張明進(jìn)，伍文俊

（1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.長(zhǎng)江航道局，武漢430010）

長(zhǎng)江中下游航道是長(zhǎng)江交通運(yùn)輸?shù)闹鞴羌?，?duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用［1］。該區(qū)段多屬于沖積性平原河流，河道水面寬闊、洲灘廣布、河床可動(dòng)性強(qiáng)，礙航河段眾多［2］。自三峽水利樞紐蓄水運(yùn)用以來(lái)，水庫(kù)下游長(zhǎng)河段水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生了較大的變化，水道礙航狀況出現(xiàn)了新的特性。為了解決長(zhǎng)江干線目前的礙航現(xiàn)狀，根據(jù)國(guó)家對(duì)長(zhǎng)江航道的總體規(guī)劃，長(zhǎng)江中下游航道的治理已經(jīng)有序開(kāi)展［1-4］。在目前已經(jīng)啟動(dòng)的航道整治工程研究工作中，物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算2種模擬手段都得到了廣泛的應(yīng)用。2種研究手段各有優(yōu)勢(shì)，均有助于工程方案的確定。本文擬就數(shù)值模擬技術(shù)在航道整治研究中的一些特點(diǎn)做探討性的總結(jié)。

數(shù)值模擬研究相對(duì)于物理模型試驗(yàn)研究的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）數(shù)值模擬研究在“點(diǎn)”與“面”上具有可擴(kuò)展性。數(shù)值模擬不但可以同物理模型研究一樣，針對(duì)一處工程區(qū)域一“點(diǎn)”進(jìn)行模擬論證，更重要的是體現(xiàn)在“面”上。這里的“面”包含2層含義，一是平面上的可擴(kuò)展性，數(shù)值模擬研究可以在大范圍平面上模擬長(zhǎng)河段水流泥沙運(yùn)動(dòng)，既可以滿足局部工程方案的論證，又可以對(duì)工程實(shí)施后可能造成的上下游水道的影響情況作出相應(yīng)的預(yù)測(cè)；另一方面是體現(xiàn)在全面上，物理模型研究范圍有限，且不可能考慮太多的影響因素，數(shù)值模擬則可以考慮綜合影響因素，如對(duì)取水口、采砂區(qū)、港區(qū)布置等外部影響因素進(jìn)行綜合分析研究，保證航道整治方案能兼顧各方利益，使整治工程得以順利實(shí)施。（2）數(shù)值模擬研究可在時(shí)間與空間上進(jìn)行靈活調(diào)整。在時(shí)間方面，物理模型在進(jìn)行長(zhǎng)系列年份模擬中，需要對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的概化，而數(shù)學(xué)模型可以真實(shí)模擬長(zhǎng)系列水文年后航道整治工程效果情況，數(shù)值模擬周期相對(duì)物理模型要短，精度更高；在空間方面，物理模型一旦建模，基礎(chǔ)地形難以改動(dòng)，數(shù)值模擬可以針對(duì)工程河段不同年份、不同類型地形條件下的水沙特性進(jìn)行模擬分析，可為工程比選及整治工程優(yōu)化布置提供重要參考依據(jù)。

本文結(jié)合上述數(shù)值模擬的一些特點(diǎn)，以具體的航道整治工程應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)長(zhǎng)江中下游航道整治中數(shù)學(xué)模型能夠回答的探索性問(wèn)題做一些闡述，這些研究可以作為物理模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)與延展。

1 彎曲分汊河段洲頭工程布置位置的選取（洲頭分流面）

目前長(zhǎng)江中下游航道整治的重點(diǎn)河段多為分汊礙航河段，洲頭工程是分汊河段航道整治的重點(diǎn)，對(duì)于順直分汊河段，洲頭工程的起點(diǎn)可以設(shè)置在相對(duì)穩(wěn)定的分流點(diǎn)附近，可基本做到不明顯改變兩汊的分流比［5］，如果要改變兩汊分流比，將工程的起點(diǎn)偏向一側(cè)即可達(dá)到目的。

對(duì)于彎曲分汊河段，洲頭工程的布置要不改變兩汊的分流比是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹揞^不存在單一的分流點(diǎn)，而是以分流面的形式存在。分流面的含義［6］是在洲頭以上河段取若干斷面，以一汊的岸側(cè)開(kāi)始累積流量，將各斷面的累積流量和該汊分流量值相等時(shí)的點(diǎn)連接起來(lái)，即洲頭分流面連線（即這條線左邊為左汊分流比，右邊為右汊分流比）。不同來(lái)流流量時(shí)河段具有不同的分流面位置。不同年份，由于地形條件不同，洲頭分流面的位置也有很大區(qū)別。

圖1-a、圖1-b分別為長(zhǎng)江中游戴家洲洲頭2006年和1993年不同地形及流量級(jí)下分流面的情況［6］，由圖1可知，當(dāng)流量小于20 000 m3/s時(shí)，戴家洲洲頭水流有自右向左擺的趨勢(shì)，體現(xiàn)在分流面曲線上就是分流面曲線從上游靠近右岸逐漸向左過(guò)渡，直至洲頭兩汊分流點(diǎn)。當(dāng)流量大于20 000 m3/s時(shí)，各級(jí)流量下分流面曲線位置基本一致。2006年分流面連線與地形高點(diǎn)連線相近，其枯水分流面連線與洪水分流面連線在河寬方向上的距離最寬約為390 m，而1993年地形時(shí)枯水分流面連線與洪水分流面連線在河寬方向上的距離最寬約為180 m?？菁竞榧痉至髅嬖诤訉挿较虻淖兓w現(xiàn)了這種地形特征下兩汊分流比的變化，2006年這種變化比較劇烈，兩汊分流變化也相對(duì)較大，這對(duì)兩汊（尤其是較寬的右汊）航道條件的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生一定的影響。而1993年地形時(shí)，洲頭分流面的這種變化較2006年要小的多。根據(jù)長(zhǎng)江航道局的航道維護(hù)資料，2006年是戴家洲河段礙航較為嚴(yán)重的年份，而1993年航道情況相對(duì)較好。

由以上戴家洲洲頭分流面的變化情況分析可知，洲頭分流面在洪枯季河寬方向上的變化程度影響兩汊洪枯季分流比的大小，這種變化也在一定程度上對(duì)航道條件的穩(wěn)定產(chǎn)生影響；戴家洲河段航道整治選擇右汊為通航主汊，戴家洲洲頭航道整治布置工程（魚骨壩脊壩）應(yīng)盡可能布置在洪水分流面附近，這樣既可以增加右汊的枯水分流比，又減少了工程對(duì)兩汊河道行洪的影響（目前實(shí)施的戴家洲整治工程魚骨壩脊壩位置與2006年洪水期分流面連線相近）；在長(zhǎng)江中下游彎曲分汊河段整治工程關(guān)于洲頭工程的布置位置選取上，應(yīng)充分應(yīng)用數(shù)值模擬手段，考慮彎曲分汊河段洲頭分流面的變化特性，確定合適的工程位置。

2 航道整治工程汛后沖刷效果模擬

2.1 三峽工程運(yùn)行后對(duì)下游航道影響

長(zhǎng)江三峽工程于2003年6月蓄水至135 m后，又于2006年汛后蓄水至156 m，2007年三峽工程繼續(xù)按照156 m蓄水方案運(yùn)行，2008年試蓄水至172 m，2009年三峽工程準(zhǔn)備蓄水至175 m，但由于汛后上游來(lái)水較少和水庫(kù)下游地區(qū)嚴(yán)重干旱，蓄水至171 m左右。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用，對(duì)長(zhǎng)江中游河道的來(lái)水來(lái)沙條件、河床變形等產(chǎn)生了重大的影響，改變了下游河道的來(lái)水來(lái)沙條件和泥沙沖淤特性，下游航道問(wèn)題已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)。

從三峽水庫(kù)運(yùn)行6 a多的時(shí)間來(lái)看，水庫(kù)對(duì)下游航道條件的不利影響主要體現(xiàn)在水庫(kù)的汛后蓄水過(guò)程上。長(zhǎng)江中游河段在洪水期來(lái)水來(lái)沙量較大，河道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生淤積，而這種淤積會(huì)隨著汛后水位的緩慢降落而逐漸沖刷。然而三峽水庫(kù)汛后蓄水過(guò)程使得汛后水位回落過(guò)快，河道內(nèi)洪水期淤積下來(lái)的泥沙來(lái)不及沖刷而使得航道內(nèi)水深急劇下降，長(zhǎng)江中游航道出淺，影響船舶正常通行，2007年汛后這種情況尤其突出。2007年，長(zhǎng)江中游多個(gè)淺灘汛后出淺，其中窯監(jiān)水道、太平口水道和牯牛沙水道同時(shí)出淺，航道形勢(shì)十分嚴(yán)峻，這在長(zhǎng)江航道的歷史上也是少有的。2007年三峽汛后蓄水后，長(zhǎng)江中游航道的惡化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出各研究單位的預(yù)測(cè)［2］。

2.2 汛后沖刷效果模擬

牯牛沙航道整治前期工作中，數(shù)值模擬研究考慮了汛期航道嚴(yán)重淤積，汛后蓄水時(shí)不同工程布置時(shí)的航道沖刷情況［7］。嚴(yán)重淤積地形選擇了2007年9月地形，此時(shí)牯牛沙水道上下深槽間淺區(qū)4.5 m等深線（航行基面下）不能貫通，淺區(qū)局部床面高程與航行基面相近。數(shù)值模擬以2007年9月測(cè)圖為基礎(chǔ)地形，利用2007年10月～2008年1月水沙資料，計(jì)算分析以下3種條件下牯牛沙水道淺區(qū)航道沖刷情況，分析航道整治工程效果：（1）不實(shí)施任何工程，計(jì)算天然情況下淺區(qū)沖刷情況；（2）考慮僅實(shí)施護(hù)灘工程（一期工程），計(jì)算淺區(qū)沖刷情況；（3）計(jì)算整體工程方案實(shí)施后（丁壩工程），牯牛沙淺區(qū)沖刷情況。

為明確工程效果，以下數(shù)模計(jì)算結(jié)果均按月顯示，即對(duì)比上述不同情況下牯牛沙淺區(qū)經(jīng)歷1個(gè)月（2007年10月）、2個(gè)月（2007年10～11月）、3個(gè)月（2007年10～12月）和4個(gè)月（2007年10月～2008年1月）沖刷后的航道水深變化情況。

2.2.1 計(jì)算結(jié)果

（1）無(wú)工程情況下沖刷情況。

圖2為牯牛沙水道2007年9月份地形經(jīng)歷1、2、3、4個(gè)月沖刷后的水深情況。由圖2可知，雖然經(jīng)歷了枯水期的沖刷，牯牛沙水道過(guò)渡段淺區(qū)逐漸得到改善，但仍不能滿足航行基面下4.5 m水深要求。經(jīng)歷4個(gè)月的沖刷后，上下深槽過(guò)渡段存在淺沙埂和較多的沙包。在2007年9月地形條件下，單純依靠枯水自然沖刷4個(gè)月后仍不能使淺區(qū)過(guò)渡段水深達(dá)到規(guī)劃尺度要求。

（2）護(hù)灘工程的工程效果。

考慮僅實(shí)施一期護(hù)灘工程，計(jì)算淺區(qū)沖刷情況。圖3為牯牛沙水道2007年9月份地形實(shí)施護(hù)灘工程后，經(jīng)歷1、2、3、4個(gè)月沖刷后的水深情況。由圖3可知，對(duì)比同期無(wú)工程沖刷情況，該水道進(jìn)行護(hù)灘工程并經(jīng)歷枯水沖刷后，牯牛沙水道過(guò)渡段淺區(qū)改善程度略優(yōu)于無(wú)工程情況，但仍不能滿足基面下4.5 m水深要求。在經(jīng)歷4個(gè)月的沖刷后，上下深槽過(guò)渡段存在較多的沙包，航道情況稍好于無(wú)工程時(shí)的情況。

（3）總體工程實(shí)施后的工程效果。

圖4為牯牛沙水道2007年9月份地形實(shí)施護(hù)灘工程后，經(jīng)歷1、2、3、4個(gè)月沖刷后的水深情況。由圖4可知，整體工程方案實(shí)施后，經(jīng)歷3個(gè)月（10月～12月）的沖刷后，牯牛沙水道過(guò)渡段淺區(qū)4.5 m等深線基本貫通，淺區(qū)僅存在少數(shù)沙包；經(jīng)歷4個(gè)月（10月～次年1月）的沖刷后，牯牛沙水道過(guò)渡段淺區(qū)4.5 m等深線全線貫通，工程效果明顯。

2.2.2 工程效果分析

綜合上述汛后蓄水沖刷模擬分析可知：（1）在汛期航道強(qiáng)烈淤積時(shí)，不采取任何工程措施，牯牛沙水道上下深槽過(guò)渡段淺區(qū)經(jīng)歷4個(gè)月的汛后枯水沖刷后，航道條件不能滿足規(guī)劃航道水深要求，該水道淺區(qū)在枯季有礙航的可能。（2）總體整治工程方案實(shí)施后，經(jīng)歷3個(gè)月的枯水沖刷后，航道水深基本可以滿足規(guī)劃航道水深要求，工程效果明顯。（3）考慮三峽水庫(kù)汛后蓄水、流域同時(shí)出現(xiàn)多年一遇特枯水情況等條件的影響，一期工程護(hù)灘方案工程效果有限。

長(zhǎng)江中下游其他類似礙航河段，在實(shí)施整治工程時(shí)，應(yīng)結(jié)合河段礙航特性，應(yīng)用數(shù)值模擬手段，對(duì)三峽汛后蓄水影響情況和航道整治效果做出預(yù)測(cè)分析，為航道整治工程的最終實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

3 航道系統(tǒng)整治中的數(shù)值模擬

長(zhǎng)江航道整治工程的實(shí)施（研究）多以1個(gè)水道或2個(gè)水道作為工程研究對(duì)象，這種工程實(shí)施和研究方式，對(duì)上、下游水道間的相互影響情況，以及整個(gè)河段內(nèi)如何進(jìn)行有序整治問(wèn)題沒(méi)有進(jìn)行充分的考慮與論證。長(zhǎng)江航道整治目前已經(jīng)提出了系統(tǒng)整治的思路，并在長(zhǎng)江下游江心洲—烏江河段航道整治工程中得到了一些應(yīng)用，系統(tǒng)整治研究從整個(gè)河段的整體演變關(guān)系出發(fā)，提出相應(yīng)的工程解決方案，有利于航道整治效果和整治水平的提高。

對(duì)于系統(tǒng)整治中研究河段的選取，應(yīng)盡可能以一個(gè)較長(zhǎng)的河段作為航道整治的單元研究對(duì)象［5］，其單元上下游水道的洲灘宏觀長(zhǎng)期變化較小，這種整治研究單元內(nèi)部各水道的整治工程上、下的相互影響問(wèn)題在研究中可以直接得到暴露和解決。數(shù)值模擬在這種長(zhǎng)河段系統(tǒng)整治研究中能發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

航道系統(tǒng)整治的研究對(duì)象從局部河段上升到區(qū)域或流域，數(shù)值模擬可以對(duì)多種物理過(guò)程、多個(gè)調(diào)控目標(biāo)、多重時(shí)空尺度進(jìn)行耦合嵌套的情況進(jìn)行研究，這種研究要求的提高對(duì)數(shù)值模擬的需求程度也將越來(lái)越高。大區(qū)域水沙輸移模擬將勢(shì)在必行，這也是長(zhǎng)江中下游航道整治中數(shù)值模擬的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)論

本文以長(zhǎng)江中下游典型的航道整治工程為例，對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)在長(zhǎng)江中下游航道整治中的應(yīng)用做了一些探討。在一定程度上對(duì)航道整治中數(shù)值模擬應(yīng)該回答、能夠回答以及將來(lái)需要回答的一些工程問(wèn)題作了些分析，并利用工程實(shí)例給出一些認(rèn)識(shí)。數(shù)值模擬技術(shù)作為一個(gè)發(fā)展前景較好的技術(shù)手段，其研究在上述諸多方面均與一般的物理模型研究有所不同，這些不同可以作為物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)與延展。

隨著江河水運(yùn)資源利用和水能開(kāi)發(fā)力度的加大，長(zhǎng)江中下游航道治理實(shí)踐將面臨著與泥沙輸移、環(huán)境保護(hù)等相關(guān)的新問(wèn)題，這也將推動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。伴隨著相關(guān)研究深度和廣度的不斷擴(kuò)展，數(shù)值模擬技術(shù)在解決工程泥沙、水資源利用及與其他學(xué)科的交叉問(wèn)題等方面將發(fā)揮更為顯著的作用。

［1］交通部三峽辦公室.長(zhǎng)江三峽工程泥沙和航運(yùn)問(wèn)題研究成果匯編II［R］.北京：交通部，1997.

［2］長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室水文局.長(zhǎng)江中下游河道基本特征［R］.武漢：長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室水文局，1983.

［3］李義天，謝鑒衡.二維及三維泥沙數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展［C］//中國(guó)水利學(xué)會(huì)泥沙專業(yè)委員會(huì).全國(guó)泥沙基本理論研究學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.西安：西安理工大學(xué)，2006.

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