不同來流量條件下藕池河?xùn)|支水動力調(diào)整

柳 恒 ，李志威，陳 幫，胡旭躍

(1.長沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，長沙 410114；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利部水沙科學(xué)與江河治理重點實驗室，北京 100038；3. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

1 研究背景

藕池河位于湖北省公安縣和石首市交界的天心洲附近，1852年因長江大堤決口未封堵而形成藕池口，并因1860 年后的洪水沿程沖刷而最終形成，成為連接長江與洞庭湖的重要水流通道之一[1]。1950年以來隨著下荊江系統(tǒng)裁彎、葛洲壩截流和三峽水庫蓄水，藕池口分流量逐年減小，年均分流比由1956—1966年的14.1%降至2003—2005年的2.9%，荊南三口中藕池口徑流量減少最大，占減少總量的70.0%[2]。藕池河分流量的減少導(dǎo)致荊江河段徑流量擴(kuò)大，并且隨著2003年三峽水庫蓄水，水流含沙量銳減，荊江河段沖刷下切1.5～3.9 m[3]。分流量的減少導(dǎo)致入洞庭湖水量減少、湖區(qū)面積縮減，以及調(diào)蓄能力下降、藕池河沿程區(qū)域水資源短缺[4]。隨著藕池口門段淤積萎縮，康家崗和管家鋪2個水文站連續(xù)多年出現(xiàn)嚴(yán)重斷流的現(xiàn)象，枯水年份康家崗和管家鋪水文站的斷流天數(shù)達(dá)到半年以上[5-10]。1951—2003年管家鋪站年均斷流天數(shù)由17 d增至185 d，2004—2014年斷流天數(shù)雖有增加，但變化趨勢并不明顯。

近幾十年來二維水動力模型逐漸成熟，無論在工程方案的比選還是在河道水流特性的研究中，水動力數(shù)值模型都發(fā)揮了重要的作用[11-14]。受江湖關(guān)系變化和人類活動的影響，藕池口分流量逐年減少，三峽水庫運(yùn)行后藕池河萎縮趨勢強(qiáng)化，而且汛期主要是藕池口東支過流，因此開展藕池河?xùn)|支分流特性的研究具有較重要的現(xiàn)實意義。為認(rèn)識三峽水庫蓄水后藕池河?xùn)|支的汛期流量變化對河道水動力的影響，本研究基于實測水文資料和河道地形數(shù)據(jù)，建立MIKE 21 FM二維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析不同工況下水動力調(diào)整及參數(shù)變化，為藕池河段河道整治、疏浚和水系連通等工程實踐提供一定參考。

2 研究河段

藕池河是長江入洞庭湖“四口”之一，自東向西分成東、中、西3支(圖1)。按流量大小區(qū)分，東支為主流，自藕池口經(jīng)管家鋪、黃金閘、殷家洲、梅田湖、羅文窯北、劉家鋪、新洲等地注入東洞庭湖。東支主流在殷家洲的東側(cè)分支稱為鲇魚須河，經(jīng)鲇魚須、宋家嘴、沙口、懸河口在九都山與東支主流匯流后繼續(xù)分東、南兩支，南支稱沱江，于茅草街與藕池河中支匯流后入南洞庭湖，東支順流而下入東洞庭湖。1999年水利部門將注滋口的彎曲河段裁直拓寬，并對沱江的南北兩端進(jìn)行封堵。東支主流于黃金閘段西側(cè)分支稱為藕池河中支，之后水流在陳家?guī)X處繼續(xù)分支，于華美垸尾匯流后繼續(xù)順流南下，在下柴市與藕池河西支匯合入南洞庭湖。受江湖關(guān)系調(diào)整和人類活動的雙重影響，藕池口門區(qū)淤積嚴(yán)重，中、西支斷流現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。結(jié)合未來藕池河通過建閘以保留東支、堵閉西支和中支的總體治理方案，本研究以藕池河?xùn)|支作為數(shù)值模擬的研究河段，探討不同來流量條件下藕池河?xùn)|支不同河段的水動力變化。

圖1 長江中游藕池河水系分布和研究河段Fig.1 River network of Ouchi River in the middle Yangtze River and studied channel reach

3 藕池河?xùn)|支水動力模型建立

3.1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

以2003年藕池河實測地形數(shù)據(jù)，以及康家崗、羅文窯、注滋口3個水文站實測水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用MIKE 21 Flow Model模塊模擬二維自由表面流場。該模型以Navier-Stokes淺水方程為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格將空間拆分為互不重疊的連續(xù)離散單元，將由動量、密度鹽度和溫度構(gòu)成的連續(xù)方程運(yùn)用有限體積法進(jìn)行二維求解。按照汛期和非汛期，依據(jù)管家鋪水文站的實測水文數(shù)據(jù)分別選取Q=373、735、1 100 m3/s 共3種流量級，依次編為RUN1、RUN2、RUN3工況。

水動力分析分為局部水動力分析和沿程水動力分析2種。局部段的水動力分析選取在管家鋪、殷家洲和南縣，具體位置分布如圖2所示。H1、H2為管家鋪進(jìn)口段橫斷面，分布于分汊口下游0.9 km和1.3 km處。H4、H5、H6分別為殷家洲分汊口上游、分汊口淺灘前沿以及匯流區(qū)橫斷面。S3為上游至淺灘前沿的縱斷面，S4、S7以及S5、S6分別為梅田湖、鲇魚須河進(jìn)、出口段河道中部的縱斷面。沿程水動力分析通過計算橫斷面的平均水深、流速，比較平均水深、流速沿程的變化。不同河段均分為14個橫斷面，管家鋪至殷家洲段、梅田湖與鲇魚須河段、南縣至注滋口河段斷面間距分別為0.9、2.2、1.2 km。

圖2 水動力數(shù)值模擬的斷面分布Fig.2 Cross sections for hydrodynamic numericalsimulation

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

在MIKE ZERO中導(dǎo)入河流邊界文件，定義開邊界生成非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，與2003年的水深地形文件進(jìn)行插值，斷面分布設(shè)置、計算網(wǎng)格和河床地形如圖2和圖3所示。網(wǎng)格的最大面積設(shè)置為2 165 m2，最小角度設(shè)置為33°，邊界條件設(shè)置方面具體參數(shù)如表1所示。開邊界源項定義為2，開邊界匯項由上游到下游黃金閘、沱江、注滋口依次定義為3、4、5。管家鋪作為進(jìn)口采用流量邊界，黃金閘、注滋口均采用水位邊界。由于沱江自2001年開始筑壩攔水，故采用流量邊界并取恒定值0，渦黏系數(shù)取恒定值0.28。起始水位設(shè)置為30.00 m，模型從靜止?fàn)顟B(tài)開始，流場中X、Y方向初始流速均設(shè)定為0 m/s。根據(jù)模擬河流的地理位置以及模擬的時間段，未考慮科氏力、風(fēng)力、冰蓋引潮力、波浪輻射應(yīng)力等參數(shù)條件的影響。

圖3 藕池河水系的計算網(wǎng)格與河床地形Fig.3 Model grids and riverbed topography ofriver network in the Ouchi River

表1 不同工況下水動力模擬邊界參數(shù)Table 1 Boundary parameters of hydrodynamicssimulation

3.3 模型驗證

模型驗證采用水位驗證和分流比驗證2種方式。通過MIKE 21 FM水動力模型驗證不同流量級下羅文窯北水文站的水位，依據(jù)數(shù)學(xué)模型輸出藕池河中支的流量計算出黃金閘段藕池河中支的分流比，結(jié)果如表2所示。由于本模型未考慮降雨、蒸發(fā)、沿河垸區(qū)農(nóng)田灌溉取水以及居民生活用水等自然或人為因素的干擾，模型計算水位值均略高于實測水位，計算分流比略低于實測分流比。計算值與實測值總體吻合情況較好，可用于藕池河?xùn)|支的水動力計算。

表2 模擬水位和分流比驗證Table 2 Verification result of simulated water leveland diversion ratio

4 研究結(jié)果及分析

4.1 平面流場變化

藕池河?xùn)|支屬于穩(wěn)定分汊河道，整體形態(tài)較為細(xì)長，因此流場、局部水動力分析選擇在具有代表性的管家鋪、殷家洲分流區(qū)以及南縣匯流區(qū)。不同來流量下管家鋪段的二維流場如圖4(a)所示。長江來水經(jīng)藕池口、管家鋪進(jìn)入藕池河?xùn)|支后，由于進(jìn)口過流面積減少，流速先增加后減少，最大流速均分布于分汊口下游0.9 km處的H1斷面，流速最大值Umax=0.79 m/s且靠近左岸。最小流速位于分汊口下游1.3 km處的H2斷面，流速最小值Umin=0.16 m/s靠近左側(cè)河槽。

殷家洲段的水流動力軸線自上游已經(jīng)開始偏向右岸，來流量很小時，僅有右汊道過流，見圖4(b)中的RUN1工況。鲇魚須河斷流后部分水流滯留在口門區(qū)形成環(huán)流，由于過流面積減少，上游至梅田湖進(jìn)口的平均流速由U=0.35 m/s增至U=0.60 m/s，最大流速靠近左岸。隨著流量級的增加，水位逐漸抬升，鲇魚須河雖有水流經(jīng)過但河段平均流速遠(yuǎn)小于主流區(qū)(圖4(b)中的RUN2、RUN3工況)。分流前受到分汊口的阻擋，水流流速沿程減小。受分汊口逆坡影響，最大流速偏向右岸。

南縣匯流區(qū)附近的二維流場如圖4(c)所示。由于過流面積增加，梅田湖出口口門區(qū)的平均流速由U=0.69 m/s減小為U=0.35 m/s。鲇魚須河斷流后，水流倒灌，鲇魚須河的出口口門區(qū)出現(xiàn)半徑為35.00 m的逆時針環(huán)流，平均流速為0.04 m/s。隨著流量級的增大水位抬升，匯流區(qū)河段的最大流速由河道中部逐漸偏向右岸，受到主流區(qū)頂托鲇魚須河出流受阻，最小流速出現(xiàn)在出口口門區(qū)。

圖4 管家鋪、殷家洲和南縣的二維模擬流場Fig.4 Two-dimensional simulated velocity fields ofGuanjiapu, Yinjiazhou, and Nanxian river segments

4.2 水動力局部變化

4.2.1 管家鋪

H1斷面水深隨地形先增加后減小，水深隨流量級的增加逐漸升高，最大水深為10.22 m，位于14號斷面點(圖5(a))。流速分布呈馬鞍狀(圖5(b))，受離心力的影響最大流速偏向左岸。RUN1工況的最大流速Umax=0.42 m/s分布于15號斷面點，RUN2、RUN3工況的最大流速分別為Umax=0.64 m/s和Umax=0.79 m/s分布在13號斷面點。H2斷面水深隨地形先增加后減少，水深峰值均位于7號斷面點(圖5(c))。RUN1工況的最大流速Umax=0.18 m/s分布于10號斷面點，RUN2、RUN3的最大流速Umax2=0.32 m/s和Umax3=0.44 m/s均分布于11號斷面點(圖5(d))。水流經(jīng)分汊口在進(jìn)入管家鋪后，水流動力軸線由左岸逐漸偏向右岸。

圖5 不同流量條件下H1和H2斷面水深和流速的變化Fig.5 Changes in water depth and flow velocity of crosssections (H1 and H2) under three discharge conditions

4.2.2 殷家洲

H4、H5斷面的水深隨地形呈雙峰狀分布(圖6(a)和圖6(c))，各工況下的水深峰值均位于4號和11號斷面點。H4斷面流速分布呈峰狀(圖6(b))，左岸至右岸流速緩慢升高。斷面的最大流速為Umax=0.78 m/s靠近河道右岸，最大流速位于右岸而非中部,表明從上游開始流速已經(jīng)開始受到逆坡作用的影響。H5斷面的流速分布呈馬鞍狀(圖6(d))，隨流量級的增大，左汊的流速逐漸增加，最大流速為Umax=0.29 m/s位于河道中部。右汊進(jìn)口段的最大流速靠近河道左岸，RUN1、RUN2工況下右汊進(jìn)口處的最大流速Umax分別為0.50、0.55 m/s，均分布在18號斷面點。隨著來流量增加，最大流速偏向右岸，RUN3工況的最大流速增加至Umax=0.58 m/s，位于23號斷面點。受分汊口壅水和阻擋的影響，自上游開始水深流速沿程減小均于淺灘前沿降至0 m/s，具體分布如圖6(c)和圖6(d)所示。

4.2.3 南 縣

H6斷面水深分布呈單峰狀(圖6(e))，不同來流量下水深峰值均分布于6號斷面點。由于鲇魚須河斷流，RUN1工況的流速分布與順直河流相似，最大流速Umax=0.48 m/s位于河道中部。鲇魚須河過流后，受主流區(qū)的頂托上游至出口口門形成壅水區(qū)，流速沿程減小，流速分布如圖6(j)所示。鲇魚須河水流與干流劇烈摻混，在匯流區(qū)靠近左岸的區(qū)域形成低流速分離區(qū)，流速分布如圖6(f)所示。RUN2和RUN3工況下的最小流速Umin=0.40 m/s和Umin=0.36 m/s位于1號斷面點。由于分離區(qū)的存在外部水流產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，形成偏向干流右岸的收縮區(qū)RUN2、RUN3的最大流速Umax分別為0.60、0.56 m/s，均分布于9號斷面點。隨著流量級增大，匯流區(qū)的最大流速逐漸偏向右岸，沖刷多集中在右側(cè)河槽。

圖6 H4、H5、H6、S3、S6斷面水深、流速變化Fig.6 Changes in water depth and flow velocity of cross sections (H4, H5, H6, S3, and S6)

4.3 水動力沿程變化

水深隨流量級的增加逐步增大。管家鋪至下游2.7 km河段的水深隨地形先增加后減少，平均水深沿程分布如圖7(a)所示，RUN1、RUN2、RUN3工況的最大水深分別為9.20、10.55、9.86 m，均分布于于分汊口下游1.8 km的L3斷面，下游河段的水深沿程變化不大，各斷面平均水深分別圍繞著3.51、4.28、4.81 m上下波動。

圖7 管家鋪—黃金閘—殷家洲—南縣—注滋口的水深和流速變化Fig.7 Changes in average water depth and flow velocity of Guanjiapu-Huangjinzha-Yinjiazhou-Nanxian-Zhuzikou stations

流速隨來流量的改變變化較為明顯，按照黃金閘、殷家洲、南縣呈節(jié)點變化，沿程分布如圖7(b)所示。RUN1工況下，管家鋪—殷家洲河段流速緩慢升高，河段平均流速為U=0.28 m/s。水流經(jīng)殷家洲分汊口入梅田湖后由于過流面積減少流速增加，梅田湖段平均流速增至U=0.49 m/s，相對上游河段升高75%。南縣下游河段由于水面展寬流速變緩，河段平均流速降至U=0.40 m/s。RUN2和RUN3工況下，管家鋪—黃金閘段流速先增加后減小，最大流速出現(xiàn)在分汊口下游5.4 km處，流速最大值Umax分別為0.55、0.69 m/s，河段平均流速U分別為0.39、0.47 m/s。受藕池河中支分流的影響，黃金閘—殷家洲河段流速明顯減少，RUN2、RUN3工況河段平均流速U均為0.38 m/s，相對管家鋪—黃金閘河段平均流速分別下降3.16%和19.27%。水流在殷家洲再次分流入梅田湖后，由于過流面積減少流速迅速增加，河段平均流速分別為U=0.51 m/s和U=0.43 m/s，相對黃金閘—殷家洲，河段流速分別增加34.09%和12.51%。RUN2工況下南縣下游河段平均流速U=0.47 m/s平均流速減小8.18%，RUN3工況的平均流速U=0.49 m/s，平均流速升高4.91%。

4.4 汊道分流

運(yùn)用回歸分析研究殷家洲分汊口處梅田湖、鲇魚須河分流比的變化與流量級、寬深比和過流斷面面積的關(guān)系。除了水動力分析的3種工況之外，為減小誤差，本研究增算了5種來流量，管家鋪來流量Q分別取值為467、512、639、822、2 070 m3/s，右汊分流比與流量級、寬深比、過流斷面面積相關(guān)系數(shù)分別為-0.91、0.98、-0.95，絕對值均>0.75，對計算結(jié)果進(jìn)行線性擬合，分流比與流量級、寬深比、過流斷面面積關(guān)系如圖8所示。右汊分流比均隨著流量級和過流斷面面積的增加逐漸減小，趨勢線斜率分別為-0.000 2和-0.000 4。左汊分流比與流量級、寬深比、過流斷面面積相關(guān)系數(shù)分別為0.91、-0.18、0.95，分流比隨流量級、過流面積的增加而逐漸增大，趨勢線斜率分別為0.000 2和0.000 3，但分流比與寬深比之間的關(guān)系并不明顯。

圖8 分流比與流量級、寬深比、過流斷面面積關(guān)系Fig.8 Relations of flow diversion ratio versus discharge,width-depth ratio, and cross-section flow area

5 結(jié) 論

(1)以黃金閘、殷家洲、南縣為分流節(jié)點將藕池河?xùn)|支分為4個河段，不同來流量下流速沿程變化基本呈先增加后減小再升高后降低的趨勢，中、低流量下最大流速主要集中在梅田湖段，相對于黃金閘—殷家洲河段平均流速分別增加57.34%和34.09%。中、高流量下的最小流速集中在黃金閘—殷家洲河段，相對管家鋪—黃金閘河段平均流速分別減少3.16%和19.27%。

(2)受分汊口壅水的影響，上游至殷家洲分汊口的水流流速沿程減小，中、低來流量下殷家洲分汊口段最大流速出現(xiàn)在梅田湖進(jìn)口口門靠近左側(cè)河槽。右汊分流比與寬深比線性正相關(guān)，與流量級和過流斷面面積線性負(fù)相關(guān)。受主流區(qū)頂托，鲇魚須河下游出流受阻，下游河段流速沿程減小，最小流速出現(xiàn)在鲇魚須河出口。南縣匯流區(qū)受鲇魚須來流的影響，最大流速由河道中部逐漸偏向右岸。

(3)中、高來流量下受中支分流的影響，黃金閘—殷家洲河段平均流速明顯減少，為緩解此河段繼續(xù)淤積，應(yīng)對此河段進(jìn)行疏浚。為防止藕池河中支、鲇魚須河段因斷流造成水質(zhì)惡化，同時保證沿岸地區(qū)正常的農(nóng)田灌溉和生活用水，需要對藕池河中支和鲇魚須進(jìn)口段擴(kuò)挖或增設(shè)提水泵站。梅田湖進(jìn)口進(jìn)一步?jīng)_刷擴(kuò)大將削弱鲇魚須河分流能力，進(jìn)口段兩岸應(yīng)修筑生態(tài)護(hù)岸。

由于實測地形資料與水文數(shù)據(jù)的限制，本模擬結(jié)果與實際天然河流仍存在差異，藕池河分流量變化對沿程灌溉與供水保障和下荊江水位變化的影響有待進(jìn)一步研究。