七里湖孟姜垸采區(qū)砂石開(kāi)采前后水力學(xué)特性分析研究

傅功年，譚 凱，劉曉群，趙文剛

（1.常德市水利局，湖南 常德 415000； 2.湖南省洞庭湖水利事務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

洞庭湖作為長(zhǎng)江中游重要的調(diào)蓄湖泊，連接長(zhǎng)江、調(diào)節(jié)洪水，生物互游共存、船舶互通互補(bǔ)，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶、長(zhǎng)江中游城市群和中部地區(qū)生態(tài)安全屏障的重要組成部分[1～2]。一直以來(lái)，洞庭湖洪水問(wèn)題是區(qū)域最大的水情問(wèn)題。隨著三峽及長(zhǎng)江上游梯級(jí)群的運(yùn)用，區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)以下洪水基本得到控制[3]。長(zhǎng)期的清水下泄，使得區(qū)域內(nèi)累積性淤積的泥沙重新被水流沖刷移動(dòng)，河道沖深，洲灘發(fā)育，枯水期維持水面大幅衰減，河湖水網(wǎng)、水資源、水生態(tài)問(wèn)題顯現(xiàn)[4～6]?？菟冢獠織l件的三峽調(diào)度對(duì)于區(qū)域水資源、水面維持作用有限，必須從湖區(qū)內(nèi)部著手開(kāi)展“增蓄”調(diào)控，實(shí)現(xiàn)洞庭湖的生態(tài)復(fù)蘇。本文結(jié)合七里湖孟姜垸開(kāi)采工程，分析開(kāi)采前后水動(dòng)力條件變化，以此探討開(kāi)采工程的整體水沙效應(yīng)，旨在為洞庭湖綜合治理與水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況及工程設(shè)計(jì)

1.1 區(qū)域概況

七里湖系西洞庭湖重要組成部分，上起津市小渡口，下至石龜山。南北長(zhǎng)為25 km，東西寬為（0.9～8.6）km，總面積為94 km2。承納澧水及松滋河來(lái)水，含沙量較大，湖床淤積十分迅速。1952 年實(shí)測(cè)，湖底平均高程為27.2 m；至1983 年，平均淤高4.5 m，最大淤高7.5 m；現(xiàn)湖底一般高程為35 m 左右，70 年間平均淤高為7 m，最大淤高13 m，九垸等澧水洪道已成為地上懸河。調(diào)蓄容積由10 億m3減至不足3 億m3。同時(shí)，長(zhǎng)江三口分流，使得澧水與長(zhǎng)江洪水碰頭的概率較大，6 月上半月為8.3%，下半月為27.8；7 月上半月為34.9%，下半月為11.1；8 月份為5.6%。1998 年7 月23 日澧水出現(xiàn)特大洪峰，與長(zhǎng)江第三次洪峰（宜昌流量52 300 m3/s）碰頭，以后長(zhǎng)江又出現(xiàn)5 次洪峰，最大流量為63 600 m3/s，迫使區(qū)域水位抬高，防洪壓力巨大[7]。是洞庭湖防洪問(wèn)題較為關(guān)鍵的部位之一，也是洞庭湖洲灘旱化、濕地生態(tài)功能退化較為嚴(yán)重的部位之一，其反映的問(wèn)題在洞庭湖區(qū)具有代表性。詳見(jiàn)圖1。

圖1 孟姜垸位置

1.2 工程設(shè)計(jì)

孟姜垸可采區(qū)是湖南省省管河道31 個(gè)可采區(qū)之一，可采區(qū)面積為6.99 km2，控制開(kāi)采高程為0 m，東西長(zhǎng)為（1.7～2.9）km，南北寬為（2.5～3.8）km，達(dá)到或超過(guò)警戒水位禁采，規(guī)劃期控制開(kāi)采總量為4 100 萬(wàn)t[8]。

2 基本假定及資料方法

2.1 基本假定

疏挖前后過(guò)流斷面水力要素的變化僅考慮因疏挖而引起的斷面直接變化，對(duì)下游出口河段水位變化不予考慮。

2.2 基本資料

水文資料采用津市、石龜山、官垸、匯口水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；地形資料為2022 年實(shí)測(cè)資料。

2.3 研究方法

1）基本原理。基于笛卡爾坐標(biāo)系，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建立二維水動(dòng)力模型，其控制方程采用有限體積法求解，模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更有利于擬合復(fù)雜河道邊界，同時(shí)可以對(duì)特定區(qū)域附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密[9]。

2）計(jì)算范圍與網(wǎng)格劃分?？紤]到開(kāi)采工程可能引起上游河段洪水主流動(dòng)力軸線的擺動(dòng)，進(jìn)而影響上游堤防工程的穩(wěn)定性，數(shù)學(xué)模型計(jì)算上邊界位于道水河口以下1.5 km 左右，出口位于石龜山水文斷面。

針對(duì)此工程河段特點(diǎn)，彎道凹岸、汊道分流區(qū)、匯流區(qū)、淺灘，開(kāi)采區(qū)域等網(wǎng)格進(jìn)行局部加密來(lái)反映復(fù)雜的地形特征，河道順直、地形變化不大處則網(wǎng)格較大。上、下游邊界附近順直河段單位網(wǎng)格較疏，沿水流方向一般（50～60）m，垂直于水流方向（40～50）m；洲灘發(fā)育河段單元網(wǎng)格尺寸沿水流方向一般25 m，垂直于水流方向25 m。整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約102 379 個(gè)，單元202 542 個(gè)。詳見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格示意圖

3）定解條件與參數(shù)設(shè)置。模型上游邊界采用流量邊界進(jìn)行控制，下游邊界采用水位邊界進(jìn)行控制。初始水位條件采用各邊界的初始水位。

模型糙率分區(qū)設(shè)定，一般主槽內(nèi)糙率為（0.015～0.022）；孟姜垸楊樹(shù)、蘆葦發(fā)展已形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模，該區(qū)域糙率結(jié)合植被種類、密度和分布情況取值為（0.03～0.04）；兩岸堤防不過(guò)水，糙率約為0.1。

4）模型率定驗(yàn)證。模型驗(yàn)證結(jié)合2007 年3 月1日至9 月30 日實(shí)測(cè)洪水過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。詳見(jiàn)圖3。

圖3 津市水位率定與驗(yàn)證結(jié)果

2.4 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)批復(fù)的《湖南省洞庭湖區(qū)二期治理三個(gè)單項(xiàng)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，河段防洪設(shè)計(jì)水位采用解放以來(lái)至1991 年實(shí)測(cè)最高水位。

其他各工況根據(jù)控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)水文分析獲取，各主要控制站典型年洪水位見(jiàn)表1。

表1 各主要控制站典型年高洪水位基準(zhǔn)為凍結(jié)吳淞

3 結(jié)果分析

3.1 水位變化

Q=473 m3/s 工況下，河水歸槽，開(kāi)采后水位基本不變，略微降低，最大降低幅度為0.05 m；Q=2 290 m3/s 工況下：洪水進(jìn)一步上漲，開(kāi)采后水位降低，最大降幅為0.18 m，主要為孟姜垸孫家咀段，采區(qū)下游王家咀段水位升高，局部最大壅水高度為0.07 m，影響范圍約0.22 km2；Q=9 270 m3/s 工況下：洪水漫灘，整個(gè)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，降低值以工程河段為中心，向上下游逐漸減小。開(kāi)采工程以下新堤拐河段，水位升高，局部最大壅水高度為0.07 m，但影響范圍較小，影響范圍約0.02 km2，灘上水位平均降低約0.01 m；Q=16 100 m3/s、19 900 m3/s 工況下：洪水進(jìn)一步上漲，新堤拐、邵家咀以上河段水位均降低，幅度分別為（0.000 1～0.13）m、（0.000 1～0.12）m；新堤拐、邵家咀、黃家拐河段水位均升高，局部最大壅水高度分別為0.08 m、0.1 m，但影響范圍較小，均不超過(guò)0.05 km2，其它河段無(wú)變化。詳見(jiàn)表2、圖4 所示。

表2 高洪水時(shí)開(kāi)采河段局部壅水影響范圍統(tǒng)計(jì)表

圖4 Q=473 m3/s，9 720 m3/s，19 900 m3/s 開(kāi)采前后水位變化

陽(yáng)由垸、孟姜垸、伍家坪河段周邊堤防長(zhǎng)、險(xiǎn)工險(xiǎn)段多，需重點(diǎn)關(guān)注，根據(jù)開(kāi)采前后水位變化統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（表3）：小流量時(shí)水位無(wú)明顯變化，大流量時(shí)（9 720 m3/s、16 100 m3/s、19 900 m3/s）陽(yáng)由垸、孟姜垸段水位整體下降比較明顯，伍家坪河段無(wú)顯著變化。

表3 開(kāi)采前后水位變化統(tǒng)計(jì)表 m

綜上所述，開(kāi)采后，低洪水及中洪水時(shí)開(kāi)采對(duì)河道水位影響較?。辖佣纬猓?，河段水位皆有下降，提升了本河段的行洪能力；洪水漫灘以后，開(kāi)采對(duì)陽(yáng)由垸、孟姜垸河段水位影響較大，水位呈降低趨勢(shì)，采區(qū)至河段出口局部水位升高，但影響范圍不大。

3.2 分流比變化

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可以看出（表4、表5）：開(kāi)采對(duì)上游孟姜垸洲汊道分流比影響較小，工程前后分流比整體相差不大，多年平均流量、最大洪峰流量下左汊分流比增大，其它洪水情況下左汊分流比減小。在Q=2 290 m3/s 工況下，左汊分流比降幅最大，為2.18%。同時(shí)，開(kāi)采對(duì)邵家咀汊道分流比影響也較小，工程前后分流比整體相差不大，中低洪峰流量下左汊分流比減小，其它洪水情況下左汊分流比增大，且隨著流量增大而增大。在Q=16 100 m3/s 工況下，左汊分流比增加最大，為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 流場(chǎng)變化

Q=473 m3/s 下，河道內(nèi)流速普遍處于（0.05～2.00）m/s間，由于此時(shí)河道內(nèi)水量少，水位偏低，開(kāi)采后研究區(qū)域內(nèi)水流條件均變化不顯著，影響主要集中在采區(qū)，由于河道斷面擴(kuò)大，在開(kāi)采7.27 km2范圍內(nèi)流速降低（0.000 1～0.07）m/s；Q=2 290 m3/s 工況下，河道內(nèi)流速普遍處于（0.11～2.79）m/s 間，此時(shí)水位上漲，開(kāi)采后影響較明顯區(qū)域?yàn)槊霞抑拮笥毅夂佣?，流速降低?.1～1.55）m/s，采區(qū)下游邵家咀河段流速增加（0.10～1.97）m/s，采區(qū)范圍內(nèi)流速變化也較為明顯，（-0.14～0.20）m/s；Q=9 720 m3/s 工況下，河道內(nèi)流速普遍處于（0.51～3.88）m/s 間，開(kāi)采后影響較明顯區(qū)域?yàn)槊辖佣?，流速變幅?2.17～1.11）m/s，其中流速增加的區(qū)域主要是邵家咀出口、孟姜垸左汊入口、孫家咀河段，流速增加（0.10～1.11）m/s；

Q=16 100 m3/s、19 900 m3/s 工況下，河道內(nèi)流速普遍處于（0.62～4.91）m/s 間，開(kāi)采后影響較明顯區(qū)域?yàn)槊霞抑藓佣危魉僮兎?1.02～0.77）m/s，其中流速增加的區(qū)域主要是邵家咀出口、孟姜垸觀音港至孟家洲河段，流速增加（0.10～0.77）m/s。

統(tǒng)計(jì)陽(yáng)由垸、孟姜垸、伍家坪河段開(kāi)采前后流速變化，發(fā)現(xiàn)：開(kāi)采前后陽(yáng)由垸、孟姜垸河段流速變化顯著；伍家坪段流速變化僅在低流量時(shí)比較顯著。詳見(jiàn)表6。

表6 開(kāi)采前后流速變化統(tǒng)計(jì)表 m

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)構(gòu)建的孟姜垸開(kāi)采河段二維水流數(shù)學(xué)模型研究了防洪和河勢(shì)演變的影響，主要結(jié)論如下：

1）開(kāi)采后，中低洪水時(shí)開(kāi)采對(duì)河道水位影響較小，開(kāi)采后上游河段水位皆有下降，提升了本河段的行洪能力；洪水漫灘以后，開(kāi)采對(duì)河道水位影響較小，水位呈降低趨勢(shì)，采區(qū)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 的水域面積在（1.29～1.49）km2間，影響范圍不大。

2）開(kāi)采對(duì)孟姜垸洲汊道分流比影響不大，工程前后高低水左汊分流比增大，中高水左汊分流比減小，變化范圍為-2.18%～0.42%。對(duì)邵家咀汊道分流影響更小，由于開(kāi)采工程的實(shí)施增大了入口處的流量，抬升水位，所以中低水右汊分流比呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。隨著流量的增加，水逐漸漫灘，右汊分流比變化先增大后減小，變化范圍為-0.65%～0.61%。

3）開(kāi)采后，除采區(qū)河段外流向基本沒(méi)有變化，流速變化較顯著的區(qū)域主要集中在孟姜垸洲河段入口及出口處和開(kāi)采區(qū)域內(nèi)，具體為：開(kāi)采河段流速降低，上游和下游流速增加。