三峽工程運用后武漢段河道沖淤變化研究

崔占峰，張細兵，渠 庚

三峽工程運用后武漢段河道沖淤變化研究

崔占峰，張細兵，渠 庚

（長江科學院河流研究所，武漢 430010）

三峽工程建成運用后，改變了水庫下游河道的水沙條件，壩下游河道水流輸沙能力處于不飽和狀態，河道將發生沿程沖刷，并可能影響武漢河段的河勢調整，進而可能對防洪產生一定影響。為此，在三峽大壩下游一維水沙數學模型最新計算成果基礎上，采用數學模型計算與實測資料分析的手段進行了三峽工程建成后武漢河段水沙變化及河道沖淤演變研究。結果表明：三峽工程運用50年武漢河段河勢沒有發生大的變化，深泓線總體沒有發生大的調整，白沙洲仍保持兩汊過流的趨勢，天興洲左汊持續衰退，右汊發展。

三峽工程；武漢河段；沖淤

1 概 述

長江武漢河段上起武漢市漢南區紗帽山，下迄新洲區陽邏鎮，全長約70．3 km。平面形態為順直分汊和微彎分汊河形。兩岸有臨江的山丘和階地，出露基巖及護岸建筑物。本文研究范圍為武漢河段中下段，即軍山大橋下至新洲區陽邏鎮，全長約66 km。

三峽水庫運用后改變了長江中下游河道來水來沙特性。在不考慮上游建庫條件下，三峽水庫下泄水沙特點為［1－3］：汛期6－9月流量與建庫前相比基本不變，僅洪峰流量有所削減；10月份水庫蓄水，出庫流量陡減，較建庫前同期多年平均值減小約42．7%；從多年月平均流量看，汛后流量10 000 m3／s左右持續時間增加，流量變化幅度較小。三峽水庫盡管采用了“蓄清排渾”的運用方式，但水庫的淤積量仍然較大，蓄水初期水庫排沙比約30%；運行80年后，水庫淤積達到基本平衡。城陵磯至武漢段約為14．98億t，武漢至大通段累計最大沖刷量為9．39億t。最大沖刷量出現后逐漸發生回淤，沖刷從上段向下段逐步發展，發展過程中，下段初期還可能發生淤積。

由于三峽工程建成后壩下游發生長時期、長距離的沖刷，武漢河段來水來沙和河床沖淤情況變得非常復雜。而一維模型只能反映河道整體上的沖淤變化，不能詳細了解洲灘的變化情況。因此，為較詳細研究武漢河段河道的沖淤變化規律及趨勢，本文采用平面二維水流泥沙數學模型對武漢河段灘槽變化、河段沖淤進行了研究。

2 武漢河段近期演變特點

武漢河段由于沿江兩岸受節點控制與護岸工程的實施，自20世紀30年代至今河道平面外形基本穩定，沿江兩岸岸線變化相對較小，河道演變主要表現在河床沖淤、洲灘消長和汊道的興衰交替變化。紗帽山至龜山河段主流平面擺動較小，白沙洲汊道分流分沙比相對穩定，沒有單向變化的趨勢，河勢相對穩定，但洲灘仍將隨不同水文年的來水來沙條件變化而有所沖淤變化。龜山至陽邏河段，漢口邊灘已處于相對穩定，天興洲汊道自20世紀70年代完成了主支汊交替轉化后右汊成為主汊；20世紀70年代后，天興洲逐漸萎縮；洲頭崩退，洲尾下延；左汊持續淤積；洲灘左緣延伸，右緣崩退，1998年以后至今天興洲河段的演變漸趨穩定。

3 平面二維數學模型及驗證

3．1 模型方程

采用一般曲線坐標系下平面二維水流泥沙方程組：

（1）水流連續方程

（2）水流運動方程

（3）泥沙連續性方程

（4）河床變形方程

上述方程組即為一般曲線坐標系下平面二維水沙數學模型的基本方程，式中：J＝xξyη－xηyξ；ξx＝yn／J；ξy＝－xη／J；ηx＝－yξ／J；ηy＝xξ／J；q11＝ξ2x＋ξ2y；q12＝ξxηx＋ξyηy；q22＝η2x＋η2y；Mξ，Mη，Nξ，Nη表示偏導數，如為曲線坐標中流速在ξ和η方向的分量；H為水深（m）；u和v為x和y方向的流速；u0和v0為側向入流x和y方向的流速分量M＝uh，N＝vh；Z為水位（m）；n為Manning糙率系數；D為紊動粘性系數；q為單位面積上水流的源匯強度（m／s）；ρ為水體密度（g／cm3）；S為含沙量；S*為挾沙力；ω為泥沙顆粒沉速（m／s）；γ′為泥沙干密度（kg／m3）；α為恢復飽和系數；ε為泥沙擴散系數；ωK，SK，S*K分別對應分組泥沙顆粒沉速、含沙量和挾沙力。

在求解微分方程時，控制方程（1）－（5）的數值離散采用有限體積法，離散方程的求解基于SIM-PLEC算法，限于篇幅，這里不再贅述。

3．2 模型有關問題的處理

3．2．1 計算河段及網格劃分

綜合考慮河勢、工程研究內容以及水文資料等因素，二維數模計算河段范圍選取為：上游選取軍山大橋下游附近為進口斷面，下游以陽邏為出口控制斷面，全長約66 km；支流考慮漢江入匯。

二維計算網格采用河道邊界貼體正交曲線網格形式，網格節點數為304×80個，水流向網格間距50～280 m，垂直水流方向網格間距15～80 m。計算河段河勢圖及網格劃分圖見圖1所示。

3．2．2 動邊界處理

數模計算動邊界問題，主要由水位變化和迭代計算引起。本報告采用了如下動邊界模擬技術：根據每次計算的水深值判別和區分水域和陸域計算節點；對岸邊界計算節點采用邊界隔墻法處理；岸邊界計算節點保持一較小富裕水深，以使計算得以進行；陸域水位采用近岸水域水位外延等。

3．2．3 糙率等參系數

計算河段內的糙率由實測水文資料反求，并根據局部地形，按單元分塊調試。本次計算的糙率系數，河床取0．018～0．022，灘地一般為0．022～0．035。

圖1 計算河段河勢及網格布置圖Fig．1 Layout of the computed river regime and grids

水流紊動粘滯系數D與水流內部的湍流應力有關，由紊流模型確定，一般情況下，為簡化計算，通常采用常系數方程求解，取其經驗關系式為D＝cu*h，c為經驗常數（取值范圍0．25～1．0），本次計算時，c取值1．0。對于泥沙紊動擴散系數，一般取其值與水流紊動粘滯系數相等，即εx＝εy＝D。

3．2．4 床沙交換及床沙級配調整

本模型將計算河段內河床由上至下分成4層，即表層（泥沙交換層）、中間兩層（過渡層）和底層。懸沙與床沙的直接交換發生在交換層中，交換層厚度在完成級配調整后，保持不變；過渡層中泥沙級配視表層的床面的沖刷或淤積相應地向下或向上移動，與表層泥沙發生交換，過渡層厚度不變；底層與過渡層相應地進行級配調整，底層的厚度視表層的床面的沖刷或淤積相應地減小或增加。

3．2．5 模型定解條件

模型的定解條件包括邊界條件和初始條件2類。本文采用了恒定流邊界條件：上游給定流量、含沙量及級配等，下游給定水位；岸邊界流速、含沙量給零值。在計算河段內給定河床初始地形及床沙級配。漢江入匯按側向入流考慮。初始條件：初始流速場給零值，初始水位按水面線比降給出。

3．3 模型驗證

表1給出了本文模型率定驗證的計算水文條件。采用2008年11月25－26日實測資料率定水位，其余用于驗證。水位率定和驗證計算結果見表2、表3。從表中可看出：在小、中、大3級流量下，武漢河段沿程水位計算值與實測值相差較小；率定誤差一般在3．0 cm內，驗證誤差一般在4．0 cm內。因此，水位率定驗證結果較好。

組次 測驗時間 水文條件 率定驗證內容 率定、驗證位置1 2008年11月25－26日實測流量：武漢關約20 100 m3／s水位、斷面流速分布、斷面含沙量分布金口、邵家灣、楊泗磯洲頭、王家圩、沌南洲、滾裝碼頭、白沙洲頭、白沙洲尾、楊泗港2 2004年12月5－7日實測流量：武漢關約12 600 m3／s水位、斷面流速分布、斷面含沙量分布楊泗港、長江一橋上、江漢路、南京路、37碼頭、青山、五通口、陽邏3 2002年7月29－31日實測流量：武漢關約40 500 m3／s水位、斷面流速分布、斷面含沙量分布漢陽煤廠、楊泗港、青島路、37碼頭、青山、五通口、陽邏、國棉一廠4 2004年12月、2006年4月、2008年8月實測1／10 000地形沖淤量驗證地形高程線對比

表2 武漢河段沿程水位率定結果Table 2 Calibration of water level along Wuhan river regime m

表3 武漢河段沿程水位驗證結果Table 3 Verification of water level along Wuhan river regime m

表4為2002年測次斷面平均流速、平均含沙量對比表。限于篇幅，圖2、圖3和圖4給出了3個測次部分典型斷面計算與實測斷面流速分布和含沙量分布對比驗證圖。

表4 武漢河段典型斷面平均流速、含沙量Table 4 M ean velocity and sedimentation concentration of typical section along W uhan river regime

由圖表中可見，垂線平均流速、含沙量沿河寬分布趨勢基本吻合，計算主流位置與實測一致，計算值與實測值相差較小；垂線平均流速誤差一般小于0．15 m／s；斷面平均流速、含沙量值誤差一般均可控制在5%之內；個別節點誤差稍大。表5為2008年11月測次白沙洲分流比與分沙比對比結果，從表中看，分流比誤差在0．1%以內，分沙比誤差基本在0．1%內。從以上流速含沙量驗證結果來看，流速、含沙量驗證結果較好，模型基本能反映該河段的水流泥沙運動規律。

表5 武漢河段白沙洲分流比與分沙比驗證結果Tab le 5 Verification of discharge diversion ratio and sand diversion ratio of Baishazhou sandbar at W uhan section %

圖2 2002年典型斷面流速、含沙量分布驗證Fig．2 Verification of velocity and sediment distribution of typical section（July，2002）

圖5 給出了2006年4月測次0 m等高線和2008年11月10 m等高線驗證結果圖，由圖可見計算和實測的等高線吻合較好。

由以上水位、斷面流速分布、含沙量分布、地形等高線驗證情況來看，本文采用的河道平面二維水

圖3 2004年典型斷面流速、含沙量分布驗證Fig．3 Verification of velocity and sediment distribution of typical section（December，2004）

圖4 2008年典型斷面流速、含沙量分布驗證Fig．4 Verification of velocity and sediment distribution of typical section（November，2008）

沙數學模型能較好模擬整個計算河段的水沙運動，且驗證計算精度較高。因此，該數學模型精度滿足研究要求。

4 計算條件及結果分析

4．1 計算條件

圖5 計算與實測等高線驗證對比（2006年4月0 m等高線和2008年11月10m等高線）Fig．5 Contrast of calculated and m easured contour lines（0 m isograms in April，2006 and 10 m isogram s in November，2008）

本文計算預測三峽工程運用50年內武漢河段沖淤變化特點。進口水沙條件、出口水位由長江科學院宜昌至大通三峽工程運用50年的一維水沙計算成果（1991－2000年水沙系列，考慮了向家壩、溪洛渡等水庫）提供，每年概化為60個時段。計算初始地形采用實測2008年10月1／10 000河道地形圖資料，模型起算時間為2008年10月，終止時間為2052年12月。

數模計算中，懸移質級配選取武漢河段2007－2008年實測懸移質月均級配，床沙級配采用2008年實測的床沙級配。懸移質中值粒徑d50為0．016 mm，與三峽水庫蓄水運用后多年平均懸沙中值粒徑（0．015 mm）相當；床沙中值粒徑d50為0．2 mm。

4．2 計算成果分析

為便于分析，本文選取了9個典型斷面，分別為漢流06、漢流07、漢流09、漢流11、漢流13、漢流13－2、漢流13－3、漢流15、漢流17，如圖6所示。圖7給出了三峽工程運用50年后典型斷面的變化情況，圖8給出了武漢河段計算初始地形和三峽工程運用50年后的地形對比圖。

由圖7和圖8可知，由于受龜山和蛇山兩節點控制，以及兩岸堤防和護岸工程實施的影響，三峽工程運用50年后較2008年河勢沒有發生大的變化，只是主流區沖深，尤其是楊泗磯和長江大橋附近，由于河道束窄，沖刷較大，深泓線總體沒有發生大的變化。深泓呈現以下規律：進口段依然走白沙洲的左汊，在白沙洲大橋至長江大橋河段深泓較2008年整體向右岸移動，經潛洲左汊至楊泗廟下約1km處開始深泓逐漸向右岸武昌深槽過渡，至隧址右岸附近貼右岸沿武昌深槽下行，較2008年情況有所上提，在長江大橋至武漢長江二橋段深泓較2008年整體有所左移，但幅度不大。過長江二橋后，深泓走向基本與2008年相似。

三峽工程運用50年后，計算河段內洲灘和深槽局部也發生了一定的調整，下面就洲灘和深槽做一分析。

4．2．1 白沙洲的變化

圖6 典型斷面位置圖Fig．6 Layout of typical sections

圖7 三峽工程運用50年后典型斷面變化圖Fig．7 Variation of cross-sections after 50-year operation of the Three Gorges Project

圖8 三峽工程運用50年末時武漢河段地形與2008年地形對比圖Fig．8 Contrast of contour line variation between year 2008 and year 2053（after 50-year operation of the Three Gorges Project）

相對初始地形來說，白沙洲有所淤長，右汊淤積。由漢流07斷面可見，斷面最深點的位置基本相同，斷面形態也基本相似，只是局部區域呈沖淤交替。具體為，在白沙洲左汊的左側沒有發生大的變化，左汊左部少許淤高，淤積幅度在1～2 m，左汊的中部發生了沖刷，幅度在1～5 m；在白沙洲的右汊有所淤積，平面位置整體變化不大。從以上說明可以明顯看出，左汊大部分區域沖刷高程降低，深泓點右移、右汊淤積抬高，但由于左汊沖刷范圍、幅度均較大，而右汊淤積范圍較小，因此白沙洲汊道段整體表現為沖刷。

4．2．2 荒五里邊灘和潛洲的變化

漢流07斷面可知，荒五里邊灘較初始地形有一定程度的淤積，但淤積厚度不大，約為1～2 m。

由漢流07及漢流09斷面圖可知，潛洲左側地形均較初始地形有不同程度的沖刷，沖刷幅度約1～10 m；潛洲洲體略有淤高，淤積高度較小，不到1 m；而在潛洲的右側有沖有淤，淤積大于沖刷，說明潛洲有向右靠岸淤高的趨勢。從以上分析看，對于潛洲，相對2008年上部洲體左側縮窄、上延，右側淤高靠岸；在中部主要表現為洲體左側縮窄，洲體高程增加，右側淤高靠岸；在下部左側沖刷向上游崩退，由于武昌深槽向上游發展使洲尾右側沖深并與武昌深槽相連。

4．2．3 漢陽邊灘和漢口邊灘的變化

由圖8可見，漢陽邊灘處左側地形較初始地形發生了沖刷，幅度約為1～3 m，中部較初始地形沖刷約2～8 m，右側則變化較小。因此，漢陽邊灘較2008年在面積上有一定程度的減小，但幅度不大。

以漢流11、漢流13斷面分析漢口邊灘的變化，由圖可知，三峽工程運用50年末，漢口邊灘上段有所淤長，下段基本沒有變化，不過在下段受武昌深槽下延后主流向右調整的影響，左岸泥沙落淤量有稍許增大。因此漢口邊灘計算較2008年在面積上變化幅度不大。

4．2．4 天興洲的變化

由漢流13－2、漢流13－3、漢流15及漢流17斷面可以看出，在計算條件下，三峽工程運用50年末時，天興洲左右汊朝2個不同的方向發展：天興洲左汊有較大淤積，平均淤積厚度約3～5 m；天興洲右汊則有沖有淤，總體為沖刷，平均沖刷約1～3 m。在三峽工程運用50年末時，枯水期天興洲左汊不過流，汛期左汊分流比也有所下降，總體朝有利于左汊的方向發展。

4．2．5 武昌深槽的變化

以0 m等高線分析武昌深槽變化為例，從圖8可看出，三峽工程運用50年末時，武昌深槽的寬度有較大的增加，最寬處較2008年增加約500 m，武昌深槽向上游有所上延，相對2008年上延了約300 m，至鯰魚套附近；0 m等高線較2008年向下游大幅度伸展，2008年武昌0 m深槽在徐家棚附近結束，而計算地形顯示：0 m深槽相對2008年向下游延展了約2 700 m。最深點高程也有所降低。

5 結 論

本文在宜昌至大通一維水沙數學模型計算成果基礎上，采用平面二維水沙數學模型三峽工程運用50年后對武漢河段河勢變化情況進行了預測計算分析，結果表明：

（1）三峽工程運用50年后，較2008年河勢沒有發生大的變化，深泓線總體沒有發生大的調整。深泓線在模型進口段依然走白沙洲的左汊，后經潛洲左汊至楊泗廟下約1 km處開始逐漸向右岸武昌深槽過渡，后貼右岸沿武昌深槽下行，直至天興洲右汊；

（2）武漢河段總體表現為沖刷；

（3）白沙洲右汊略有淤積，仍保持兩汊過流趨勢；

（4）天興洲左汊淤積較大，右汊則進一步發展擴大。

［1］ 盧金友，黃悅，宮平．三峽工程運用后長江中下游沖淤變化［J］．人民長江，2006，37（9）：55－57．（LU Jin-you，HUANG Yue，GONG Ping．Scouring and Silting Variation in Middle and Lower Channel of the Yangtze River After TGP［J］．Yangtze River，2006，37（9）：55－57．（in Chi-nese））

［2］ 胡向陽，張細兵，黃 悅．三峽工程蓄水后長江中下游來水來沙變化規律研究［J］．長江科學院院報，2010，6（27）：4－9．（HU Xiang-yang，ZHANG Xi-bing，HUANG Yue．Research on Change of Coming Sediment and ComingWater of Middle-Lower Yangtze River After TGPEarly Op-eration［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（6）：4－9．（in Chinese））

［3］ 董耀華，惠曉曉，藺秋生．長江干流河道水沙特性與變化趨勢初步分析［J］．長江科學院院報，2008，25（2）：16－20．（DONG Yao-hua，HUIXiao-xiao，LIN Qiu-sheng．Preliminary Analysis on Characteristics and Changing Tendency of Annual Runoff and Sediment Load of Changjiang River Main Channels［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（2）：16－20．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Erosion-Deposit Variation of the Channel in W uhan Reach After the Operation of TGP

CUIZhan-feng，ZHANG Xi-bing，QU Geng
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The completion of the Three Gorges Project has changed the conditions of water and sediment in the downstream channel of the Three Gorges reservoir．Sediment transport capacity of the channel is in an unsaturated state．As a result，riverbed scouring will take place along the river channel，which may bring about adjustment of the Wuhan river regime andmay further impact the flood control．In view of this，based on the latest research result of one-dimensional sedimentmathematicmodel，themathematicmodel computation alongwith the observed data a-nalysis is used to conduct preliminary researches on the variation of sediment and the erosion-deposit evolution of the river channel in Wuhan river regime．The research result shows that after a 50-year operation of the Three Gor-ges Reservoir，there is little change of the river regime and the thalweg of the Wuhan reach．The two branches of Baisha sandbar are kept flowing．However，the left branch of Tianxing sandbar continues to decline，whilewith the right branch growing．

the Three Gorges project；Wuhan reach；erosion and deposit

TV147．5

A

1001－5485（2011）04－0080－07

2011-02-17

長江科學院院所基金項目－水沙變化與河流系統調整的多維復合模型研究（CKSF2010001）；國家自然科學基金（50879020）；水利部公益性行業專項經費項目（200901003）

崔占峰（1978-），男，河南睢縣人，高級工程師，博士，主要從事河流泥沙數值模擬研究，（電話）027-82829871（電子信箱）jss9871＠vip．163．com。