長壽-洛磧河段回水變動區二維水沙數值模擬研究

朱利晴，俞俊平，吳江鵬，何金寶，孫斌

(1.江西省交通科學研究院， 江西 南昌 330200；2.江西省港航管理局， 江西 南昌 330006)

三峽水庫正常蓄水后，長壽到洛磧河段的回水變動區航道條件變得極為復雜，雖然國內有許多學者[1-6]從河床演變理論分析、數學模型計算、實體模型試驗等不同角度對三峽蓄水后變動回水區的泥沙淤積情況進行了研究，得到了較為深入的認識，但以往大多采用19世紀60年代水沙資料，然而近年來，長江上游及其支流建庫、水土保持等使得水沙條件發生了明顯變化，該水沙資料已難以體現輸沙量減小的最新趨勢[7]，原有的研究成果可能與實際情況存在很大差異，不再適用。本文采用二維水沙長時段數學模型，選用2002年—2011年+1998年的10+1序列對三峽庫區回水變動區水流與泥沙運動規律進行了模擬研究，通過對回水變動區各時段水流運動規律及泥沙運動形態的研究，主要包括懸移質、推移質的運動和水流流速、流態等的運動規律，進而分析該河段河道沖淤長時段變化規律，從而為航道整治及日常航道維護管理提供科學依據與理論基礎。

1 三峽庫區泥沙沖淤特性

長壽-洛磧河段位于重慶下游約50 km，河段全長約28.5 km，出口距三峽樞紐約530 km。該河段具有典型的山區河流特點，包括彎道，邊灘，淺灘、深槽、分叉等多種河型，計算成果可反映多種河型的泥沙沖淤特點，具有較強的代表性，該河段的河勢圖見圖1，其中SC1～SC9是選取的9個典型斷面。

圖1 三峽工程回水變動區長壽到洛磧河段河勢圖

1.1 沖淤強度

相關資料顯示，三峽水庫蓄水以來，2003年3月至2011年11月間庫區大壩至銅鑼峽干流全河段泥沙淤積總量為12.649億m3，其中大壩至李渡鎮段淤積12.417億m3，李渡鎮至銅鑼峽河段淤積2326萬m3。通過三峽庫區各河段淤積量和淤積強度對比可知，泥沙淤積分布和淤積強度與河道形態存在著密切的關系，河道寬谷段淤積強度相對較大，窄深段淤積強度較小甚至局部出現沖刷現象，蓄水后大壩～銅鑼峽干流寬谷段總淤積量為11.106億m3[8]，占全河段總淤積量的93.1%，窄深河段總淤積量為0.826億m3，僅占全河段總淤積量的6.9%。

1.2 沖淤形態

（1）淤積現象普遍。蓄水前，三峽庫區縱剖面呈鋸齒狀分布。蓄水后泥沙淤積使縱剖面發生了一定變化。相較于2006年，2011年深泓線高程大，即工程河段存在普遍游積現象。

（2）垂向沖淤變化顯著。三峽庫區兩岸一般為基巖組成，故岸線基本穩定，斷面變化主要表現在河床的垂向沖淤變化。自蓄水以來，三峽庫區淤積形態主要有[9]：

①主槽平淤，此淤積方式分布于庫區各河段內，如壩前段、臭鹽磧河段、黃花城河段等；

②沿濕周淤積，此淤積方式也分布于庫區各河段內；

③左岸或右岸主槽淤積，此淤積形態主要出現在某些河道形態為彎道處，以土腦子河道為典型；沖刷形態主要表現為主槽沖刷和沿濕周沖刷，一般出現在河道水面較窄的峽谷段和回水末端位置。

工程所處的洛磧河段位于銅鑼峽至涪陵河段中段部位，為川江典型的淺灘河段，三峽水庫進入156 m蓄水期后，該河段成為三峽水庫變動回水區河段，試驗性蓄水后該河段枯水位進一步抬高，但由于目前該河段受蓄水影響時間較短，且處于變動回區上段，汛期基本為天然河道狀態，該河段還未出現明顯的累積性淤積狀態。

（3）洲灘深槽淤積穩定。根據相關實測河床地形資料，工程河段整體河勢穩定，沒有出現大的灘槽移位。相較2006年，2009年河床地形普遍淤積1.5 m～2 m，局部深槽邊灘淤積超過2 m，如麻柳場淤積約3 m，中擋壩淤積約4 m，雀石子淤積約3 m，板凳角淤積3 m，川江駁船廠碼頭前淤積4 m，重鋼碼頭淤積6 m，王家灘右岸邊灘淤積4 m～6 m，龍舌梁淤積3 m；2010年地形較2009年普遍淤積1 m～2 m，過年石至麻柳場出現2 m淤積帶，中擋壩淤積2 m～4 m，車家石梁化危口碼頭、川江駁船廠和重鋼碼頭等水工建筑物附近均出現了 2 m～5 m的淤積，騎馬橋出現2 m～4 m淤積，龍舌梁至羊角堡左岸邊灘有2 m～5 m淤積。

2 二維水沙模型建立及驗證

2.1 二維水沙模型

本文所用二維水沙模型通過參考熊偉[9]等人的研究內容建立，利用 Mike軟件對所建立的二維水沙模型進行相關數值模擬，因篇幅所限且此處并非本文研究重點，模型建立的基本方法、邊界條件、應注意的核心問題及模型求解等詳見參考文獻[10]。本文采用三角形非結構網格對計算域進行網格剖分，計算區域從南坪壩（上游航道里程609 km）開始，至長壽釣魚嘴（上游航道里程580.5 km）處結束，全長共計28.5 km，建筑物附近5 m、灘段10 m～20 m、其它河段40 m～50 m，平均20 m，按疏密漸變的方式劃分，共剖分節點82 958個，單元168 046個。

2.2 糙率研究

河道對水流的阻力用糙率值表示，在二維水沙模型的水力計算中，糙率值是關鍵參數，糙率的大小與河床質組成、河道坡降、平面地形、斷面形狀及流量、水位等參數相關，需要用實測資料進行率定[11]。參考長江重慶航運工程勘察設計院“三峽庫區（175 m運用初期）設計最低通航水位計算與分析”，采用一維數學模型對工程河段的糙率進行率定，長壽-扇沱、扇沱-麻柳嘴和麻柳嘴-太洪崗各河段平均糙率分別為0.0366、0.0333和0.0394。

2.3 敏感性分析

一般影響泥沙淤積量的因素主要有床沙粒徑d50、來沙條件Q沙和輸沙因子（kb是推移質輸沙因子，ks是懸移質輸沙因子）。

首先，為了比較不同床沙粒徑對淤積的影響，固定來水來沙條件和輸沙因子kb=ks=1，選取了 4種床沙粒徑進行分析，分別為d50=0.28 mm，0.2 mm，0.1 mm和0.05 mm，進行了2009年的淤積計算。圖2是進口流量、含沙量和出口水位的邊界條件；圖3比較了2009年4種粒徑的淤積量，可見床沙粒徑0.28 mm和0.2 mm淤積量基本相同，床沙粒徑0.1 mm和0.05 mm淤厚基本相當。隨著粒徑增加，淤積量增加。分析認為不同粒徑對淤積厚度有一定的影響，但敏感性不強。

其次，為了比較不同來沙條件對淤積的影響，固定床沙粒徑d50=0.2 mm，kb=ks=1，比較了2種來沙條件的淤積厚度。來沙量減小，淤積隨之減小，但影響并不顯著。

圖2 2009年水位、流量和含沙量過程

圖3 不同床沙粒徑淤厚比較

最后，為了比較輸沙因子對河床輸沙的影響，分別取值計算2009年6月1日至6月15日共15 d的淤積情況。各組淤積高程比較可知，不同輸沙因子對淤厚有明顯影響。

2.4 水位驗證

驗證資料參考值采用 2008年麻柳嘴和扇沱水位站實測水位值。通過模型計算值與實測水位值的對比分析可知：計算值與實測值整體契合程度良好，水位值基本一致，不過由于汛期水位通常變化較大，故汛期部分時段計算值與實測值稍有出入，但總體而言誤差尚在可接受范圍內。

2.5 地形驗證

本文采用2006年－2009年三峽水庫回水變動區實測地形資料進行地形驗證。總體來看，數模計算與實測主要淤積部位基本一致，實測平均淤高1.16 m，數值計算平均淤高1.06 m，數模計算淤積量為3863.28萬m3，實測地形淤積3846.72萬m3，兩者相差16.57萬m3，相對誤差為0.43%。

3 河床沖淤規律分析

3.1 邊界條件

為了分析工程河段長時段的河床沖淤變化規律，選用2002年—2011年和1998年的10+1序列重復一次對22 a間工程河段的沖淤變化計算，該序列既考慮輸沙量減小的最新趨勢，也包含各種特征年，考慮因素比較全面，具有較強的代表性。

3.2 淤積量變化

三峽水庫運行5 a、10 a、15 a和22 a淤積量分別為 3867.878 萬 m3、9774.527 萬 m3、15 846.700 萬m3和24 144.410萬m3，對應的累積平均淤積厚度分別為1.22 m、3.09 m、5.01 m和7.63 m，由于每年的來沙量不同，每年的淤積強度和淤積厚度有所差異，最大的淤積強度發生在 2021年，淤積強度為1749.350 m3/a，淤厚為0.55 m/a；多年平均淤積強度為1097.473 m3/a，多年平均淤厚為0.35 m/a。

3.3 沖淤斷面變化

總體來看，淤積主要發生在深槽和邊灘，當三峽工程運行 22 a時，河段內的深槽基本上都被淤平，而淺灘河床淤積則相對較小，致使斷面形狀發生很大變化，寬深比明顯增大，逐漸向“U”形發展，河槽向“單一”發展。具體來看，SC1斷面（過年石附近）屬于回流區，其右岸深槽最大淤積厚度達25 m，在深槽左側淺區有少量沖刷；SC2斷面（金錢罐附近）整個斷面均發生淤積，最大淤厚約10 m；SC3斷面（石船梁附近）屬于寬淺河段，其深槽部位最大淤厚約 13 m；SC5斷面（渝懷鐵路橋上游600 m）整體斷面淤積，最大淤厚約8.5 m；SC7斷面（重鋼碼頭下游400 m）屬于彎沱區，其左深槽有26 m淤積，右岸邊灘淤厚約5 m。

3.4 沖淤平面分布

三峽水庫運行5 a、10 a、15 a和22 a后，可以看出整個河段均出現累積性泥沙淤積，這是由于汛后蓄水，水位大幅度提升，水流不能歸槽，汛期淤積的泥沙難以得到有效沖刷造成的，同時還可以看出泥沙主要淤積在回流區、彎沱及河道的寬淺河段，主要的淤積區域位于南坪壩左槽、南坪壩尾至麻柳場、雀石子至點燈石左槽一帶、渝懷鐵路橋下游至車家石梁、白鷺嘴、騎馬橋至螺絲口左槽、龍舌梁至羊角堡左槽，這些區域在三峽水庫運行5 a、10 a、15 a和22 a時，淤高分別為5 m～7 m、6 m～26 m、10 m～32 m和14 m～34 m。

4 泥沙淤積對重點河段航道的影響

由于泥沙主要淤積在回流區、彎沱及河道的寬淺河段，故這些河段航道條件的變化相比其他河段更大。對于回流區，受累積性淤積影響較大的是過年石處河段，由于汛期水流趨直，該處回流區擴大，泥沙淤積，而在枯水期由于水庫蓄水使得沖沙時間減少，泥沙不能完全沖走，造成了累積性淤積，但由于泥沙主要淤積于深槽，以及河道水位的整體抬升，其航道條件不會發生較大變化；對于彎沱區，騎馬橋至螺絲口河段航道條件變化較為顯著，兩岸彎沱會出現較大強度的淤積，隨著淤積年限的延長，彎沱逐漸被淤平，主槽將趨于順直，航道寬度會有所減小，尤其是王家灘段，在中枯水時，其河道被忠水磧分成兩汊，左汊為枯水航道，而左汊通航水域又主要在深槽，三峽水庫運行5 a時，河段會因彎沱及深槽的淤積，出現河深及河寬不足的問題，需加強關注，必要時采取適當的整治措施，但是隨著河道水位的整體抬升，運行20 a后河段整體水位將抬高1 m～6 m，且兩汊深槽逐漸被淤滿，斷面逐漸向“U”形發展，成為單汊河段，存在的問題將會得以解決；而對于寬淺河段，由于過流面積突然增加，流速迅速減小而發生累積性泥沙淤積，淤積主要發生在邊灘和江心洲處，在邊灘處淤積，較為典型的是石船梁處河段，其凸岸進一步發展，河型逐漸向凹岸深槽的彎曲型過渡，寬度雖有所減少，但仍滿足航運寬度要求，而在江心洲處淤積，變化較大的是南坪壩處河段，右汊河槽雖有所淤積，但其水深不會發生明顯變化，寬度變化也不大，均滿足航運要求，左汊則有逐漸淤廢的趨勢。

總的來說，除王家灘段外的其他河段，雖然也有累積性淤積，但航道條件不會產生明顯變化，而對王家灘段，短期內可能會出現礙航現象，但長期來看，因泥沙落淤部位主要在深槽和邊灘，不會對航道水深產生不利影響，且河道整體水位抬升，該段的礙航現象可得到緩解，航道條件也不會發生明顯變化。

5 結論

本文通過建立二維水沙數學模型，在分析其敏感因素及其可靠性的基礎上，對工程河段進行了長時段水沙數值模擬，分析了工程河段河床沖淤變化規律，預測了2012年—2033年間累積淤積情況，表明工程河段有比較明顯的累積性淤積趨勢，泥沙主要淤積在回流區、彎沱及河道的寬淺河段，短期內這些河段可能會出現礙航現象，但因泥沙落淤部位主要在深槽和邊灘，且河道整體水位抬升，航道條件不會產生明顯變化。本研究成果與實際情況十分吻合，可為計算河段的航道規劃、航道維護、航道整治、碼頭選址以及挖砂采石等提供指導，也可為航道管理提供支撐。