三峽大壩高水位運(yùn)行后儲(chǔ)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(yùn)行后將對(duì)變動(dòng)回水區(qū)的水流特性產(chǎn)生重大影響，本文在長江上游水文局實(shí)測資料基礎(chǔ)上，選擇變動(dòng)回水區(qū)中段儲(chǔ)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(shù)學(xué)模型，將年內(nèi)各時(shí)段與有無回水影響的各種工況進(jìn)行組合，分析探討了回水作用對(duì)流場、流速橫向分布、水動(dòng)力軸線等水動(dòng)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(jù)，同時(shí)，本文建立的數(shù)值模擬方法可為同類河段的數(shù)模研究提供參考。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)奇門河段;175 m方案;水流特性;平面水流二維數(shù)學(xué)模型;水動(dòng)力條件

中圖分類號(hào)：TV147 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 河段自然條件

儲(chǔ)奇門河段在重慶主城區(qū)，上起珊瑚壩，下達(dá)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(tài)與航道條件十分惡劣，每年都需要進(jìn)行整治、疏浚才能正常通航，水流特性十分復(fù)雜。

2 三峽大壩成庫前后儲(chǔ)奇門河段水流特性變化分析

本文選擇地表河流計(jì)算軟件中權(quán)威度較高的Aquaveo.SMS（地表水系統(tǒng)模擬軟件）進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)研究河段進(jìn)行建模分析，采用有限單元計(jì)算模塊，網(wǎng)格劃分采用三角網(wǎng)格，初始條件通過上游來流量、下游水位、河床糙率、紊動(dòng)能傳遞系數(shù)等模型參數(shù)進(jìn)行控制。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹以及實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，三峽大壩高水位成庫運(yùn)行后，在年內(nèi)可分為四個(gè)調(diào)度時(shí)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(jù)文獻(xiàn)[1]所提供的資料，選擇各階段時(shí)期的代表水文資料進(jìn)行建模計(jì)算，為了避免時(shí)間因子造成的計(jì)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(duì)應(yīng)的同一年內(nèi)時(shí)段實(shí)測資料。

2.1 流場變化

將各工況下儲(chǔ)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?yōu)檫^水濕地，整個(gè)河段流速大幅下降，其中主航槽的流速降幅要高于其它區(qū)域，整個(gè)過水區(qū)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(tài)更為平順。同時(shí)，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(jù)典型斷面流速變化可看出，成庫后非汛期內(nèi)，同一流量下儲(chǔ)奇門河段水面線變寬，延伸方向主要向河段右側(cè)潛磧處，尤其在老鸛磧至儲(chǔ)奇門段，河段左岸為堅(jiān)硬基巖，延伸距離不明顯。各時(shí)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(dá)320 m。同時(shí)，河段內(nèi)最大流速下降，過水區(qū)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(qū)域主要分布在主流區(qū)及右側(cè)淺磧附近。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)可知，蓄水維持期該斷面的平均流速降幅最大，達(dá)到89.3%，遠(yuǎn)大于蓄水期的55.4%及消落期的60.1%。流速變化最大的區(qū)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(dá)95.3%。

2.3 推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度變化

Shields認(rèn)為，推移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)是水流切應(yīng)力作用的結(jié)果，因此推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱與床面切應(yīng)力密切相關(guān)。Einstein（1950）基于水力半徑分割法得到了沙粒切應(yīng)力的表達(dá)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(jì)算成果代入公式，并根據(jù)各時(shí)段持續(xù)時(shí)間進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到由成庫前的22.8 Pa降為14.5 Pa，下降幅度達(dá)36.4%，這勢(shì)必將導(dǎo)致推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度的大幅下降，引起河床發(fā)生新的沖淤變化。

3 結(jié)論

分析結(jié)果表明：

（1）成庫后同流量下，儲(chǔ)奇門河段水位上升，右側(cè)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(tài)更加平順。其中航槽流速的降幅要大于其他區(qū)域。

（2）成庫后同流量下，儲(chǔ)奇門河段內(nèi)最大流速下降，過水區(qū)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(qū)域主要分布在主流區(qū)與右側(cè)淺磧處。

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

參考文獻(xiàn)：

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

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