七里湖孟姜垸采区砂石开采前后水力学特性分析研究

傅功年，谭 凯，刘晓群，赵文刚

（1.常德市水利局，湖南 常德 415000； 2.湖南省洞庭湖水利事务中心，湖南 长沙 410007；3.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007）

洞庭湖作为长江中游重要的调蓄湖泊，连接长江、调节洪水，生物互游共存、船舶互通互补，是长江经济带、长江中游城市群和中部地区生态安全屏障的重要组成部分[1～2]。一直以来，洞庭湖洪水问题是区域最大的水情问题。随着三峡及长江上游梯级群的运用，区域标准以下洪水基本得到控制[3]。长期的清水下泄，使得区域内累积性淤积的泥沙重新被水流冲刷移动，河道冲深，洲滩发育，枯水期维持水面大幅衰减，河湖水网、水资源、水生态问题显现[4～6]。枯水期，外部条件的三峡调度对于区域水资源、水面维持作用有限，必须从湖区内部着手开展“增蓄”调控，实现洞庭湖的生态复苏。本文结合七里湖孟姜垸开采工程，分析开采前后水动力条件变化，以此探讨开采工程的整体水沙效应，旨在为洞庭湖综合治理与水生态系统修复提供科学依据。

1 区域概况及工程设计

1.1 区域概况

七里湖系西洞庭湖重要组成部分，上起津市小渡口，下至石龟山。南北长为25 km，东西宽为（0.9～8.6）km，总面积为94 km2。承纳澧水及松滋河来水，含沙量较大，湖床淤积十分迅速。1952 年实测，湖底平均高程为27.2 m；至1983 年，平均淤高4.5 m，最大淤高7.5 m；现湖底一般高程为35 m 左右，70 年间平均淤高为7 m，最大淤高13 m，九垸等澧水洪道已成为地上悬河。调蓄容积由10 亿m3减至不足3 亿m3。同时，长江三口分流，使得澧水与长江洪水碰头的概率较大，6 月上半月为8.3%，下半月为27.8；7 月上半月为34.9%，下半月为11.1；8 月份为5.6%。1998 年7 月23 日澧水出现特大洪峰，与长江第三次洪峰（宜昌流量52 300 m3/s）碰头，以后长江又出现5 次洪峰，最大流量为63 600 m3/s，迫使区域水位抬高，防洪压力巨大[7]。是洞庭湖防洪问题较为关键的部位之一，也是洞庭湖洲滩旱化、湿地生态功能退化较为严重的部位之一，其反映的问题在洞庭湖区具有代表性。详见图1。

图1 孟姜垸位置

1.2 工程设计

孟姜垸可采区是湖南省省管河道31 个可采区之一，可采区面积为6.99 km2，控制开采高程为0 m，东西长为（1.7～2.9）km，南北宽为（2.5～3.8）km，达到或超过警戒水位禁采，规划期控制开采总量为4 100 万t[8]。

2 基本假定及资料方法

2.1 基本假定

疏挖前后过流断面水力要素的变化仅考虑因疏挖而引起的断面直接变化，对下游出口河段水位变化不予考虑。

2.2 基本资料

水文资料采用津市、石龟山、官垸、汇口水文站实测数据；地形资料为2022 年实测资料。

2.3 研究方法

1）基本原理。基于笛卡尔坐标系，采用非结构化网格建立二维水动力模型，其控制方程采用有限体积法求解，模型采用非结构化网格更有利于拟合复杂河道边界，同时可以对特定区域附近网格进行局部加密[9]。

2）计算范围与网格划分。考虑到开采工程可能引起上游河段洪水主流动力轴线的摆动，进而影响上游堤防工程的稳定性，数学模型计算上边界位于道水河口以下1.5 km 左右，出口位于石龟山水文断面。

针对此工程河段特点，弯道凹岸、汊道分流区、汇流区、浅滩，开采区域等网格进行局部加密来反映复杂的地形特征，河道顺直、地形变化不大处则网格较大。上、下游边界附近顺直河段单位网格较疏，沿水流方向一般（50～60）m，垂直于水流方向（40～50）m；洲滩发育河段单元网格尺寸沿水流方向一般25 m，垂直于水流方向25 m。整个计算网格节点约102 379 个，单元202 542 个。详见图2。

图2 数学模型网格示意图

3）定解条件与参数设置。模型上游边界采用流量边界进行控制，下游边界采用水位边界进行控制。初始水位条件采用各边界的初始水位。

模型糙率分区设定，一般主槽内糙率为（0.015～0.022）；孟姜垸杨树、芦苇发展已形成相当的规模，该区域糙率结合植被种类、密度和分布情况取值为（0.03～0.04）；两岸堤防不过水，糙率约为0.1。

4）模型率定验证。模型验证结合2007 年3 月1日至9 月30 日实测洪水过程进行验证。详见图3。

图3 津市水位率定与验证结果

2.4 工况设计

根据国家计划委员会批复的《湖南省洞庭湖区二期治理三个单项工程初步设计报告》，河段防洪设计水位采用解放以来至1991 年实测最高水位。

其他各工况根据控制点的实测水文分析获取，各主要控制站典型年洪水位见表1。

表1 各主要控制站典型年高洪水位基准为冻结吴淞

3 结果分析

3.1 水位变化

Q=473 m3/s 工况下，河水归槽，开采后水位基本不变，略微降低，最大降低幅度为0.05 m；Q=2 290 m3/s 工况下：洪水进一步上涨，开采后水位降低，最大降幅为0.18 m，主要为孟姜垸孙家咀段，采区下游王家咀段水位升高，局部最大壅水高度为0.07 m，影响范围约0.22 km2；Q=9 270 m3/s 工况下：洪水漫滩，整个采砂河段除新堤拐河段外水位均降低，降低幅度在（0.000 1～0.18）m，降低值以工程河段为中心，向上下游逐渐减小。开采工程以下新堤拐河段，水位升高，局部最大壅水高度为0.07 m，但影响范围较小，影响范围约0.02 km2，滩上水位平均降低约0.01 m；Q=16 100 m3/s、19 900 m3/s 工况下：洪水进一步上涨，新堤拐、邵家咀以上河段水位均降低，幅度分别为（0.000 1～0.13）m、（0.000 1～0.12）m；新堤拐、邵家咀、黄家拐河段水位均升高，局部最大壅水高度分别为0.08 m、0.1 m，但影响范围较小，均不超过0.05 km2，其它河段无变化。详见表2、图4 所示。

表2 高洪水时开采河段局部壅水影响范围统计表

图4 Q=473 m3/s，9 720 m3/s，19 900 m3/s 开采前后水位变化

阳由垸、孟姜垸、伍家坪河段周边堤防长、险工险段多，需重点关注，根据开采前后水位变化统计发现（表3）：小流量时水位无明显变化，大流量时（9 720 m3/s、16 100 m3/s、19 900 m3/s）阳由垸、孟姜垸段水位整体下降比较明显，伍家坪河段无显著变化。

表3 开采前后水位变化统计表 m

综上所述，开采后，低洪水及中洪水时开采对河道水位影响较小（孟姜垸河段除外），河段水位皆有下降，提升了本河段的行洪能力；洪水漫滩以后，开采对阳由垸、孟姜垸河段水位影响较大，水位呈降低趋势，采区至河段出口局部水位升高，但影响范围不大。

3.2 分流比变化

根据数学模型计算结果可以看出（表4、表5）：开采对上游孟姜垸洲汊道分流比影响较小，工程前后分流比整体相差不大，多年平均流量、最大洪峰流量下左汊分流比增大，其它洪水情况下左汊分流比减小。在Q=2 290 m3/s 工况下，左汊分流比降幅最大，为2.18%。同时，开采对邵家咀汊道分流比影响也较小，工程前后分流比整体相差不大，中低洪峰流量下左汊分流比减小，其它洪水情况下左汊分流比增大，且随着流量增大而增大。在Q=16 100 m3/s 工况下，左汊分流比增加最大，为0.54%。

表4 工程前后孟姜垸汊道流量及分流比

表5 工程前后邵家咀汊道流量及分流比

3.3 流场变化

Q=473 m3/s 下，河道内流速普遍处于（0.05～2.00）m/s间，由于此时河道内水量少，水位偏低，开采后研究区域内水流条件均变化不显著，影响主要集中在采区，由于河道断面扩大，在开采7.27 km2范围内流速降低（0.000 1～0.07）m/s；Q=2 290 m3/s 工况下，河道内流速普遍处于（0.11～2.79）m/s 间，此时水位上涨，开采后影响较明显区域为孟家洲左右汊河段，流速降低（0.1～1.55）m/s，采区下游邵家咀河段流速增加（0.10～1.97）m/s，采区范围内流速变化也较为明显，（-0.14～0.20）m/s；Q=9 720 m3/s 工况下，河道内流速普遍处于（0.51～3.88）m/s 间，开采后影响较明显区域为孟姜垸河段，流速变幅（-2.17～1.11）m/s，其中流速增加的区域主要是邵家咀出口、孟姜垸左汊入口、孙家咀河段，流速增加（0.10～1.11）m/s；

Q=16 100 m3/s、19 900 m3/s 工况下，河道内流速普遍处于（0.62～4.91）m/s 间，开采后影响较明显区域为孟家洲河段，流速变幅（-1.02～0.77）m/s，其中流速增加的区域主要是邵家咀出口、孟姜垸观音港至孟家洲河段，流速增加（0.10～0.77）m/s。

统计阳由垸、孟姜垸、伍家坪河段开采前后流速变化，发现：开采前后阳由垸、孟姜垸河段流速变化显著；伍家坪段流速变化仅在低流量时比较显著。详见表6。

表6 开采前后流速变化统计表 m

4 结 语

本文通过构建的孟姜垸开采河段二维水流数学模型研究了防洪和河势演变的影响，主要结论如下：

1）开采后，中低洪水时开采对河道水位影响较小，开采后上游河段水位皆有下降，提升了本河段的行洪能力；洪水漫滩以后，开采对河道水位影响较小，水位呈降低趋势，采区出口局部水位壅高，最大壅高值0.10 m，壅水高度大于0.02 m 的水域面积在（1.29～1.49）km2间，影响范围不大。

2）开采对孟姜垸洲汊道分流比影响不大，工程前后高低水左汊分流比增大，中高水左汊分流比减小，变化范围为-2.18%～0.42%。对邵家咀汊道分流影响更小，由于开采工程的实施增大了入口处的流量，抬升水位，所以中低水右汊分流比呈现增加的趋势。随着流量的增加，水逐渐漫滩，右汊分流比变化先增大后减小，变化范围为-0.65%～0.61%。

3）开采后，除采区河段外流向基本没有变化，流速变化较显著的区域主要集中在孟姜垸洲河段入口及出口处和开采区域内，具体为：开采河段流速降低，上游和下游流速增加。