三峽大壩高水位運行后儲奇門河段水流特性變化分析

謝龍

摘 要：三峽水庫175 m成庫運行后將對變動回水區的水流特性產生重大影響，本文在長江上游水文局實測資料基礎上，選擇變動回水區中段儲奇門河段作為典型代表河段，借助Aquaveo.SMS軟件建立平面水流二維數學模型，將年內各時段與有無回水影響的各種工況進行組合，分析探討了回水作用對流場、流速橫向分布、水動力軸線等水動力條件的影響。本文成果可為該河段的河流研究與航道治理提供依據，同時，本文建立的數值模擬方法可為同類河段的數模研究提供參考。

關鍵詞：儲奇門河段;175 m方案;水流特性;平面水流二維數學模型;水動力條件

中圖分類號：TV147 文獻標識碼：A

1 河段自然條件

儲奇門河段在重慶主城區，上起珊瑚壩，下達東水門，全長約5.2 km，河段略微彎曲，河段兩岸密布著礁石、淺灘，航道形態與航道條件十分惡劣，每年都需要進行整治、疏浚才能正常通航，水流特性十分復雜。

2 三峽大壩成庫前后儲奇門河段水流特性變化分析

本文選擇地表河流計算軟件中權威度較高的Aquaveo.SMS（地表水系統模擬軟件）進行模擬計算。對研究河段進行建模分析，采用有限單元計算模塊，網格劃分采用三角網格，初始條件通過上游來流量、下游水位、河床糙率、紊動能傳遞系數等模型參數進行控制。

根據相關文獻介紹以及實測數據分析可知，三峽大壩高水位成庫運行后，在年內可分為四個調度時段，即6初-9月末為汛期、10月初-10月末為蓄水期、11月初-次年1月末為蓄水維持期、2月初-5月末為消落期，根據文獻[1]所提供的資料，選擇各階段時期的代表水文資料進行建模計算，為了避免時間因子造成的計算誤差，在保證三峽成庫前后來流量盡量一致的情況下，盡可能選擇對應的同一年內時段實測資料。

2.1 流場變化

將各工況下儲奇門河段流場分布繪如下。從圖中可知，成庫前后同流量下汛期流場分布變化基本一致，非汛期成庫后同流量下，水位抬升，過水面積增大，右岸邊灘、潛磧由干地變為過水濕地，整個河段流速大幅下降，其中主航槽的流速降幅要高于其它區域，整個過水區域流速分布趨于平均，流向線與航槽中心軸線夾角減小，流態更為平順。同時，由于蓄水維持期水位抬升最高，過水面積增加最大，流速下降幅度最大，蓄水期次之，消落期則最小。

2.2 流速橫向分布變化

根據典型斷面流速變化可看出，成庫后非汛期內，同一流量下儲奇門河段水面線變寬，延伸方向主要向河段右側潛磧處，尤其在老鸛磧至儲奇門段，河段左岸為堅硬基巖，延伸距離不明顯。各時段水面線延伸距離差別很大，在蓄水維持期，延伸距離最大可達320 m。同時，河段內最大流速下降，過水區域拓寬，平均流速大幅下降，流速橫向分布由尖銳的“陡峭型”放緩為“平滑型”，變化最明顯的區域主要分布在主流區及右側淺磧附近。

進一步統計可知，蓄水維持期該斷面的平均流速降幅最大，達到89.3%，遠大于蓄水期的55.4%及消落期的60.1%。流速變化最大的區域集中在航槽附近（斷面平距340 m～490 m），在蓄水維持期，局部位置流速降幅最大可達95.3%。

2.3 推移質運動強度變化

Shields認為，推移質泥沙的運動是水流切應力作用的結果，因此推移質運動的強弱與床面切應力密切相關。Einstein（1950）基于水力半徑分割法得到了沙粒切應力的表達式：

式中，為平均流速，m/s;為平均水深，m;為泥沙中值粒徑，m;為水面比降。

將各工況下的計算成果代入公式，并根據各時段持續時間進行加權計算，得到由成庫前的22.8 Pa降為14.5 Pa，下降幅度達36.4%，這勢必將導致推移質輸沙強度的大幅下降，引起河床發生新的沖淤變化。

3 結論

分析結果表明：

（1）成庫后同流量下，儲奇門河段水位上升，右側邊灘、潛磧過水，河段流速放緩，流速分布趨于均勻，流向線與航槽中心軸線夾角減小，流態更加平順。其中航槽流速的降幅要大于其他區域。

（2）成庫后同流量下，儲奇門河段內最大流速下降，過水區域拓寬，平均流速大幅下降，流速橫向分布由“陡峭型”放緩為“平滑型”，變化區域主要分布在主流區與右側淺磧處。

（3）成庫后，儲奇門河段沙粒切應力由成庫前的22.8 Pa降為14.5 Pa，下降幅度達36.4%，將導致推移質輸沙強度的大幅下降，引起新的沖淤變化及河床變形。

參考文獻：

[1]Hey，R.D.Flow resistance in gravel—bed river.

[2]Wilcock，P.R.The critical shear stress of natural sediments.