漢江雅口樞紐壩下河道沖淤及水面線變化數(shù)值模擬

郭 海 晉，邴 建 平,2，余 明 輝2，汪 飛

(1.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

漢江中下游干流規(guī)劃丹江口(已建)、王甫洲(已建)、新集(擬建)、崔家營(已建)、雅口(擬建)、碾盤山(擬建)、興隆(已建)等7級樞紐開發(fā)方案。丹江口水利樞紐初期規(guī)模1968年蓄水運(yùn)行，正常蓄水位157 m(吳淞高程)；丹江口水庫后期規(guī)模2013年8月蓄水運(yùn)行，正常蓄水位170 m(吳淞高程)。雅口航運(yùn)樞紐上距丹江口水利樞紐約172 km，崔家營航電樞紐約52 km，下距碾盤山水利水電樞紐約58 km。雅口航運(yùn)樞紐開發(fā)任務(wù)以航運(yùn)為主，正常蓄水位55.22 m(黃海高程)，死水位54.72 m(黃海高程)，調(diào)節(jié)庫容0.415億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。碾盤山水利水電樞紐開發(fā)任務(wù)以發(fā)電、航運(yùn)為主，正常蓄水位50.72 m(黃海高程)，死水位50.32 m(黃海高程)，調(diào)節(jié)庫容0.8億m3，具有日調(diào)節(jié)性能。

丹江口水庫初期規(guī)模建成運(yùn)行后，樞紐下游徑流、輸沙過程發(fā)生改變，水沙變異引發(fā)下游河道的再造床作用，河道發(fā)生了沖淤調(diào)整。丹江口大壩加高和南水北調(diào)中線工程通水后，進(jìn)一步改變了漢江中下游的水沙條件，河床沖淤將隨之變化。很多專家學(xué)者依據(jù)實(shí)測水文、河道地形資料，采用歷史實(shí)測資料分析法[1-5]、水沙數(shù)學(xué)模型[6-8]、物理模型試驗(yàn)[9-11]等方法，分析研究了丹江口水庫壩下游水沙特性、河道沖淤的變化過程和規(guī)律。如林云發(fā)等[3]基于實(shí)測水沙、地形資料，研究了漢江丹江口至碾盤山河段近期沖刷規(guī)律，發(fā)現(xiàn)丹江口水庫清水下泄造成漢江中下游河道沿程沖刷，壩下游河段沖刷強(qiáng)度隨時間及距壩里程的不同而發(fā)生變化，隨著時間的推移，重點(diǎn)沖刷河段由丹江口至襄陽向下游發(fā)展，且近期重點(diǎn)沖刷段在崔家營至碾盤山河段。毛紅梅等[4]利用漢江中下游1977～2005年河道地形資料,分析研究認(rèn)為由于丹江口水庫運(yùn)行清水下泄影響, 碾盤山至仙桃河段總體呈沖刷, 其中河段內(nèi)洲灘較多的碾盤山至沙洋河段以沖灘為主，整個河段沖淤尚未達(dá)到平衡。陳立等[5]采用實(shí)測資料分析方法，分析了漢江下游仙桃至小陳家臺河段單向沖刷演變及河道形態(tài)調(diào)整的特點(diǎn)，認(rèn)為該河段處于單向沖刷階段，河段深泓單向沖刷下降，深槽展寬、延長、貫通。朱鐵蓉等[6]采用一維非恒定非均勻泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測了崔家營航電樞紐下游河道沖刷趨勢，預(yù)測成果表明，航電樞紐修建后壩下游河道最大累計沖刷量與河床沖刷厚度均不大。吳娛等[7]采用平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型計算模擬了興隆彎曲寬淺河段在不同水沙條件下的河床沖淤變化，模擬結(jié)果表明，各典型年水沙條件下漢江興隆彎曲寬淺河段整體發(fā)生沖刷。

漢江中游干流雅口至碾盤山河段，河床寬淺、洲灘密布，河床沖刷仍在發(fā)展中。雅口和碾盤山樞紐興建后，梯級樞紐間互相影響，雅口至碾盤山河段水沙條件變異將會使河床形態(tài)繼續(xù)發(fā)生改變。針對目前漢江中游干流河道邊界條件和水沙條件的改變，及梯級水庫影響下的長河段河道沖淤演變預(yù)測研究現(xiàn)狀，本文建立漢江中游干流雅口至碾盤山河段一維恒定非均勻不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)全面地研究預(yù)測受梯級水庫運(yùn)行影響的雅口至碾盤山河段河床沖淤演變及對水面線的影響，為梯級水庫建設(shè)、航道整治、河道治理、防洪工程等工程設(shè)計和論證提供科學(xué)技術(shù)支撐。

1 河道概況及水沙特性

1.1 河段概況

漢江中游雅口至碾盤山河段長約58 km，河寬0.9～5 km，河道蜿蜒曲折，為游蕩性河段。河段內(nèi)既有依附著左右岸的邊灘，又有心灘或江心洲，水流散亂。河段兩岸有堤防或高地控制，關(guān)山、中山口和碾盤山附近河道較窄。河段內(nèi)有蠻河、豐樂河、浰河等較大支流入?yún)R。隨著歷年來水來沙條件的變化，河段內(nèi)深泓擺動頻繁，尤其河寬較大的河段，洲灘沖淤變化大，洲灘消長、流路多變，深泓左右易位較常見。岸線變化主要是洲灘沖淤變化引起的，大部分為沖淤相間，單一沖刷或淤積的情況較少。河道斷面寬淺特性有所減弱，主槽發(fā)生沖刷，沿程深泓高程降低。近年航道整治工程逐步實(shí)施后，河道變化以沖槽淤灘為主。漢江雅口至碾盤山樞紐河段近期河勢見圖1。

圖1 漢江雅口至碾盤山樞紐河段近期河勢Fig.1 Recent river trend of the Hanjiang River fromthe Yakou to the Nianpanshan junction

1.2 水沙特性

1.2.1 流量變化特性

丹江口水庫初期規(guī)模時，對漢江中下游干流的流量過程產(chǎn)生了較大影響，汛期洪峰明顯被削減，年內(nèi)分配趨于均勻，中水歷時延長，枯水流量加大[3]?；是f站1969～2013年，多年平均流量1 420 m3/s，汛期5～10月平均流量1 910 m3/s，徑流量占全年的67.9%，非汛期11月至次年4月平均流量920 m3/s，徑流量占全年的32.1%；各月歷年最大流量相差較大，極值比達(dá)14.7，年最大洪峰流量主要出現(xiàn)在7～10月；各月歷年最小流量為189～451 m3/s。

丹江口水庫大壩加高后，受上游來水較少和南水北調(diào)中線工程調(diào)水影響，各月平均流量和最大流量明顯減小，而最小流量明顯加大，見圖2(a)?；是f站2014～2017年，多年平均流量1 000 m3/s，較加高前減少29.6%，除10月由于2017年發(fā)生較大洪水外，年內(nèi)各月徑流均有所減少，汛期5～10月徑流量占全年的63.6%，非汛期11月至次年4月徑流量占全年的36.4%，年內(nèi)分配進(jìn)一步趨于均勻，中水歷時延長；年最大洪峰流量主要出現(xiàn)在7～10月，最大流量亦明顯小于加高前；各月歷年最小流量較加高前明顯增加，非汛期最小流量平均增加31%。

1.2.2 懸移質(zhì)泥沙變化特性

丹江口水庫初期規(guī)模蓄水運(yùn)行后，攔蓄了大部分上游來沙，致使?jié)h江中下游含沙量銳減、輸沙總量大幅減少。皇莊站1969～2013年，多年平均含沙量0.318 kg/m3，輸沙量1 447萬t，汛期5～10月輸沙量占全年的84.7%，非汛期11月至次年4月輸沙量占全年的15.3%；歷年最大含沙量6.29 kg/m3，最小含沙量0.009 kg/m3，汛期6～10月含沙量較大；多年平均級配的中數(shù)粒徑為0.052 mm。

丹江口水庫大壩加高后，受上游來水及水庫下泄水沙條件變化影響，皇莊站2014～2017年，多年平均含沙量0.055 kg/m3，輸沙量248萬t，較加高前明顯減少，見圖2(b) ，汛期5～10月輸沙量占全年的88.1%，非汛期11月至次年4月輸沙量占全年的11.9%；歷年最大含沙量0.697 kg/m3，最小含沙量0.004 kg/m3；多年平均級配的中數(shù)粒徑為0.028 mm，較加高前有所減小。

圖2 漢江皇莊站水沙過程變化Fig.2 Flow and sediment process change atthe Huangzhuang hydrological station of Hanjiang river

2 一維水沙數(shù)學(xué)模型簡介

采用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院研究開發(fā)的一維恒定非均勻不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型(SUSBED-2)，建立漢江雅口至碾盤山河段梯級水庫影響下的一維水沙數(shù)學(xué)模型。模型基本方程和求解過程參見文獻(xiàn)[10-11]。因篇幅有限，本節(jié)未給出模型率定和驗(yàn)證的具體成果。

模型計算區(qū)域上起雅口樞紐推薦壩址，下至碾盤山樞紐比選壩址(中山口壩址)，全長約50 km，見圖1。計算地形采用2012年3月實(shí)測河道地形，計算河段劃分為25個斷面(CS01～CS25)，斷面最大間距3.5 km，最小間距1.5 km，平均間距2 km。

模型采用2012年3月31日實(shí)測水面線(河道流量1 640 m3/s)進(jìn)行水流率定計算，率定得河段糙率為0.018～0.035。同時，模型采用2012年8月14日實(shí)測水面線(流量1 820 m3/s)進(jìn)行驗(yàn)證計算，計算與實(shí)測水位的差值在2 cm以內(nèi)，表明河段糙率取值較為合理。

含沙量率定采用2012年8月14日實(shí)測資料，實(shí)測含沙量為0.04～0.055 kg/m3。河床沖淤率定基于2005年10月和2012年3月兩次實(shí)測河道地形，進(jìn)口水沙條件采用皇莊站2005～2012年實(shí)測水沙過程，河段糙率采用水流率定成果0.018～0.035。由于計算河段缺乏實(shí)測床沙級配資料，床沙級配采用近期(2012年8月)取樣分析成果，最大粒徑27.8 mm，中值粒徑2.88 mm，平均粒徑8.64 mm，床沙級配見表1。含沙量率定結(jié)果表明，計算值與實(shí)測值的差別不超過0.003 kg/m3。河床沖淤量率定結(jié)果表明，2005～2012年，計算所得沖刷量(2 326萬m3)與實(shí)測沖刷量(2 354萬m3)基本接近，差別為1.2%，典型斷面沖淤分布變化的計算值與實(shí)測值基本相符合。

表1 床沙級配Tab.1 Bed sediment gradation

整體而言，研究采用的一維恒定非均勻不平衡輸沙模型能較好地模擬本河段的水流泥沙運(yùn)動特性，可用于后續(xù)模擬計算和分析。

3 河道沖淤變化及對水面線的影響

3.1 模擬條件

模型計算初始地形采用2012年3月河道實(shí)測地形，計算范圍及斷面布置與率定計算相同。河道沖淤計算水沙過程采用考慮上游丹江口和雅口樞紐調(diào)節(jié)后下泄的水沙過程。選取1984～1993年共10 a的系列代表年，包含大水大沙、中水中沙、小水小沙年份，10 a系列代表年循環(huán)計算5次，年限為50 a。

水面線計算采用兩個流量級：雅口樞紐2 a一遇洪水最大下泄流量8 710 m3/s，50 a一遇洪水最大下泄流量20 200 m3/s。

碾盤山樞紐建成前，雅口樞紐下游屬于天然河道，出口邊界采用碾盤山壩址天然水位流量關(guān)系。碾盤山樞紐建成后，出口邊界按碾盤山樞紐調(diào)度運(yùn)行方式控制。

3.2 河床沖淤變化預(yù)測

3.2.1 碾盤山樞紐未建沖淤變化

在碾盤山樞紐未建情況下，雅口樞紐壩下河段不同時期沿程累計沖淤量和累計沖淤厚度(斷面平均)變化見圖3。

圖3 雅口樞紐壩下河段沿程累計沖淤量和沖淤厚度(斷面平均)變化(碾盤山樞紐未建)Fig.3 Cumulative erosion-deposition amount and thickness(cross-section average) variation along the reach downstreamYakou junction (Before the construction of Nianpanshanjunction)

雅口樞紐運(yùn)行10，20，50 a末壩下河段沖刷總量為3 149萬,4 105萬,6 330萬m3，見圖3(a)。

雅口樞紐運(yùn)行20 a末，壩下(文中“壩下”均指“雅口樞紐壩下”)近壩段沖刷強(qiáng)度明顯大于下游河段，壩下20.6 km(CS01～CS10)河段平均沖深0.94 m，接近極限值；壩下20.6～50 km(CS10～CS25)河段平均沖深0.28 m，見圖3(b)。樞紐運(yùn)行50 a末，壩下20.6 km河段平均沖深0.99 m；20.6～26 km(CS10～CS13)的中間河段平均沖深1.1 m；26～50 km河段平均沖深0.68 m。

雅口樞紐運(yùn)行50 a末，壩下河段深泓最大沖深為1.57 m，位于壩下20.6 km處CS10斷面，斷面沖淤變化基本發(fā)生在樞紐運(yùn)行前20 a，見圖4。

圖4 斷面CS10沖淤變化(碾盤山樞紐未建)Fig.4 Erosion-deposition variation of CS10 cross-section(Before the construction of Nianpanshan junction)

3.2.2 碾盤山樞紐建成后沖淤變化

考慮碾盤山樞紐建成運(yùn)行后，雅口樞紐壩下河段不同時期沿程累計沖淤量及累計沖淤厚度(斷面平均)變化見圖5。

圖5 雅口樞紐壩下河段沿程累計沖淤量和沖淤厚度(斷面平均)變化(碾盤山樞紐建成)Fig.5 Cumulative erosion-deposition amount and thickness(cross-section average) variation along thereach downstream Yakou junction (After the constructionof Nianpanshan junction)

樞紐運(yùn)行10,20,50 a末壩下河段淤積總量為1 021萬,1 970萬,4 300萬m3，見圖5(a)。

樞紐運(yùn)行20 a末，壩下4.3 km(CS01～CS03)河段平均沖深0.18 m；4.3～26 km(CS03～CS13)河段平均淤積0.30 m；26～31 km(CS13～CS15) 河段淤積最大，達(dá)1.05 m；31～50 km(CS15～CS25)河段平均淤積0.13 m，見圖5(b)。樞紐運(yùn)行50 a末，壩下4.3 km河段平均沖深0.27 m；4.3～26 km河段平均淤積0.51 m；26～31 km (CS13～CS15) 河段平均淤積最大，達(dá)2.32 m；31～50 km河段平均淤積0.40 m。

樞紐運(yùn)行50 a末，壩下23 km處斷面(CS11)深泓淤積最大，為1.65 m，斷面沖淤變化見圖6。

圖6 斷面CS11沖淤變化(碾盤山樞紐建成)Fig.6 Erosion-deposition variation of CS11 cross-section(After the construction of Nianpanshan junction)

3.2.3 碾盤山樞紐建成前后沖淤變化對比

碾盤山樞紐未建時，雅口樞紐下游河床沖淤變化總體表現(xiàn)為沿程整體沖刷，沖刷量逐年增加，且隨樞紐運(yùn)行時間增加，沖刷部位逐漸朝下游發(fā)展，見表2。

表2 雅口樞紐壩下河段累計沖淤量對比Tab.2 Comparison of cumulative erosion-deposition amountalong the downstream reach of Yakou junction

碾盤山樞紐建成后，雅口樞紐壩下河段位于碾盤山庫區(qū)，水位較天然狀態(tài)有所抬高，加之碾盤山樞紐下泄流量受調(diào)度運(yùn)行方式控制，雅口樞紐壩下河床沖淤變化趨勢由整體沖刷轉(zhuǎn)為總體淤積。壩下河段沖淤變化主要表現(xiàn)為近壩段微沖，其余河段有所淤積，且沖淤幅度隨樞紐運(yùn)行期增加呈緩慢減小的趨勢，見表2。從沖淤厚度對比來看，50 a末，壩下4.3 km河段由平均沖刷0.87 m減小至0.27 m，20.6～26 km河段由平均沖刷1.1 m轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e0.59 m，26～31 km河段由平均沖刷0.83 m變?yōu)橛俜e2.32 m。

3.3 雅口樞紐壩下河段水面線變化分析

3.3.1 碾盤山樞紐未建水面線變化

在碾盤山樞紐未建情況下，雅口樞紐運(yùn)行不同時期，壩下河段在不同流量級下的水面線變化見圖7。

圖7 雅口樞紐壩下河段水面線變化(碾盤山樞紐未建)Fig.7 Water suface curve variation along the Yakoujunction downstream channel(Before the constructionof Nianpanshan junction)

雅口樞紐運(yùn)行后，壩下河床沿程整體沖刷下切，受此影響，同流量下沿程水位有不同程度降低，且下降幅度朝下游逐漸減小，見表3。

樞紐運(yùn)行20 a后，在河道流量8 710 m3/s下，壩下9.2 km內(nèi)水位降低超過0.3 m，其中，壩下4.3 km處水位降低最大，達(dá)0.36 m；在河道流量20 200 m3/s下，壩下5 km內(nèi)水位平均下降0.16 m，壩下46 km處水位降低0.03 m。

樞紐運(yùn)行50 a后，由于壩下河床沿程持續(xù)沖刷，且朝下游發(fā)展，同流量下沿程水位持續(xù)下降，見表3。河段流量為8 710 m3/s時，壩下23 km內(nèi)水位下降超0.3 m，最大下降0.47 m(壩下9.2 km處)；河段流量為20 200 m3/s時，壩下23 km內(nèi)水位下降超0.2 m，而壩下46km處水位降低0.05 m。

表3 雅口樞紐壩下河段水面線變化統(tǒng)計(碾盤山樞紐未建)Tab.3 Water suface variation along the downstreamreach of Yakou junction (Before the construction ofNianpanshan junction)

3.3.2 碾盤山樞紐建成后水面線變化

雅口樞紐壩下河段位于碾盤山樞紐庫區(qū)，碾盤山樞紐修建后，庫區(qū)水面線較天然情況抬升顯著(見表4)。在河段流量8 710 m3/s下，雅口壩下河段水位抬高0.33～1.63 m；在河段流量20 200 m3/s下，水位抬高0.20～0.92 m。

碾盤山樞紐建成后，雅口樞紐運(yùn)行不同時期，壩下河段水面線變化見圖8。

圖8 雅口樞紐壩下河段水面線變化(碾盤山樞紐建成)Fig.8 Water suface curve variation along the Yakoujunction downstream channel(After the constructionof Nianpanshan junction)

受碾盤山樞紐運(yùn)行影響，雅口樞紐壩運(yùn)行20 a后，除近壩段微沖外，壩下河床總體淤積。受此影響，同流量下沿程水位相應(yīng)不同程度的升高，見表4。在河段流量8 710 m3/s下，壩下水位抬升0.01～0.24 m，其中，壩下28.3 km水位抬升超過0.1 m；在流量20 200 m3/s下，壩下水位抬升0.02～0.13 m。

雅口樞紐壩運(yùn)行50 a后，壩下河床除近壩段繼續(xù)微沖外，總體呈繼續(xù)淤積態(tài)勢，同流量下沿程水位相應(yīng)不同程度的繼續(xù)升高，見表4。河段流量為8 710 m3/s時，壩下水位抬升0.03～0.48 m，其中，壩下4.3 km水位升高超過0.2 m，壩下6.4～28.3 km段水位升高顯著，均超過0.3 m；河段流量為20 200 m3/s時，壩下水位抬升0.05～0.31 m，其中，壩下6.4～28.3 km段水位抬升超過0.2 m。

表4 雅口樞紐壩下河段水面線變化統(tǒng)計(碾盤山樞紐建成)Tab.4 Water suface variation along the downstream reach of Yakoujunction (After the construction of Nianpanshan junction)

3.3.3 碾盤山樞紐建成前后水面線變化對比

碾盤山樞紐未建時，雅口樞紐壩下河道不同時期水面線受河床沖刷影響表現(xiàn)為河段沿程水位整體降低，上游河段水位降低幅度大于下游河段；前20 a水位下降速度較快，變幅較大，此后下降速度放緩；相同時期河道流量越大，水位降低幅度越小。雅口樞紐運(yùn)行20 a末，壩下4.3 km處水位降低幅度最大，在流量8 710,20 200 m3/s下水位降低0.36,0.16 m。樞紐運(yùn)行50 a末，在流量8 710 m3/s下，壩下9.2 km處水位降低最大，為0.47 m；在流量20 200 m3/s下，壩下15.2 km處水位降低最大，為0.22 m。碾盤山樞紐建成后，雅口樞紐壩下河道沖淤變化由整體沖刷轉(zhuǎn)變?yōu)榭傮w淤積，壩下河段沿程水位由整體下降轉(zhuǎn)變?yōu)檎w抬升，且隨著雅口樞紐運(yùn)行期增加，壩下河段累積淤積，水位相應(yīng)的累積抬升；相同時期河道流量越大，水位降低幅度越小。雅口樞紐運(yùn)行20 a末，壩下6.4 km處水位升高幅度最大，在流量8 710,20 200 m3/s下升高0.24,0.13 m。樞紐運(yùn)行50 a末，壩下15.2～28.3 km河段水位升高幅度最大，在流量8 710,20 200 m3/s下平均水位分別升高0.46,0.30 m。碾盤山樞紐蓄水抬高天然河道水位幅度遠(yuǎn)大于河床淤積引起的水位升高幅度。

4 結(jié) 論

采用一維水沙數(shù)學(xué)模型SUSBED-2模擬計算了漢江雅口樞紐建設(shè)對壩下河段沖淤變化及水面線變化的影響，得出以下主要結(jié)論。

(1)在下游碾盤山樞紐未建時，雅口樞紐壩下河道未來呈沿程整體沖刷態(tài)勢，且隨著樞紐運(yùn)行期增加，河段沖刷朝下游發(fā)展；樞紐運(yùn)行50 a末，壩下河段沖刷6 330萬m3，壩下河段沖深0.5～1.1 m。碾盤山樞紐建成后，除壩前段微沖外，壩下河道總體呈累積淤積態(tài)勢；樞紐運(yùn)行50 a末，壩下河段淤積4 300萬m3，壩下4.3 km沖深0.27 m，其余河段淤積0.0～2.32 m。

(2)在碾盤山樞紐未建時，雅口樞紐壩下河道水面線受河床沖刷下切影響而整體降低，上游水位降低幅度大于下游，水位下降幅度隨樞紐運(yùn)行期增加而增加；樞紐運(yùn)行50 a末，2 a、50 a一遇洪水下水位最大降低0.47,0.22 m。碾盤山樞紐建成后，雅口樞紐壩下河道總體淤積，受此影響，壩下河道水面線整體抬升，且抬升幅度隨著樞紐運(yùn)行期增加而增加；樞紐運(yùn)行50 a末，2 a、50 a一遇洪水下水位最大抬升0.48,0.31 m。