富春江東洲北支河道整治影響試驗(yàn)研究

王瑞鋒 ，吳 輝 ，李志永 ，楊元平 ，陳韜霄 ，孫 超

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

分汊河道是山區(qū)和沖積平原河流中常見的一種河型，如長江自城陵磯至江陰有41個分汊河段，富春江自電站以下有桐洲、新沙、東洲、長安沙等多個分汊河段。分汊河段主、副汊比降、過水?dāng)嗝娣e、糙率、流速以及附近工程等對汊道分流比均會產(chǎn)生影響，各汊道多處于興衰交替的發(fā)展過程中[1]。

富春江下游的東洲、長安沙河段為微彎型分汊河段，長安沙位于東洲島洲尾下游近區(qū)約1.0 km處，也為南、北兩汊組成的分汊河段。長安沙下游約2.5 km處為三江（錢塘江、富春江、浦陽江）交匯的聞堰彎道。1976年為便于交通和養(yǎng)殖，東洲島北支實(shí)施了截流堵壩工程，壩頂高程約10.10 m，封堵后洪水期北支基本斷流，由于過水?dāng)嗝鏈p少，洪水流量1.0萬 ～ 1.4萬m3/s時，富陽洪水位抬高0.20 ～ 0.40 m[2]。隨著富陽經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展及行洪需求等，富陽區(qū)提出包含拆除堵壩和北支疏浚的綜合整治方案。

分汊河段水流運(yùn)動的基本特征是具有分流區(qū)和匯流區(qū)，在匯流區(qū)2股水流的相互沖擊、摩擦和擠壓作用下，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并形成包含一系列漩渦的低流速區(qū)[3]。北支打通以后，由于對洪水的分流作用增加，南支動力減弱，勢必對下游河段的水動力分布產(chǎn)生一定的調(diào)整?？紤]到河段水動力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和下游河段的敏感性，通過模型試驗(yàn)來研究北支參與行洪后，上游汊道分流比變化后對下游江道的水動力和河勢影響，從而為東洲北支綜合整治工程的開展提供一定的技術(shù)支撐。河段形勢見圖1。

圖1 河段形勢圖

1 工程概況

1.1 江 道

富春江全長102.0 km，在平面形態(tài)上為微彎型、分汊型交替的河道，其中富春江大壩至聞家堰長約77.0 km，自鸛山斷面河道突然放寬后，流域帶來的粗顆粒泥沙和海域來沙沉積形成沙洲，逐漸發(fā)育成分汊河型，沙洲變化頻繁。1960年新安江建庫后，流域來沙減少，分汊河勢漸趨穩(wěn)定。

河段最大的沙洲是富陽下游的東洲島，長10.0 km，最寬處3.5 km，面積約24 km2，東洲北支，全長約12.5 km，河寬多在200 ～ 400 m。目前富春江干流主槽位于東洲南支，河寬400 ～ 700 m，靈橋附近斷面平均高程約- 7.70 m。長安沙（又稱“五豐島”），長5.0 km，最寬處2.0 km，面積約6 km2，當(dāng)前該河段主槽位于寬度大、河床高程相對較低的南汊。

1.2 徑 流

富春江動力條件以徑流為主，蘆茨埠站是流域代表性的水文站，控制面積占全流域63.3%。斷面多年平均流量為982 m3/s，多年平均徑流總量約304億m3，實(shí)測最大洪峰流量29 000 m3/s（1955年）。富春江干流洪水一般由大范圍和長歷時降雨所致，分為梅雨和臺風(fēng)雨，每年的4 — 7月為梅雨期，8 — 9月為臺風(fēng)期，其中梅汛期暴雨歷時較長，一般在 3 ～ 7 d，洪水歷時長，洪量大，臺風(fēng)期洪水歷時相對較短[4]。

1.3 整治方案

目前東洲北支上、下堵壩頂高程分別為10.10，9.30 m，綜合整治擬對東洲北支進(jìn)行上下堵壩拆除和切灘疏浚等。上、下堵壩分別拆至0.50，0.00 m高程，河段控制底寬不小于120 m的范圍內(nèi)疏浚至1.00 m底高程、切灘清淤總量約 276 萬 m3。

2 模型及試驗(yàn)條件

2.1 物理模型

河段整體物理模型上邊界布置在東洲島下游段的南北兩支，下邊界布置在之江大橋（見圖1），干流模擬河段長約20.0 km。采用2018年10月1:5 000實(shí)測水下地形進(jìn)行制作。

模型平面比尺250，垂直比尺150，變率1.6，上游采用流量控制，下邊界采用潮位控制，通過水泵向模型提供水流[5]。

2.2 試驗(yàn)條件

由于天然地形的影響，江心洲兩汊的分流比隨上游來水流量會相應(yīng)發(fā)生變化，根據(jù)河段防洪標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)研究主要考慮100 a一遇洪水流量條件下的分流比情況。根據(jù)數(shù)學(xué)模型初步計(jì)算，100 a一遇洪水時現(xiàn)狀堵壩的壩頂會過水溢流，現(xiàn)狀條件和綜合整治方案后北支分流比分別為3.4%、9.5%。綜合整治方案實(shí)施后，在水流的持續(xù)有效作用下，東洲北支分流比可能會進(jìn)一步增大。考慮到分流比改變對下游水動力和汊道演變影響的復(fù)雜性，有必要研究東洲北支分流比進(jìn)一步增大對下游的影響。為此，模型試驗(yàn)時，增加一組將東洲北支分流比提高至整治后2倍左右的試驗(yàn)條件，以研究北支分流比對下游河道影響的敏感性，東洲北支分流比試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)見表1。

物理模型上游邊界流量和下游邊界水位過程采用數(shù)模計(jì)算值，數(shù)模計(jì)算時富春江上游的富春江電站施放100 a一遇流量23 100 m3/s[4]，聞家堰水位9.27 m。對于分水江、淥渚江、浦陽江等支流的匯入，考慮干流與支流發(fā)生同頻率洪水工況，支流合計(jì)流量約330 m3/s。

表1 東洲北支分流比試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)表

3 河道整治影響研究

鑒于五豐島與東洲島距離僅1.0 km，洪水期兩分汊河段的匯流區(qū)與分流區(qū)部分重疊交錯，對于多汊道的復(fù)雜河段研究，采用流速流向測量、單汊斷面式漂跡跟蹤流態(tài)分析以及PIV表面流場測量多手段相結(jié)合的創(chuàng)新方法進(jìn)行河道整治影響研究。

3.1 影響范圍

東洲北支江水流出東洲島后，在五豐南北兩汊至聞堰的水位變化均在1 cm之內(nèi)，這主要是由于北支江分流比增大時，總過流量不變，分流比即使增大到20.0%，對水位的影響仍集中在東洲島近區(qū)。

圖2 流場分布圖

采用表面流場測量與分析系統(tǒng)（基于粒子圖像測速法原理），流場分布見圖2，現(xiàn)狀情況下東洲北支出口附近水動力較弱，主流出南支后，在五豐島上游島頭附近分流至南北兩汊，主流亦在南汊。北支分流比增大至9.5%以后，從水動力影響范圍總體來看（以1.0%流速變化為判別指標(biāo)），分流比9.5%和20.0%方案的影響范圍分別為五豐島中部和三江口水域，對下游的西江塘聞堰彎道段的流速影響在0.5%之內(nèi)，基本無影響。因此拆壩整治后東洲北支分流比改變對下游江道的影響研究重點(diǎn)為東洲匯流區(qū)及五豐河段。

3.2 匯流區(qū)斷面流速和流態(tài)變化

3.2.1 流速、流向

在東洲島和五豐島之間的匯流區(qū)域，對DM1斷面上各點(diǎn)進(jìn)行流向監(jiān)測（見圖3），現(xiàn)狀條件下，斷面DM1各點(diǎn)流向基本介于40° ～ 60°，隨著東洲北支分流比的增大，北支增強(qiáng)的水流對南支有一定的擠壓頂推作用，斷面流向均為增大（順時針旋轉(zhuǎn)），其中北側(cè)、南側(cè)平均增大約21°，5°。匯流區(qū)流速（測點(diǎn)位置見圖3）則表現(xiàn)為北側(cè)變大、南側(cè)變小的趨勢（見圖4），且變幅向下游遞減。其中斷面DM1，整治方案（分流比9.5%）和敏感試驗(yàn)（分流比20.0%），北側(cè)流速平均增幅為0.6，1.5 m/s，南側(cè)則有0.1，0.3 m/s的減幅。DM2北側(cè)流速平均增幅為0.3，0.8 m/s，南側(cè)則有0.1 m/s內(nèi)的流速減幅（見圖4）。

圖3 流向變化圖

圖4 匯流區(qū)流速大小對比圖

3.2.2 水流流態(tài)

通過跟蹤表面浮子漂跡，對出東洲島的南北支水流進(jìn)行單獨(dú)分解（見圖5）?，F(xiàn)狀條件下，東洲北支浮子出東洲島后在南支的擠壓作用下，流跡線向左岸偏轉(zhuǎn)明顯，在五豐北汊進(jìn)口段僅覆蓋半江水域，其余則被來自南支的水流占據(jù)；整治方案后，南支主流進(jìn)入五豐北汊的強(qiáng)度明顯減小，且北支水體在經(jīng)過中部混合帶后有少量貼島匯入五豐南汊，2支在該段的較量基本勢均力敵；分流比增大至20.0%的敏感試驗(yàn)，五豐北汊的過境水體基本由東洲北支提供，南支的偏左水流已被全面壓制。

圖5 流跡線圖

3.3 對五豐河段流速、分流比影響

3.3.1 沿程流速變化

五豐分汊河段沿程流速各方案對比見圖6，從左岸8個監(jiān)測點(diǎn)流速來看（測點(diǎn)編號見圖2），匯流區(qū)流速有較大增幅，整治方案和敏感試驗(yàn)的增幅分別為0.4 ～ 0.6，0.5 ～ 1.2 m/s，其它各點(diǎn)流速增幅均在0.1 m/s之內(nèi)。從右岸各監(jiān)測點(diǎn)來看，除五豐進(jìn)口段流速有0.1 ～ 0.2 m/s的增加以外，其余變幅均在0.1 m/s之內(nèi)。

圖6 沿程流速對比圖（自上游向下游）

3.3.2 五豐分流比變化

根據(jù)五豐島頭部向下游約800 m、水流較平穩(wěn)處的斷面流速監(jiān)測，對于分流比增大至9.5%的整治方案，五豐北汊流速分布呈現(xiàn)中部減小10.0%，島側(cè)增大16.0%；五豐南汊流速變化呈現(xiàn)左岸減小右岸增大的趨勢，左岸島側(cè)和右岸流速變幅分別為-10.0%、+11.0%，中部變幅在1.0%內(nèi)。

影響相對較大的敏感試驗(yàn)條件下，五豐島南汊過流有所減少，減幅為0.5%，相應(yīng)的北汊分流比增大0.5%（見表2），整治方案變幅更?。?.2%）。

表2 對五豐島分流比影響表 %

4 結(jié) 語

富春江下游河段為微彎型、多分汊河道，新安江建庫后，流域來沙減少，分汊河勢漸趨穩(wěn)定。北支江拆壩整治后，隨著東洲北支分流比的逐步增強(qiáng)，對下游的水動力影響總結(jié)如下：

（1）影響范圍主要集中在東洲島至五豐島之間的水域，北支江分流比即使增大到20.0%，影響最遠(yuǎn)至浦陽江口，對下游的西江塘聞堰彎道段的流速影響在0.5%之內(nèi)，五豐以下河段的水位變幅均在1 cm之內(nèi)。

（2）目前東洲北支流跡線在五豐北汊進(jìn)口段僅覆蓋半江水域，隨著北支分流比的逐步增大，南支主流進(jìn)入五豐北汊的強(qiáng)度逐減，分流比增至20.0%時五豐北汊的過境水體基本由東洲北支提供，南支的偏左水流已被全面壓制。

（3）東洲至五豐間的交匯區(qū)，北側(cè)流速增幅0.6 ～ 1.5 m/s、南側(cè)則減小 0.1 ～ 0.3 m/s，斷面流向則表現(xiàn)為 5° ～ 20°的增加。

（4）整治方案下，五豐島南汊的過流分流比減小0.2% ～0.5%，北汊則同值增加。