汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响.pdf

第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；三峡后续工作科研项目（）；长江上游朝天门至涪陵航道整治工程科研项目（）作者简介：张（），男，山西临汾人，高级工程师，主要从事港口航道及海岸工程设计和科研工作。：（），汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响张（长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 ）摘要：嘉陵江入汇流量的不同造成长江干流重庆主城河段相同流量情况下水位、比降、流速等水文特征差异较大，进而影响泥沙的输移特性，对研究河段航道条件造成影响。基于原型观测数据和二维水流数学模型，分析支流入汇特性及其对水位、流速、比降、输沙等的影响程度和范围。结果表明：长江干线朱沱站流量在 时，不同汇流比对入汇口上游长江段影响范围为 ，在流量 朱沱相同的情况下，汇流比 增大，重庆主城河段水流强度减小，输沙强度 减弱。三峡水库 蓄水后，在消落期和蓄水期，重庆主城河段水位抬升，水面比降放缓，而汛期重庆主城河段恢复天然河段特性，主城河段不受回水影响。在流量 相同的情况下，蓄水后重庆主城河段水位抬升、坡降放缓，水流强度和输沙强度均呈减小趋势。研究成果可为重庆主城河段航道整治和维护提供技术支撑。关键词：长江上游；重庆主城河段；汇流比；回水；水流条件；输沙中图分类号：文献标识码：文章编号：（）近年来，国内外学者针对汇流比的研究取得大量研究成果。陈景秋等 分析了长江、嘉陵江汇流比对流场的影响。钟亮等 分析了嘉陵江汇流比的变化趋势和频率分布特性。陈立等 以辽宁大凌河白石水库为研究对象，分析不同来沙量、交汇角、干支流洪水特征对不同位置的库区交汇流河段泥沙淤积特性的影响。薛博升等 探究汇流比与入汇角对明渠交汇水流水力特性影响的区别。王协康等 得出了在支流有无来水、来沙时不同主支汇流比下的主河输沙率和累积输沙量随时间演化过程。张原锋等 探讨了汇流比等因素对沙坝淤堵形成的影响。刘同宦等 通过多组次水槽试验，研究入汇角为 时，不同汇流比水流条件下支流入汇区域及其附近的水面比降变化和时均流速分布特征。建立了长江和嘉陵江的有限元模型，研究了汇合处的水力特性。王义安 和郝媛媛等 研究了支流入汇对干流通航条件的影响。?等 研究了汇流角和流量比对山区河流汇流区水流动力学和河床形态的影响。王鑫等 通过不同整治思路，研究了改善大藤峡坝下两江汇流口段通航水流条件的方法。汇流比是控制山区河流汇流河段水流、泥沙运动的主要因素之一，目前主要针对三峡水库蓄水运行前嘉陵江入汇对重庆主城河段水流特性的影响开展了一些研究，而对三峡水库蓄水运行后重庆主城河段水流和输沙特征的影响研究较少。本文采用近期实测资料和二维水流数学模型，从汇流比角度，探讨三峡水库蓄水运行前后嘉陵江汇流特性对主城段水流和输沙特性的影响，研究成果对分析预测长江重庆河段的水流、泥沙运动规律与河床演变特性具有重要作用。河段概况重庆主城区河段位于三峡水库 变动回水区内。河段从长江干流大渡口（航道里程 ，下同）年 月张汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响至铜锣峡（），长约 ，支流从嘉陵江井口至朝天门汇合口，长约 （图）。长江干流主城河段航道主要碍航问题是枯水期航道弯、窄、浅，著名碍航浅滩段包括猪儿碛（）、三角碛（）、胡家滩（）等。图 重庆主城河段河势简图 表 年重庆主城河段汇流比特征值 年份特征值汇流比 全年消落期汛期蓄水期 （缺少 ）最大值 最小值 平均值 两江汇流特性研究河段上游设有长江朱沱水文站（距朝天门约 ），是嘉陵江入汇前的长江干流水文控制站；下游设有长江寸滩水文站（距朝天门约 ），是嘉陵江入汇后的长江干流水文控制站；支流嘉陵江设有北碚水文站（距朝天门约 ），是嘉陵江流域的出口控制站。这三个水文站均具有较为丰富的水文资料，可作为研究两江汇流特性的依据。三站流量闭合差分析根据朱沱、北碚、寸滩三站 年的流量闭合差（朱沱北碚寸滩）寸滩 统计，闭合 差 接 近 正 态 分 布。闭 合 差 变 化 范 围 为 ，平均 。由此可见，三站流量很难满足闭合条件，能满足 、闭合条件的几率分别为水道港口第 卷第 期 、，给总流量、分流量的组合（汇流比）带来了一定困难。研究认为，寸滩站位于嘉陵江图 汇流比 随两江总流量 的变化趋势 和朝天门河口下游 处，其流量作为总流量是合适的。采用寸滩站为总流量，朱沱、北碚站流量同比缩放的方式进行汇流比计算更符合实际。汇流比总体分析设两江总流量为，汇流前长江干流流量为，嘉陵江流量为，则汇流比 。重庆主城河段汇流比的特征值见表 和图 。为便于比较，蓄水前也按蓄水后三峡水库运行各时期（消落期、汛期、蓄水期，下同）进行统计分析。结果表明，年全年汇流比最大值为 ，最小值为 ，两者相差 倍。三峡水库运行各时期的汇流比 主要分布在 ，各时期的分布趋势基本一致，全年内、消落期、汛期、蓄水期出现频率最大的汇流比 基本相同，分别为 、及 。汇流比对主城河段水流条件影响利用原观数据分析、数学模型模拟两种方法探讨嘉陵江入汇的规律以及嘉陵江入汇程度不同对重庆主城河段水文特性及水动力条件的影响。数模建模验证见参考文献 ，本文计算范围长江从大渡口（）至寸滩（），嘉陵江从井口距朝天门入汇口约 ，网格间距平均约 。计算范围见图 。图 研究河段数模计算范围示意图 表 汇流比影响计算工况 寸滩流量（）汇流比 注：回水主要选取消落期 、汛期 、蓄水期 。汇流比影响计算工况选取三峡大坝运行至 蓄水前（年）和 蓄水后（年）的原观数据，并按寸滩流量进行同比缩放统计汇流比，计算工况见表 所示。汇流比和回水对主城河段水位的影响（）汇流比对主城河段水位的影响。统计玄坛庙、猪儿碛、三角碛、胡家滩断面各流量级下水位随汇流比变化的关系，如图 所示。由图 可知，在汇流比相等的情况下，各断面的水位随流量的增大而升高。在流量相同的情况下，各断面的水位随着汇流比的增大而增加。在同一级流量的情况下，各断面的水位随着汇流比的增大而呈线性增长。随着断面距离入汇口的距离越来越大，水位相对增值不断减小，即离入汇口越远，受嘉陵江支流入汇的 年 月张汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响影响越小。从嘉陵江入汇对上游长江段水位影响范围来看（表 ），嘉陵江入汇对长江干流水位的影响范围比较大，且长江流量越大，其影响范围也越大。长江干线朱沱站流量 朱沱 时，不同汇流比对入汇口上游长江段影响范围为 。图 各断面水位、水位增加值与汇流比关系图 表 嘉陵江入汇口上游长江段影响范围 汇合口上游长江流量（）最大汇流比最大影响范围距交汇口距离 表 蓄水前后重庆主城河段主要断面水位变化 流量（）时间段汇流比水位 胡家滩三角碛猪儿碛 消落期蓄水期蓄水后差值 蓄水期蓄水期蓄水后差值 汛期蓄水期蓄水后差值 （）回水对主城河段水位的影响。将相同流量 和汇流比 下重庆主城河段蓄水前后各主要断面的水位变化见表 。三峡 蓄水后，重庆主城河段水位抬升，其中蓄水期水位的抬升幅度较大，消落期水位抬升幅度较小，汛期库区回水末端尚未到重庆主城河段，对主城河段水位基本无影响。受三峡水库回水影响 ，蓄水后消落期和蓄水期水位较蓄水前均有所增加，水位增加值自下而上呈沿程减小趋势，蓄水前后的水位线最终在某一点交汇，该交汇点对应处即为该流量条件下回水作用影响范围的上限。由图 可知，在消落期 时，回水作用影响至离两江交汇口上游交汇处 的九龙坡处；在蓄水期 时，回水作用影响至离交汇处 白沙沱处。汇流比和回水对主城河段水面比降的影响（）汇流比对主城河段比降的影响。猪儿碛碛首断面距离玄坛庙水位站 ，水面比降随汇流比 的变化见图 。在同一流量级下，猪儿碛碛首玄坛庙的水面比降随汇流比的增加而减小，说明嘉陵江入汇壅高了交汇口上游干流的水位，使干流的水面比降减小 。在汇流比相等的情况下，流量越大，猪儿碛碛首玄坛庙水道港口第 卷第 期的水面比降呈减小趋势。图 不同水位期回水对水位的影响 图 猪儿碛碛首玄坛庙水面比降与汇流比关系 （）回水对主城河段比降的影响。三峡大坝 蓄水后，在消落期和蓄水期，重庆主城河段水位抬升，水面比降放缓。其中，在消落期，同等流量下水位平均抬升 ，水面比降由蓄水前的 下降到 ；蓄水期回水作用尤为明显，研究河段平均水位抬升了 ，水面比降由蓄水前的 下降到 。而在汛期，重庆主城河段恢复天然河段特性，主城河段不受回水影响，在相同来流量情况下，三峡水库蓄水前后重庆主城河段水面比降基本相同。汇流比和回水对主城河段流速的影响 对流速大小的影响（）汇流比对流速大小的影响。根据二维数模计算成果，胡家滩（）、猪儿碛（）等典型断面在不同流量级、各汇流比下的断面平均流速与汇流比的关系见图 。在相同流量情况下，随着汇流比增加，流速明显降低。图 汇流比与断面平均流速关系 （）回水对流速大小的影响。在消落期和蓄水期，蓄水后受库区回水作用，下游水位壅高，水面比降放缓，流速明显降低，其中消落期的沿程平均流速由蓄水前的 下降至 ，下降幅度为 ，蓄水期的沿程平均流速由蓄水前的 下降至 ，下降幅度达到了 。在汛期重庆主城河段由库区恢复成天然河道特性，蓄水前后流速分别为 和 ，基本保持不变。对流速分布的影响（）汇流比对流速分布的影响。流量 时各汇流比下猪儿碛断面流速分布见图 。年 月张汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响由图 可知，随着汇流比 的增大，猪儿碛断面的流速分布趋势没有变化，但断面流速随着汇流比 增大而减小，其中流速较大的主流区流速降幅明显大于其他区域，而两岸边滩流速大小几乎不受影响。（）回水对流速分布的影响。三峡水库运行各时期回水对猪儿碛断面流速分布的影响见图 。图 猪儿碛各汇流比下断面流速分布对比 图 猪儿碛不同水位期回水对断面流速分布的影响 从图 可以看出，蓄水后，在消落期和蓄水期，猪儿碛断面水面宽度略有增加，流速下降，其中消落期的流速下降尤为明显。蓄水前流速越大的区域蓄水后流速减小幅度越大，库区回水的作用主要减小主流区的流速，对近岸流速的影响较小。从蓄水前后流速分布对比可以看出，回水作用并未改变主流区的位置和断面流速分布的趋势。汇流比和回水对卵石运动影响分析 基于起动流速分析对卵石运动影响（）汇流比对卵石运动的影响。王兴奎等 依据寸滩站 年实测的 组卵石推移质资料分析了长江寸滩站的卵石推移质输沙规律，确定使用代表粒径 得出了非均匀沙的起动流速计算式为 槡 （）式中：为起动流速；为水深；为粒径；为泥沙重度；为水的重度；为重力加速度。对式（）分析可认为：长江干流寸滩河段推移质泥沙起动流速 与水深 、粒径本身 有关，且成正相关关系，水深越大、泥沙自身粒径越大，需要的起动流速也越大。式中水深的方次低（），粒径本身的方次却更高（），可认为起动流速与水深的关系小于与粒径本身的关系。在同等水深下，平均流速越大，临界起动的泥沙粒径越大，即处于运动状态的泥沙数量越多，输沙强度越大。在相同的平均流速下，水深越大，临界起动的泥沙粒径越小，即处于运动状态的泥沙数量越少，输沙强度越小。由式（）可转化得到临界起动代表粒径 的表达式为 槡 （）根据计算结果，三峡水库运行各时期各汇流比下猪儿碛断面的临界起动代表粒径 见图 。由图 可知，随着汇流比 的增大，猪儿碛河段临界起动粒径 呈减小趋势，在消落期、汛期、蓄水期，猪儿碛河段临界起动粒径 最大减少值分别为 、，最大减少幅度分别为 、和 。（）回水对卵石运动的影响。由表 可知，在消落期和蓄水期，由库区回水引起的临界起动代表粒径 的变化值分别为 和 水道港口第 卷第 期 ，降幅分别为 和 。图 猪儿碛河段各时段各汇流比下临界起动粒径 对比 表 猪儿碛河段各时段蓄水前后临界起动粒径 对比 时段时间汇流比平均流速（）平均水深 重率系数 消落期蓄水前蓄水后差值变幅 蓄水期蓄水前蓄水后差值变幅 基于水流强度分析汇流比对卵石运动影响（）汇流比对卵石运动的影响。本文选用 年的 公式和 年的 修正公式来处理实测资料 （年）公式为槡 （）（年）修正公式为 （）（）式中：为推移质运动强度；为常数项，通过实验率定为 ；为常数项，通过实验率定为 ；为常数项，通过实验率定为 ；为水流参数，；为水流强度，（）；为无量纲输沙强度；为泥沙运动概率，其计算公式为槡 （）其中，计算公式为()()（）式中：为泥沙的容重，；为水的容重，；为推移质单宽输沙率，；为粒径，。图 猪儿碛河段各时段各汇流比下输沙强度 图 水流参数与输沙强度关系图 由数模计算结果可知，三峡水库运行各时期各汇流比下猪儿碛断面的输沙强度 如图 所示。在流 年 月张汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响量 相同的情况下，汇流比 增大，水流强度 减小，输沙强度 减小。同时，在消落期、汛期和蓄水期，猪儿碛河段因汇流比 的变化可引起输沙强度 减小值最大幅度分别为 、和 。由图 可以看出，三峡水库运行各时期水流参数（）与输沙强度 的关系较为稳定，输沙强度的大小与水流参数的大小成反比，即输沙强度的大小与水流强度成正比。在上游输移级配相等的情况下，河段断面的输沙量与该断面的水深与水面比降乘积 成正比。根据计算成果，胡家滩、三角碛和猪儿碛断面水深与水面比降乘积 及汇流比 的关系如图 所示。图 断面水深与水面比降乘积 及汇流比 ，从图 可知，在同一级流量下，各断面的水深与水面比降乘积随着汇流比的增大而减小，即在流量不变的情况下，各断面的输沙强度随汇流比增大而减小。断面距离交汇口越远，其输沙强度受汇流比影响越小。此外，在流量小于 时，各断面输沙强度对汇流比的变化并不敏感，当流量大于 时，由汇流比引起的输沙强度变化逐渐增大。（）回水对卵石运动的影响。由表 可知，在流量 相同的情况下，蓄水后重庆主城河段水位抬升、坡降放缓，水流强度 和输沙强度 都呈减小趋势。在消落期和蓄水期，猪儿碛河段因库区回水影响可引起输沙强度 减小值最大幅度分别为 和 。表 猪儿碛河段各时段各汇流比下输沙强度 对比 时段时间汇流比 平均水深 水面比降 水流参数 输沙强度 消落期蓄水前蓄水后差值变幅 蓄水期蓄水前蓄水后差值变幅 水道港口第 卷第 期 结论（）随着断面距离入汇口的距离越来越大，其水位相对增值不断减小，即离入汇口越远，受嘉陵江支流入汇的影响越小。在同一流量级下，长江猪儿碛至胡家滩河段水面比降随汇流比的增加而减小，说明嘉陵江入汇壅高了交汇口上游干流的水位，使干流的水面比降减小。在相同流量情况下，随着汇流比增加，流速明显降低。随着汇流比 增大，临界起动粒径 呈减小趋势，在消落期、汛期、蓄水期，研究河段临界起动粒径 最大减少值分别为 、，最大减少幅度分别为 、和 。在流量 相同的情况下，汇流比 增大，水流强度 减小，输沙强度 减小。同时，在消落期、汛期和蓄水期，研究河段汇流比 的变化可引起输沙强度 减小值最大幅度分别为 、和 。（）三峡大坝 蓄水后，在消落期和蓄水期，重庆主城河段水位抬升，水面比降放缓，而在汛期重庆主城河段恢复天然河段特性，主城河段不受回水影响。在消落期回水作用影响至距交汇处 的九龙坡处，在蓄水期回水作用影响至离交汇处 白沙沱处。库区回水的作用主要减小主流区的流速，对两岸边壁的影响甚微。回水作用并未改变主流区的位置和断面流速分布的趋势。在消落期和蓄水期，由库区回水引起的临界起动代表粒径 的变化值分别为 和 ，降幅分别为 和 。在流量 相同的情况下，蓄水后重庆主城河段水位抬升、坡降放缓，水流强度 和输沙强度 都呈减小趋势。在消落期和蓄水期，猪儿碛河段因库区回水影响可引起输沙强度 减小值最大幅度分别为 和 。参考文献：陈景秋，赵万星，季振刚 重庆两江汇流水动力模型 水动力学研究与进展：辑，（）：，（）：钟亮，孙建云，韩正国 嘉陵江汇流特性统计及分形分析 人民长江，（）：，（）：陈立，段涛，闫涛，等 库区交汇流河段泥沙淤积特性研究 四川大学学报：工程科学版，（）：，：，（）：薛博升，魏炳乾，王非，等 汇流比和入汇角对明渠交汇水流特性影响的对比研究 应用力学学报，（）：，（）：王协康，刘同宦，王宪业，等 受支流入汇作用主河推移质运动演化特征试验研究 四川大学学报：工程科学版，（）：，：，（）：张原锋，王平，侯素珍，等 黄河上游干支流交汇区沙坝淤堵形成条件 水科学进展，（）：，（）：刘同宦，郭炜，詹磊 支流入汇区域时均流速分布特征试验研究 水科学进展，（）：，（）：，：王义安 汇流口河段干流对支流航道的影响研究 水道港口，（）：郝媛媛，普晓刚，李君涛 长沙枢纽船闸下游口门区出口支流入汇段通航条件研究 水道港口，（）：年 月张汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响 ，（）：?，：王鑫，江涛，杨燕华，等大藤峡坝下两江汇流口段航道整治试验研究 水道港口，（）：，（）：重庆交通大学长江上游九龙坡至朝天门河段航道建设工程工可阶段物理模型和数学模型试验研究报告 重庆：重庆交通大，许旭，付旭辉，徐威震 长江嘉陵江汇流特性统计分析 人民长江，（）：，（）：张景瑞，季小梅，张蔚，等三峡工程对长江下游感潮河段极值水位的影响 水道港口，（）：，（）：谢龙三峡变动回水区末端段复合水动力条件分析及对泥沙输移的影响 重庆：重庆交通大学，王兴奎，陈稚聪，张仁 长江寸滩站卵石推移质的运动规律 水利学报，（）：（，）：，：；