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1、枢纽下泄非恒定水沙过程及航道整治措施研究报告简本1 概述通航河流上兴建有调节能力的水利枢纽后，改变了下游河段的来水来沙过程，引起了下游河流的再造床作用，对航运、防洪、灌溉、滩地利用等许多方面带来了一系列的影响。担负电网调峰任务水电站下游的流量、水位变化尤为剧烈，变幅也大，往往与建库之前的水沙条件相去甚远，所以水库下游的河床演变将是剧烈且波及范围大，影响深远。枢纽下游河道原有的平衡状态将被改变，产生新的冲刷和淤积，其中大部分地区将以冲刷为主，冲淤严重的河段将会影响通航，引起河道通航条件恶化，航运效益下降，同时电站日调节将造成以下几方面通航困难，如（1）水位暴涨暴落，船舶难于航行；（2）流量时大时
2、小，滩段浅情变化频繁，船舶经常搁浅；（3）枯水期延长、中水期缩短；（4）电站超计划运行，流量骤减骤增，造成断航或者船舶停泊困难甚至发生海事。因此，针对长江、西江、汉江、北江、韩江和松花江等水利枢纽的特点，开展枢纽下泄非恒定水沙过程作用下航道整治原则与方法研究，抓住工程建设中的突出难题，为枢纽下游的航道整治提供科学依据是完全必要的，开展“枢纽下泄非恒定水沙过程及航道整治措施研究”具有重要的理论及现实意义。通过本课题的研究，必然为西部航运建设奠定更广泛的技术基础，实现以技术创新为前提的西部水运新发展。2 主要研究内容南京水利科学研究院为项目承担单位，主要负责制定课题考核目标和研究内容，提出研究工作
3、的总体思路、技术方针，制定工作大纲及成果审查，开展物理模型、数学模型和分析研究，并协调有关事宜。黑龙江省航道局、大顶子山航电枢纽建设指挥部、黑龙江省航务勘察设计院为项目参加单位，负责收集相关水流泥沙资料并参与资料整理和河床演变的分析工作。本项目主要开展以下四个专题的研究工作：专题一 日调节枢纽下泄非恒定水沙的传播规律及计算方法专题二 枢纽下游河段航道设计水位、整治水位和整治线宽度的确定方法专题三 近坝河段水流变化对通航影响的评价专题四 来水来沙条件改变后枢纽下游航道的演变规律及非衔接段航道整治措施研究3 实施方案（1）国内外相关工程技术和研究成果的调研，主要针对国内外航电枢纽下泄非恒定水沙过程
4、及其下游航道整治的实例。调研手段包括现场考察、资料查阅，并充分利用互联网技术。通过资料收集、整理和分析，进行综述和评价，并与大顶子山等航电枢纽下游航道整治进行类比分析，总结有参考价值的经验和教训。（2）对原型河道进行现场查勘，并进行水流、泥沙及河床地形、地质的补充勘测工作，为水流泥沙运动、河床变化分析，以及数学模型计算和河工模型试验，提供基础数据。（3）通过理论分析与数学模型相结合，研究下游河道水沙条件和河床变化规律，着重研究枢纽建成后下游河道水沙条件和河床变化规律。（4）通过理论分析与技术经验总结相结合，分析大顶子山等航电枢纽下游航道整治原则及技术措施，以及航道设计通航水位（流量）和整治水位
5、、整治线宽度的确定。（5）一维数模为重点河段二维数模提供水沙边界条件，力争针对枢纽下泄非恒定水沙过程的特点在模拟技术上有所创新。（6）通过数学模型研究的初步成果，选择个重点浅滩河段进行模型试验研究，提出整治方案，为该河段航道整治设计提供依据。4 依托工程本项目的依托工程分别有长江三峡工程、葛洲坝水利枢纽、汉江丹江口水库、西江中游长洲枢纽、北江中游白石窑及飞来峡枢纽、韩江上游青溪及蓬辣滩枢纽和松花江大顶子山航电枢纽工程等。5 主要研究成果（1）日调节枢纽下泄非恒定水沙的传播规律及计算方法采用四点隐格式有限差分法和三级联解并通过改进河段内水流计算方法，建立了一维非恒定流数学模型及可视化软件，该模型
6、具有较好的稳定性和鲁棒性。对典型枢纽下泄非恒定流进行了模拟计算，包括三种类型，即枢纽下游河段为山区河流的向家坝枢纽、枢纽下游为丘陵及平原河流的长洲枢纽和受日调节枢纽与反调节枢纽之间的三峡与葛洲坝枢纽。将计算结果和实测结果或物理模型试验进行了验证比较，结果显示模型能够较好地模拟各种河道的非恒定波传播过程。对典型枢纽不同的日调节下泄过程进行了模拟，分析了各个枢纽非恒定流传播规律及影响；分析了三个枢纽下泄非恒定流传播，总结了枢纽下泄非恒定流的传播规律，主要包括枢纽下泄非恒定流的影响距离、非恒定流引起的水面附加比降、下游河段的水位流量关系、非恒定波的传播变形等。由于摩阻、槽蓄及断面不规则等因素，枢纽下
7、泄非恒定波在传播过程中沿途要发生衰减，波速降低，波峰坦化，波高变小，沿程非恒定效应逐渐减弱，逐渐趋于恒定流；枢纽下泄的非恒定波在传播过程中产生附加比降，即涨水水面比降增大，落水水面比降减小；断面的水位流量不再是单一曲线关系而是呈逆时针绳套现象，同流量涨水水位低，落水水位高；同水位涨水过流大，落水过流能力小；非恒定波在传播过程中发生横向变形，即涨水波被压缩变陡，落水波被拉伸变缓；涨水波常常具有十分陡峻的波峰而呈断波形态，而落水波波峰则较为平坦。（2）用于复杂条件的枢纽下泄非恒定水沙过程及航道整治的数值模拟技术针对枢纽下泄非恒定水沙运动特点，以长江三峡工程及葛洲坝水利枢纽、北江中游白石窑及飞来峡枢
8、纽、韩江上游青溪及蓬辣滩枢纽、西江中游长洲枢纽等为例，建立了枢纽下游二维非恒定水沙数学模型，给出了水沙运动控制方程，包括：贴体正交曲线坐标下的非恒定流运动方程、悬移质不饱和输移方程、非均匀推移质输移方程、床沙级配的调整方程，对计算中的关键问题提出了处理方法，如悬移质有效挟沙能力、非均匀沙起动及输移规律、床面混合层厚度、推移质与悬移质的划分等。利用水文、泥沙及河床变形资料对模型进行了水面线（瞬时）、流速分布及冲淤过程的详细验证，尤其是利用了枢纽下泄非恒定流资料，检验了模型模拟上述河流枢纽下游非恒定水沙过程的有效性，揭示了枢纽下泄非恒定流对航深影响的机理，并对重点滩段提出了航道整治措施。北江中游及
9、韩江上游水电枢纽下泄非恒定流具有日流量、水位频繁大幅波动的特点，其产生的日调节波有类似不规则全日潮“波峰”、“波谷”的变化规律，且在向下游传播的过程中不断发生变形与衰减，沿程流量、比降、流速和水深等都在随时随地的发生变化。受北江白石窑、飞来峡枢纽及韩江青溪、蓬辣滩等水电枢纽运行的影响，一方面清水下泄可引起下游河床迅速冲刷下切，另一方面，水位、流量频繁的急剧变化加剧了航道与岸滩的不稳定性，给航道整治与维护带来了极大困难。针对枢纽下游波谷流量小、水位陡涨陡落与河床变形特点，结合枢纽下泄清水河床冲刷有利于航道维护的条件，提出采用以疏浚为主并与筑坝相结合的整治原则，同时采取一定的措施以集中水流，稳定边
10、滩，控制河势。在运用大量枢纽下泄水沙资料对二维非恒定水沙数学模型详细验证的基础上，对推荐方案实施后的整治效果与非恒定流对航深的影响机理进行了研究。研究表明，整治工程实施后，北江白石窑及飞来峡枢纽下游近坝段、韩江青溪及蓬辣滩枢纽下游河段航道尺度由整治前的级提高到级，达到了整治目标。但枢纽下泄非恒定流对航深将产生一定程度的影响。西江中游长洲枢纽肇庆河段的主要碍航浅滩在界首滩及三滩（习称“四滩”）。在分析该河段水沙运动特征的基础上，应用所建水沙数学模型，进行了定床及动床的详细验证。针对浅滩成因，提出了以中水期流向为主，设计整治线，使得中、枯季水流动力轴线尽可能趋于一致的枯水整治原则。在多方案比选的基
11、础上，给出了可供初步设计采用的推荐方案，该方案实施后，界首滩及三滩河段整治效果良好，能满足设计水位下3.5m航深及80m航宽的要求。长洲枢纽下泄非恒定流计算结果表明，非恒定流传播至界首水位日变幅在1.5m左右，三滩日变幅在0.51.3m，日调节引起的流速变化在0.51.5m/s。水位及流速的日变化将对船舶航行产生一定程度的影响，相关部门应密切注意其动态变化。三峡工程至葛洲坝枢纽两坝间及葛洲坝下游近坝段非恒定水沙过程计算表明，计算得到沿程各水尺水位过程与实测值相差一般小于0.10m，葛洲坝出库含沙量过程与宜昌站实测值吻合很好。在此基础上，预测了三峡工程运用初期两坝间及葛洲坝下游近坝段的冲刷过程、
12、重点河段的水位降落及床沙粗化过程。（3）导出了考虑非恒定流、冲淤不平衡、整治前后床沙粒径变化及整治建筑物本身渗水影响等因素的枢纽下游河段航道整治线宽度公式。（4）总结了葛洲坝、五强溪、凌津滩、万安、贵港、桂平、水口等枢纽上下游引航道、口门区和连接段的通航水流条件以及坝下河床下切，水位下降，冲淤变化，电站日调节对通航影响等，评价了近坝河段水流变化对通航影响并提出了通航建筑物布置中的注意事项。（5）对大顶子山航电枢纽下游非衔接段白石浅滩，基于河床演变分析，研究提出了航道整治原则、措施及方案，为该浅滩整治提供了科学依据。（6）在模拟枢纽下泄非恒定水沙过程物理模型中对几个关键环节提出处理方法对日调节枢
13、纽且仅研究其水流特性时，一般以正态物理模型为宜，且采用上下游流量（或水位）的过程控制，必要时进行船模试验，这样可准确获取水位、流速等水力参数的非恒定变化过程，有利于研究得到枢纽日调节非恒定流运动规律。当枢纽调节时段较长时，且重点进行泥沙特性试验时，一般进行恒定流水流泥沙试验且以变态模型居多，这一试验方法与天然河流水沙特性试验相同；对日调节枢纽下泄水沙过程的模拟，应特别注意进口流量及出口水位的概化，总体而言，水力参数（水位、流量或输沙量）变化幅度越大，则概化时段应越短，且模型应按原型水沙过程控制。6 项目突破的关键技术（1）针对枢纽下泄非恒定水沙运动特点，提出了水沙过程及航道整治的数值模拟技术，
14、具有一定创新性；（2）考虑枢纽日调节影响及浅滩输沙能力平衡等因素，首次从理论上导出了枢纽下游航道整治线宽度公式；（3）提出了复杂条件下枢纽下泄非恒定水沙过程及航道整治的物理模型的模拟技术。该项研究成果总体上达到国际先进水平，其中枢纽下泄非恒定水沙条件下航道整治线宽度的确定方法居国际领先水平。7 推广应用情况及前景7. 1 成果应用情况（1）本项目提出的西江长洲枢纽下游“四滩”航道整治工程推荐方案已被设计单位（广东省航道勘测设计科研院有限公司）采纳，并应用于该工程的初步设计中。（2）本项目提出的北江白石窑及飞来峡枢纽下游近坝段航道整治工程推荐方案已被设计单位采纳，并应用于该工程的施工图设计中。（
15、3）本项目提出的东江剑潭枢纽下游的博罗浅滩航道整治工程推荐方案已被设计单位采纳，并应用于该工程的施工图设计中。（4）本项目提出的韩江上游青溪、蓬辣滩枢纽下游近坝段航道整治工程推荐方案已被设计单位采纳，并应用于该工程的施工图设计中。（5）非恒定水沙模型在长江三峡工程航运泥沙研究中的应用本项目经过多年攻关，建立了枢纽下游非恒定水沙数学模型。该模型已应用于三峡工程两坝间及葛洲坝下游水沙问题研究，计算了三峡工程建成后两坝间及坝下游泥沙冲淤过程、冲淤量及其分布等，为决策部门提供了重要依据。7.2 推广应用前景（1）枢纽下游非恒定水沙数学模型在嘉陵江草街航电枢纽及松花江大顶子山航电枢纽下游航道泥沙研究中的
16、应用针对嘉陵江草街航电枢纽及松花江大顶子山航电枢纽水沙年际变化大、水沙量年内分布不均和入库水沙过程受人类活动影响大等特点，将所建的水沙数学模型，拓展应用到嘉陵江及松花江枢纽下游水沙过程的模拟。应用表明，计算的嘉陵江草街枢纽下游及松花江大顶子山航电枢纽下游水面线、流速、含沙量沿河宽、沿垂线分布的偏差一般小于10%，河床冲淤过程及断面形态的偏差一般小于20%，在此基础上，预测了枢纽下游冲淤过程及发展趋势，包括冲淤量、冲淤部位和泥沙冲淤对航道的影响等。（2）数学模型应用表明，该模型能快速、经济、有效地预测河流兴建枢纽后的有关坝下游泥沙问题以及进行航道整治工程方案的优选，成果已直接被工程设计和建设所采用，具有广阔的应用前景。（3）数学模型可为复杂工程河段的水流泥沙物理模型提供可靠的边界条件。（4）枢纽下泄非恒定水沙过程作用下航道
