张慧1，黎礼刚1 ，沈华中2
（1长江科学院河流研究所，湖北 武汉 430010；2.长江委江务局）
摘要：丹江口大坝加高和南水北调中线工程实施后，汉江兴隆以下河段水量将减小，对水环境产生不利影响。为改善该河段及东荆河段的航运、生态及沿线城镇供水及农业灌溉用水条件，促进汉江下游生态环境的合理保护和健康发展，规划兴建从长江荆江河段引水至汉江兴隆以下河段的引江济汉水环境补偿工程，并将其作为南水北调中线工程汉江中下游四项治理工程之一。该工程取水口拟建于三峡水库坝下游上荆江龙洲垸河段沮漳河口下3.34km处。本文通过整体和局部河工模型试验，重点研究了三峡工程蓄水投运后取水口河段河道演变对引水的影响和引水工程布置对该河段河势、水位、流速流态等变化的影响，引水渠进水闸消能、沉沙池沉沙和沉螺池阻螺效果等内容，其研究成果可供工程设计单位采用或参考。
关键词：水环境补偿； 取水口；模型试验；河势；布置
1、概述
引江济汉水环境补偿工程是一条引长江水到汉江的特大型干渠，是南水北调中线工程汉江中下游四项治理工程之一，该工程从长江荆江河段引水至汉江兴隆以下河段，渠道设计引水流量350m3/s，设计最大引水流量500m3/s，工程主要任务是减免中线工程调水后汉江兴隆以下河段水量减小的不利影响，改善该河段的水环境和东荆河沿线的城镇供水及农业灌溉用水条件。
补偿工程取水口河段上起长江中游上荆江火箭洲进口（荆25），下迄新三八滩出口（荆46），长约40余km，由弯曲分汊的涴市河段和沙市河段组成。取水口渠首布置于南向的涴市河弯和北向的沙市河弯之间的顺直过渡段左岸，上距沮漳河口约3.3km，其引水渠进口段全长约4.0km。本文通过整体和局部河工模型试验，重点研究三峡工程蓄水投运后取水口河段河道演变对引水的影响和引水工程布置对该河段河势、水位、流速流态等变化的影响，引水渠进水闸消能、沉沙池沉沙和沉螺池阻螺效果等内容。
2、河工模型设计
整体河工模型分定床模型和动床模型。根据试验研究任务及该河段的水沙条件，考虑到引水方案对上下游水文条件及河势可能带来的最大影响范围，确定定床模型模拟范围上起火箭洲进口(荆25)，下至杨二月矶(荆47)，长约45km；动床模型模拟范围上起火箭洲尾，下至三八滩汇流口，其中有效测量范围为马羊洲进口（断面CS320）及三八滩尾部（断面CS436），长约26km。如图1所示。
引水渠局部河工模型包括清水模型和浑水模型，模型试验范围均为长江进口至进口段末端附近，由闸前引水渠、进水闸、沉沙池及灭螺池、提水泵站、泵站节制闸及其上下游渠道、荆江大堤防洪闸等组成，长约3.1km。如图2所示。
定床模型的设计相似条件主要包括几何相似、水流运动相似，动床模型还包括泥沙运动相似，模型比尺见表1。
3、试验条件及模型验证
3.1试验水沙条件
(1)整体河工模型
定床模型试验在上荆江安全流量、沙市河段造床流量、最高通航流量、最低通航流量等4种水文条件下进行，见表2。动床模型试验进出口控制条件采用宜昌至大通河段一维河床冲淤数学模型计算成果，即三峡工程蓄水运用20年（2003年-2022年）的坝下游宜昌至大通河段长距离计算成果，试验水位、流量、沙量及太平口分流等水沙条件均根据上述数模成果概化得到。由于系列年中第1年仅半年水沙条件，因此数模计算第2年为模型第1年，实际试验过程为19年。
（2）局部河工模型
引水渠清水模型试验在设计最大引水流量、设计引水流量和最高引水位（消能设计控制工况）等3种水文条件下进行，见表3。根据实测和计算分析，三峡水库蓄水后第1年(即2003年)和第50年的年平均含沙量为最大和次大，对工程的淤积影响较大，根据试验目的，引水渠浑水模型试验采用三峡水库蓄水后第1年(即2003年)和第50年的典型系列年的水位与含沙量实测值或计算值，流量采用设计水平年月旬流量进行概化。
3.2模型验证
整体定床模型水面线、流速及分流比验证采用2003年水文实测资料。整体动床模型验证初始地形采用2002年10月天然实测1/10000水道地形图制作，终结地形选用2004年8月实测地形，在模型中施放2002年10月至2004年8月的天然水沙过程，以复演2004年8月实测地形。局部河工模型进行设计最大引水流量500m3/s、设计引水流量350m3/s和提水引水流量430m3/s三级流量的水面线验证试验。
模型验证试验表明，整体定床模型与原型在水面线、流速分布及三八滩南北两汊分流比等方面基本相似；整体动床验证河段观测中，泥沙滩槽冲淤性质，纵、横向分布模型与原型基本一致；局部模型与原型在水面线方面基本相似。模型验证成果符合《河工模型试验规程》（SL99-95）要求。
4试验成果
4.1整体定床模型
（1）工程前后水位变化
引水角度分别为300、500、600的试验表明，引水角度对水位的影响规律不明显。但长江流量和引水流量的大小对水位降低值的影响比较有规律且较为明显，一般情况下，取水口附近水位降低较为明显，而远离取水口水位受到的影响相对要小。其中长江流量Q=5500m3/s时，引水对水位变化的影响最大，引水流量Q=500m3/s，荆28至二郎矶范围河段内的水位下降达0.15～0.38m；引水流量Q=150m3/s，荆28至二郎矶范围河段内的水位下降为0.05～0.17m。详见表4。
（2）工程前后流速变化
当Q=5500m3/s时，取水对流向的影响5～7#断面较为明显，取水口附近的6#影响最大，且引水量趆大，对流向影响愈大；离口门趆近，对流向影响趆大。6#近岸28m（起点距120m）引水500m3/s时，流向左偏54度，至近岸268～328m处引水对流向影响基本消失，3#和8#断面引水对流向的影响在9度以内。
取水对流速的影响，5～8#断面较为明显，取水口以上流速增加，取水口以下流速减小，且左半江影响较右半江大。6#近岸28m处流速在引水分别为150m3/s、3003/s和500m3/s时，分别增大0.19m/s、0.44m/s、和0.75m/s，至近岸268～328m以外流速变化不明显。3#当引水量为500m3/s时，左半江流速有所增大，增大幅度为0.02m/s～0.2m/s。8#断面流速减小0.03m/s～0.28m/s。
长江流量Q=27000m3/s和40800m3/s时，引水500m3/s的流速分析表明，除取水口附近6#断面近岸流速和流向有明显影响处，对其它断面影响均不明显。
（3）三八滩分流比变化
10#断面引水前后分流比表明，引水前和引水150m3/s、3003/s和500m3/s时，左汊分流比分别为26.3%、25.5%，25.7%和26.2%，基本在测量误差范围内。因此，引水对三八滩分流比基本无影响。
4.2整体动床模型
（1）地形试验
动床研究表明，取水口河段第11年末冲刷至最大值，全河段冲刷4600万m3，至14年末有所回淤，马羊洲、太平口、三八滩等3个河段冲刷基本时序一致。至11年末，马羊洲河段平均冲深1.05m，太平口河段平均冲深1.69m，三八滩平均冲深0.72m，河段宽深比变小。
从河势上看，主要变化是在太平口水道，原双槽且右槽为主槽的格局逐步向双槽左槽为主槽的格局转变，5～11年末心滩由于河段大幅冲刷而导致高程降低和面积缩小，至14年末则随河道回淤心滩淤高、面积扩大，河段宽深比变大。三八滩河段，三八滩面积缩小，由于太平口水道至三八滩右汊一线形成间断的深槽群，三八滩左汊萎缩，右汊发展。马羊洲河段总体河势变化不大，右汊为主的格局末发生任何变化。
（2）含沙量试验
枯水时太平口南北槽起始主输沙带在北槽，在河道冲刷过程中（至第11年），主输沙带逐步移至南槽，而在河槽淤积过程中（11年至19年）主输沙带回至北槽；中、洪水期北槽总体含沙量相对减小。三八滩南北汊含沙量变化规律不明显。详见表5。
4.3局部清水模型
（1）进水闸流态
进水闸闸室上游水面平静，进流平顺，仅在消能工况下，由于侧收缩的影响，在两边孔前有漏斗状旋涡形成。各工况下，闸室内水流平稳。
流量、外江水位及闸门开启方式不同，对应的闸下游流态有所不同。在设计最大引水流量和设计引水流量工况下，闸孔敞泄时，闸下为淹没出流，消力池内无水跃形成。在消能工况下，闸门开启8孔(全开)和中间6孔时，有水跃形成，水跃跃头位于闸室内；闸门开启中间4孔时，在消力池斜坡上形成较稳定的水跃，水跃与尾水衔接较好，下游沉沙池进口段左岸有局部回流；闸门开启中间2孔时，产生远驱水跃，水跃跃首位于尾坎下游（0+600），下游沉沙池进口段附近右岸有较大范围的回流。
（2）进水闸流速
从流速分布看，临近闸室上游断面(桩号0+190)的流速大于远离闸室断面（桩号0+000)的流速；从垂线平均流速来看，右岸大于左岸，主流偏右，表面流速大于底部流速。消能工况时，垂线平均流速最大值为0.36～0.37m/s；设计最大引水流量和设计引水流量)工况时，垂线平均流速最大值分别为0.63～0.68m/s，底部最大流速值为0.59～0.64m/s。
闸室下游流速分布与流量、外江水位、闸门运行方式关系密切，试验资料表明，消能工况时消力池后防冲护坦末端流速仍较大。当闸门开2、4、6、8孔时，垂线平均流速最大值分别为5.03m/s、2.98m/s、2.02 m/s和1.78m/s。在设计最大引水流量和设计引水流量工况下，防冲护坦末端流速减小，垂线平均流速最大值分别为0.97m/s、0.71m/s。
4.4局部浑水模型
（1）沉沙试验
挟沙水流进入引水渠沉沙池后，较粗颗粒泥沙首先在沉沙池入口附近沉积，较细颗粒泥沙在沉沙池中部和尾部落淤，极细颗粒的泥沙因不受水流挟沙力的限制而随水流溢出沉沙池之外；1+100断面以上类似于三角洲淤积形态，其淤积量较大，粒径粗，以下淤积量少且粒径细，淤沙中径沿程变化不大，且随着时间的推移，三角洲淤积顶点将不断向沉沙池尾部推进。
引水渠沉沙池有一定的沉沙效果，在各级流量情况下，入口含沙量愈大，含沙量沿程衰减愈甚，特别是在桩号1+100断面以上，含沙量沿程衰减较快；以下含沙量沿程变化较缓。第1级流量时，出口断面的含沙量为入池断面的39.93%；第6级流量时，出口断面的含沙量为入池断面的62.67%；第9级流量时，出口断面的含沙量为入池断面的89.86%，但受淤积的影响，后级流量比前级流量的沉沙效率降低。
试验表明，沉沙池在运行过程中，随着时间的推移，沉沙效率降低，淤积较为明显。
（2）沉螺试验
采用设计方案，设计引水流量工况时，沉螺池垂线平均流速小于0.12m/s，满足沉螺的要求；当浑水模型流量达455m3/s和清水模型设计最大引水流量（500m3/s）时，断面垂线平均流速大部分大于0.2m/s，难以满足沉螺的要求。
5 结论
（1）三峡工程建成后，马羊洲河段总体河势变化不大，太平口水道原双槽且右槽为主槽的格局逐步向双槽左槽为主槽的格局转变，三八滩河段三八滩面积缩小，三八滩左汊萎缩，右汊发展，工程河段的河势有利于取水口工程布置。
（2）取水口引水角度对水位的影响规律不明显，长江流量和引水流量的大小对水位降低值的影响比较有规律且较为明显，引水带来的可能最大水位下降值在取水口附近，为0.38m。引水量愈大，对流向影响愈大；离口门愈近，对流向影响愈大；引水使取水口以上流速增加，取水口以下流速减小，且左半江影响较右半江大。引水对三八滩分流比基本无影响。因引水后引起取水口上游河道近岸流速增加和取水口附近流向偏离较大，建议加强太平口水道取水口以上左岸至沮漳河的防护。
（3）引水渠进水闸按设计最大引水流量、设计引水流量敞泄时，闸下为淹没出流；按消能工况局部开启2孔时，产生远驱水跃，消能效果不理想，且护坦末端流速大，冲刷较严重，故运行时应避免局部开启。
（4）引水渠沉沙池有一定的沉沙效果，在各级流量情况下，入口含沙量愈大，含沙量沿程衰减愈大，特别是在桩号1+100断面以上，含沙量沿程衰减较快。沉沙池在运行过程中，随着时间的推移，沉沙效率降低，淤积较为明显，建议采取适当措施，以提高沉沙效果。
（5）设计引水流量工况时，引水渠沉螺池满足沉螺的要求；当流量达455m3/s以上时，难以满足沉螺要求，建议采用集螺沟、浮坝等辅助设施有效阻止钉螺的扩散。
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作者简介：张慧（1971-），女，硕士，工程师，湖北蕲春人，长江科学院河流研究所工作，主要从事河流动力学与治河工程研究。
作者电子信箱：zhangh314@126.com。联系电话：027-84238177-805。
