代水平 閆金波 鄒 濤 李云中

(長江水利委員會長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

1 概況

受河道沿程河勢及河床組成抗沖能力差異的影響，葛洲壩水庫下游宜昌至楊家腦河道在沖刷過程中形成了眾多節(jié)點河段。這些節(jié)點在三峽水庫運用后進一步演變，必將對宜昌水位產生新的影響。在此形勢下，研究葛洲壩下游河道演變對宜昌枯水位的影響顯得十分重要。有資料和研究表明［1，2］，宜昌枯水位的變化屬長河段控制，控制范圍大致為宜昌－楊家腦，而這段河道中的幾個淺灘、卡口河段在控制宜昌枯水位變化中起到關鍵作用。本文主要通過數(shù)學模型計算，分析這些節(jié)點河段控制作用的強弱度，預測節(jié)點發(fā)生沖刷演變后宜昌枯水位的變化情況。

2 葛洲壩下游河道

葛洲壩下游宜昌－楊家腦河段長約115km，為山區(qū)性河流向平原河流的過渡段，河道蜿蜒曲折，兩岸為丘陵階地，抗沖能力較強。河床主要由基巖、卵石夾砂組成，沿程存在多個抗沖性較強的沙卵石洲灘，深泓為凸凹不平的波狀起伏。按照河段特點，通常將該河段分為宜昌、宜都和枝江3個河段。其中宜昌河段為鎮(zhèn)川門至虎牙灘，長約19km;宜都河段為虎牙灘至枝城水文站，長約40km;枝江河段為枝城至楊家腦，長約56km。

受制于特殊的河床邊界條件，在歷史上荊江裁彎、葛洲壩運行引起長期沖刷中，該河段總體河勢穩(wěn)定，主流線平面擺動較小，河床沖淤主要集中于枯水河槽，體現(xiàn)在河道縱剖面形態(tài)變化及由此造成的沿程枯水位下降。由于河床組成中可沖沙量有限，三峽水庫蓄水引起的河床調整很可能在較短的時段內完成，因此，在該過程中，沿程枯水位的變化趨勢備受矚目。

從目前收集到的資料和有關分析來看，基本上可以確定，宜昌下游河段縱剖面存在多個高程相對較高的耐沖節(jié)點，而這些節(jié)點在下游河道沖刷過程中，對宜昌水位特別是枯水位的下降起到了抑制作用，這也是三峽水庫蓄水以來雖然該河段沖刷量較大，但宜昌枯水位變化不大的原因。

3 葛洲壩下游河道控制節(jié)點演變

本文提到的河道控制性節(jié)點，指的是給定流量條件下斷面面積較小或河底高程相對較高的河段，亦即卡口或淺灘河段，河段中過水面積較小或河底高程較高的斷面即為控制節(jié)點斷面。根據(jù)水力學原理，這些控制河段的存在對應到河道水流特性的變化上，便是水面比降發(fā)生明顯變化，或直觀地說，就是水面線出現(xiàn)明顯折點。

這些河道節(jié)點的穩(wěn)定存在，可以在其上游河道發(fā)生沖刷的時候維持其上游河道水位的基本穩(wěn)定，同時也可以在其下游河道水位下降或河床沖刷時，抑制下游水位下降向上游的傳播，從而維持上游水位的穩(wěn)定。根據(jù)上述控制節(jié)點的性質，結合一維數(shù)學模型計算分析，對宜昌－沙市河段內控制性節(jié)點的位置進行了查找和分析。

3.1 數(shù)學模型計算

本文在近期河道地形基礎上建立了宜昌－沙市一維數(shù)學模型，通過一系列數(shù)值試驗，對上述問題進行探討。

3.1.1 模型計算控制方程

一維水流數(shù)學模型［3］所依據(jù)的基本公式，在不考慮旁側入流時，形式為

水流連續(xù)方程:

水流運動方程:

3.1.2 模型基本方程的簡化求解

本報告主要研究某一枯水流量條件下工程前后河道水位的變化情況，屬恒定流問題。因此，模型控制方程在恒定流條件下可改寫成如下差分格式:

式中j為上游斷面號;j+1為下游斷面號;Δx為斷面間距;Q為流量;H為斷面平均水深;B為斷面寬;A為斷面過水面積。

3.2 數(shù)學模型驗證

本次宜昌－沙市段數(shù)學模型計算，主要是針對Q=5000 m3/s枯水流量，因此僅驗證了該流量條件下沿程水面線的計算精度，驗證計算成果(見表1)。

3.3 控制性節(jié)點位置確定

對宜昌－沙市河段河道水面線進行了計算。計算過程中，通過改變下游不同位置的水位，來觀察上游水面線的變化情況，從而分析得出宜昌枯水位的控制節(jié)點位置和各點控制作用的強弱。

宜昌－沙市5000 m3/s流量下水面線自上而下在胭脂壩、宜都、關洲、蘆家河附近出現(xiàn)轉折，以蘆家河處轉折最為明顯，且假定蘆家河下游沙市或馬家店枯水位分別下降 0.5、1.0、2.0 m 時，其對上游水位的影響均只至蘆家河，對蘆家河以上水位基本沒有影響，見圖1～3及表2～4。而蘆家河水位下降，則將直接導致上游各處水位發(fā)生不同程度的下降，且影響至宜昌站以上。

因此可以判定，在目前的河道條件下，蘆家河是控制宜昌枯水位變化的最下游節(jié)點，也是控制作用最強的節(jié)點。蘆家河水位下降與宜昌水位變化基本維持2.6∶1的關系，說明宜昌－蘆家河河段的關洲、宜都、胭脂壩也是控制節(jié)點，對宜昌水位下降有控制作用。在目前的河道條件下，由于下游蘆家河河底高程相對較高，其控制作用小于蘆家河。

3.4 節(jié)點演變

根據(jù)1980年以來的實測資料，計算了宜昌－楊家腦河段枯水期(Q=5000 m3/s)過水面積情況，并從中篩選出了過水面積相對較小，且長期以來相對穩(wěn)定的斷面列于表5，這些就是壩下游控制河道枯水水面線的節(jié)點河段，主要有胭脂壩頭、胭脂壩尾、宜都、關洲、蘆家河、董市洲、柳條洲、楊家腦等。統(tǒng)計的各節(jié)點河段河床深泓點高程變化情況(見表6)。

表1 宜昌－沙市一維模型水位驗證計算成果 m

根據(jù)歷史演變統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，三峽工程蓄水運行前(2002年前)，雖然各卡口河段因沖刷而有所削弱，但對宜昌枯水位的控制作用依然存在。1980～2002年，各控制節(jié)點斷面過水面積平均增加160 m2。過水面積擴大最多的是虎牙灘河段，累計增加1524 m2，說明在葛洲壩水利樞紐運行期，該河段的控制作用就已基本失去控制作用。2003年三峽工程蓄水運行后，各控制河段及節(jié)點斷面仍然繼續(xù)沖刷。沖刷強度最大的是外河壩，其次是大石壩，說明目前大石壩、外河壩的卡口控制作用也已經基本消失。胭脂壩頭、胭脂壩尾、南陽磧上口、關洲上口、蘆家河、董市洲、柳條洲、楊家腦等控制河段枯水過水面積也有不同程度的擴展，說明這些控制河段控制作用也在逐步削弱。

表2 沙市水位變化對上游水位影響的計算成果 m

表3 馬家店水位變化對上游水位影響的計算成果 m

表4 蘆家河水位變化對上游水位影響的計算成果 m

圖1 沙市水位變化對上游水面線的影響狀況(Q=5000 m3/s)

圖2 馬家店水位變化對上游水面線的影響狀況(Q=5000 m3/s)

圖3 蘆家河水位變化對上游水面線的影響狀況(Q=5000 m3/s)

表5 宜昌－楊家腦河段關鍵控制河段節(jié)點斷面過水面積變化統(tǒng)計

表6 宜昌－楊家腦河段關鍵控制河段節(jié)點斷面深泓高程變化統(tǒng)計 m

綜上所述，目前對宜昌控制作用較強的河段主要還有胭脂壩、宜都彎道、關洲上口、蘆家河淺灘等。

4 控制性節(jié)點演變對宜昌枯水位影響預測

4.1 沖刷引起的水位變化

為了解葛洲壩下游沿程節(jié)點沖刷將引起的宜昌枯水位的變化，在數(shù)學模型計算過程中，通過改變節(jié)點位置的河道地形來進行數(shù)值試驗分析(見表7)。

計算結果顯示，在沖刷幅度相同的條件下，蘆家河沖刷引起的宜昌水位下降最為明顯，其次為胭脂壩頭段，南陽磧上口和關洲上口段沖刷引起的宜昌枯水位下降相對較小，這也說明，在目前的河道條件下，蘆家河是對上游水位控制作用最強的節(jié)點，其次為胭脂壩，而后是南陽磧上口和關洲上口。

4.2 沖刷與沿程沖刷對宜昌枯水位影響

為進一步了解節(jié)點變化在影響河道水位變化中的作用，通過數(shù)值試驗，統(tǒng)計了河道不同位置沖刷后宜昌枯水位的變化情況。結果顯示，幾個節(jié)點位置沖刷引起的宜昌枯水位下降較明顯，而且遠大于沿程深槽部位發(fā)生沖刷的影響。因此，從目前情況來分析，首先，保護好幾個關鍵性節(jié)點，對于穩(wěn)定宜昌水位和抑制下游水位下降向上游傳遞的影響，具有十分重要的意義(表8)。

4.3 對預測值的驗證分析

根據(jù)上述計算結論(2008年計算提出)，分析驗證了2009年宜昌枯水位下降的情況。

實測資料顯示，2008年10月至2010年3月，胭脂壩壩頭深泓平均下切了1.7 m，按表7中預估的宜昌枯水位應下降約0.14 m;宜都彎道進口段平均沖刷了 4.7 m，預估宜昌枯水位下降 0.11 m;蘆家河淺灘段下切 0.2 m，可引起宜昌枯水位下降約0.05 m，三者合計，宜昌枯水位約應下降 0.30 m，這與宜昌枯水位實際下降0.29 m(測量值)很接近?？梢婋僦瑝?、宜都彎道、蘆家河等節(jié)點沖刷是造成宜昌枯水位下降的主要因素。

表8 宜昌－蘆家河段不同位置沖刷引起的宜昌水位變化情況 m

5 結語

(1)葛洲壩下游眾多河道節(jié)點的演變，是造成宜昌枯水位變化的主要影響因素，在目前河道條件下，蘆家河、關洲、宜都、胭脂壩等是幾個控制性作用較強的節(jié)點。

(2)在蘆家河、關洲、宜都、胭脂壩等幾個主要控制性節(jié)點河段中，蘆家河節(jié)點對其上游及宜昌枯水位的控制作用最強，其演變后對宜昌枯水位的影響也最明顯。

(3)蘆家河以上節(jié)點穩(wěn)定是維持宜昌水位的重要因素。數(shù)值實驗表明，蘆家河以上河段幾個關鍵性節(jié)點和淺灘部位對水位同樣起著主要控制作用。只要節(jié)點位置穩(wěn)定，沿程其他深槽位置沖刷對宜昌水位的影響較小，這是三峽水庫蓄水后，該河段雖已發(fā)生了較為明顯的沖刷，而宜昌水位下降幅度較小的原因。

(4)如果蘆家河、胭脂壩、宜都、關洲等主要河道控制節(jié)點在今后能夠長期保持穩(wěn)定，則將來宜昌枯水位降幅會非常有限。

(5)本文節(jié)點演變影響的模型預測成果與實際觀測資料吻合較好，模型研究結論對今后實施河道工程整治具有重要的指導意義。

［1］ 李云中.長江宜昌河段低水位變化研究［J］.中國三峽建設，2002，(5):12 －14.

［2］ 孫昭華，李義天，葛 華，李 明.三峽下游沙卵石河段縱剖面形態(tài)對枯水位影響［J］.泥沙研究，2007，(3):9－16.

［3］ 楊國錄.河流數(shù)學模型［M］.武漢:武漢大學出版社，1993.