件下随着汊道增大，熊家洲出流流线均偏向七弓岭弯道凹岸侧，而主流线逐渐贴近七弓岭弯道凸岸。

4.2 新汊道的分流量及出口水流分析

图8为不同工况下新汊道流量，随着汊道开口的拓宽，通过流量也不断增加。小尺寸汊道只有在高水位时才有流量通过。随着汊道尺寸增大，汊道过流量对上游来流要求逐渐降低。小尺寸汊道高水位条件下的过流量和下一级大尺寸汊道中水位条件下的过流量基本相同。

图8 不同工况下新汊道的分流量Fig.8 Diversion discharge of the new cutoff channel in different simulated conditions

表2为不同工况下新汊道流量，随着汊道扩大分流能力逐渐增强，分流比也逐渐增加。小尺寸汊道下只有高水位情况下水流才能通过但占比很小，随着尺寸增加，分流量逐渐增大。在500 m×15 m的大尺寸开口汊道，高水位条件下分流量达到8 398.08 m3/s，总占比达到39.99%，随着汊道尺寸的增加，有成为分流主河道的趋势。

表2 不同工况下新汊道流量Table 2 Diversion discharge of the new cutoff channel under different simulated conditions

利用MIKE21模拟无汊道和较大尺寸汊道时高、低流量下熊家洲新汊道出口处横向水流流场(图9)。在无汊道时，大部分流速均指向右岸，流速方向无较大调整。当汊道尺寸达到500 m×15 m时，流场方向改变。同时，同一流量条件下，横向流速增大，方向变化不大，均指向左岸，顶冲七弓岭弯道颈口上游侧，加剧崩岸强度，有可能加快七弓岭触发颈口裁弯的极端地貌事件[13]。

图9 不同条件下熊家洲新汊道出口处横剖面流场Fig.9 Transverse flow fields at the outlet of the new cutoff channel in Xiongjiazhou reach under different discharge conditions

5 结 论

(1)下荆江熊家洲河段的新汊道形成与发展对其河道分流比、沿程水位及下游七弓岭弯道水流结构均产生了较显著影响。熊家洲新汊道在不同发展尺寸下，七弓岭弯道水流流线均偏向凹岸侧，但主流线随汊道拓宽后逐渐贴近七弓岭弯道凸岸。

(2)随着熊家洲新汊道的拓宽和加深，汊道分流量和分流比都会同向增加，随着汊道横向和纵深的发展，其对出口下游河道水动力调整的影响在增强，而且主要体现在主流线偏移和流速变化。

(3)熊家洲新汊道分流对上游河道流场的影响可忽略，但是明显改变其下游七弓岭弯道颈口上游河道横向水流的方向和大小，这不利于本河段河势稳定。