赣江尾闾汊道分流比对鄱阳湖水位变化的响应规律研究

李晓坤2，陈珺1,2，李斌2，王煜祺2

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏　南京　210098；2.河海大学水利水电学院，江苏　南京　210098)

【摘　要】　赣江尾闾为复杂多级分汊河道，其汊道分流比的变化关系到河道稳定、防洪安全、生活取水用水、航道规划与整治和水环境生态安全等，开展赣江尾闾河段分流比特性研究具有重要的理论和实践意义。本文基于Delft 3D软件构建鄱阳湖及五河(赣江、抚河、信江、饶河、修水)尾闾平面二维水流数学模型，定量研究鄱阳湖水位变化对赣江尾闾河段分汊河道分流比的影响。研究结果表明：相同流量条件下，随着鄱阳湖水位升高，西河分流比减小，东河分流比增加。西支分流比减小，北支分流比增加，中支分流比较为稳定。鄱阳湖水位降低时，西河分流比增加，东河分流比减小。西支分流比增加，北支分流比减小，中支和南支分流比较为稳定。相关成果可为赣江尾闾河道治理奠定理论基础。

【关键词】　分流比；分汊河道；赣江尾闾；鄱阳湖；水位变化

作者简介：李晓坤(1992—　)，男，江苏淮安人，硕士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。

E-mail：151302010011@hhu.edu.cn

1　前言

赣江为鄱阳湖水系第一大河，自南昌以下进入尾闾地区，干流在南昌市裘家洲、扬子洲首分东、西两河，东河于礁矶头分为中支、南支，分别在朱港、三江口入湖，西河在樵舍分为北支、主支，分别在朱港、吴城入湖[1]。赣江尾闾汊道分流比规律较为复杂，主要受到以下几个方面的影响：①赣江尾闾河段分四支入湖，存在多级分汊，水沙地形条件复杂。②人类活动的影响。自2000年以来，赣江尾闾采砂活动较为剧烈，河床下切。受其影响，赣江下游东、西河分流比发生了明显的变化，在中枯水条件下西河的分流比不断增加，东河的分流比明显减小。③鄱阳湖水位变化的影响。鄱阳湖水位年内变化较大，具有“低水为河，高水为湖”的特征。每年7—9月长江主汛期来临，长江洪水会倒灌入鄱阳湖，而近年来湖区枯水位不断降低。关于赣江尾闾汊道分流比的研究，目前已有不少成果。陈界仁[2]根据分流比计算原理，分析得出2000—2006年由于断面过流面积和水力比降两个因子变化造成西河分流比不断增加，东河分流比不断减小；余雯[3]分析了赣江尾闾工程对东河和西河的分流比的影响，得出东河疏浚工程有增大其过水能力的趋势；唐立模[4]根据多次实测的东西河分流比资料，分析得出西河口门入流条件和汊道内泄流能力均比东河明显改善和增强，导致西河分流比迅速增大；陈珺[5]通过对该河段水文、泥沙和地形演变资料的整理与分析，探讨了该河段的径流、输沙、水沙关系、分流比、冲淤变化、河床稳定性、演变影响因素及演变趋势。前人从多个方面分析了赣江尾闾各支分流比的影响因素，但是关于鄱阳湖水位变化对其影响的研究较少。本文基于Delft 3D软件，建立鄱阳湖及五河尾闾平面二维水流数学模型，分析赣江尾闾汊道分流比对鄱阳湖水位变化的响应规律。

2　模型建立

2.1　模拟软件

Delft 3D模型主要建立在Navier-Stokes的基础上，根据浅水流动特性，求解不可压黏性流体的输运方程组，将Navier-Stokes方程变成流体静压方程。方程求解主要利用ADI有限差分法，将时间上步长t分成两个半步长0.5t，在X方向前半步用隐格式进行求解，后半步用显格式求解;在Y方向前半步用显格式进行求解，后半步用隐格式求解，将系数矩阵化简为2个三角矩阵，再利用追赶法进行求解。主要特点是采用正交曲线网格，计算稳定、精度高，可以用于二维恒定和非恒定流模拟。控制微分方程组为

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

式中:t为时间;U、V、W分别为X,Y,Z方向上的速度分量;ρ为水的密度;Ω为柯氏力系数;Ve为有效黏性系数，表达式详见文献[6，7]。

2.2　模型设置

2.2.1　计算网格及地形

模型计算区域通过Delft 3D进行正交曲线网格划分，整个计算区域划分为743个×305个网格，其中赣江尾闾、修水、抚河、信江、饶河和湖口处网格大小为30～50m。鄱阳湖区网格大小为300～1200m。模拟区域的网格划分见图1(a)。由于实测地形资料不足，计算区域的地形由2013年赣江尾闾实测地形和2011年鄱阳湖湖区、修水、抚河、信江、饶河实测地形拼接而成，见图1(b)。

2.2.2　计算边界条件

模型进口边界共有7个，分别为位于修水的虬津水位站、潦水的万家埠水文站、赣江的外洲水文站、抚河的李家渡水文站、信江的梅港水位站、乐安河的虎山水文站、昌江的渡峰坑水文站。模型出口边界为鄱阳湖与长江连接处的湖口水文站,各水文站的位置见图1(a)。

3　模型验证

3.1　鄱阳湖及五河尾闾区域验证

由于鄱阳湖及五河尾闾的大范围同步水文测验资料较少，无法对研究区域进行流速和水位的同步验证。本文采用2011年研究区域各测站实测流量和水位资料进行验证计算。星子、康山、昌邑、波阳、外洲和蒋埠日水位为验证数据，对模型进行参数率定。模型计算步长为60s，“五河”和鄱阳湖入长江水道区域的计算糙率为0.02，鄱阳湖区的糙率为0.023，计算结果见图2。从图中可以看出，全年实测水位与计算结果吻合较好，除了枯水季节期间外洲、昌邑10—12月的模型模拟结果存在一定的误差。

3.2　赣江尾闾区域验证

赣江尾闾是模型研究的重点区域，本文采用2014年赣江尾闾两次水文测验资料进行模型验证，其中洪水期测验期间外洲站对应流量为9830m3/s(2014年5月6日)，中水期测验期间外洲站对应流量为4730m3/s(2014年6月5日)。

经对比2011年和2013年赣江尾闾地形发现，2011—2013年的地形变化不大，且2013—2014年的间隔较短，所以本文的验证计算均使用2013年赣江尾闾地形。

3.2.1　计算边界条件

上游边界为外洲水文站，提供流量资料，5个下游边界给定对应的水位资料。赣江尾闾区域14个测流断面见图3。其中赣江干流：GV1、GV2；西河河道：XZV1、XZV2；东河河道：NZV1；西支河道：XZV3、XZV4；北支河道：BZV1、BZV2；中支河道：ZZV1、ZZV2；南支河道：NZV2、NZV3和NZV4。

3.2.2　水位验证

西支、北支、中支和南支各个测流断面的实测和计算水位见表1。由表可知，计算结果与实测结果最大相差7cm，模拟结果准确性较好。

3.2.3　流速验证

断面流速分布验证结果见图4，计算结果与实测结果基本一致，主流位置吻合。

3.2.4　分流比验证

根据实测资料对东西河与四支的分流比进行验证，计算结果见表2和表3。东西河、西支北支、中支南支在洪水条件下计算分流比均与实测分流比较为接近，在中水条件下最大偏差为1.66%。

4　鄱阳湖水位变化对赣江尾闾汊道分流比影响分析

4.1　计算方案设定

根据统计资料，赣江外洲水文站多年平均洪峰流量为11637m3/s。因此，选取2012年外洲站与其较为接近的实测洪水资料作为本底。其中，2012年6月28日外洲水文站的流量为11200m3/s，对应的虬津水文站流量为100m3/s，万家埠水文站的流量为739m3/s，李家渡水文站的流量为1480m3/s，梅港水文站的流量为1850m3/s，虎山水文站的流量为1170m3/s，渡峰坑水文站的流量为1110m3/s。此时对应的湖口水位是15.814m。以此为基础，通过增加和降低湖口处的水位(每次增加或降低0.5m)来研究赣江尾闾各分汊河道的分流比和各支流量的变化，计算方案见表4。

4.2　鄱阳湖水位升高对汊道分流比影响分析

分流比计算结果见图5(a)。可以看出，随着湖口水位上升，东河分流比略为增大，西河分流比略为减小。西支分流比从46.3%减小至38.8%，减小幅度较大，北支分流比从8.1%增加至11.3%，增加幅度较大。中支分流比较为稳定，维持在27%左右，南支分流比维持在19%左右。发生以上变化的主要原因是：西支是赣江尾闾的主要航运通道，河道断面窄深，而北支较为宽浅，当湖口水位上升时，在西支和北支的分流点处流入北支的流量增加。根据各个典型断面，绘制出西支、北支沿程水面线图，见图6。从图中可以看出，在西支和北支的分流点之前，水位保持一致，在分流点以后，北支水位比西支低。在湖口水位增加的过程中，北支水位沿程下降得更快，但是与西支的水位差越来越小。

分析西支典型断面XZV3和北支典型断面BZV1，见表5。随着水位上升，西支断面的平均流速减小，断面的过流面积增大。北支断面BZV1，断面平均流速减小，流量增大，过流面积增大且增大幅度大于西支断面。这说明越来越多的水流在西支和北支的分流点处流入北支。

4.3　鄱阳湖水位降低对汊道分流比影响分析

分流比计算结果见图7(a)。随着湖口水位降低，东河分流比减小，西河分流比增大。西支分流比从46.3%增加至49.6%，鄱阳湖水位降低对西支分流比的影响小于鄱阳湖水位升高对西支分流比的影响，北支分流比从8.1%减小至5.2%。中支和南支分流比较为稳定，中支分流比为27%左右，南支分流比为19%左右。从图8和表6可以看出，西支典型断面水位降低，平均流速增大，流量增大，断面过流面积减小。北支断面较为宽浅，随着水位下降，进入北支的流量逐渐减少，北支断面的过流面积减小，流入北支的流量越来越少。

5　结论

本文基于Delft 3D软件，建立鄱阳湖及五河尾闾平面二维水流数学模型，计算和分析了外洲水文站给定相同流量下，升高和降低鄱阳湖区水位对尾闾汊道分流比的影响，得到以下结论：

(1)升高鄱阳湖区水位时，赣江东河分流比增大，西河分流比减小。降低鄱阳湖区水位时，赣江东河分流比减小，西河分流比增加。但是还是基本稳定在东河分流比在45%～50%之间，西河分流比在50%～55%之间。

(2)随着鄱阳湖水位的增加，西支分流比降低幅度较大，相应的北支分流比增加幅度较大。鄱阳湖水位降低时，西支分流比增加，北支分流比减小，鄱阳湖水位降低对西支分流比的影响小于水位升高对西支的影响。

(3)鄱阳湖水位的升高和降低对于中支分流比和南支分流比的影响较小，两支的分流比较为稳定，中支分流比维持在27%左右，南支分流比维持在19%左右。

本文主要考虑了赣江外洲站多年平均洪峰流量条件下，赣江尾闾汊道分流比对鄱阳湖水位变化的响应规律，下一步工作将继续研究在外洲站多年平均流量和枯水流量下，鄱阳湖水位变化对赣江尾闾汊道分流比的影响规律。

参考文献：

[1]　陈珺,陈界仁.赣江尾闾综合整治工程一、二维河网水流数学模型研究[R].南京：河海大学,2014.

[2]　陈界仁,张婧,罗春,等.赣江下游东西河分流比变化分析[J].人民长江,2010,41(6):40-42.

[3]　余雯,陈界仁.赣江南昌段东西河工程整治前后分流比变化研究[J].人民长江,2012,43(3):16-19.

[4]　唐立模,肖洋,周洪都,等.赣江东西河分流比影响因素研究[J].水利水运工程学报,2011,4(13):64-68.

[5]　陈珺,嵇敏,林江,等.赣江尾闾河段水沙特性及河床演变[J].水利水电科技进展,2012,32(3):1-5.

[6]　陆仁强,何璐珂.基于Delft 3D模型的近海水环境质量数值模拟研究[J].海洋环境科学,2012,31(6):877-880.

[7]　何瑛.基于Delft 3D模型的挟沙水流泥沙输运特征分析[J].水利科技与经济,2016,22(6):51-54.

Study on the Rules of Flow Diversion Ratios of the Ganjiang River Trail Channel Respond to Variation in Water Level of Poyang Lake

LI Xiaokun2,CHEN Jun1,2,LI Bin2,WANG Yuqi2

(1.State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University，Nanjing Jiangsu Province　210098;2.Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Hohai University，Nanjing Jiangsu Province　210098)

Abstract:The Ganjiang River formed complex branching channel before it enter the Poyang Lake.The flow diversion ratios have relationship with the channel stability,flood control safety,living water,planning of waterway and ecological security of water environment.So the study on the characteristic of flow diversion ratios of the Ganjiang River trail channel has important meanings.By structuring the two-dimensional Delft 3D model of Poyang Lake and five river(including Ganjiang River,Fuhe River,Xinjiang River,Raohe River and Xiushui River).The research shows that with the increasing the water level of Poyang Lake and the discharge is a constant,the flow diversion ratios of Xihe River decreases and Donghe River increases.Main river is getting smaller.On the condition of decreasing the water level of Poyang Lake,the flow diversion ratios of Xihe River increases and Donghe River decreases.The flow diversion ratios of Main River increases and Dongzhi River decreases.Analysing the influence of flow diversion ratios due to the different factor quantitatively and laying the theoretical foundation for the river management.

Key words:Flow Diversion Ratios;Branching Channel;Ganjiang River;Poyang Lake;Variation in Water Level