1. 引言
引江济汉工程是从长江荆江河段引水至汉江高石碑镇兴隆河段的大型输水工程，属于南水北调中线一期汉江中下游治理工程之一[1]，于2014年9月26日正式建成运行。工程引水口位于上荆江河段沙市龙洲垸段弯道凹岸，引水渠为典型“盲肠”河段，由于引水渠与长江呈50˚斜向交角，使得引入水流在引水口区形成环流，从而导致泥沙易在引水口区域落淤[2]并向渠内推进，为解决引水口区域泥沙落淤问题，引江济汉工程在引水口区的下段设置了沉沙(螺)池。
工程自2014年运行以来，沉沙(螺)池内泥沙持续性淤积，且状态较为严重，需定期对沉沙(螺)池进行人工清淤至原设计底高程[3]才能维持引水工程的正常运行。泥沙淤积是影响本引水工程正常运行的关键因素之一，因此工程引水口区–沉沙(螺)池段内的水流、泥沙淤积特性的研究对于保障工程正常运行具有重要现实意义。
图1. 引江济汉工程((a)：工程示意图；(b)：渠首示意图)
2. 工程概况及近期冲淤变化
2.1. 工程概况
引江济汉工程设计引水流量350 m3/s，最大流量500 m3/s [4]，引水干渠全长67.23 km，干堤渠底纵坡1/33,550，渠底宽60 m。工程进口分为西侧的引水渠道与东侧的通航渠道(见图1)，本文研究对象为西侧的引水渠道(本文简称“渠首”)。渠首分为口门段及沉沙(螺)池段，口门段长400 m，渠底高程26.00 m，底宽为120.0 m；沉沙(螺)池段长2073 m，渠底高程26.00~24.60 m，底宽120~350 m，沉沙池中间300 m长渠道底宽350 m兼作沉螺池。自2014年9月26日通水以来，截止2022年12月，引江济汉工程累计引长江水298.68亿m3。
2.2. 近期冲淤变化
根据工程渠首段2019~2022年实测地形，分析渠道近期泥沙冲淤变化，其中2020~2021年之间工程管理部门分次实施了进口段沉沙(螺)池清淤维护工程，通过疏挖泥沙使沉沙(螺)池清淤至原设计底高程，计划清淤量约36.5万m3，实际清淤量约30万m3。
2.2.1. 冲淤量变化
表1为渠首冲淤量及冲淤厚度统计，除2020年及2021年年初分期开展清淤工程导致冲淤量体现为负值以外，渠首整体呈累积性淤积态势；每次清淤(清淤至原设计底高程)过后的第一个汛期淤积明显(约22万m3)，此后淤积量逐年衰减；口门段首先沉积下来的泥沙随着时间推移向沉沙(螺)池内推进，最终在沉沙(螺)池内落淤，淤积程度沿程递减。
对于引水渠道，挟沙水流从宽广的干流引至限制性人工渠道，过水断面水力要素，包括面积、水深等，发生了明显的变化(本工程引水口门处长江干流断面面积约为渠道口门断面的10倍，水深约为渠道口门的1.7倍)，水流挟沙力也相应调整，渠道内水流含沙量过饱和，因而迅速产生淤积[5]。
在大水年时，渠道口门会发生一定的冲刷，因此长期来看，渠道口门处的淤积不是单向发展，渠道淤积累积最大厚度往往不是在口门处[2]，而是由口门逐步向渠道内推移，从表1可以看出，渠道口门段呈冲淤交替发展态势。
表1. 引江济汉渠首冲淤量统计表
| 统计 |
冲淤量(m3) |
冲淤厚度(m) |
冲淤量(m3) |
冲淤厚度(m) |
冲淤量(m3) |
冲淤厚度(m) |
冲淤量(m3) |
冲淤厚度(m) |
| 时间 |
2019.04~2019.12 |
2019.12~2020.05 |
2020.05~2020.12 |
2020.12~2021.04 |
| 口门段 |
3603 |
0.16 |
−383 |
−0.02 |
14,088 |
0.64 |
−19,176 |
−0.87 |
| 沉沙(螺)池 |
72,682 |
0.15 |
−125,492 |
−0.26 |
208,769 |
0.44 |
−288,294 |
−0.60 |
| 全段 |
77,073 |
0.15 |
−127,334 |
−0.25 |
225,229 |
0.45 |
−310,150 |
−0.61 |
| 时间 |
2021.04~2021.11 |
2021.11~2022.05 |
2022.05~2022.11 |
2019.04~2022.11 |
| 口门段 |
−6569 |
−0.3 |
−1930 |
−0.09 |
−2465 |
−0.11 |
−12,832 |
−0.59 |
| 沉沙(螺)池 |
231,892 |
0.48 |
16,085 |
0.04 |
131,495 |
0.24 |
247,137 |
0.51 |
| 全段 |
227,459 |
0.45 |
14,165 |
0.03 |
46,192 |
0.09 |
152,634 |
0.30 |
2.2.2. 冲淤分布
图2为工程渠首2019年4月~2022年11月渠首冲淤分布图，长期来看，泥沙集中淤积在沉沙(螺)池头部，沉沙(螺)池内淤积程度沿程递减，最大累积淤积厚度约1.6 m，位于沉沙池头部，距渠道口门约880 m；口门段受人工清淤影响，整体表现为冲刷，最大冲刷深度约1.3 m，距渠道口门约300 m。
2.2.3. 渠道纵剖面变化
图3为工程渠首2019年~2022年渠道中轴线底高程变化图，渠道内泥沙率先在口门处落淤，口门处最大淤积厚度为2.2 m，2021年初实施了沉沙(螺)池段清淤维护工程将沉沙池头部恢复至底板高程后，口门段泥沙迅速向沉沙池推进，截止2022年11月，沉沙池达到最大淤积高度2.6 m。
图2. 工程渠首2019年4月~2022年11月累计冲淤厚度图
图3. 工程渠首纵剖面变化图
3. 数学模型分析
采用武汉大学《非结构混合网格平面二维水沙数值模拟软件(HybridUnstructSed2D) V1.0》开展平面二维水沙数值模拟，计算范围及计算网格见图4。模型地形图采用2021年12月施测的1:10,000长江河道地形图及工程局部2022年11月施测的1:2000地形图叠加而成。
图4. 模型计算范围及计算网格示意图
3.1. 模型率定验证计算
3.1.1. 定床模型率定验证
选取不同实测工况进行率定验证，表2及图5为计算结果(断面位置见图4)，模型计算水位与实测水位基本吻合，误差在3.0 cm以内；断面流速分布与实测值符合较好，误差一般在0.1 m/s以内，个别点误差稍大、在0.2 m/s左右。经综合调试，确定糙率为长江段主槽0.023~0.026、滩地0.024~0.030，引江济汉进口渠道由混凝土衬砌而成，根据混凝土的糙率特性及工程可行性研究阶段规划方案，渠首段糙率为0.016 [6]。
3.1.2. 动床模型率定验证
工程河段冲淤率定计算基于2016年10月~2018年10月地形资料和其间的水沙资料，验证计算基于2013年10月~2016年10月地形资料和其间的水沙资料。工程渠首的冲淤率定计算基于采用2021年11月~2022年11月渠道地形资料及期间的引水资料，验证计算基于2019年4月~2019年12月渠道地形资料及期间的引水资料(根据
表2. 定床模型水位率定验证
| 率定计算2020年07月19日(Q = 38,000 m3/s) |
验证计算2017年08月05日(Q = 14,900 m3/s) |
| 位置 |
实测值(m) |
计算值(m) |
差值(m) |
位置 |
实测值(m) |
计算值(m) |
差值(m) |
| 涴15 |
40.640 |
40.638 |
−0.002 |
荆31 |
33.840 |
33.839 |
−0.001 |
| 荆35 |
40.470 |
40.471 |
0.001 |
沙04 |
33.820 |
33.804 |
−0.016 |
图5. 定床模型断面流速分布对比图(2020.07.19, Q = 38,000 m3/s)
表1，工程渠首人工清淤后的第一个汛期淤积量约22万m3，此后淤积量迅速衰减，本模型预测起始地形基于2022年11月工程局部实测地形，不考虑人工清淤影响，渠首冲淤率定验证数据选用受清淤影响较小的年份，年均淤积量约7万m3)。采用上述多组实测地形及水沙资料，开展动床模型率定验证如表3所示，冲淤量相对误差基本在20%以内，符合《水运工程模拟试验技术规范(JTS/T231-2021)》[7]对于数值模拟计算率定验证河段冲淤总量的允许偏差。
计算河段悬移质挟沙力系数k为0.10~0.15，指数m取0.92；悬移质恢复饱和系数α冲刷时取1.0，淤积时取0.25；工程渠首口门段悬移质挟沙力系数k为0.10，指数m取0.92；悬移质冲淤恢复饱和系数α取0.25；工程渠首沉沙池段悬移质挟沙力系数k为0.08，指数m取0.92；悬移质冲淤恢复饱和系数α取0.25。
表3. 动床模型冲淤量率定验证(单位：万m3)
| 时间段 |
河段 |
间距(km) |
实测值 |
采砂及疏浚值[8] |
计算值 |
相对误差(%) |
| 2013.10~2016.10 |
工程河段(荆26~荆35) |
20.0 |
−4414 |
781.4 |
−4370 |
+20.30 |
| 2016.10~2018.10 |
工程河段(荆26~荆35) |
20.0 |
−3873 |
329.6 |
−2929 |
−17.34 |
| 2019.04~2019.12 |
工程渠首(龙洲垸–进水节制闸) |
2.35 |
8.74 |
/ |
8.31 |
−4.92 |
| 2021.11~2022.11 |
工程渠首(龙洲垸–进水节制闸) |
2.35 |
5.34 |
/ |
4.35 |
−18.54 |
注：相对误差为计算值减去实测值的绝对误差占实测值的比重，统计时剔除了工程河段采砂及疏浚值影响。
3.2. 水流运动特性研究
3.2.1. 水流计算工况
定床模型计算工况见表4，长江段选取上荆江安全流量等3种典型水文条件，太平口分流量由分流比推算，相应水位由水位流量关系插值，渠道段选择3种典型引水工况[9]，计算监测断面见图4。
表4. 模型计算工况表
| 工程河段长江典型工况 |
渠道典型引水工况 |
| 流量级 |
沙市站流量
(m3/s) |
太平口分流量
(m3/s) |
龙洲垸水位
(m) |
模型出口水位
(m) |
流量级 |
流量值
(m³/s) |
| 上荆江安全流量 |
50,000 |
2200 |
41.526 |
41.431 |
进口泵站设计流量 |
200 |
| 沙市河段造床流量 |
27,000 |
900 |
38.197 |
38.073 |
进水节制闸设计引水流量 |
350 |
| 沙市河段最低通航流量 |
5500 |
0 |
27.559 |
27.354 |
进水节制闸设计最大引水流量 |
500 |
| 模型组合工况 |
| 模型进口流量(m3/s) |
沙市站流量
(m3/s) |
太平口分流量
(m3/s) |
引江济汉流量
(m3/s) |
龙洲垸水位
(m) |
模型出口水位
(m) |
工况编号 |
| 52,200 |
50,000 |
2200 |
0 |
41.526 |
41.431 |
1 |
| 27,900 |
27,000 |
900 |
0 |
38.197 |
38.073 |
2 |
| 28,100 |
27,000 |
900 |
200 |
38.197 |
38.073 |
3 |
| 28,250 |
27,000 |
900 |
350 |
38.197 |
38.073 |
4 |
| 28,400 |
27,000 |
900 |
500 |
38.197 |
38.073 |
5 |
| 5500 |
5500 |
0 |
0 |
27.559 |
27.354 |
6 |
3.2.2. 典型工况水流运动特性
选取工况5为典型工况，与工况2对比，流场对比见图6。在沙市河段造床流量下，工程不引水时，仅工程进口处形成较明显逆时针环流，环流尺寸与渠道宽度相当，渠道内流速较小；渠道引水500 m3/s时，进口环流仍存在，口门主流集中在右侧，从龙洲垸到沉沙池，主流贴右岸下行，在沉螺池放宽段主流向左侧摆动，顶冲沉螺池左侧岸坡后，主流逐渐居中，后沿中部下行至终端；同一干流来流条件下，引水工况与不引水工况相比，渠道引水所引起的流速变化主要集中在进口右岸侧，且随着引水流量的增加，其流速变化范围也逐渐向下游发展，引水500 m3/s时，流速变化超过0.2 m/s的区域已经发展至整个渠首。
综合分析各工况，当渠道主流沿某一侧岸坡发展时，其对岸侧相应形成局部环流，主流呈现出左右来回摆动顶冲态势，局部环流相应交替发展，从而形成了渠道内两侧流速较大，而中部流速较小的流速分布状态。
图6. 工程局部流场变化图((a)：工况2流场图；(b)：工况5流场图；(c)：工况5与工况2差值)
图7为渠道不引水时不同干流来流条件下断面流速分布对比图，口门处GC1断面主流集中在右岸，断面流速呈偏右的单峰分布，越靠近渠道内部，断面左侧流速逐渐增大，GC3断面流速呈两侧相当而中部较小的双峰分布。不引水时，不同来流条件下断面流速分布形态基本一致，仅流速值随干流来流的增大而增加。
图7. 不引水时不同水流条件下工程渠道断面流速分布对比图
3.3. 冲淤演变预测研究
3.3.1. 计算水沙条件
根据2002年以前及2003~2021年的沙市站统计资料，沙市站多年平均年径流量在三峡水库蓄水前后分别为3942亿m3、3943亿m3，年输沙量分别为43,400万t、6930万t，受上游梯级水库影响，沙市站水量在蓄水前后基本持平，输沙量较蓄水前大幅降低，近年来输沙量均维持在较低水平。在无大的气候变化和人类活动干预前提下，工程段长江干流来水条件基本维持稳定，来沙量也将基本维持自上游建库以来的较低水平[10]。
综合上述，工程河段近年来的水沙系列可代表未来一定时段的工程河段的水沙变化过程，动床模型计算水沙条件选择2017~2021年枝城站来水来沙过程(考虑松滋口东、西支分流分沙)沙市水文站水位(插值形成模型出口水位)、引江济汉渠道引水流量过程，水沙特征统计见表5，系列年资料包含丰枯变化，2020年为大洪水年，资料具有代表性。系列年长5年，模拟时段为10年，即系列年循环计算2次。计算模型为梯级恒定流水沙数学模型，采用武汉大学《多参数控制条件下的非恒定水沙过程梯级概化方法及装置》进行非恒定水沙过程的梯级概化。
表5. 典型水沙系列年
| 年份 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
| 日均流量(m3/s) |
13,174 |
14,165 |
13,247 |
16,151 |
14,203 |
| 年输沙量(万t) |
431.92 |
3624.35 |
926.48 |
4645.59 |
1086.11 |
| 最大沙峰(kg/m³) |
0.08 |
1.32 |
0.19 |
0.98 |
0.26 |
3.3.2. 冲淤演变预测
以2021年12月施测的1:10,000长江河道地形及工程局部2022年11月施测的1:2000地形为起始计算地形开展工程河段冲淤演变预测分析。
图8为未来十年工程渠首冲淤变化分布图，渠道整体以淤积为主，泥沙首先淤积在龙洲垸口门处，并随着时间的推移逐渐向渠道内推进，沉沙(螺)池持续性淤积，到第10年末平均淤积厚度约0.8 m，此外口门两侧长江岸坡则存在一定程度的冲刷。
图8. 未来10年内引江济汉渠道冲淤厚度分布
图9为监测断面GC2及GC0的横(纵)断面地形变化图，断面位置见图8。GC2位于沉沙池，断面中部平淤，到第10年末，淤积厚度约2.8 m。渠道中轴线G0变化为从渠道进口至沉沙池头部淤积抬升，口门最大淤积厚度为第3年末的3 m，随后泥沙逐年向渠道内推进，到第10年末口门基本恢复到初始状态，而沉沙池头部则逐年淤积抬升，到第10年末平均淤积厚度约1 m。
图9. 未来10年内引江济汉纵横断面变化图
表6为渠首未来十年冲淤量预测统计，10年淤积总量为43.89万m3，累计淤积厚度为0.82 m，年均淤积量为4.39万m3，年均淤积厚度为0.08 m，淤积速度逐年放缓，前3年年均冲淤量为7.31万m3，年均冲淤厚度为0.14 m。根据河段悬移质年输沙量与渠首全段冲淤量对比，整体呈现出河道来沙量越多渠道内淤积量也相应增大的规律，渠首淤积量与河道来沙量基本呈正相关。就分段而言，渠道口门在前3年内淤积明显，年均淤积量为4.04万m3，平均淤积厚度为0.37 m，随后口门区泥沙顺水流推进到沉沙(螺)池内，而沉沙(螺)池则逐年淤高，年均淤积量为3.38万m³，年均淤积厚度为0.08 m。
表6. 未来十年冲淤量预测统计
运行年份
(年) |
年平均流量
(m³/s) |
悬移质年输沙量
(亿t) |
口门段 |
沉沙(螺)池 |
渠首全段 |
| 冲淤量(万m³) |
冲淤厚度
(m) |
冲淤量(万m³) |
冲淤厚度
(m) |
冲淤量(万m³) |
冲淤厚度
(m) |
| 1 |
13,174 |
431.92 |
5.01 |
0.45 |
1.67 |
0.04 |
6.68 |
0.12 |
| 2 |
14,165 |
3624.35 |
4.95 |
0.45 |
3.66 |
0.09 |
8.61 |
0.16 |
| 3 |
13,247 |
926.48 |
2.16 |
0.20 |
4.47 |
0.10 |
6.63 |
0.12 |
| 4 |
16,151 |
4645.59 |
0.86 |
0.08 |
3.96 |
0.09 |
4.82 |
0.09 |
| 5 |
14,203 |
1086.11 |
−1.61 |
−0.15 |
4.02 |
0.08 |
2.41 |
0.04 |
| 6 |
13,174 |
431.92 |
0.92 |
0.08 |
1.82 |
0.04 |
2.74 |
0.05 |
| 7 |
14,165 |
3624.35 |
0.08 |
0.01 |
4.19 |
0.09 |
4.27 |
0.08 |
| 8 |
13,247 |
926.48 |
−0.60 |
−0.05 |
4.35 |
0.10 |
3.75 |
0.07 |
| 9 |
16,151 |
4645.59 |
−0.26 |
−0.02 |
3.07 |
0.07 |
2.81 |
0.05 |
| 10 |
14,203 |
1086.11 |
−1.38 |
−0.12 |
2.56 |
0.05 |
1.18 |
0.02 |
| 合计 |
/ |
/ |
10.13 |
0.92 |
33.76 |
0.79 |
43.89 |
0.82 |
| 平均值 |
14,188 |
2143 |
1.01 |
0.09 |
3.38 |
0.08 |
4.39 |
0.08 |
| 前3年平均值 |
13,528 |
1660 |
4.04 |
0.37 |
3.27 |
0.07 |
7.31 |
0.14 |
工程进口段来水来沙条件受上游三峡以及金沙江梯级水库建设影响，未来一定年限内，来水量基本保持稳定，来沙量则将维持2003年以来的较低水平，考虑到渠道各部分落淤条件有限，淤积区随时间向渠道内部推进，综合考虑各部分落淤速率及落淤空间，在没有大的自然气候条件变化以及人工干预影响，同时假定不对渠道进行清淤的前提下，估算渠道未来长期冲淤演变趋势如表7所示。
表7. 引江济汉工程渠首冲淤演变趋势预测(单位：万m3)
| 预测年限 |
口门段 |
沉沙(螺)池 |
渠首全段 |
| 3年末 |
12.12 |
9.8 |
21.92 |
| 5年末 |
11.37 |
17.78 |
29.15 |
| 10年末 |
10.13 |
33.76 |
43.89 |
| 20年末 |
≈10 |
50~60 |
60~70 |
4. 结论
通过河演分析及数学模型计算对引江济汉工程渠首泥沙淤积问题进行分析研究，结论如下：
1) 2019~2022年渠首整体呈累积性淤积态势，汛期淤积明显，口门段及沉沙池最大淤积高度分别为2.2 m、2.6 m。
2) 渠首口门存在逆时针回流，主流呈左右来回摆动顶冲态势，局部环流相应交替发展，形成两侧流速大，中部流速小的断面流速分布。
3) 渠道未来10年泥沙淤积量43.89万m³，淤积量与河道来沙量基本呈正相关。口门段前3年集中落淤，年均淤积厚度0.37 m，而沉沙(螺)池则逐年淤高，年均淤积厚度为0.08 m。渠道口门两侧长江岸坡则存在一定的冲刷现象。
NOTES
作者简介：华永(1983-)，男，本科，高级工程师，主要从事水利水电工程建设与运行管理工作，Email: 19929681@qq.com
*第一作者。