淺談數值模擬技術在長江中下游航道整治中的應用

張明進，伍文俊

（1.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456；2.長江航道局，武漢430010）

長江中下游航道是長江交通運輸的主骨架，對地方經濟發展起到了重要作用［1］。該區段多屬于沖積性平原河流，河道水面寬闊、洲灘廣布、河床可動性強，礙航河段眾多［2］。自三峽水利樞紐蓄水運用以來，水庫下游長河段水沙運動規律產生了較大的變化，水道礙航狀況出現了新的特性。為了解決長江干線目前的礙航現狀，根據國家對長江航道的總體規劃，長江中下游航道的治理已經有序開展［1-4］。在目前已經啟動的航道整治工程研究工作中，物理模型試驗和數值模擬計算2種模擬手段都得到了廣泛的應用。2種研究手段各有優勢，均有助于工程方案的確定。本文擬就數值模擬技術在航道整治研究中的一些特點做探討性的總結。

數值模擬研究相對于物理模型試驗研究的優勢主要體現在2個方面：（1）數值模擬研究在“點”與“面”上具有可擴展性。數值模擬不但可以同物理模型研究一樣，針對一處工程區域一“點”進行模擬論證，更重要的是體現在“面”上。這里的“面”包含2層含義，一是平面上的可擴展性，數值模擬研究可以在大范圍平面上模擬長河段水流泥沙運動，既可以滿足局部工程方案的論證，又可以對工程實施后可能造成的上下游水道的影響情況作出相應的預測；另一方面是體現在全面上，物理模型研究范圍有限，且不可能考慮太多的影響因素，數值模擬則可以考慮綜合影響因素，如對取水口、采砂區、港區布置等外部影響因素進行綜合分析研究，保證航道整治方案能兼顧各方利益，使整治工程得以順利實施。（2）數值模擬研究可在時間與空間上進行靈活調整。在時間方面，物理模型在進行長系列年份模擬中，需要對水文過程進行相應的概化，而數學模型可以真實模擬長系列水文年后航道整治工程效果情況，數值模擬周期相對物理模型要短，精度更高；在空間方面，物理模型一旦建模，基礎地形難以改動，數值模擬可以針對工程河段不同年份、不同類型地形條件下的水沙特性進行模擬分析，可為工程比選及整治工程優化布置提供重要參考依據。

本文結合上述數值模擬的一些特點，以具體的航道整治工程應用實例為基礎，對長江中下游航道整治中數學模型能夠回答的探索性問題做一些闡述，這些研究可以作為物理模型試驗研究的基礎與延展。

1 彎曲分汊河段洲頭工程布置位置的選取（洲頭分流面）

目前長江中下游航道整治的重點河段多為分汊礙航河段，洲頭工程是分汊河段航道整治的重點，對于順直分汊河段，洲頭工程的起點可以設置在相對穩定的分流點附近，可基本做到不明顯改變兩汊的分流比［5］，如果要改變兩汊分流比，將工程的起點偏向一側即可達到目的。

對于彎曲分汊河段，洲頭工程的布置要不改變兩汊的分流比是無法實現的，因為洲頭不存在單一的分流點，而是以分流面的形式存在。分流面的含義［6］是在洲頭以上河段取若干斷面，以一汊的岸側開始累積流量，將各斷面的累積流量和該汊分流量值相等時的點連接起來，即洲頭分流面連線（即這條線左邊為左汊分流比，右邊為右汊分流比）。不同來流流量時河段具有不同的分流面位置。不同年份，由于地形條件不同，洲頭分流面的位置也有很大區別。

圖1-a、圖1-b分別為長江中游戴家洲洲頭2006年和1993年不同地形及流量級下分流面的情況［6］，由圖1可知，當流量小于20 000 m3/s時，戴家洲洲頭水流有自右向左擺的趨勢，體現在分流面曲線上就是分流面曲線從上游靠近右岸逐漸向左過渡，直至洲頭兩汊分流點。當流量大于20 000 m3/s時，各級流量下分流面曲線位置基本一致。2006年分流面連線與地形高點連線相近，其枯水分流面連線與洪水分流面連線在河寬方向上的距離最寬約為390 m，而1993年地形時枯水分流面連線與洪水分流面連線在河寬方向上的距離最寬約為180 m。枯季洪季分流面在河寬方向的變化體現了這種地形特征下兩汊分流比的變化，2006年這種變化比較劇烈，兩汊分流變化也相對較大，這對兩汊（尤其是較寬的右汊）航道條件的穩定會產生一定的影響。而1993年地形時，洲頭分流面的這種變化較2006年要小的多。根據長江航道局的航道維護資料，2006年是戴家洲河段礙航較為嚴重的年份，而1993年航道情況相對較好。

由以上戴家洲洲頭分流面的變化情況分析可知，洲頭分流面在洪枯季河寬方向上的變化程度影響兩汊洪枯季分流比的大小，這種變化也在一定程度上對航道條件的穩定產生影響；戴家洲河段航道整治選擇右汊為通航主汊，戴家洲洲頭航道整治布置工程（魚骨壩脊壩）應盡可能布置在洪水分流面附近，這樣既可以增加右汊的枯水分流比，又減少了工程對兩汊河道行洪的影響（目前實施的戴家洲整治工程魚骨壩脊壩位置與2006年洪水期分流面連線相近）；在長江中下游彎曲分汊河段整治工程關于洲頭工程的布置位置選取上，應充分應用數值模擬手段，考慮彎曲分汊河段洲頭分流面的變化特性，確定合適的工程位置。

2 航道整治工程汛后沖刷效果模擬

2.1 三峽工程運行后對下游航道影響

長江三峽工程于2003年6月蓄水至135 m后，又于2006年汛后蓄水至156 m，2007年三峽工程繼續按照156 m蓄水方案運行，2008年試蓄水至172 m，2009年三峽工程準備蓄水至175 m，但由于汛后上游來水較少和水庫下游地區嚴重干旱，蓄水至171 m左右。三峽水庫蓄水運用，對長江中游河道的來水來沙條件、河床變形等產生了重大的影響，改變了下游河道的來水來沙條件和泥沙沖淤特性，下游航道問題已經逐漸顯現。

從三峽水庫運行6 a多的時間來看，水庫對下游航道條件的不利影響主要體現在水庫的汛后蓄水過程上。長江中游河段在洪水期來水來沙量較大，河道內會產生淤積，而這種淤積會隨著汛后水位的緩慢降落而逐漸沖刷。然而三峽水庫汛后蓄水過程使得汛后水位回落過快，河道內洪水期淤積下來的泥沙來不及沖刷而使得航道內水深急劇下降，長江中游航道出淺，影響船舶正常通行，2007年汛后這種情況尤其突出。2007年，長江中游多個淺灘汛后出淺，其中窯監水道、太平口水道和牯牛沙水道同時出淺，航道形勢十分嚴峻，這在長江航道的歷史上也是少有的。2007年三峽汛后蓄水后，長江中游航道的惡化程度遠遠超出各研究單位的預測［2］。

2.2 汛后沖刷效果模擬

牯牛沙航道整治前期工作中，數值模擬研究考慮了汛期航道嚴重淤積，汛后蓄水時不同工程布置時的航道沖刷情況［7］。嚴重淤積地形選擇了2007年9月地形，此時牯牛沙水道上下深槽間淺區4.5 m等深線（航行基面下）不能貫通，淺區局部床面高程與航行基面相近。數值模擬以2007年9月測圖為基礎地形，利用2007年10月～2008年1月水沙資料，計算分析以下3種條件下牯牛沙水道淺區航道沖刷情況，分析航道整治工程效果：（1）不實施任何工程，計算天然情況下淺區沖刷情況；（2）考慮僅實施護灘工程（一期工程），計算淺區沖刷情況；（3）計算整體工程方案實施后（丁壩工程），牯牛沙淺區沖刷情況。

為明確工程效果，以下數模計算結果均按月顯示，即對比上述不同情況下牯牛沙淺區經歷1個月（2007年10月）、2個月（2007年10～11月）、3個月（2007年10～12月）和4個月（2007年10月～2008年1月）沖刷后的航道水深變化情況。

2.2.1 計算結果

（1）無工程情況下沖刷情況。

圖2為牯牛沙水道2007年9月份地形經歷1、2、3、4個月沖刷后的水深情況。由圖2可知，雖然經歷了枯水期的沖刷，牯牛沙水道過渡段淺區逐漸得到改善，但仍不能滿足航行基面下4.5 m水深要求。經歷4個月的沖刷后，上下深槽過渡段存在淺沙埂和較多的沙包。在2007年9月地形條件下，單純依靠枯水自然沖刷4個月后仍不能使淺區過渡段水深達到規劃尺度要求。

（2）護灘工程的工程效果。

考慮僅實施一期護灘工程，計算淺區沖刷情況。圖3為牯牛沙水道2007年9月份地形實施護灘工程后，經歷1、2、3、4個月沖刷后的水深情況。由圖3可知，對比同期無工程沖刷情況，該水道進行護灘工程并經歷枯水沖刷后，牯牛沙水道過渡段淺區改善程度略優于無工程情況，但仍不能滿足基面下4.5 m水深要求。在經歷4個月的沖刷后，上下深槽過渡段存在較多的沙包，航道情況稍好于無工程時的情況。

（3）總體工程實施后的工程效果。

圖4為牯牛沙水道2007年9月份地形實施護灘工程后，經歷1、2、3、4個月沖刷后的水深情況。由圖4可知，整體工程方案實施后，經歷3個月（10月～12月）的沖刷后，牯牛沙水道過渡段淺區4.5 m等深線基本貫通，淺區僅存在少數沙包；經歷4個月（10月～次年1月）的沖刷后，牯牛沙水道過渡段淺區4.5 m等深線全線貫通，工程效果明顯。

2.2.2 工程效果分析

綜合上述汛后蓄水沖刷模擬分析可知：（1）在汛期航道強烈淤積時，不采取任何工程措施，牯牛沙水道上下深槽過渡段淺區經歷4個月的汛后枯水沖刷后，航道條件不能滿足規劃航道水深要求，該水道淺區在枯季有礙航的可能。（2）總體整治工程方案實施后，經歷3個月的枯水沖刷后，航道水深基本可以滿足規劃航道水深要求，工程效果明顯。（3）考慮三峽水庫汛后蓄水、流域同時出現多年一遇特枯水情況等條件的影響，一期工程護灘方案工程效果有限。

長江中下游其他類似礙航河段，在實施整治工程時，應結合河段礙航特性，應用數值模擬手段，對三峽汛后蓄水影響情況和航道整治效果做出預測分析，為航道整治工程的最終實施奠定基礎。

3 航道系統整治中的數值模擬

長江航道整治工程的實施（研究）多以1個水道或2個水道作為工程研究對象，這種工程實施和研究方式，對上、下游水道間的相互影響情況，以及整個河段內如何進行有序整治問題沒有進行充分的考慮與論證。長江航道整治目前已經提出了系統整治的思路，并在長江下游江心洲—烏江河段航道整治工程中得到了一些應用，系統整治研究從整個河段的整體演變關系出發，提出相應的工程解決方案，有利于航道整治效果和整治水平的提高。

對于系統整治中研究河段的選取，應盡可能以一個較長的河段作為航道整治的單元研究對象［5］，其單元上下游水道的洲灘宏觀長期變化較小，這種整治研究單元內部各水道的整治工程上、下的相互影響問題在研究中可以直接得到暴露和解決。數值模擬在這種長河段系統整治研究中能發揮其獨特的優勢。

航道系統整治的研究對象從局部河段上升到區域或流域，數值模擬可以對多種物理過程、多個調控目標、多重時空尺度進行耦合嵌套的情況進行研究，這種研究要求的提高對數值模擬的需求程度也將越來越高。大區域水沙輸移模擬將勢在必行，這也是長江中下游航道整治中數值模擬的重要發展方向。

4 結論

本文以長江中下游典型的航道整治工程為例，對數值模擬技術在長江中下游航道整治中的應用做了一些探討。在一定程度上對航道整治中數值模擬應該回答、能夠回答以及將來需要回答的一些工程問題作了些分析，并利用工程實例給出一些認識。數值模擬技術作為一個發展前景較好的技術手段，其研究在上述諸多方面均與一般的物理模型研究有所不同，這些不同可以作為物理模型試驗的基礎與延展。

隨著江河水運資源利用和水能開發力度的加大，長江中下游航道治理實踐將面臨著與泥沙輸移、環境保護等相關的新問題，這也將推動數值模擬技術進入新的發展階段。伴隨著相關研究深度和廣度的不斷擴展，數值模擬技術在解決工程泥沙、水資源利用及與其他學科的交叉問題等方面將發揮更為顯著的作用。

［1］交通部三峽辦公室.長江三峽工程泥沙和航運問題研究成果匯編II［R］.北京：交通部，1997.

［2］長江流域規劃辦公室水文局.長江中下游河道基本特征［R］.武漢：長江流域規劃辦公室水文局，1983.

［3］李義天，謝鑒衡.二維及三維泥沙數學模型的研究進展［C］//中國水利學會泥沙專業委員會.全國泥沙基本理論研究學術討論會論文集.西安：西安理工大學，2006.

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［7］張明進，張華慶.長江中游牯牛沙水道航道整理工程數學模型研究［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2007.