贛江南昌河段水位降低現(xiàn)狀及影響因素

唐立模,葉志恒,楊家啟,肖 洋

(1.河海大學水文水資源及水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

贛江是江西省最大的河流,南昌河段是贛江尾閭段,贛江水流注入鄱陽湖再流入長江。近年來,贛江南昌河段最低水位連創(chuàng)新低,給贛江防洪安全、抗旱灌溉、飲水安全、電網(wǎng)穩(wěn)定等造成不利影響[1]。贛江南昌河段水位下降與其上下游邊界條件有著密切關系,一般認為贛江尾閭段枯水期水位降低的主要影響因素是河床下切和鄱陽湖湖區(qū)水位下降[2-7];劉琦俊等[8]指出贛江南昌河段水位下降與來水來沙的減少、河床采砂以及下游鄱陽湖枯水位降低等因素有關。本文借鑒前人的研究成果,從贛江南昌河段水位降低與上游來水來沙、下游鄱陽湖水位降低以及南昌河段河床下切3個方面,采用資料分析以及數(shù)值模擬驗證的方法,對贛江南昌河段水位降低現(xiàn)狀及影響因素進行分析研究。

1 贛江南昌河段水位降低現(xiàn)狀

圖1 研究河段河道概況

受到大量的人為采砂活動、上游萬安水利樞紐的運行(1993年建成蓄水)和贛江流域水土保持工作等綜合因素的影響,贛江南昌河段水沙條件發(fā)生了較為明顯的變化。圖1為研究的河段,上起外洲水文站,下至西河國際集裝箱碼頭、東河南支的豫章大橋上游、中支自礁磯頭向下游約3 km處,全長約25 km。考慮到外洲水文站(簡稱外洲站)到南昌水位站(簡稱南昌站)之間的距離較短且無大的流量變化,故采用外洲站當天流量代表南昌站當天流量。

采用滑動平均法對外洲站的徑流量和輸沙量進行統(tǒng)計分析(圖2)可見，在外洲站徑流趨勢沒有發(fā)生明顯變化的情況下,輸沙量有顯著減小的趨勢,這與鄭海金等[9]分析贛江1970—2009年徑流及泥沙變化得出的結論一致。據(jù)此可以排除上游流量變化對贛江南昌河段水位降低的影響。

圖2 外洲站年徑流量和輸沙量滑動平均曲線

點繪外洲站以及南昌站1990年、1996年、2001年、2003年、2005年、2007年及2008年的中枯水水位-流量關系曲線如圖3、圖4所示,可以發(fā)現(xiàn),同流量下的水位逐年下降,且有加速趨勢。

圖3 外洲站水位-流量關系曲線

圖4 南昌站水位-流量關系曲線

統(tǒng)計不同年份外洲站、南昌站枯水流量與中水流量條件下的水位(表1、表2),可以發(fā)現(xiàn),外洲站和南昌站在同一級流量下水位是逐年降低的,且2000年以后水位在同流量下的降幅更大。2000—2004年與2006—2009年枯水流量時的下降幅度大于中水流量,而2004—2006年枯水流量的水位降幅遠小于中水流量,說明在2004—2006年枯水水面線以上的邊灘可能發(fā)生了較為顯著的下切,而在2006年以后則主要是枯水河槽下切明顯。

表1 外洲站、南昌站枯水流量下不同年份水位

表2 外洲站、南昌站中水流量下不同年份水位

2 平面二維水流泥沙數(shù)學模型

將計算區(qū)域劃分為一系列連續(xù)但不重復的有限體積——控制體積,每個控制體積內包含一個計算節(jié)點,得到一組離散方程,采用Pantanker壓力校正法即SIMPLEC算法,建立贛江南昌河段數(shù)學模型。模型模擬范圍上起外洲水文站上游5 km,下至吳城水位站,全長約90 km。

2.1 基本方程

連續(xù)方程:

(1)

動量方程:

(2)

(3)

懸移質不平衡輸移方程:

(4)

2.2 邊界條件

數(shù)學模型進口給定u、k、ε沿河寬的分布,u分布遵循曼寧公式,并經(jīng)進口流量閉合校正,進口紊動動能耗散率按下式給定,即

(5)

其中Cf=n2g/H1/3

式中：uj為進口斷面節(jié)點縱向流速；n為曼寧系數(shù)。進口紊動黏性系數(shù)采用Laufer紊動黏性系數(shù)測量結果,即

νt=0.076 5u*H

(6)

式中：u*為摩阻流速。

由式(5)(6)可推知進口斷面紊動動能

(7)

出流邊界設置水位,同時使

(8)

固壁邊界采用無滑移條件且固壁通量為0：

(9)

2.3 模型驗證

根據(jù)2009年5—6月實測水文資料對數(shù)學模型進行水位、斷面流速分布和河床沖淤量的驗證。

表3給出了沿程水尺的計算水位與實測水位比較,模擬水位偏差最大為2.5 cm,最小不到1 cm。圖5給出了典型斷面流速分布的驗證情況,計算的斷面流速分布與實測結果基本一致,無系統(tǒng)偏差,主流位置與實測結果基本吻合,流速模擬偏差小于5%。

表3 驗證計算水位與實測水位比較 m

圖5 典型斷面流速分布驗證

根據(jù)2006年和2009年地形測圖對比分析,南昌大橋至八一橋之間河床變化相對較小,基本無采砂的影響,主要是水沙作用而產(chǎn)生的河床自然演變,故選擇該河段河床進行數(shù)學模型沖淤驗證計算。經(jīng)過2006—2008年實測水沙過程作用后,模型動床計算的河段沖刷量為-128.2萬m3,根據(jù)地形測圖統(tǒng)計的沖刷量為-153.7萬m3,計算值與實測值基本接近,誤差約為16.3%。

綜上,經(jīng)水位、斷面流速分布、河床沖淤等驗證,計算沿程水位最大偏差2.5 cm,流速偏差小于5%,河床沖淤量誤差約為16.3%,符合JTJ/T 232—98《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程》的相關要求,與實測結果基本相符,可用于進一步計算研究。

3 贛江南昌河段水位降低原因

3.1 河段地形下切與水位下降關系

相同流量狀況下水位下降,最直接的推論就是河床的變形。無論是上游來水來沙的變化還是采砂、航道疏浚等人類活動的影響,最終都是體現(xiàn)為河段地形的變化。因此河段地形的下切應與水位的規(guī)律性變化之間存在直接的響應關系。

河段下切方量主要通過河段各典型斷面之間的下切量沿程累積來反映。根據(jù)1999年、2003年、2006年和2009年的實測地形圖選取10個河床典型斷面(CS1～CS10,圖6),套繪出各斷面不同年份的地形變化情況,進行河段下切方量計算。

圖6 河床演變分析斷面布置

表4為1999—2003、2003—2006及2006—2009年間的河段下切方量及下切深度,從中可發(fā)現(xiàn)2003—2006年平均下切深度最大,2006—2009年河道下切有所好轉。從河床下切方量計算結果可知,1999—2009年河段(自外洲站向下,圖6所示10個斷面之間)總計下切0.73億m3,年均下切方量達666萬m3;河床平均下切深度為4.25 m,年均下切深度約為0.386 m。

表4 河床下切方量及下切深度

通過數(shù)學模型計算在2006年地形基礎上平均下切0.85 m后(即以2006年實測河道地形下降0.85 m生成近似的2009年地形,糙率采用2009年實測水文資料率定)的水位情況,并與實測的2009年水面線比較,用以分析河床下切對水位下降的影響。以2009年進行驗證計算時,選擇的邊界條件是2009年外洲站流量為842 m3/s和2 180 m3/s所對應的水位流量資料,下邊界采用吳城相應流量下的水位控制;采用2006年進行驗證計算時,對應邊界條件是2009年外洲842 m3/s的流量及吳城相應水位。計算結果列于表5,從表5可以看出,對于河床下切深度來說,計算水位與實測水位的差值較小,表明河床的下切是南昌河段水位降低的一個主要影響因素,同時沿程河床形態(tài)的變化等其他因素對河段的水位變化也有影響。

表5 模擬地形計算水位與實測水位之差 m

注:負號表示實測值小于計算值。

3.1.1 上游來沙量降低引起的沖刷下切

在萬安樞紐運用后,贛江南昌河段的懸移質輸沙量和水中含沙量都大幅降低,水體處于不飽和輸沙狀態(tài),勢必引起沿程河道的沖刷下切,導致一定程度上的水位降落。

上游樟樹站到外洲站的距離約為89.4 km,其間有支流匯入,近似認為只有水量的增加,而不考慮泥沙量的匯入,從樟樹站到外洲站輸沙量的增加就等于區(qū)間由水流沖刷河床而增加的泥沙量。在1999—2003年,兩站間水流年沖刷量分別為77萬t、72萬t、30萬t、119萬t,按樟樹站到外洲站距離進行平均計算,分別為0.9 萬t/km、0.8萬t/km、0.3萬t/km、1.3萬t/km。研究河段從外洲站到下游近似取河段長15.5 km(與表4的計算河段相應),則這一階段年平均沖刷量約為9.2萬m3,與1999—2003年河床年平均下切量530萬m3相比,只占1.73%。同樣的方法可以計算的2003—2006年水流沖刷造成的年沖刷量約為8.5萬m3,與2003—2006年河床年平均下切量990萬m3相比,約占0.86%;2006—2009年水流沖刷造成的年沖刷量約為6.9萬m3,與同期河床年平均下切量410萬m3相比,只占約1.66%。

除依據(jù)水文站實測輸沙資料進行水流沖淤量的估算外,還利用平面二維水流泥沙數(shù)學模型計算了河段的河床沖淤情況。模型計算中初始地形采用2003年的實測地形資料,計算時段從2003—2008年共6年。

表6 外洲水文站水位-面積關系

計算結果表明,2003—2008年,贛江南昌河段的河床總體表現(xiàn)為沖刷下切,6年間該河段總的沖刷量為260萬m3。由實測地形計算的河床下切方量為7 500萬m3,因此模型計算的沖刷量占總下切方量的比例約為3.5%,可見自然條件下的水力因素引起的河床下切量占比很小。

根據(jù)對樟樹站、外洲站實測輸沙資料的分析和數(shù)學模型模擬天然水力沖淤計算結果的分析,水流沖刷所造成的河床沖淤量僅占河床總下切方量的1.0%～3.5%,可見天然水文過程造成的河床沖刷并不是南昌河段河床下切的主要原因。另一方面,河床下切又只是影響河段水位下降的一個因素,因此,只要水流的沖刷不使河勢產(chǎn)生大的變化,其對河段水位下降的影響很小。

3.1.2 采砂引起的河床下切

贛江南昌河段的采砂分為營利性的河道采砂、為整治河道而采取的疏浚挖槽以及為吹填造地實施的邊灘開采,不論是那一類采砂,其結果最終都使得河床發(fā)生下切。

根據(jù)外洲站歷年(逢0、逢5年份)河底高程變化(圖7)以及實測大斷面變化(圖8),結合江西省水文局實測大斷面資料分析,外洲站斷面沖淤變化大致有以下規(guī)律:年內沖淤變化受洪水漲落影響,斷面有沖有淤,沖淤交替進行;年際變化有沖有淤,河床變化總體逐年下切。河床變化大致可分為3個階段:①1980年以前河床變化基本穩(wěn)定,沖淤變化幅度在0.6 m左右;②1998年以后由于人工挖砂、航道疏浚和紅谷灘、紅角洲抽砂造地等[8]各種活動的影響,河槽下切相當明顯,至2005年河床下切2.55 m,平均每年下切0.26 m;③1998年后主河槽由左向右擴展,右河槽下切比左河槽快。

圖7 外洲站平均河底高程

圖8 外洲站實測大斷面(2003—2009年)

據(jù)外洲站歷年實測大斷面資料,得到其水位-面積關系如表6所示(水位基準為外洲站凍結高程)。大規(guī)模采砂前,外洲站斷面變化幅度很小,河床變化穩(wěn)定;20世紀90年代中期大規(guī)模采砂以來,斷面面積平均每年增大380 m2,河床平均每年下切約0.26 m,河床嚴重變形。

在研究河段中,總的河床沖刷量減去水流引起的沖刷量即為挖砂引起的沖刷量。前文已分析出水流沖刷河床引起的沖刷量很小,可認為河床的沖刷下切主要是受挖砂的影響。根據(jù)河床下切與水位降低的響應關系,河床下切是南昌河段水位降低的主要影響因素。

3.2 下游水位降落引起的水位降低

由于贛江與長江的洪水期時常是錯開的,長江汛期稍晚于贛江,因此每當長江汛期時,洪水倒灌進鄱陽湖,對贛江的來水就會產(chǎn)生頂托作用。據(jù)此推論,若鄱陽湖的水位降低了,其上游的水位也會相應有所降低,從而必然對贛江南昌河段的水位產(chǎn)生影響。

下游航道疏浚、三峽水庫運行后鄱陽湖水位降低等均會導致贛江南昌河段下游的水位下降,從吳城站2000—2008年水位-流量關系的變化情況(圖9)可以看出,吳城站最大水位降幅為2 m。針對吳城站水位的降落情況,采用二維水流數(shù)學模型進行贛江尾閭段水位下降模擬。在地形相對不變的情況下,單純計算吳城水位下降2 m時外洲站水位的降落幅度。所選計算條件和相應的外洲站水位降幅見表7,外洲站至吳城站沿程水位降落情況見圖10與圖11(圖中上方的水面線為現(xiàn)狀條件下的沿程水位,下方的水面線為吳城站水位下降2 m后的沿程水位)。

圖9 吳城站2000—2008年水位-流量關系

流量條件外洲站流量/(m3·s-1)吳城站水位/m外洲站水位/m現(xiàn)狀下降2m后現(xiàn)狀吳城站下降2m后降幅設計流量4368.886.8812.0011.97-0.03 整治流量162510.448.4413.8013.75-0.05 平灘流量387512.3410.3415.8015.70-0.10 造床流量746514.2612.2617.6017.38-0.22

圖10 設計流量下外洲至吳城沿程水位降落

圖11 造床流量下外洲至吳城沿程水位降落

計算結果表明,在上游來流量和河段地形不變的條件下,僅考慮下游吳城水位下降2 m，對外洲站水位降落的幅度為0.03～0.22 m,以外洲站同期水位降落總值為2 m估算,南昌河段的水位降落受下游吳城站(鄱陽湖)水位降低的影響程度為1.5%～11.0%。可見,下游水位的降落的確會造成南昌河段的水位下降,降幅隨下游水位的變幅、距下游的距離以及流量的不同而不同,并且在枯水時受局部高灘(如圖10北河口段)河床的影響尤其明顯。

4 結 語

影響贛江南昌河段水位下降的因素包括河道采砂、航道整治、吹填造地等人類活動和上游水沙過程變化、下游水位下降等自然因素。

根據(jù)分析,贛江南昌河段的水位下降主要是由河床下切及鄱陽湖水位降低引起的。大規(guī)模采砂是導致河床下切的主因,也是河段水位下降的主要影響因素。水流自然沖刷對河床下切造成的影響僅占1.0%～3.5%,對河段水位下降的影響幅度有限。

鄱陽湖水位降低對贛江南昌河段的水位下降也有一定影響,以吳城站水位降幅2 m為邊界條件,進行外洲—吳城河段水面線變化計算,結果表明湖水位下降對南昌河段水位降低的影響為1.5%～11.0%。