洞庭湖草尾河航道碍航特性分析

刘方舟，乾东岳，普晓刚，张明

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

1 前言

草尾河茅草街至鲇鱼口73km 河道可分为河、湖两段（见图1），其中茅草街至泥湾57km 为上段，两岸有防洪大堤，具有河道属性；泥湾至鲇鱼口16km 为下段，是洞庭湖的一部分，具有河湖双重属性。草尾河两端水位差较大，河湖双重属性作用下易形成“陡坎”。该段是洞庭湖区历次航道整治的重点滩险之一。经过多年发展，该航段基本满足Ⅲ级航道标准，可通航1000t 级船舶。不过近年来受湖区水沙情势变化和河道采砂等高强度人类活动的综合影响，灵官咀及其以下河段航道整治竣工地形受到严重破坏，导致阿弥石至灵官咀河段通航条件又急剧恶化，枯水期需助航上滩。

图1 草尾河河道形势及滩险位置图

为适应沿江经济发展和船舶大型化需要，湖南省水运“十三五”建设规划要求沅水常德至鲇鱼口213km 航段进一步扩大航道尺度和提升通过能力，将航道等级由Ⅲ级提升至Ⅱ级（3.0m×75m×360m，水深×航宽×弯曲半径），其中茅草街至鲇鱼口73km 的航道是沅水常德至鲇鱼口Ⅱ级航道建设中的关键性工程之一，为研究航道条件恶化的成因，避免航道扩能升级后航道条件再次恶化，建立平面二维水流数学模型对现状河道开展数值模拟计算研究。

2 平面二维水流数学模型的建立与验证

2.1 模型基本方程

平面二维水流模型基本方程可表示成如下通用微分方程式，即：

2.2 模拟范围与计算网格

建立了草尾河航道平面二维水流数学模型，模型进口位于草尾水文站附近，出口位于泥湾附近，模拟河段长约60km，共布置1570×196 个网格，并对航道区域及滩险河段进行加密处理，加密后纵向尺度一般为20～50m，横向尺度一般为4～8m。数学模型计算范围见图2所示。

图2 数学模型计算河段1/10 网格图

3 现状水流特性计算分析

3.1 计算条件

因高水期草尾河水面平缓，船舶航行情况较好，故数学模型重点针对中枯水期航道条件进行研究，根据河道来流情况，确定了6 种计算工况（表1）。

表1 数学模型计算工况

3.2 现状水流特性计算分析

3.2.1 河道水位

在计算条件下，草尾至泥湾河段水位落差1.26～6.97m，水位落差呈现随流量增大而逐渐减小的规律。草尾流量460 m/s 时，水位落差最大，为6.97m，草尾站水位26.11m。

图3 现状情况各工况条件下河段水面线

3.2.2 河道比降

随着流量增大，草尾至泥湾河段局部最大比降趋于减小。在设计最小通航流量Q=460m/s 时，河段局部最大比降最大，为3.47‰；在流量增大到1500m/s 时，局部最大比降已降至1‰以下。

流量Q ≤700m/s 时，阿弥石至漉湖河段局部比降较大，其中灵官咀滩、阿弥石滩、漉湖滩局部最大比降分别为3.47‰、2.06‰、0.81‰，其它河段水流较为平缓，局部比降最大为0.56‰；流量Q=1000m/s 时，阿弥石滩局部最大比降为1.27‰，灵官咀滩、漉湖滩局部最大比降分别减小至0.57‰、0.42‰，其它滩段局部比降最大为0.47‰；在流量Q ≥1500m/s 时，全河段局部最大比降位置位于四码头附近，阿弥石至漉湖河段局部最大比降小于0.5‰。

3.2.3 航槽水深

图4给出了草尾站为设计最小通航流量Q=460m/s、鹿角站为设计最低通航水位19.09m 条件下航槽的最小水深。由图可见，黄茅洲至漉湖河段，现状情况下大部分航段（约24.7km）不能满足3m 设计航深的要求，其中灵官咀河段沿程最小水深一般在2m 左右，比设计水深小1m；上塞湖河段沿程最小水深一般在2.5m 左右，比设计水深小0.5m；净下洲至黄茅洲河段沿程最小水深一般在2.6～2.8m，比设计水深小0.4～0.2m。黄茅洲以上至草尾河段、泥湾以下河段沿程最小水深一般大于3m，水深条件较好。

图4 研究河段航槽最小水深沿程变化图

3.2.4 河道流速

草尾至黄茅洲间长约15km，河道微弯，河槽单一，水面平缓，Q ≤3000m/s 时，流速小于2m/s，枯水河面宽度最小约200m，通航水流条件较好。黄茅洲至上塞湖河段流速一般小于1.5m/s，主流也比较平顺。阿弥石至漉湖6km 河段，河床起伏较大，且岸线不规则，对水流流态有一定影响，如阿弥石河段水流比较紊乱（图5），灵官咀枯水有明显的急流（图6），左岸有明显的回流。漉湖以下开始进入湖区，因受采砂等影响，床面较低，水流流速较小，通航水流条件较好。

图5 现状情况Q=460m3/s 条件下阿弥石河段流场

图6 现状情况Q=460m3/s 条件下灵官咀河段流场

流量Q ≤1000m/s 时，灵官咀是全河段流速最大的河段，且最大流速呈随流量增大流速减小态势；流量Q ≥1500m/s 时，全河段流速最大区域位于黄茅洲至草尾水文站之间，且最大流速呈随流量增大流速增大态势。在计算的各工况条件下，以工况1 设计最小通航流量Q=460m/s 条件下，灵官咀河段流速最急，最大流速达3.21m/s。

3.3 碍航特性分析

现状条件下草尾河水流特性与上滩能力计算成果表明，枯水期水位落差集中在阿弥石至灵官咀河段：

（1）阿弥石河段呈连续急弯河势，河槽窄深、上下湾顶对峙，在设计最小流量时最大局部比降2.06‰，最大表面流速2.60m/s，流态紊乱、水流冲岸，最小航槽水深不能满足Ⅱ级航道尺度要求，具有枯水急、浅、险多重碍航特性。

（2）灵官咀河段为顺直河段，灵官咀中段深泓陡降，形成跌坎。枯水期局部最大比降3.6‰，最大表面流速3.28m/s，急流碍航。因灵官咀上接阿弥石连续弯道段，灵官咀进口段形成回流碍航流态。

（3）草尾至鲇鱼口拟建航道等级为Ⅱ级，保证率98%，设计航道尺度为3.0×75×360m。在航道等级由Ⅲ级提升至Ⅱ级后，航道水深将由2.0m 提高到3.0m。现状情况下黄茅洲至漉湖河段，大部分航段（约24.7km）不能满足3m 设计航深要求，主要为枯水浅滩。

4 结论及建议

采用平面二维水流数学模型对草尾河开展数值模拟计算，计算结果表明：

（1）近年来灵官咀及其以下河段出现大面积河床非自然下切。局部河床非自然下切在灵官咀河段形成陡坎。因枯水期洞庭湖水位较低，草尾河两端水位落差大，加之灵官咀及其以下河段深泓陡降，导致草尾河水面比降集中于陡坎以上的阿弥石至灵官咀河段，枯水成滩。

（2）草尾河下段约24.7km 不能满足3m 设计航深要求，且整个河段水位落差主要集中于阿弥石至灵官咀段，该段是影响草尾河下段水位的关键节点。节点河床浚深或拓宽，易导致阿弥石以上河段枯水水位大幅下降，需慎重考虑该段航道整治措施。

（3）根据碍航特性与成因分析，拓宽与浚深阿弥石至灵官咀段河槽仅可改善局部水流条件，且易导致碍航点上移。通过修复灵官咀及其以下河段采砂坑，营造平缓的枯水水位，减小阿弥石至灵官咀河段水位落差，可系统解决草尾河枯水碍航的问题。