洞庭湖草尾河航道礙航特性分析

劉方舟，乾東岳，普曉剛，張明

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 前言

草尾河茅草街至鲇魚口73km 河道可分為河、湖兩段（見圖1），其中茅草街至泥灣57km 為上段，兩岸有防洪大堤，具有河道屬性；泥灣至鲇魚口16km 為下段，是洞庭湖的一部分，具有河湖雙重屬性。草尾河兩端水位差較大，河湖雙重屬性作用下易形成“陡坎”。該段是洞庭湖區(qū)歷次航道整治的重點(diǎn)灘險(xiǎn)之一。經(jīng)過多年發(fā)展，該航段基本滿足Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，可通航1000t 級(jí)船舶。不過近年來受湖區(qū)水沙情勢(shì)變化和河道采砂等高強(qiáng)度人類活動(dòng)的綜合影響，靈官咀及其以下河段航道整治竣工地形受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致阿彌石至靈官咀河段通航條件又急劇惡化，枯水期需助航上灘。

圖1 草尾河河道形勢(shì)及灘險(xiǎn)位置圖

為適應(yīng)沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展和船舶大型化需要，湖南省水運(yùn)“十三五”建設(shè)規(guī)劃要求沅水常德至鲇魚口213km 航段進(jìn)一步擴(kuò)大航道尺度和提升通過能力，將航道等級(jí)由Ⅲ級(jí)提升至Ⅱ級(jí)（3.0m×75m×360m，水深×航寬×彎曲半徑），其中茅草街至鲇魚口73km 的航道是沅水常德至鲇魚口Ⅱ級(jí)航道建設(shè)中的關(guān)鍵性工程之一，為研究航道條件惡化的成因，避免航道擴(kuò)能升級(jí)后航道條件再次惡化，建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)現(xiàn)狀河道開展數(shù)值模擬計(jì)算研究。

2 平面二維水流數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 模型基本方程

平面二維水流模型基本方程可表示成如下通用微分方程式，即：

2.2 模擬范圍與計(jì)算網(wǎng)格

建立了草尾河航道平面二維水流數(shù)學(xué)模型，模型進(jìn)口位于草尾水文站附近，出口位于泥灣附近，模擬河段長(zhǎng)約60km，共布置1570×196 個(gè)網(wǎng)格，并對(duì)航道區(qū)域及灘險(xiǎn)河段進(jìn)行加密處理，加密后縱向尺度一般為20～50m，橫向尺度一般為4～8m。數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍見圖2所示。

圖2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算河段1/10 網(wǎng)格圖

3 現(xiàn)狀水流特性計(jì)算分析

3.1 計(jì)算條件

因高水期草尾河水面平緩，船舶航行情況較好，故數(shù)學(xué)模型重點(diǎn)針對(duì)中枯水期航道條件進(jìn)行研究，根據(jù)河道來流情況，確定了6 種計(jì)算工況（表1）。

表1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況

3.2 現(xiàn)狀水流特性計(jì)算分析

3.2.1 河道水位

在計(jì)算條件下，草尾至泥灣河段水位落差1.26～6.97m，水位落差呈現(xiàn)隨流量增大而逐漸減小的規(guī)律。草尾流量460 m/s 時(shí)，水位落差最大，為6.97m，草尾站水位26.11m。

圖3 現(xiàn)狀情況各工況條件下河段水面線

3.2.2 河道比降

隨著流量增大，草尾至泥灣河段局部最大比降趨于減小。在設(shè)計(jì)最小通航流量Q=460m/s 時(shí)，河段局部最大比降最大，為3.47‰；在流量增大到1500m/s 時(shí)，局部最大比降已降至1‰以下。

流量Q ≤700m/s 時(shí)，阿彌石至漉湖河段局部比降較大，其中靈官咀灘、阿彌石灘、漉湖灘局部最大比降分別為3.47‰、2.06‰、0.81‰，其它河段水流較為平緩，局部比降最大為0.56‰；流量Q=1000m/s 時(shí)，阿彌石灘局部最大比降為1.27‰，靈官咀灘、漉湖灘局部最大比降分別減小至0.57‰、0.42‰，其它灘段局部比降最大為0.47‰；在流量Q ≥1500m/s 時(shí)，全河段局部最大比降位置位于四碼頭附近，阿彌石至漉湖河段局部最大比降小于0.5‰。

3.2.3 航槽水深

圖4給出了草尾站為設(shè)計(jì)最小通航流量Q=460m/s、鹿角站為設(shè)計(jì)最低通航水位19.09m 條件下航槽的最小水深。由圖可見，黃茅洲至漉湖河段，現(xiàn)狀情況下大部分航段（約24.7km）不能滿足3m 設(shè)計(jì)航深的要求，其中靈官咀河段沿程最小水深一般在2m 左右，比設(shè)計(jì)水深小1m；上塞湖河段沿程最小水深一般在2.5m 左右，比設(shè)計(jì)水深小0.5m；凈下洲至黃茅洲河段沿程最小水深一般在2.6～2.8m，比設(shè)計(jì)水深小0.4～0.2m。黃茅洲以上至草尾河段、泥灣以下河段沿程最小水深一般大于3m，水深條件較好。

圖4 研究河段航槽最小水深沿程變化圖

3.2.4 河道流速

草尾至黃茅洲間長(zhǎng)約15km，河道微彎，河槽單一，水面平緩，Q ≤3000m/s 時(shí)，流速小于2m/s，枯水河面寬度最小約200m，通航水流條件較好。黃茅洲至上塞湖河段流速一般小于1.5m/s，主流也比較平順。阿彌石至漉湖6km 河段，河床起伏較大，且岸線不規(guī)則，對(duì)水流流態(tài)有一定影響，如阿彌石河段水流比較紊亂（圖5），靈官咀枯水有明顯的急流（圖6），左岸有明顯的回流。漉湖以下開始進(jìn)入湖區(qū)，因受采砂等影響，床面較低，水流流速較小，通航水流條件較好。

圖5 現(xiàn)狀情況Q=460m3/s 條件下阿彌石河段流場(chǎng)

圖6 現(xiàn)狀情況Q=460m3/s 條件下靈官咀河段流場(chǎng)

流量Q ≤1000m/s 時(shí)，靈官咀是全河段流速最大的河段，且最大流速呈隨流量增大流速減小態(tài)勢(shì)；流量Q ≥1500m/s 時(shí)，全河段流速最大區(qū)域位于黃茅洲至草尾水文站之間，且最大流速呈隨流量增大流速增大態(tài)勢(shì)。在計(jì)算的各工況條件下，以工況1 設(shè)計(jì)最小通航流量Q=460m/s 條件下，靈官咀河段流速最急，最大流速達(dá)3.21m/s。

3.3 礙航特性分析

現(xiàn)狀條件下草尾河水流特性與上灘能力計(jì)算成果表明，枯水期水位落差集中在阿彌石至靈官咀河段：

（1）阿彌石河段呈連續(xù)急彎河勢(shì)，河槽窄深、上下灣頂對(duì)峙，在設(shè)計(jì)最小流量時(shí)最大局部比降2.06‰，最大表面流速2.60m/s，流態(tài)紊亂、水流沖岸，最小航槽水深不能滿足Ⅱ級(jí)航道尺度要求，具有枯水急、淺、險(xiǎn)多重礙航特性。

（2）靈官咀河段為順直河段，靈官咀中段深泓陡降，形成跌坎。枯水期局部最大比降3.6‰，最大表面流速3.28m/s，急流礙航。因靈官咀上接阿彌石連續(xù)彎道段，靈官咀進(jìn)口段形成回流礙航流態(tài)。

（3）草尾至鲇魚口擬建航道等級(jí)為Ⅱ級(jí)，保證率98%，設(shè)計(jì)航道尺度為3.0×75×360m。在航道等級(jí)由Ⅲ級(jí)提升至Ⅱ級(jí)后，航道水深將由2.0m 提高到3.0m。現(xiàn)狀情況下黃茅洲至漉湖河段，大部分航段（約24.7km）不能滿足3m 設(shè)計(jì)航深要求，主要為枯水淺灘。

4 結(jié)論及建議

采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)草尾河開展數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）近年來靈官咀及其以下河段出現(xiàn)大面積河床非自然下切。局部河床非自然下切在靈官咀河段形成陡坎。因枯水期洞庭湖水位較低，草尾河兩端水位落差大，加之靈官咀及其以下河段深泓陡降，導(dǎo)致草尾河水面比降集中于陡坎以上的阿彌石至靈官咀河段，枯水成灘。

（2）草尾河下段約24.7km 不能滿足3m 設(shè)計(jì)航深要求，且整個(gè)河段水位落差主要集中于阿彌石至靈官咀段，該段是影響草尾河下段水位的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)河床浚深或拓寬，易導(dǎo)致阿彌石以上河段枯水水位大幅下降，需慎重考慮該段航道整治措施。

（3）根據(jù)礙航特性與成因分析，拓寬與浚深阿彌石至靈官咀段河槽僅可改善局部水流條件，且易導(dǎo)致礙航點(diǎn)上移。通過修復(fù)靈官咀及其以下河段采砂坑，營(yíng)造平緩的枯水水位，減小阿彌石至靈官咀河段水位落差，可系統(tǒng)解決草尾河枯水礙航的問題。