富春江东洲北支河道整治影响试验研究

2020-03-05王瑞锋李志永杨元平陈韬霄

浙江水利科技 2020年1期

王瑞锋，吴辉，李志永，杨元平，陈韬霄，孙超

（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310020）

分汊河道是山区和冲积平原河流中常见的一种河型，如长江自城陵矶至江阴有41个分汊河段，富春江自电站以下有桐洲、新沙、东洲、长安沙等多个分汊河段。分汊河段主、副汊比降、过水断面积、糙率、流速以及附近工程等对汊道分流比均会产生影响，各汊道多处于兴衰交替的发展过程中[1]。

富春江下游的东洲、长安沙河段为微弯型分汊河段，长安沙位于东洲岛洲尾下游近区约1.0 km处，也为南、北两汊组成的分汊河段。长安沙下游约2.5 km处为三江（钱塘江、富春江、浦阳江）交汇的闻堰弯道。1976年为便于交通和养殖，东洲岛北支实施了截流堵坝工程，坝顶高程约10.10 m，封堵后洪水期北支基本断流，由于过水断面减少，洪水流量1.0万～ 1.4万m3/s时，富阳洪水位抬高0.20 ～ 0.40 m[2]。随着富阳经济社会的快速发展及行洪需求等，富阳区提出包含拆除堵坝和北支疏浚的综合整治方案。

分汊河段水流运动的基本特征是具有分流区和汇流区，在汇流区2股水流的相互冲击、摩擦和挤压作用下，水流结构复杂，并形成包含一系列漩涡的低流速区[3]。北支打通以后，由于对洪水的分流作用增加，南支动力减弱，势必对下游河段的水动力分布产生一定的调整。考虑到河段水动力结构的复杂性和下游河段的敏感性，通过模型试验来研究北支参与行洪后，上游汊道分流比变化后对下游江道的水动力和河势影响，从而为东洲北支综合整治工程的开展提供一定的技术支撑。河段形势见图1。

图1 河段形势图

1 工程概况

1.1 江道

富春江全长102.0 km，在平面形态上为微弯型、分汊型交替的河道，其中富春江大坝至闻家堰长约77.0 km，自鹳山断面河道突然放宽后，流域带来的粗颗粒泥沙和海域来沙沉积形成沙洲，逐渐发育成分汊河型，沙洲变化频繁。1960年新安江建库后，流域来沙减少，分汊河势渐趋稳定。

河段最大的沙洲是富阳下游的东洲岛，长10.0 km，最宽处3.5 km，面积约24 km2，东洲北支，全长约12.5 km，河宽多在200 ～ 400 m。目前富春江干流主槽位于东洲南支，河宽400 ～ 700 m，灵桥附近断面平均高程约- 7.70 m。长安沙（又称“五丰岛”），长5.0 km，最宽处2.0 km，面积约6 km2，当前该河段主槽位于宽度大、河床高程相对较低的南汊。

1.2 径流

富春江动力条件以径流为主，芦茨埠站是流域代表性的水文站，控制面积占全流域63.3%。断面多年平均流量为982 m3/s，多年平均径流总量约304亿m3，实测最大洪峰流量29 000 m3/s（1955年）。富春江干流洪水一般由大范围和长历时降雨所致，分为梅雨和台风雨，每年的4 — 7月为梅雨期，8 — 9月为台风期，其中梅汛期暴雨历时较长，一般在 3 ～ 7 d，洪水历时长，洪量大，台风期洪水历时相对较短[4]。

1.3 整治方案

目前东洲北支上、下堵坝顶高程分别为10.10，9.30 m，综合整治拟对东洲北支进行上下堵坝拆除和切滩疏浚等。上、下堵坝分别拆至0.50，0.00 m高程，河段控制底宽不小于120 m的范围内疏浚至1.00 m底高程、切滩清淤总量约 276 万 m3。

2 模型及试验条件

2.1 物理模型

河段整体物理模型上边界布置在东洲岛下游段的南北两支，下边界布置在之江大桥（见图1），干流模拟河段长约20.0 km。采用2018年10月1:5 000实测水下地形进行制作。

模型平面比尺250，垂直比尺150，变率1.6，上游采用流量控制，下边界采用潮位控制，通过水泵向模型提供水流[5]。

2.2 试验条件

由于天然地形的影响，江心洲两汊的分流比随上游来水流量会相应发生变化，根据河段防洪标准，本次试验研究主要考虑100 a一遇洪水流量条件下的分流比情况。根据数学模型初步计算，100 a一遇洪水时现状堵坝的坝顶会过水溢流，现状条件和综合整治方案后北支分流比分别为3.4%、9.5%。综合整治方案实施后，在水流的持续有效作用下，东洲北支分流比可能会进一步增大。考虑到分流比改变对下游水动力和汊道演变影响的复杂性，有必要研究东洲北支分流比进一步增大对下游的影响。为此，模型试验时，增加一组将东洲北支分流比提高至整治后2倍左右的试验条件，以研究北支分流比对下游河道影响的敏感性，东洲北支分流比试验工况设计见表1。

物理模型上游边界流量和下游边界水位过程采用数模计算值，数模计算时富春江上游的富春江电站施放100 a一遇流量23 100 m3/s[4]，闻家堰水位9.27 m。对于分水江、渌渚江、浦阳江等支流的汇入，考虑干流与支流发生同频率洪水工况，支流合计流量约330 m3/s。

表1 东洲北支分流比试验工况设计表

3 河道整治影响研究

鉴于五丰岛与东洲岛距离仅1.0 km，洪水期两分汊河段的汇流区与分流区部分重叠交错，对于多汊道的复杂河段研究，采用流速流向测量、单汊断面式漂迹跟踪流态分析以及PIV表面流场测量多手段相结合的创新方法进行河道整治影响研究。

3.1 影响范围

东洲北支江水流出东洲岛后，在五丰南北两汊至闻堰的水位变化均在1 cm之内，这主要是由于北支江分流比增大时，总过流量不变，分流比即使增大到20.0%，对水位的影响仍集中在东洲岛近区。

图2 流场分布图

采用表面流场测量与分析系统（基于粒子图像测速法原理），流场分布见图2，现状情况下东洲北支出口附近水动力较弱，主流出南支后，在五丰岛上游岛头附近分流至南北两汊，主流亦在南汊。北支分流比增大至9.5%以后，从水动力影响范围总体来看（以1.0%流速变化为判别指标），分流比9.5%和20.0%方案的影响范围分别为五丰岛中部和三江口水域，对下游的西江塘闻堰弯道段的流速影响在0.5%之内，基本无影响。因此拆坝整治后东洲北支分流比改变对下游江道的影响研究重点为东洲汇流区及五丰河段。

3.2 汇流区断面流速和流态变化

3.2.1 流速、流向

在东洲岛和五丰岛之间的汇流区域，对DM1断面上各点进行流向监测（见图3），现状条件下，断面DM1各点流向基本介于40° ～ 60°，随着东洲北支分流比的增大，北支增强的水流对南支有一定的挤压顶推作用，断面流向均为增大（顺时针旋转），其中北侧、南侧平均增大约21°，5°。汇流区流速（测点位置见图3）则表现为北侧变大、南侧变小的趋势（见图4），且变幅向下游递减。其中断面DM1，整治方案（分流比9.5%）和敏感试验（分流比20.0%），北侧流速平均增幅为0.6，1.5 m/s，南侧则有0.1，0.3 m/s的减幅。DM2北侧流速平均增幅为0.3，0.8 m/s，南侧则有0.1 m/s内的流速减幅（见图4）。

图3 流向变化图

图4 汇流区流速大小对比图

3.2.2 水流流态

通过跟踪表面浮子漂迹，对出东洲岛的南北支水流进行单独分解（见图5）。现状条件下，东洲北支浮子出东洲岛后在南支的挤压作用下，流迹线向左岸偏转明显，在五丰北汊进口段仅覆盖半江水域，其余则被来自南支的水流占据；整治方案后，南支主流进入五丰北汊的强度明显减小，且北支水体在经过中部混合带后有少量贴岛汇入五丰南汊，2支在该段的较量基本势均力敌；分流比增大至20.0%的敏感试验，五丰北汊的过境水体基本由东洲北支提供，南支的偏左水流已被全面压制。

图5 流迹线图

3.3 对五丰河段流速、分流比影响

3.3.1 沿程流速变化

五丰分汊河段沿程流速各方案对比见图6，从左岸8个监测点流速来看（测点编号见图2），汇流区流速有较大增幅，整治方案和敏感试验的增幅分别为0.4 ～ 0.6，0.5 ～ 1.2 m/s，其它各点流速增幅均在0.1 m/s之内。从右岸各监测点来看，除五丰进口段流速有0.1 ～ 0.2 m/s的增加以外，其余变幅均在0.1 m/s之内。