本文对周天河段的历史及近期河床演变规律分析、数学模型计算研究、三峡蓄水运用后来水来沙条件变化对航道影响分析和治理措施初步研究。
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 问题的提出及选题意义
根据河床形态及河道特征的不同，荆江河段以藕池口为界，分上、下荆江：上荆江长约 171.5km，为微弯分汊河段，由枝江、江口、太平口、瓦口子、马家咀、郝穴、周公堤、天星洲共 8 个水道组成，各水道以河段内洲滩变迁频繁为主要特征；下荆江长约 175.7km，属于蜿蜒型河段，由石首、沙滩子、调关、中洲子、监利、上车湾、荆江门、熊家洲、七弓岭、观音洲共 10 个弯曲段组成，素有“九曲回肠”之称，易发生自然裁弯、上下河段相互关联、河道摆动剧烈。其中，位于上荆江末端的周天河段，如图 1-2 所示，河段内不仅洲滩冲淤多变、主流摆动不定，而且上下水道相互作用、关系密切，使得周天河段即具有上荆江河段洲滩变化频繁的特征，又有下荆江河段上下关联性强的显著特点，河道演变十分复杂，历来是长江中游上的重点碍航河段之一，素有“瓶子口”之称。周天河段上连郝穴水道，下接藕池口水道，全长约 28km。该河段以胡汾沟为界自上而下分为周公堤水道和天星洲水道：周公堤水道平面形态为矶头下长直微弯放宽河型，河段受水道本身微弯、局部放宽及进口受郝穴矶头限制的三重特性影响，导致主流摆动剧烈，相应洲滩变化频繁，航道条件难以维护；天星洲水道平面形态属宽窄相间并在右侧有藕池河分流的喇叭型河道，河道左侧有新厂边滩，右侧有藕池口边滩、天星洲大型淤积体，由于淤积体物质组成十分松散、可动性大，在水流的作用下变动较大。而且，周公堤水道与天星洲水道相互作用频繁，当周公堤水道主流摆动幅度小、滩槽较稳定时，天星洲水道主流摆动不大、滩槽也较稳定；当周公堤水道主流摆动幅度大、滩槽变化较剧烈时，天星洲水道主流摆动较大、滩槽变动较频繁。同时，周公堤水道与天星洲水道相互关联的作用会对下荆江河段主流的摆动和洲滩的冲淤变化产生较大的影响，有可能造成下荆江各个弯段发生自上而下的联动效应，引起“一弯变、弯弯变”的后果。
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1.2 国内外研究现状综述
河道演变十分复杂，不同河流各具特色，彼此差别很大[1]。自古以来，人类对河道的演变进行了大量的探索和研究工作。战国时期地理著作《尚书 禹贡》与北魏郦道元《水经注》都对长江等河流的河道变迁、洲滩变化做了详细记述，这些认识往往比较零碎和肤浅[2,3]。随着对河道演变研究的深入，人们的认识和理解逐渐加深，河道演变研究方法也开始形成。对于河道演变研究方法归纳起来主要有实测资料分析、河工模型试验以及数学模型计算三种。早期河道演变研究集中于不同类型河流的河床演变、河床演变主要影响因素、河相关系、修建水工建筑物后河流发生的变化等问题[1]，在研究过程中重视第一手资料，研究手段以现场实测资料分析和理论探讨为主[4]，如：林承坤[5]（1985）依据同一级河型采用同一标准的方法确立了天然河型的分类，概括了各类河床的成因与演变规律；陈宝冲[6]（1987）根据河床的平面形态和稳定性对天然河床进行分类，并总结了各类河床的特点；李浩麟[7]（1992）等通过分析实测资料，研究了瓯江口外岛间拦门沙的演变机理，提出了针对的航道整治思路；刘中惠[8]（1995）在大量实测资料的基础上，通过分析上荆江主流与岸滩相互作用的机理、深泓纵向冲淤和护岸段河床冲淤的关联性，预测了上荆江河道的发展趋势；熊治平[9]（1999）等从水沙分配与水工建筑物作用的关系探讨了荆江关洲河段河道的演变特点以及三峡建库后本河段可能将发生的变化；李传发[10]（2000）等基于实测资料分析松花江依兰-佳木斯江段河道演变的原因和河床形态，得出了本河道的演变机理和发展趋势；等等。这些研究主要利用大量实测水文资料，结合河道的边界条件，运用泥沙运动和河床演变的基本理论对河床平面形态、水沙因素、横断面、纵剖面、深泓线、水动力轴线、比降等进行分析，研究河道的演变特点、主要影响因素以及发展趋势，结果定性合理、可靠，但理论概括和专门化的概化试验做得很不够，定量的分析计算做得也很少[11]。随着科技进步，量测手段得到改善，计算机水平也大为提高，到 20 世纪中期，河工模型试验快速发展：由定床模型试验发展到动床，模型比尺也由正态比尺发展到变态比尺，模型精度大大提高[12,13]。到目前为止，重要浅滩河段河床冲淤变化的研究几乎都要用到河工模型试验进行协助分析。由于物理模型占用试验场地大，消耗多，周期长等局限，又限制其发展。而数学模型具有投资省、不受试验条件限制、周期短等优点，在近几十年得到长足的发展，在对河道演变分析的研究中逐步转向以数学模型计算为主的定量研究[14-18]。目前，一维、二维数值模拟技术相对较成熟，在工程实践中得到广泛应用并达到了比较理想的效果，如：陆永军[19]（2001）等在北江下游航道整治工程中应用二维泥沙数学模型对比分析了学堂洲左、右槽工程方案的应用效果；张洪武[20]（2003）等依据水流运动方程和修正的泥沙运动方程，引入与实测资料相匹配的水流挟沙力等计算公式，构造出黄河下游河道二维水沙数学模型；谢作涛[21]（2008）等建立了葛洲坝下游宜昌-杨家脑河段二维水沙数学模型，并预估了本河段河床冲淤发展趋势；钟德钰[22]（2009）等引入局部动网格技术和网格融合技术以及适合游荡型河流的塌岸模式，开发出可模拟游荡性河流河床演变过程的二维水沙数学模型；等等。而三维模拟研究起步相对较晚，目前也能解决一些具体问题，主要在河流局部区段问题研究方面得到了一定的应用，应用效果较好，为工程初步设计、应用效果评估等提供了重要的技术支持[23-26]。总之，实测资料分析、河工模型试验与数学模型计算三大研究方法各有所长，既可以单独使用，也可以相互配合，相互验证。
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第二章 周天河段基本情况
2.1 河道概况
周天河段位于长江中游上荆江末端，上起郝穴，与郝穴水道相连，下至古长堤，与藕池口水道相接，全长约 28km。该河段以胡汾沟为界自上而下分为周公堤水道和天星洲水道，如图 2-1 所示。周公堤水道，长约 12km，平面形态为矶头下长直微弯放宽河型。河段进口受郝穴矶头控制，平滩水位时河宽仅约 750m，矶头以下逐渐放宽，至中段胡汾沟附近，河宽达 1800m 左右，河道最小弯曲半径 21km[38]。水道内自上而下分布有戚家台边滩、九华寺边滩、蛟子渊边滩等，河道平面形态一般是边滩、深槽交错。受水道本身微弯、局部放宽及进口受郝穴矶头限制的三重特性影响，本水道主流摆动频繁，相应洲滩和航道条件难以稳定。天星洲水道，长约 16km，平面形态属宽窄相间并有藕池河分流的喇叭型河道。进口胡汾沟河宽约 1800m，到黄水套缩窄为 1300m，黄水套以下又逐渐放宽，至陀阳树附近最宽达 4000m 以上（包括天星洲），河道左侧有新厂边滩，右侧有藕池口边滩、天星洲大型淤积体[38]。由于河道放宽，在河道中间形成了天星洲大型淤积体，但因淤积体物质组成十分松散、可动性大，在水流的作用下变动较大，主流摆动幅度相应较大。
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2.2 气象条件
周天河段所在地区属亚热带季风区，冬季寒冷干燥，降雨偏少，冰冻期极短，无霜期长，夏季炎热，春、秋季雨量偏多。据新厂、沙市站资料统计，本河段历史最高水位 39.86m，出现在 1998 年 8 月17 日；历史最低水位 25.52m，出现在 1993 年 3 月 14 日。多年平均径流量 3940亿 m3，最大年径流量为 4752 亿 m3，最小年径流量为 2900 亿 m3；多年平均流量为 12450m3/s，最大流量为 55200m3/s，最小流量为 2900m3/s。多年平均输沙量为4.41 亿吨，最大年输沙量为 6.56 亿吨，最小年输沙量为 2.05 亿吨；多年平均含沙量为 1.13kg/m3，最大含沙量为 13.1kg/m3，最小含沙量为 0.018 kg/m3。
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第三章 周天河段河床演变分析....... 16
3.1 历史演变概述........... 16
3.2 近期主要演变特点.............. 17
3.3 三峡工程蓄水运用以来的河道演变........ 25
3.4 演变趋势预测........... 31
3.5 本章小结........ 35
第四章 周天河段二维数值模拟验证与计算.........37
4.1 平面二维水沙数学模型的建立..... 37
4.2 数学模型的率定验证.......... 42
4.2.1 水流验证计算........... 42
4.2.2 泥沙验证计算........... 49
4.3 演变趋势预测........... 52
4.4 本章小结........ 56
第五章 周天河段航道整治措施研究..........58
5.1 整治原则、目标....... 58
5.1.1 整治原则........ 58
5.1.2 整治目标........ 58
5.2 整治参数初步研究.............. 58
5.3 整治思路........ 61
5.3.1 碍航问题........ 61
5.3.2 整治思路........ 61
5.4 整治方案数学模型研究...... 63
5.5 整治方案的确定....... 88
5.6 本章小结........ 89
第五章 周天河段航道整治措施研究
5.1 整治原则、目标
5.1.1 整治原则
因势利导：依托河道现阶段相对比较优良的河势形式，遵照周天河段河床演变的规律，在前期工程的基础上，通过进一步实施航道整治工程继续对河段内重点洲滩和关键边界条件进行守护和控制，以达到维持良好滩槽格局与提升航道水深的目的。统筹兼顾，综合治理：整治工程的布置和实施要避免对沿岸水利工程及取排水工程产生不利影响，特别是周公堤水道左岸颜家台闸是需重点考虑的外在条件；整治工程设计时要尽可能综合考虑防洪、堤防和环境的要求，使工程不致对其产生干扰，同时不能减小藕池口的分流。
5.1.2 整治目标
根据前文周天河段河床演变结论可知，要将周天河段整治成枯水期曲度相对合理与航道条件相对较好的顺直微弯河段，必须通过稳定过渡段主流和守护良好的滩槽形式，才能达到规划要求的航道水深。因此，周天河段本期航道整治目标为：通过实施一定的工程措施，增强过渡段浅区冲刷幅度，进一步稳定和巩固现阶段相对比较良好的滩槽形式，提高航道尺度，改善航运条件。
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结论
根据以上对周天河段的历史及近期河床演变规律分析、数学模型计算研究、三峡蓄水运用后来水来沙条件变化对航道影响分析和治理措施初步研究，得出以下主要结论：
（1）周天河段内的两水道上下关联性强，不仅主流之间相互作用，而且洲滩之间冲淤消长。周公堤水道与天星洲水道相互关系密切，当周公堤水道滩槽较稳定、主流摆动不大、冲淤变化幅度较小时，天星洲水道滩槽也较稳定、主流摆动不大、冲淤变化幅度较小；当周公堤水道滩槽不稳定、主流摆动大、冲淤变化幅度较大时，天星洲水道滩槽也不稳定、主流摆动大，出现右槽一次性过渡和二次性过渡机会多，冲淤变化幅度较大。
（2）蛟子渊边滩是影响其它滩形变化的最重要环节，在周天河段中起到承上启下的作用。具体来说，蛟子渊边滩的高大稳定，有利于新厂边滩的稳定；新厂边滩的稳定，也有利于蛟子渊边滩、天星洲以及藕池口边滩的整体稳定。蛟子渊边滩和新厂边滩维持稳定和完整是整个周天河段的滩槽形态和航道条件稳定的关键。
（3）三峡水库蓄水后，周天河段河势格局整体较为稳定，但局部地方仍存在一些不利的变化。三峡水库蓄水后，周天河段河床整体为冲刷趋势，其深泓较为稳定。但局部不利因素仍然存在，具体表现为：周公堤水道主流还在一定幅度内摆动，尤其在颜家台区域仍是存在空当，枯水河宽增加，水流较为分散，泥沙容易落淤深槽形成碍航浅埂。天星洲滩头年际间呈现往复冲淤的变化，导致过渡段主流不稳，左右摆动较大，造成天星洲头部和左缘呈冲刷后退的趋势。
（4）针对周天河段目前存在的航道问题，形成了治理原则和整治思路。周天河段存在的航道问题为：周公堤水道过渡段浅区水深不足，以及天星洲洲体冲刷后退，使得航道边界不稳定。治理原则为：因势利导；统筹兼顾，综合治理。整治思路为：控制周公堤水道放宽段的主流变化，维护河道岸线的稳定，同时避免对颜家台春灌站取水口造成影响；维护天星洲水道过渡段的位置，稳定天星洲洲体左缘岸线。
（5）论证了周天河段工程区位置，结合数值模拟手段，确定了周天河段航道整治初步工程方案。
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参考文献（略）