金 辉，陈健强，冯小香，普晓刚

(1.交通运输部 a.天津水运工程科学研究所;b.工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.湖南省航务管理局，长沙 410200)

湘江营田滩河段2 000 t级航道整治工程效果数值模拟

金 辉1a,1b，陈健强2，冯小香1a,1b，普晓刚1a,1b

(1.交通运输部 a.天津水运工程科学研究所;b.工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.湖南省航务管理局，长沙 410200)

营田滩位于湘江濠河口至城陵矶河段，为洞庭湖区洪道，具有典型的河湖两相性，浅滩演变规律复杂。近年来本滩段的采砂活动日益增多，对河床的边界破坏很大，通航水流条件受到影响。在湘江2 000 t级航道建设一期工程中，需采取相应的整治措施，以提升航道等级，满足规划要求。针对营田滩河段的具体碍航特性，提出了相应的整治措施，采用平面二维水流数学模型，对整治效果进行了分析论证。结果表明：设计方案满足航道整治规划要求，右汊方案中洪水期航道水流条件不受上、下挖口入汇水流的影响，又有利于地方经济发展，建议右汊方案作为整治工程的推荐方案。

营田滩；航道整治；河湖两相；采砂；二维数学模型

湘江又称湘水，发源于广西临桂县海洋坪的龙门界，流经广西兴安、全州，于湖南省东安县下江圩进入湖南。沿途经永州、冷水滩、衡阳、株洲、湘潭、长沙至湘阴的濠河口注入洞庭湖，与资、沅、澧水及长江三口来流相汇，沿洞庭湖湘江洪道经岳阳至城陵矶入长江。营田滩位于濠河口至城陵矶河段，是一个河湖交汇处的汊道浅滩。在湘江千吨级航道整治工程中，将右汊开辟为主航道。但原整治工程洲头顺坝未沿洲脊线布置，且受目前河道挖沙影响，顺坝上的丁坝破损严重，局部河床下切严重，河中也出现了零乱的卵石堆，通航水流条件受到影响。在湘江2 000 t级航道建设一期工程中，需采取相应的整治措施，以提升航道等级，满足规划要求。本研究根据实测资料分析了营田滩的河床演变规律和碍航特征，采用平面二维水流数学模型对航道整治方案进行了模拟研究[1-3]。

图1 营田滩地理位置及滩洲分布示意图Fig.1 Geographical location and marshland distribution of Yingtiantan

1 河段特征分析

1.1 河段水文特性

营田滩位于濠河口至城陵矶河段，该河段为洞庭湖区洪道，具有洪水成湖、枯水成河的特性(见图1)。湘江在此河段径流从1—6月份逐月递增，期间来水量占全年来水量的61.2%。6—12月份来水递减。自然条件下本河段洪枯水位变化较大，变幅达11.6～19.3 m； 7—9月份受洞庭湖洪水顶托，水位有所抬高。洞庭湖水位越高，顶托的影响就越大，这种影响在湘江下游流量较小时，非常明显，随着湘江下游流量的加大，洞庭湖顶托影响逐渐减弱。

1.2 浅滩特性分析

湘江洪道东、西2支流在芦林潭汇合后，下行4 km至虞公庙再度分汊，右汊经营田镇至推山咀与左汊汇合，左汊中部有上挖口、尾部有下挖口与荷叶湖相通，洪水期南洞庭湖有部分水流由上、下挖口汇入湘江洪道。左汊较顺直，枯水时左汊河面宽约300～450 m，上挖口以上较窄，以下较宽；右汊向右弯曲，其枯水水面宽300～430 m，进口和中间较宽，出口段较窄。江心新洲长约3 000 m，最宽处宽约600 m，洲顶高程在28～28.5 m(1985国家高程基准)(见图1)。营田滩河段具有典型的河湖两相性，水位受洞庭湖顶托，同时又有南洞庭湖水汇入，加上本滩枯水期为分汊河段，浅滩的演变规律复杂。

1.2.1 水面纵比降的变化

枯水期，本河段水位不受顶托或受到洞庭湖轻微顶托，水面比降大，一般都大于0.024‰；湘江汛期，水位受到一般顶托，水面比降由大变小；长江汛期，洞庭湖区水位普遍抬高，从7—10月份本河段水位受到严重顶托，水面比降小；11—12月份，长江及洞庭湖区水位下降，顶托减弱，滩段水面比降由小变大。水面比降洪水期小枯水期大，营田滩呈现明显的洪淤枯冲规律。

1.2.2 汊道分流比

据历年实测资料，汊道的分流比与上挖口出水量的大小有着非常密切的关系。枯水期，湖区顶托作用很小，上挖口出水量较小时，左汊流量略大于右汊，但右汊的分流比仍占44.5%～49.7%。当水位继续升高时，上挖口来水增加，顶托作用逐渐加大，左汊流量逐渐减少，右汊分流比占到60%以上。

近年来，采砂船舶在营田滩河段大量开挖，造成河床凹凸不平，深者达10 m左右，浅者露出枯水面1 m，引起汊道河床剧烈变化，改变了本滩左右2汊中、枯水分流比。1983年前，营田滩右汊进口河床高出左汊进口1 m以上；1994年右汊进口比左汊低2.0 m以上，而且右汊上段河床普遍低于左汊；2008年左汊进口至上挖口段河床比右汊低3 m左右。1983年2汊分流比基本相当，而1994年右汊分流比占到61%，2008年以来右汊分流比又逐渐减少。

1.2.3 深泓线变化

根据1987，2008，2010年测图资料分析(图2)，平面形态上，1988年分汊河段上游深槽位于河道中间。左汊上挖口以上河段深泓线位于河道中间且较为顺直，上挖口以下河段深泓线弯曲呈“S”型。右汊深泓线顺应河势，呈微弯弧形，基本位于右汊河道中间。除左汊上挖口附近河段深泓线纵断面起伏变化较大，其余左、右汊河段河床比降平缓，深槽高程大都在16～17 m之间。

图2 营田滩深泓线平面变化及高程变化Fig.2 Variations of plane and elevation of the thalweg of Yingtiantan

1987—2008年，由于人为采砂影响，分汊河道上游深槽向河道右侧偏移。左汊受人为因素影响较小，深泓线走向基本没变化，上挖口以上河段深泓线略向右侧偏移，上挖口附近深槽向左岸移动，最大偏移量在160 m左右。右汊深泓线受人为采砂及整治工程影响有较大的摆动，进口段深泓线向右移动约240 m，中部河段深泓线向左移动，最大偏移量约为160 m。右汊河床深槽普遍下切，局部下切深度可达13 m。

2008—2010年，2 a间该河段无序采砂的现象非常严重，年河道深泓线左右摇摆不定，平面状态呈锯齿状，左右2汊深泓线均向江心洲迫近，右侧明显大于左汊，最大偏移量约为210 m。河床形态发生急剧变化，河床严重下切，局部下切深度达到12.4 m。由于无序采砂现象非常严重，河床表面坑坑洼洼的，极不平整，河床断面形态呈锯齿状。

1.2.4 浅滩冲淤变化

根据1987，2008，2010年测图分析(图3)，营田滩洪水岸线基本稳定，江心洲以淤积为主，主河槽变形很大，受人为采砂影响以下降为主。尤其是营田滩洲头断面最为典型。1987—2008年该断面地形比较平缓，变化幅度较小，左汊冲淤均有，右汊以冲刷为主，平均变化幅度在1.0 m左右；2010年测图断面河床地形参差不齐，局部地形跟2008年地形比较下切幅度很大，左汊上挖口附近变化最大，河床整体下切，形成一个400 m宽、800 m长的深潭，河床极不平整，高程从1.3 m到18.2 m，变化幅度达17 m，主要是由采砂导致。

图3 营田滩典型断面变化Fig.3 Variations of typical sections of Yingtiantan

1.2.5 整治沿革及目前碍航特征

从本滩的整治过程看，人工采砂对本滩的治理方向及整治措施的确定有着至关重要的影响。历史上左汊为主航道，有营田、上挖口及白鹤滩3个浅滩。在1989年按千吨级标准进行整治时，选择了左汊作为通航汊道，取得了一定的整治效果。但20世纪90年代后，在本滩段的采砂活动日益增多，无休止的在汊道内采挖，对河床的边界破坏很大，已大大超过了自然演变所能达到的程度，并严重影响了左汊航槽的稳定，致使对该滩的整治方案重新作了调整，通航汊道由左汊改右汊，既避开了上、下挖口的不良影响，又有利营田镇建设和地方经济的发展。

从目前情况看，整治基本上是成功的，只是洲头顺坝未沿洲脊线布置，偏于洲脊左侧，布置得不尽合理。河道采砂使得顺坝上的丁坝破损严重，右汊分流比又呈逐渐减少的态势，不利于航槽的稳定。枯水期，因局部河段出现较大采沙坑，局部水面比降较大，通航水流条件受到影响。在湘江2 000 t级航道建设一期工程中，需采取相应的整治措施，以提升航道等级，满足规划要求。

2 平面二维水流数学模型

2.1 基本控制方程

研究采用的模型为正交曲线二维水流动力运动数学模型，此模型在内河工程建设水流动力条件研究中已得到了广泛应用[4-8]。模型水平坐标为(ξ，η)网格。

水流运动方程为

(1)

水流平面动量方程为

(2)

(3)

式中：u和v分别是ξ和η方向水深平均流速分量(m/s)；f是柯氏力；Fξ和Fη分别是ξ和η方向的应力梯度；Pξ和Pη分别是ξ和η方向的压力梯度；Mξ和Mη分别是源(汇)在ξ和η方向的动量分量；Uv是垂向黏性系数；Q是源(汇)项；Cξ和Cη分别是坐标转换系数。

2.2 边界条件的处理

模型初始条件采用赋值水位方法，赋初值水位为计算起始水位平均值，对应初始速度场为u=v=0。模型上边界、上挖口及下挖口按流量控制，下边界按水位控制。

3 模型验证计算

3.1 计算区域及正交曲线网格

模型计算范围全长约7.7 km(图4)，共布置481×361个网格，为正交网格。网格纵向长度10～23 m，平均16 m，横向长度2～10 m，平均5 m。

图4 计算区域网格示意图Fig.4 Grids of computation domain

3.2 模型验证结果

根据研究河段2008年3月测图及同期实测水位、断面流速分布资料和2010年11月测图及同期实测水位、断面流速分布2组水文资料，对水流模型进行了验证，模型上挖口、下挖口流量均按实测流量给出。验证结果如下：①水文资料水位的计算值与实测值吻合较好(见表1、图5)；②断面流速分布基本一致，沿程各断面流速计算值与实测值误差在5%以内(见图6)，模型计算精度可以满足规范要求；③2008年3月实测营田滩左汊、右汊分流比分别为47%，53%，模型计算值为49.8%，50.2%；2012年11月实测左汊、右汊分流比分别为58%，42%，模型计算值为59.9%，40.1%。模型计算2汊分流比情况结果合理。

表1 水位验证成果Table 1 Result of water level validation m

图5 水位验证结果比较(2008年流量1 574 m3/s)Fig.5 Comparison of water level validation results (discharge 1 574 m3/s in 2008)

图6 测流断面垂线平均流速分布验证(2008年流量1 574 m3/s)Fig.6 Verification of the average vertical velocity distribution of measured sections (discharge 1 574 m3/s in 2008)

验证结果表明，计算的水面线、典型断面流速分布以及左右汊分流比都与实测资料符合良好，表明所采用的数学模型和计算方法能够准确反映河段的水流运动特性，可进行工程方案的试验研究。

4 航道整治方案论证

4.1 整治原则

根据河床演变分析，确定该河段整治原则为：

(1) 因地制宜，疏浚与筑坝相结合，固滩束流，归顺枯水流路，改善航道条件。营田滩河段为洞庭湖区洪道，具有洪水成湖，枯水成河的特性。河流坡降小，水量充沛，采用对浅段进行疏浚并根据需要辅以必要的整治建筑物，利用湘江水量充沛的优势，充分发挥整治建筑物的作用，达到冲刷和稳定航槽的目的。

(2) 以中枯水整治为主，利于行洪。本段航道整治工程的内容主要包括筑坝、疏浚，整治建筑物尽可能不要做得太高，只起控制枯水河槽的作用，以免壅高洪水位。

4.2 整治标准及相关参数

按Ⅱ级航道标准，航道设计尺度为水深3.0 m、航宽90 m、弯曲半径不小于550 m，通航保证率为98%。航道设计流量为800 m3/s，整治流量为1 200 m3/s。

4.3 航道整治方案

营田滩河段整治方案分为单独整治右汊和单独整治左汊2种方案。右汊方案：以右汊为通航汊道，整治线宽度340 m，尾部收窄至320 m，整治超高为1.8 m。沿洲脊线布置1座顺坝，顺坝上筑3座丁坝，构成梳齿坝，维修洲尾顺坝，拆除洲头老顺坝，并对浅段进行疏浚(见图7(a))。左汊方案：选择左汊为通航汊道，右汊进口右岸作3座丁坝，维修白鹤滩的老坝及洲尾顺坝，并对浅段进行疏浚(见图7(b))。

图7 右汊、左汊方案工程布置Fig.7 Layout of projects on the left branch and right branch

4.4 整治效果计算与分析

方案论证计算数学模型上挖口、下挖口按无流量汇入或汇出处理。表2给出了设计流量和整治流量下工程前后航槽最小水深、最大比降、航槽平均流速以及整治汊分流比变化情况。

(1) 设计流量800 m3/s下，整治工程前，左、右汊部分航槽水深小于3.0 m；整治工程实施后，航槽水深均能满足3.0 m要求。整治流量1 200 m3/s下，整治工程左、右汊有局部航槽水深小于3.0 m；整治工程实施后航槽水深均能满足3.0 m要求。

(2) 设计流量800 m3/s和整治流量1 200 m3/s下工程前后航槽内平均比降及最大比降较工程前均有所减小。

(3) 设计流量800 m3/s和整治流量1 200 m3/s下，整治工程实施后，除局部挖槽河段平均流速稍有减小外，河段航槽平均流速整体呈增加趋势，整治工程实施后有利于航槽稳定。

(4) 工程实施后，整治汊分流比均有所增加，其中设计流量下右汊方案整治汊分流比增加24.10%，左汊方案整治汊分流比增加7.48%；整治流量下右汊方案整治汊分流比增加5.94%，左汊方案整治汊分流比增加4.89%。

表2 设计流量、整治流量下工程前后进口水位、比降、航槽平均流速及分流比变化Table 2 Variations of water level, surface slope andaverage flow velocity and split ratio respectively inthe presence of design discharge and regulationdischarge before and after the regulation works

综上所述，在设计流量和整治流量下，2方案工程实施后航槽内水深均满足设计要求；航槽平均流速均有所增加，有利于航道稳定；整治汊分流比均有所增加，其中右汊方案枯水期分流比增加幅度大于左汊方案，更有利于航道稳定。右汊方案中洪水期航道水流条件不受上、下挖口入汇水流的影响。经综合对比分析，建议右汊方案作为整治工程的推荐方案。

5 结 语

(1) 营田滩具有典型的河湖两相性，水位受洞庭湖顶托，同时又有南洞庭湖水汇入，加上本滩枯水期为分汊河段，浅滩的演变规律复杂，具有明显的洪淤枯冲的规律。近年来河床主要受人为采砂影响以下切为主，采砂船乱采乱挖导致河床破坏很大，是引起本滩河床剧烈变化的重要原因。加强采砂管理，维持营田滩左右汊分流比的稳定是解决营田滩碍航的关键。

(2) 根据计算河段的河床形态特点，建立了适用于河道特征的曲线坐标系下的平面二维水流数学模型。用营田滩河段实测水文资料对数学模型进行了验证，结果表明，本文所采用的数学模型和计算方法能够准确反映本河段水流运动特性。

(3) 根据河段的河床演变特点及碍航特点，采取疏浚与筑坝相结合的整治原则，提出了右汊方案和左汊方案两组整治方案，并对整治效果进行了计算论证。设计流量和整治流量下，工程实施后，2方案航槽内水深均满足设计要求，航槽平均流速、整治汊分流比均有所增加，利于航道稳定。右汊方案中洪水期航道水流条件不受上、下挖口入汇水流的影响，又有利于地方经济发展，建议右汊方案作为整治工程的推荐方案。

[1] 金 辉,李君涛.湘江营田滩河段2 000吨级航道整治方案数学模型研究报告[R].天津：天津水运工程科学研究所,2011. (JIN Hui, LI Jun-tao. Report on the Numerical Simulation on Effectiveness of 2000t Channel Regulation Project of Yingtiantan Segment of Xiangjiang River[R]. Tianjin: Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering, 2011. (in Chinese))

[2] 颜家训. 湘江营田滩汊道特征和航道整治方法[J].湖南交通科技,1996,22(3):63-66. (YAN Jia-xun. Characteristic of Branch and Method of Channel Regulation of Yingtiantan of the Xiangjiang River[J]. Hunan Communication Science and Technology, 1996,22(3):63-66.(in Chinese))

[3] 陈 进,黄 薇. 湘江近年枯季低水位的原因及解决对策[J].长江科学院院报,2010,27(10):1-4. (CHEN Jin, HUANG Wei. Reasons of Low Water Level Occurrence in Xiangjiang River in Recent Years and Relief Measures [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010,27(10):1-4. (in Chinese))

[4] 刘万利,李一兵，崔喜凤,等. 安康枢纽回水变动区航道整治数学模型研究[J].水道港口,2007,28(3):173-177. (LIU Wan-li, LI Yi-bing, CUI Xi-feng,etal. Study on Mathematic Modeling of Channel Regulation in Fluctuating Backwater Zone of Ankang Hydro-junction[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2007, 28(3): 173-177. (in Chinese))

[5] 陆永军,王兆印,左利钦，等.长江中游瓦口子至马家咀河段二维水沙数学模型[J].水科学进展,2006,17(2):227-234. (LU Yong-jun, WANG Zhao-yin, ZUO Li-qin,etal. 2D Mathematical Model for Water-sediment between Wakouzi-Majiazui Reach in the Middle Reaches of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2006,17(2): 227-234. (in Chinese))

[6] 刘 臣,平克军,岳翠萍.那吉至鱼梁河段航道整治[J].水道港口,2008,29(3):193-198. (LIU Chen, PING Ke-jun, YUE Cui-ping. Study on Channel Regulation for the Reach from Naji to Yuliang[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2008,29(3):193-198. (in Chinese))

[7] 张明进,张华庆,刘万利，等.长江中游戴家洲河段航道整治工程数值模拟研究[J].水道港口,2006,27(1):23-26. (ZHANG Ming-jin, ZHANG Hua-qing, LIU Wan-li,etal. Numerical Study on Navigation Regulation Engineering of Daijiazhou Section in the Middle Reaches of the Yangtze River[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2006, 27(1): 23-26. (in Chinese))

[8] 张 丽.弯道水流二维数值模拟及岸线整治的水动力分析研究方法[J].水道港口,2012,33(2):136-141. (ZHANG Li. 2-D Numerical Simulation of Bend Flow and Research of Hydrodynamic Method on Renovating Bank[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2012, 33(2): 136-141. (in Chinese))

(编辑：姜小兰)

Numerical Simulation on the Effectiveness of Regulation Project for2000t Navigation Channel of Yingtiantan Segment of Xiangjiang River

JIN Hui1，2, CHEN Jian-qiang3, FENG Xiao-xiang1，2, PU Xiao-gang1,2

(1.Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering,M.O.T.,Tianjin 300456, China;2.Key Laboratory of Engineering Sediment,M.O.T.,Tianjin 300456, China;3.Hunan Provincial Navigation Administration Bureau, Changsha 410200, China)

Yingtiantan is located at the segment between Haohekou and Chenglingji. It is a flood channel of Dongting Lake and has typical characteristics of rivers and lakes with complex shoal evolution. In recent years, riverbed has been damaged seriously by activities of sand excavation. Regulation actions are proposed in order to improve the channel level in the first-stage of Xiangjiang 2000t channel construction project. The effect of the proposed regulation actions are analysed by using 2-D mathematical flow model and the results indicated that the proposed two design schemes could both meet the design requirements. The right branch scheme is recommended because the flow condition in the channel is not affected by the confluence of the upper and lower stream opening. It could also contribute to local economic development.

Yingtiantan; channel regulation; river and lake; sand excavation; 2-D mathematical model

2013-10-10；

2013-12-05

交通运输部科技项目(20113280001570)

金 辉(1983-)，男，河南开封人，助理研究员，硕士,主要从事水力学及河流动力学的研究，(电话)18622519036(电子信箱)304476750@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.002

TV85

A

1001-5485(2015)02-0005-06

2015,32(02):5-10