1. 引言
自丹江口大坝加高蓄水以来，随着汉江中下游干流梯级航电枢纽、航道整治、闸站改扩建等水利水电工程的建成运行，改变了中下游的水文情势及水动力要素的变化规律 [1] [2] 。汉江中下游干流航道整治实施了大量的丁坝、护滩带等工程，其中，丁坝群主要用于抬高局部河段的航道水位，其挑流作用会改变局部的泥沙冲淤分布，主要表现为坝头冲刷加剧和坝尾淤积，改变局部流场形态和水动力因子。吴伊平等采用数值模拟的方法研究了丁坝对水流产生一定的阻水回流效应 [3] [4] [5] ，加上护岸、护滩等配套设施会增大边滩部分河道糙率，丁坝群修建会引起局部河道产生一定的水位壅水和流速减小。王佳妮等 [6] 对汉江碾盘山至兴隆河段丁坝群产生的工程影响进行了定性分析，认为所引起的河道边滩糙率增大以及丁坝自身的阻水回水效应导致了水面比降和流速减小，但未对水动力的变化程度做进一步的分析。本文采用平面二维数值模拟方法研究丁坝整治工程影响下汉江中下游河道水动力变化情况，定量分析在丁坝整治工程作用影响下的局部河段的水位和流速变化程度和空间分布情况，为进一步研究汉江中下游受工程影响的水文水动力变化规律和成因提供相关的技术支撑。
2. 计算条件与模型建立
2.1. 水文计算条件
本次研究选取了汉江中下游实施丁坝整治工程的局部典型河段，进口边界位于新集坝址下游，出口边界位于襄阳水文站上游，河段全长约26.8 km。新集坝址梯级位于王甫洲梯级和崔家营航电枢纽之间，主要作用是发电和航运。新集水电站为二等大(2)型工程，正常蓄水位76.23 m，总装机容量120 MW，航道标准为III级，船闸设计标准1000 t级，主要涉水建筑物包括泄水闸、电站厂房、船闸、土石坝、鱼道等。
襄阳水文站(目前已更名为余家湖水文站)距离丹江口坝下黄家港下游约100余km，控制集水面积约10.3万km2，襄阳水文站在整治工程实施期间(2015年~2018年)实测大断面变化见图1。襄阳水文站下游有唐白河入汇，历年水位流量关系受洪水涨落、断面冲淤及下游唐白河顶托等多种因素影响。2009年下游崔家营航电枢纽下闸蓄水，受崔家营航电枢纽顶托影响下的襄阳水文站的水位流量关系见图2所示。
本次研究的计算河段范围为汉江中下游已实施整治工程的新集坝址下游至襄阳水文站河段。根据已实施的航道整治工程，主要的整治建筑物为丁坝，左岸有8条丁坝，右岸有11条丁坝，坝体采用梯形抛石透水结构，丁坝型式除了首条丁坝采用勾头丁坝，其余为普通丁坝，坝宽3.0 m，迎水坡1:1，背水坡1:1.5，向河坡比1:4，坝头高程为坝位处的整治水位，高程范围为66.3~62.8 m。根据汉江中下游洪枯水的典型特点，本次模拟研究分别考虑了两种典型的洪水和中枯水工况计算条件，模型计算工况如下所示。
工况一：根据汉江干流规划，汉江中下游整体防御洪水标准采用1935年同大洪水，干流堤防防御洪水的标准为1964年实际洪水。根据《汉江中下游防洪调度预案》，襄阳水文站允许泄量为27,000 m3/s，防洪设计水位为67.95 m (黄海85高程，下同)。
工况二：考虑丹江口水库调蓄影响的新集坝址5年一遇洪峰流量为11,200 m3/s，襄阳水文站5年一遇洪水位为64.37 m。
工况三：根据襄阳站水位流量关系(图2所示)，以流量3000 m3/s为中枯水，考虑唐白河流量小于1000 m3/s，崔家营坝址62.73 m的顶托作用，相应的襄阳水文站水位为62.87 m。
工况四：根据襄阳水文站的实时水情，选取一组实测的中枯水情况进行模拟分析。当上游来流量为1100 m3/s，此时不考虑崔家营顶托的影响，襄阳水文站的实测水位为62.79 m。
Figure 1. Cross section of Xiangyang Station in the Han River
图1. 汉江河道襄阳水文站实测大断面图
Figure 2. H-Q curve of Xiangyang Station affected by the backwater of Cuijiaying
图2. 受崔家营枢纽顶托影响的襄阳水文站水位流量关系
2.2. 模型建立与概化
平面二维数学模型以垂线平均的水流要素作为研究对象，模拟研究水域不同水文条件下水动力过程。本次数值模拟分析方法采用DHI-Mike21FM软件水动力模块，建立分析河段的平面二维水动力数学模型。因汉江河道边界形状和河底地形比较复杂，模型采用非结构化三角形网格的水动力模块进行模拟，能较好拟合边界的不规则三角网格作为计算网格(见图3)。
本模型主要的计算特点有：① 非结构化网格二维水动力模型控制方程离散方法采用单元中心有限体积法求解。② 模型采用非结构三角形网格单元，更有利于拟合复杂河道岸线。③ 利用干湿网格判断法处理漫滩移动边界，方便快捷。为了同时满足工程区计算精度和计算效率的双重目标，采用局部加密的网格设计方法，远离工程的水域，网格相对疏一些。
由于整治工程的兴建，工程所在断面将发生束窄，过水面积减小，模型计算必须对工程进行概化处理。根据丁坝工程布置图及相关设计资料，对工程进行合理概化。工程概化目前多采用局部地形修正和局部糙率修正 [7] [8] 两种方法。本文在网格大小尽量能够和工程特征尺寸匹配的同时，依据工程结构和计算网格布置的不同分别采用了以上两种概化方法。
Figure 3. Sketch of calculation grid and verification of cross-sectional distribution in the study area
图3. 工程所在的计算河段网格示意图和验证断面分布图
2.3. 模型验证
二维数学模型中的糙率实际上是反映水流阻力的综合系数，本文根据相关率定计算成果和经验取值，综合确定工程河段的糙率范围：河槽糙率范围为0.018~0.024；滩地糙率范围为0.023~0.026。本模型根据经验取值综合确定计算河段内各网格的糙率系数。模型验证采用河段的测流资料(2017年9月测量)，测时流量为8380 m3/s，计算区域出口边界水位为63.80 m，计算河段设置5个验证断面(H01~H05)，验证断面分布见图3所示。水位验证结果比较见表1，计算与实测水位值的误差小于3 cm，满足计算要求。
Table 1. Verification results of water surface profile
表1. 水面线率定计算验证成果
3. 水文水动力变化
3.1. 水位变化分析
由于整治工程的实施，在两组洪水和中枯水条件下的水位变化平面分布情况见图4、图5。河段上下游河道水位分布发生了相应的变化，丁坝上游水位明显壅高，丁坝下游水位略有降低，工程局部水位变化较明显。
在防洪水位条件下(工况一)，左4、右5号丁坝以上河段水位明显壅高，水位壅高最大值为7.1 cm，位于右3丁坝，水位降低最大值为3.8 cm，位于右6丁坝附近。水位增加值大于1 cm的范围为右2丁坝上游至左4、右5号丁坝上游，水位降低值大于1 cm的范围为左5丁坝至左6丁坝之间。
在5年一遇洪水条件下(工况二)，左1丁坝~左6丁坝、右2~右7号丁坝河段水位明显壅高，右3丁坝~右11丁坝之间河段水位有所降低。水位壅高最大值为3.5 cm，位于左1丁坝上游附近，水位降低最大值为13.1 cm，
位于右3丁坝附近。水位增加值大于1 cm的范围为右2丁坝至左6、右7号丁坝上游的范围内，水位降低值大于1 cm的范围为右2号丁坝至右11号丁坝之间。
在中枯水条件下，考虑崔家营顶托，当流量为3000 m3/s时(工况三)，右2丁坝~左3丁坝以上河段水位壅高、右4号丁坝以上河段水位壅高，右7丁坝~右8丁坝之间局部河段水位略有降低。计算河段水位壅高最大值为2.8 cm，位于左1丁坝上游附近，水位降低最大值为2.1 cm，位于右8丁坝附近。水位增加值大于1 cm的范围为左2丁坝上游至右2丁坝之间。
在中枯水条件下，不考虑崔家营顶托，当流量为1100 m3/s时(工况四)，右2丁坝~左2丁坝以上河段水位壅高，水位壅高最大值为1.6 cm，位于右3丁坝上游附近，水位降低最大值为1.4 cm，位于右1丁坝附近。水位增加值大于1 cm的范围为左1丁坝上游至右2丁坝下游之间。
总的来说，由于工程整治水位高程范围为66.3~62.8 m，位于中枯水河槽附近，对洪水水位的影响作用不大，
(a) 
(b)
Figure 4. Water level changes affected by the regulation under flood conditions (a: Condition 1; b: Condition 2)
图4. 洪水条件下整治实施前后水位变化图(a：工况一 b：工况二)
(c) 
(d)
Figure 5. Water level changes affected by the regulation under low water conditions (c: Condition 3; d: Condition 4)
图5. 中枯水条件下整治实施前后水位变化图(c：工况三 d：工况四)
对中枯水的水位增加较为明显。由于丁坝群的护岸作用，工程兴建对岸坡的水位影响要高于河槽及滩地附近的水位影响，滩地水位壅高值小于1 cm。
3.2. 流速变化分析
由于整治工程的实施，在两组洪水和中枯水条件下的流速变化平面分布情况见图6、图7。洪水条件下，工程局部左右两侧流速增加，增加值大于1 cm/s、小于5 cm/s，整体河段滩地上流速增加，但增加值小于1 cm/s；中枯水条件下，工程局部上下两侧流速减小，减小值大于1 cm/s、小于5 cm/s，整体河段河槽流速减小，但减小值小于1 cm/s。
在防洪水位条件下(工况一)，流速增加最大值为4.8 cm/s，位于左3和右4丁坝之间的主河槽，流速减小最大值为12.3 cm/s，位于左3丁坝上游附近。流速增加值大于1 cm/s的范围为右3丁坝下游至右5号丁坝下游1 km以及左5丁坝下游至右10丁坝之间，流速降低值大于1 cm/s的范围为右1号丁坝附近，以及右2丁坝上游750 m至右11号丁坝下游。
在5年一遇洪水条件下(工况二)，流速增加最大值为10.8 cm/s，位于左3和右4丁坝之间的主河槽，流速减小最大值为17.8 cm/s，位于左3丁坝上游附近。流速增加值大于1 cm/s的范围为右1丁坝上游430 m至右10号丁坝下游，流速降低值大于1 cm/s的范围为右1丁坝下游至右2丁坝下游、左1丁坝至左4丁坝之间、右5丁坝至右10丁坝之间、以及左7丁坝至左8丁坝下游。
在中枯水条件下，考虑崔家营顶托，当流量为3000 m3/s时(工况三)，流速增加最大值为6.1 cm/s，位于左3
和右4丁坝之间的主河槽，流速减小最大值为5.6 cm/s，位于左1丁坝下游附近。流速增加值大于1 cm/s的范围为右3丁坝下游至左6丁坝下游，流速降低值大于1 cm/s的范围为左1丁坝下游至左3丁坝下游。
在中枯水条件下，不考虑崔家营顶托，当流量为1100 m3/s时(工况四)，流速增加最大值为1.9 cm/s，位于右3和右4丁坝之间的主河槽，流速减小最大值为2.1 cm/s，位于左1丁坝下游附近。流速增加值大于1 cm/s
(a) 
(b)
Figure 6. Velocity changes affected by the regulation under flood conditions (a: Condition 1; b: Condition 2)
图6. 洪水条件下整治实施前后流速变化图(a：工况一 b：工况二)
(c) 
(d)
Figure 7. Velocity changes affected by the regulation under low water conditions (c: Condition 3; d: Condition 4)
图7. 中枯水条件下整治实施前后流速变化图(c：工况三 d：工况四)
的范围为右3丁坝下游至右4丁坝下游，流速降低值大于1 cm/s的范围为左1丁坝下游至左2丁坝下游。
总的来看，由于整治工程布置在中枯水河槽附近，流速影响主要表现为河槽流速明显增加，岸坡和滩地由于丁坝的阻水作用，流速明显减小，且洪水期的影响相对要小于中枯水时期。
3.3. 流场分布变化分析
由于整治工程主要针对枯水河槽的流场的改变，洪水条件下流速较大，工程实施前后的流场变化不明显，在两组洪水和中枯水条件下的整治工程实施后流场见图8、图9。两组洪水和中枯水模拟工况计算条件下，工程兴建会引起局部流场的调整，但总体而言，工程前后河道主流稳定，流速变化不大。在中枯水条件下，丁坝整治工程所在河段主河道流速增加明显，流场分布更加均匀，有利于航道的稳定。
(a) 
(b)
Figure 8. Flow layout affected by the regulation under flood conditions (a: Condition 1; b: Condition 2)
图8. 洪水条件下整治工程实施后流场图(a：工况一 b：工况二)
(c) 
(d)
Figure 9. Flow layout affected by the regulation under low water conditions (c: Condition 3; d: Condition 4)
图9. 中枯水条件下整治工程实施后流场图(c：工况三 d：工况四)
4. 结论
1) 由于丁坝整治工程的修建，工程所在局部河段地形将发生变化，本文在计算网格大小尽量能够和工程特征尺寸匹配的同时，依据工程结构和计算网格布置的不同分别采用了局部地形修正和糙率修正两种概化方法。通过对工程进行合理的概化处理，通过数值模拟分析，能够较好地反映局部河道水动力受工程影响的变化情况。
2) 汉江河道在整治工程实施以后，本文通过模拟在洪、枯水位两组模拟条件下，分析了水位、流速和流场等水动力要素的变化情况。可以看出，丁坝上游水位明显增加，下游水位略有降低，工程局部水位变化较明显。由于工程整治水位位于中枯水河槽附近，对洪水水位的影响作用不大，对中枯水的水位增加较为明显。由于丁坝群的护岸作用，工程兴建对岸坡的水位影响要高于河槽及滩地附近的水位影响，滩地水位壅高值小于1 cm。
3) 由于整治工程布置在中枯水河槽附近，流速影响主要表现为河槽流速明显增加，平均增加值1~5 cm/s，岸坡和滩地流速有所减小，但变幅不大，约1~2 cm/s，洪水期的影响相对要小于中枯水期。岸坡附近流速整体以减小为主，变化值小于1 cm/s。总的来说，整治工程的修建会引起局部流场的调整，中枯水时期工程局部河段主槽流速增加明显，流场分布更均匀，有利于航槽的稳定。
基金项目
水文局局级科技创新基金项目(SWJ-CJX23Y06)。