长江城陵矶汇流河段水流运动特性试验研究_唐峰

（ 2） 当洞庭湖汇流流量与长江干流流量相当时 （ 方案 4，汇流比 50∶ 50） ，两股水流的相互冲击作用最 强，水流紊动最为剧烈，反映在断面流速分布上表现为 横向分布更趋均匀，断面最大垂线平均流速位于河槽 中部，流速值 1． 55 m / s。
（ 3） 当洞庭湖汇流流量所占比例大于长江干流流 量时，长江干流水流的离心力明显减弱，洞庭湖出流逐 渐占主导作用。由于洞庭湖出流于河道右侧汇入长 江，随着洞庭湖汇流比的逐渐加大，汇流区主流又逐渐 向河道 右 侧 偏 移。当 洞 庭 湖 出 流 占 螺 山 总 流 量 的 100% 时（ 方案 7，长江干流无流量） ，汇流处水流表现 出一般河道水流特性，河道断面流速接近“V”型分布， 断面最大垂线平均流速 1． 77 m / s，位于河槽中部偏右 320 m。
第 42 卷 第 7 期 2011 年4 月
文章编号： 1001 － 4179（ 2011） 07 － 0043 － 04
人民长江 Yangtze River
Vol． 42，No． 7 Apr． ， 2011
长江城陵矶汇流河段水流运动特性试验研究
唐 峰，李 发 政，渠 庚，朱 勇 辉
（ 长江科学院 河流所，湖北 武汉 430010）
由此可见，螺山流量不变情况下，随着螺山站水位 的降低（ 或升高） ，江湖不同汇流比时的江湖汇流处水 位均有一定幅度的降低（ 或升高） ，下游水位顶托对莲 花塘站水位的影响非常显著，且低水位时的顶托作用 略大于高水位时的顶托作用。而同一流量在不同江湖 汇流比条件下的莲花塘站水位抬高值差别并不明显。 从以上试验资料可以看出，通过疏浚下游河道，可以提 高河道泄流能力、有效降低莲花塘站水位，改善上游河 道行洪条件。
唐 峰，等： 长江城陵矶汇流河段水流运动特性试验研究
45
流速横向分布仍极不均匀。当洞庭湖出流逐渐加大 时，其变化规律与中洪水流量时的变化相同，见图 2。
图 2 汇流断面垂线平均流速横向分布变化 （ 螺山流量 61 500 m3 / s）
2． 2 江湖汇流断面水位变化
本次试验条件同前，研究下游螺山站 3 种不同水 位条件下监测城陵矶（ 莲花塘站） 水位变化情况。由 于下游螺山站保持水位不变，可以认为汇流处城陵矶 水位的变化主要是由江湖不同汇流比变化所引起的， 试验成果见图 3，4。
合 监利 洞庭湖 水位 /m 汇流比 合 监利 洞庭湖 水位 /m 汇流比
1 36400 0 27． 59 100∶ 0 8 61500 0 31． 7 100∶ 0
2 29120 7280 27． 59 80∶ 20 9 49200 12300 31． 7 80∶ 20
3 23660 12740 27． 59 65∶ 35 10 39975 21525 31． 7 65∶ 35
量大小直接决定两者之间的顶托作用，顶托作用越大， 能量消耗越多，水位越高。过去有些单位曾经对城陵 矶洪水位特性进行了初步的分析和研究［3 － 7］，取得了 部分成果，而对于江湖不同汇流对城陵矶洪水位的影 响研究较少，因此有必要对此进行专门的研究。
长江科学院利用世界银行贷款建成了长江防洪模 型，旨在通过实体模型试验，结合数学模型计算及原形 观测资料分析，研究三峡工程建成后长江中下游河床 冲淤、河势变化及江湖关系调整变化趋势、洪水演进规 律等重大技术问题，为长江防洪规划修编、河道整治、 工程建设和防洪决策提供科学依据。因此，运用长江 防洪实体模型研究洞庭湖出流与长江干流来水不同遭 遇时汇流河段的水位、流速流态变化，可以进一步了解 汇流河段水流运动特性及其变化规律，认识长江与洞 庭湖汇流的相互关系，为防洪调度和河道治理提供技 术支撑。
验中选取的流量组合不仅包括常规情况下的江湖汇流 比（ 如表 1 中 3、5、10 及 12 组合） ，还包括一些极端条 件下的汇流比（ 如 1、7、8 及 14 组合） ，以全面比较各 种条件的流量组合试验条件。
表 1 荆江与洞庭湖不同汇流比试验条件
组 流量 /（ m3·s － 1） 螺山
组 流量 /（ m3·s － 1） 螺山
44
人民长江
2011 年
αL = 400，垂直比尺 αH = 100，模型变率 e = 4。其水流 运动相似 比 尺： 流 速 比 尺 αV = 10、糙 率 比 尺 αn = 1． 08、流量比尺 αQ = 400 000、时间比尺 αt = 40。
由于本次试验主要研究长江干流与洞庭湖出流不 同汇流比条件下城陵矶河段水流特性，故模型试验中 的长江干流进口选为北碾子湾，进口流量用监利站流 量进行控制，洞庭湖段进口选为七里山，进口流量用螺 山站流量 － 监利站流量进行控制，出口选为螺山，尾门 用螺山水位控制。
1 模型及试验条件
1． 1 实体模型
长江防洪实体模型模拟范围为长江干流枝城至螺 山河段，并且包括其间的主要支流、洞庭湖区及分蓄洪 区等，其中干流河道长约 380 km。模型设计平面比尺
收稿日期： 2010 － 10 － 27 作者简介： 唐 峰，男，工程师，主要从事河道治理及环境泥沙整治工作。E － mail： helaozi_001@ 163． com
图 3 江湖不同遭遇时莲花塘站水位变化 （ 中洪水流量 36 400 m3 / s）
m3 / s、水位 27． 59 m 条件下，当荆江与洞庭湖汇流比为 0∶ 100时莲花塘站水位最低，为 28． 15 m，当江湖汇流 比 100： 0 时莲花塘站水位最高，为 28． 42 m，江湖不同 汇流比的莲花塘站水位变幅最大达 0． 27 m。
1． 2 试验条件
从多年的荆江水沙资料分析可知，自然条件下荆 江三口分流分沙呈逐年递减趋势。随着葛洲坝及三峡 水利枢纽的运用，荆江河段河床沿程冲刷，加速了分流 分沙比递减趋势。由于三口分流分沙比的逐年减少，
洞庭湖的出湖流量及沙量占枝城站的百分比也呈递减 趋势。
同时从多年水沙资料分析可知，荆江洪峰流量与 洞庭湖洪峰流量遭遇的时间不尽相同。为此本次试验 选取了 2002 ～ 2003 年螺山站洪峰流量 61 500 m3 / s 以 及中洪水流量 36 400 m3 / s 两个典型流量，在此基础上 对江湖不同汇流比条件下的流量组合进行了概化。试
7 0 36400 27． 59 0∶ 100 14 0 61500 31． 7 0∶ 100
2 试验成果分析
2． 1 江湖汇流断面流速分布变化
长江荆江段出口在城陵矶处，河道由南向北偏转， 转向角度达 110°，水流具有显著的弯道水流特性； 而 且洞庭湖水流于城陵矶处汇入长江，洞庭湖出流与长 江干流来水汇合时相互冲击，汇流处的水流紊动进一 步增强，水流态势表现出极不稳定性。为了便于观察， 模型试验选取莲花塘水位站下 游 850 m 的 荆 固“利 11 ”断面进行 江 湖 汇 流 断 面 的 流 速 分 布 观 测，试 验 观
城陵矶河段位于荆江与洞庭湖出口交汇处，水流 条件十分复杂，而影响城陵矶河段水流条件的因素很 多，主要分为河道特性和洪水特性两大方面。河道特 性方面包括： 河道形态的影响、泥沙淤积的影响、工程 建设的影响、局部河段的河床冲淤变化等； 洪水特性方 面包括： 洪水峰高量大、通江湖泊调蓄作用降低、干支 流洪水恶劣遭遇、下游水位顶托等。对于洪水特性而 言，普遍观点认为： 同期荆江四口分流入洞庭湖水量的 减少、荆江干流水量的增加是城陵矶洪水位抬高的主 要原因。除此以外，长江干流洪水与洞庭湖出流的不 同遭遇也起着非常重要的作用。由于洞庭湖水流于城 陵矶处汇入长江，长江干流来水和洞庭湖出流之间存 在一个汇流角，两股水流汇合时相互顶托，水流的紊动 加强，部分动能转化为势能，水位抬高。两股水流的能
由此可见，螺山站中水流量和洪峰流量两种流量 条件下，当荆江流量所占比例最小时，江湖汇流处莲花 塘站水位最低，随着荆江流量比例增加（ 洞庭湖汇流 流量减少） ，莲花塘站水位逐渐升高，当荆江流量所占 比例最大时，江湖汇流处莲花塘站水位最高。据此分 析，荆江洪水与洞庭湖洪水的不同遭遇是导致汇流处 及其上游河段水位抬高的重要原因之一。
来自百度文库
峰以及避免江湖洪水恶劣遭遇等，可以改善汇流河段水流条件、降低水位，从而有利于上游江湖防洪。
关 键 词： 江湖关系； 汇流； 实体模型； 水流特性； 防洪； 荆江 － 洞庭湖
中图法分类号： TV131． 6
文献标志码： A
长江中游干流河道枝城至城陵矶河段称为荆江， 全长约 347 km，以藕池口为界分为上、下荆江。荆江 南岸沿程有松滋口、太 平 口、藕 池 口 和 调 弦 口 （ 已 于 1954 年建闸控制） 分流进入洞庭湖，洞庭湖又集湘、 资、沅、澧四水经湖区调节后从城陵矶汇入长江，构成 了复杂的江湖关系。近 50 a 来，城陵矶河段年均洪水 位呈不断增高的趋势，平均每年抬高约 3 cm，累计抬 高了约 1． 5 m［1 － 2］。
同时，从试验结果分析可以看出，螺山流量 36 400 m3 / s 时，若螺山站水位抬高 0． 50 m，则江湖不同汇流 比条件下的莲花塘站水位抬高 0． 34 ～ 0． 40 m； 若螺山 站水位降低 0． 50 m，则江湖不同汇流比条件下的莲花 塘站水位降低 0． 43 ～ 0． 60 m。螺山流量61 500 m3 / s 时，若螺山站水位抬高 0． 50 m，江湖不同汇流比条件 下的莲花塘站水位抬高 0． 32 ～ 0． 38 m； 若螺山站水位 降低 0． 50 m，江湖不同汇流比条件下的莲花塘站水位 降低 0． 39 ～ 0． 43 m。
长江发生洪峰流量 61 500 m3 / s 时，由于长江干流 流量较中洪水流量 36 400 m3 / s 显著加大，水流经过弯 道时的离心力作用加强，受河道过水断面制约，断面平 均流速较 36 400 m3 / s 时明显增加，主流有所左移，但 仍位于河床右侧，河床右侧流速大于左侧流速，且断面
第7 期
4 18200 18200 27． 59 50∶ 50 11 30750 30750 31． 7 50∶ 50
5 12740 23660 27． 59 35∶ 65 12 21525 39975 31． 7 35∶ 65
6 7280 29120 27． 59 20∶ 80 13 12300 49200 31． 7 20∶ 80
螺山站洪峰流量 61 500 m3 / s、水位 31． 75 m 条件 下，当荆江与洞庭湖汇流比为 0 ∶ 100 时莲花塘站水位 最低，为 32． 33 m，随着长江荆江流量的增加，两股水 流的顶托作用较中洪水流量时明显增强，当长江荆江 流量所占比例达 80% 时，顶托作用最强，能量消耗最 多，莲花塘站水位最高，为 32． 70 m，江湖不同汇流比 的莲花塘站水位变幅最大达 0． 37 m。
测结果见图 1，2。
图 1 汇流断面垂线平均流速横向分布变化 （ 螺山流量 36 400 m3 / s）
在中洪水流量 36 400 m3 / s 条件下，由于城陵矶汇 流处河道平面形态特征发生变化，当长江干流流量所 占比例较大时，水流经过弯道时由于离心力作用，主流 偏向弯道外侧（ 右侧） ，右侧流速大于左侧流速，且断 面流速横向分布也极不均匀。
（ 1） 当汇流比 100∶ 0 时（ 方案 1，洞庭湖无汇流） ， 断面垂线平均流速最大 2． 07 m / s，位于河槽中部偏右 280 m 处。当洞庭湖的汇流比逐渐加大时，长江干流 流量减小，两股水流相互顶托作用逐渐增强，长江干流 水流的弯道离心力因主流流量的减小和洞庭湖出流的 顶托作用而有所减弱，反映在断面流速分布上表现为 河道右侧流速逐渐减小、左侧流速逐渐增大，断面垂线 流速横向分布由不均匀逐渐趋向均匀。
摘要： 荆江与洞庭湖水流在城陵矶汇流河段的水流条件直接影响到上游河段水位变化和洪水传播，关系到荆
江河段及洞庭湖的防洪安全，通过长江防洪实体模型试验，分析了不同流量下，荆江与洞庭湖不同汇流比及下
游不同水位条件下，江湖汇流处水流特性的变化。研究表明，江湖汇流处水流具有显著的弯道水流特性，两股
水流相互顶冲、掺混，流态复杂，水流态势表现出明显的不稳定性。采取措施降低下游水位、合理调度削减洪