上荊江瓦口子至馬家咀河段河床演變趨勢預(yù)測研究

張 紅，劉啟航

(1.秭歸縣水行政執(zhí)法大隊，湖北 宜昌 443600；2.湖北漢鑫水務(wù)咨詢有限公司，湖北 武漢 430070)

三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，荊江河段河床發(fā)生了較為劇烈的演變，部分河段河床演變出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)[1-4]，如蓄水前的“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┎劬鶝_”，部分彎道段出現(xiàn)了“凹沖凸淤”的演變特征[5-6]。作為長江黃金水道的重要組成部分，上荊江瓦口子和馬家咀河段一直是研究的重點(diǎn)，許多學(xué)者對這一河段的河床演變特性進(jìn)行了研究。如陸永軍等[7]建立了該河段的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，模型結(jié)果顯示三峽蓄水運(yùn)用20年內(nèi)全河段除馬家咀彎道外基本呈沖刷趨勢，突起洲左、右汊深槽均沖刷下切。假東東等[8-9]通過二三維耦合數(shù)學(xué)模型對三峽蓄水后上荊江沙市至新廠河段橫向調(diào)整進(jìn)行了模擬預(yù)測，金城洲兩汊均沖刷發(fā)展、灘體沖刷萎縮，突起洲兩汊均沖刷發(fā)展，灘體頭部及左緣均沖刷后退。鄧曉麗等[10]通過物理模型試驗研究了三峽水庫蓄水運(yùn)用初期馬家咀河段的演變情況，指出突起洲前緣將沖刷，其左汊沖刷發(fā)展并可能影響右汊航道條件。陳勇等[11]基于實測資料對瓦口子水道近期(2013—2016年)演變特點(diǎn)進(jìn)行了分析，指出三峽水庫蓄水運(yùn)用后該河段以沖刷為主、金城洲洲體往復(fù)性淤長與沖刷。江凌等[12]基于實測資料分析并預(yù)測三峽水庫蓄水運(yùn)用初期金城洲頭部將沖刷、尾部淤積，且金城洲右汊將持續(xù)沖刷。李溢汶等[13-14]基于實測和遙感資料分析了三峽工程運(yùn)用后沙市河段洲灘形態(tài)的調(diào)整特點(diǎn)，并指出金城洲灘體面積變化與前5年平均的汛期水流沖刷強(qiáng)度具有良好的滯后響應(yīng)關(guān)系。趙維陽等[15]基于實測資料分析了沙市河段洲灘聯(lián)動的關(guān)系及成因，指出了金城洲面積變化與上游灘體(三八灘和臘林洲邊灘)形態(tài)調(diào)整的關(guān)系較為密切。

以往這些研究均對三峽水庫蓄水運(yùn)用20年內(nèi)即2022年前的情況進(jìn)行了分析和預(yù)測，預(yù)測趨勢與目前實際發(fā)生情況有的相符，有的則有所偏離，因此有必要結(jié)合近期水沙實測和地形測量資料對本河段未來演變趨勢進(jìn)行預(yù)測研究，為本河段河道及航道整治提供技術(shù)支撐。

1 研究河段概況

瓦口子至馬家咀河段處于上荊江中段，其中瓦口子河段上起柳林洲，下至觀音寺，全長約12 km；馬家咀河段上起觀音寺，下至青龍廟，全長約15 km。研究河段為微彎分汊河型，河床主要由0.09～0.36 mm的細(xì)沙組成，中值粒徑約0.2 mm。河段內(nèi)主要有金城洲和突起洲2處江心洲，并有雷家洲、白渭洲和青安二圣洲等多處邊灘。研究河段現(xiàn)狀河勢見圖1。

圖1 研究河段河勢

2 主要洲灘近期演變

金城洲位于瓦口子河段，三峽蓄水前后金城洲30 m灘體平面變化見圖2。

a)1975—2002年

三峽蓄水前的1970年代，金城洲為右岸邊灘，1980年代后期主流切灘，金城洲成為心灘并淤積發(fā)展；之后右汊淤積，金城洲并入右岸。三峽蓄水后(2002年后)，金城洲右側(cè)竄溝沖開成為心灘，兩汊總體沖刷下切，同時洲體大幅沖刷萎縮且被切割成幾處零散灘體，洲體面積減小至0.84 km2，僅為蓄水初期的20%。

雷家洲邊灘和突起洲位于馬家咀河段，三峽蓄水前后30 m灘體平面變化見圖3。三峽蓄水前，雷家洲邊灘沖淤交替，總體表現(xiàn)為頭淤尾刷；突起洲左側(cè)竄溝沖刷發(fā)展，成為心灘。三峽蓄水后，雷家洲邊灘基本穩(wěn)定；突起洲頭部淤積上移、右緣沖刷，洲體中下部較穩(wěn)定，左汊受汊道內(nèi)航道整治工程(護(hù)灘帶和護(hù)底帶)有所淤積萎縮。

a)1975—2002年

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

為貼合河道不規(guī)則邊界，本文求解如下。一般曲線坐標(biāo)系ξ-η下的水流泥沙運(yùn)動及河床變形方程：

(1)

(2)

(3)

JαKω(SK-SK*)

(4)

(5)

式中J=xξyη-xηyξ；U=yηu-xηv；V=xξv-yξu；x、y——笛卡爾坐標(biāo)系；t——時間；z、h——水位和水深；zb=z-h——河床高程；u、v——x、y方向流速；g——重力加速度；n——曼寧系數(shù)；Sμξ、Sμη及Ssk——x、y方向運(yùn)動方程及懸移組輸運(yùn)方程的擴(kuò)散源項；ω——泥沙沉速；γ′——泥沙干密度；SK、SK*、αK——第K組懸移質(zhì)泥沙的分組含沙量、挾沙力和恢復(fù)飽和系數(shù)。

模型中挾沙力采用張瑞瑾公式計算，式中k、m需率定，ω為代表沉速；分組挾沙力和床沙級配采用文獻(xiàn)[16]中模式處理?？刂品匠?1)—(5)采用基于同位網(wǎng)格的有限體積法進(jìn)行離散求解。為避免出現(xiàn)水位和速度的失耦，界面流速采用動量插值方法計算。

3.2 計算區(qū)域及模型率定驗證

數(shù)值模擬區(qū)域上邊界取在埠河附近(荊44)；為方便給定出口邊界條件，下邊界取在郝穴水位站，總長52 km。進(jìn)口邊界位于埠河，受埠河卡口限制，主流相對集中，洪中枯期主流位置變化不大，進(jìn)口流速分布按照曼寧公式確定。出口位于郝穴水位站，給定出口水位。計算網(wǎng)格順?biāo)鞣较蚬矂澐?51個、沿河寬方向121個。

采用2019年4月(Q=10 300 m3/s)和2019年7月(Q=26 000 m3/s)2個測次水文資料進(jìn)行定床率定驗證，計算結(jié)果見圖4、5。采用2013年6月、2016年10月、2019年4月共3次地形資料及沙市站、郝穴站水文資料進(jìn)行動床率定驗證，計算與實測斷面地形對比見圖6、7?？傮w而言，模型計算結(jié)果與實測值吻合良好，計算河段主槽糙率為0.019～0.025，邊灘糙率為0.024～0.030，懸移質(zhì)挾沙力系數(shù)k為0.09～0.12，指數(shù)m取0.92；懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)α沖刷時取1.0，淤積時取0.25。

a)荊52

a)荊48

a)荊45

a)荊45

4 河床演變趨勢計算分析

4.1 計算條件

近年來沙市站實測來沙量整體偏少，隨著向家壩、溪洛渡蓄水運(yùn)用未來研究河段來沙仍將較少。鑒于此，本研究選用近期2010—2018年沙市站來水來沙過程作為研究河段進(jìn)口水沙邊界條件；另外參考文獻(xiàn)[3]的做法，在系列年中加入減沙處理后的1998年水沙過程(置于系列年第6年)。減沙處理方式為依據(jù)沙市站2014—2018年水沙過程擬合流量-輸沙率關(guān)系，再根據(jù)1998年來流過程擬定來沙過程。系列年長10年，模擬時段為20年，即系列年循環(huán)計算2次。計算中考慮了本河段航道整治工程(金城洲護(hù)灘帶、突起洲護(hù)灘和護(hù)底帶)的影響，計算初始地形選用2019年4月的1∶10 000實測地形。

4.2 河床沖淤分布計算結(jié)果

第5、10、15、20年末計算河段河床沖淤厚度分布見圖8。未來20年內(nèi)，計算河段總體表現(xiàn)為主槽沖刷發(fā)展且不斷朝下游發(fā)展，這與三峽蓄水以來中下游河床總體演變趨勢一致[17]。

a)5年末

表1統(tǒng)計了未來20年計算河段枯水河槽(流量5 000 m3/s)的沖淤量及平均沖淤厚度。對于瓦口子水道，第5、10、20年末，河床平均沖深分別為0.99、2.43、3.76 m；對于馬家咀水道，第5、10、20年末，河床平均沖深分別為0.28、0.92、2.03 m?？梢?，未來20年計算河段將處于較為劇烈的沖刷發(fā)展階段。

表1 沖淤量及沖淤厚度統(tǒng)計

4.3 江心洲與深泓線變化

金城洲及突起洲30 m灘體平面變化見圖9。現(xiàn)狀(2019年)金城洲由3塊零散的灘體構(gòu)成，受金城洲護(hù)灘帶的影響，至第5年末金城洲略有淤積，零散灘體合并，此后金城洲頭部有所蝕退，尾部則淤積下延?？傮w而言，未來金城洲變化不大。

圖9 金城洲及突起洲平面變化

對于突起洲，洲頂逐年沖刷蝕退、但幅度不大，洲尾有所淤積下延，洲體右緣中上部有所沖刷。突起洲左汊逐步淤積、右汊沖刷發(fā)展，未來主流仍將走右汊。值得說明的是，前期陸永軍[7]、假東東[8-9]、鄧曉麗等[10]研究預(yù)測本河段河床演變情況時采用的初始地形均為2006年以前的地形，此時研究河段的航道整治工程尚未實施，因而其研究成果中預(yù)測突起洲左汊會沖刷發(fā)展；本文研究則是采用航道整治工程實施后的最新實測地形(2019年)，而預(yù)測的突起洲左汊將會逐步淤積也與近期觀測資料一致。從某種意義上講，這也體現(xiàn)了本河段航道整治工程正發(fā)揮著抑制左汊沖刷發(fā)展、穩(wěn)定右汊通航槽的積極作用。

圖10給出了研究河段深泓線的平面變化?，F(xiàn)狀情況下自埠河至觀音寺河道深泓一直緊貼左岸，至雷家洲附近逐步過渡到突起洲右汊深槽行進(jìn)?？傮w上看，未來20年內(nèi)工程河段深泓走向與現(xiàn)狀情況基本一致，觀音寺、雷家洲附近深泓線年際間有所擺動，幅度不大。

圖10 深泓線平面變化

4.4 橫斷面變化

圖11給出了研究河段典型斷面變化情況。荊45位于金城洲上游3 km處，未來20年內(nèi)左岸高灘部分有所淤積，主槽沖刷下切，20年末最大沖深4.5 m。荊55位于雷家洲附近、突起洲上游3 km處，受突起洲左汊淤積影響，斷面左側(cè)有所淤積，右岸主槽年際間有所沖刷，深泓線逐步移至河槽中部而靠近突起洲頭部西側(cè)，這使得突起洲頭部西側(cè)位置發(fā)生沖刷(圖9)。荊59斷面位于突起洲下游0.7 km，呈W形，受突起洲左汊淤積影響，河槽左側(cè)有所淤積，20年末最大淤厚5.0 m，河槽右側(cè)沖刷，20年末最大沖深4.9 m?？傮w上看，未來研究河段岸線將基本穩(wěn)定，主河槽將有較大程度沖刷。

a)荊45

4.5 平面流場變化

河道演變與河道流場緊密相關(guān)。圖12給出了平灘流量條件(流量為35 000 m3/s)下現(xiàn)狀及未來5年末、10年末、20年末的計算河道平面流場。未來20年研究河段主流位置與現(xiàn)狀情況基本一致，主流走向大體為：進(jìn)口貼左岸下行，至觀音寺過渡到右岸，再貼右岸下行。隨著河床沖刷，同流量條件下主河槽流速有所減小，突起洲左汊因河床淤積流速減小較為明顯。

a)現(xiàn)狀情況

4.6 突起洲分流比變化

突起洲兩汊未來20年分流比變化見表2。受左汊航道整治工程的影響，突起洲左汊將繼續(xù)淤積，右汊進(jìn)一步?jīng)_刷下切。相應(yīng)的，左汊分流比略有減小，在5年末、10年末、20年末，左汊最大分流比減小分別為0.4%、1.0%、2.5%。

表2 突起洲分流比變化 %

5 結(jié)論

本文建立了瓦口子至馬家咀河段的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，采用實測水文泥沙資料對模型參數(shù)進(jìn)行了率定驗證，進(jìn)而對本河段未來20年河床演變趨勢進(jìn)行了模擬研究。研究表明：①瓦口子水道未來第5年末、10年末、20年末枯水河床平均沖深分別約0.99、2.43、3.76 m，馬家咀水道沖刷幅度略小，第5年末、10年末、20年末枯水河床平均沖深分別為0.28、0.92、2.03 m；②本河段未來河勢總體穩(wěn)定，深泓線年際間有變化但平面擺幅不大；③金城洲總體變化不大，突起洲左汊淤積，右汊沖刷，“左支右主”分汊格局保持穩(wěn)定。若未來來水來沙條件與本文研究中所采用的條件沒有大的變化，突起洲左汊淤積、流速減小的趨勢將進(jìn)一步促使突起洲左汊淤積而右汊發(fā)展，直至達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)。