李娜，盧培歌，袁雯

(華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062)

水安全是城市生存和發(fā)展的前提，洪澇災(zāi)害控制始終是城市建設(shè)和水資源管理的基本目標(biāo)。一般而言，城市通過(guò)河網(wǎng)自然調(diào)蓄和管網(wǎng)－泵站系統(tǒng)共同承擔(dān)洪水調(diào)控，與城市化的進(jìn)程伴生的河流數(shù)量和面積的持續(xù)減少，城市河網(wǎng)的自然調(diào)蓄能力不斷受到削弱，河網(wǎng)的保護(hù)和河網(wǎng)功能的恢復(fù)越來(lái)越受到重視。

研究表明河流結(jié)構(gòu)與河網(wǎng)調(diào)蓄能力之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，河流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化顯著地降低河網(wǎng)的調(diào)蓄能力，而低等級(jí)河流的數(shù)量和長(zhǎng)度發(fā)育狀況與河網(wǎng)調(diào)蓄能力關(guān)聯(lián)更為密切［1］。程江等的研究認(rèn)為上海中心城區(qū)河道槽蓄容量較50余年前減少超過(guò)70%，河網(wǎng)水系調(diào)蓄能力的削弱加大了區(qū)域防洪排澇壓力［2－3］。高成等通過(guò)計(jì)算得出圩區(qū)河網(wǎng)的調(diào)蓄庫(kù)容和圩區(qū)排澇模數(shù)間的定量關(guān)系［4］。

目前，國(guó)內(nèi)外平原河網(wǎng)形態(tài)的變化，無(wú)不伴隨著城市化的進(jìn)程。人工河流是改變水系結(jié)構(gòu)、改善河網(wǎng)調(diào)蓄能力的水系綜合治理的主要工程措施。人工溝渠阻斷了橫向水文連通性，導(dǎo)致了流域景觀的破碎化，同時(shí)能夠加大縱向水文連通性，能調(diào)節(jié)洪峰徑流，減少洪災(zāi)發(fā)生［5］。合理設(shè)計(jì)人工河及人工河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，能將有限的水面土地利用調(diào)蓄洪水的能力放大。

模型模擬是研究河流結(jié)構(gòu)——功能關(guān)系的常用方法，方國(guó)華等采用明渠非恒定流控制方程和節(jié)點(diǎn)方程，建立了甬江流域平原感潮河網(wǎng)水利計(jì)算模型［6］?，F(xiàn)有的水環(huán)境模型軟件中，SOBEK因模塊化設(shè)計(jì)適用性強(qiáng)而被較多用于流域水文水環(huán)境模擬。王洪梅、谷曉偉、Daniel等借助SOBEK軟件分別建立了松花江水動(dòng)力模型、利津以下黃河水動(dòng)力模型、珠江口1D－3D水動(dòng)力模型，SOBEK模型在中國(guó)河流的適用性得到驗(yàn)證［7－10］。

近年來(lái)，我們開(kāi)展了平原河網(wǎng)地區(qū)河流結(jié)構(gòu)和功能的一系列研究工作，對(duì)河流功能和結(jié)構(gòu)之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了初步的統(tǒng)計(jì)分析［1，11－15］。檢索的文獻(xiàn)資料顯示，相關(guān)研究主要集中在現(xiàn)實(shí)河網(wǎng)水系調(diào)蓄水量的統(tǒng)計(jì)、估算及估算方法等方面，基于情景分析的方法探討河網(wǎng)結(jié)構(gòu)－調(diào)蓄能力的研究較欠缺。目前，SOBEK較多用于模擬主干型河流及河口，很少用于模擬河網(wǎng)水動(dòng)力。根據(jù)模型計(jì)算的多種河網(wǎng)結(jié)構(gòu)水動(dòng)力的結(jié)果，進(jìn)行河網(wǎng)結(jié)構(gòu)－功能的情景分析，是行之有效的研究方法。本文將在已有研究的基礎(chǔ)上，借助SOBEK模型集建立簡(jiǎn)化平原河網(wǎng)模型，通過(guò)設(shè)置不同的河流形態(tài)和結(jié)構(gòu)情景，模擬河網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)河網(wǎng)調(diào)蓄能力的影響，為基于調(diào)蓄目標(biāo)的河網(wǎng)改造和水系綜合整治提供定量化技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 水力模型

1.1.1 模擬區(qū)域

以平原河網(wǎng)發(fā)育典型的上海為參照區(qū)域構(gòu)建河網(wǎng)結(jié)構(gòu)－功能情景分析的模型。平原河網(wǎng)比降小，支流形態(tài)復(fù)雜，主干支流規(guī)模差距小，水系邊界模糊，流域面積難以確定。因此，將設(shè)計(jì)河網(wǎng)的河流沿岸緩沖區(qū)作為研究區(qū)域，此設(shè)定區(qū)域不參與模型水力計(jì)算，因此不對(duì)其進(jìn)行具體設(shè)定。設(shè)計(jì)研究區(qū)面積為8.4 km2，以此作為河面率計(jì)算的流域面積參數(shù)，由于研究結(jié)果用于不同情境的對(duì)比，此面積參數(shù)對(duì)研究結(jié)論沒(méi)有影響。

1.1.2 模型構(gòu)建

采用SOBEK模型集中的Rural模型構(gòu)建平原河網(wǎng)水力模型，分在8個(gè)模塊中逐步實(shí)現(xiàn)河流動(dòng)態(tài)模擬(圖1)。

圖1 一維河網(wǎng)模型建立流程

1.1.3 參數(shù)選擇

以上海市村級(jí)河流和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)河流參數(shù)的平均值為河網(wǎng)輸入?yún)?shù)。2000年上海全市水資源調(diào)查結(jié)果顯示鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)河道和村級(jí)河道面積304.96 km2，占上海市河道總面積百分比為64.5%［16］，同時(shí)，前期研究也表明河網(wǎng)調(diào)蓄能力與河網(wǎng)中低等級(jí)河流的長(zhǎng)度和密切相關(guān)，低等級(jí)河流調(diào)節(jié)能力大于高等級(jí)河流。因此，研究河網(wǎng)結(jié)構(gòu)－功能關(guān)系，選擇等級(jí)比較低的村級(jí)河流及鄉(xiāng)鎮(zhèn)河流較合適。

主干河流參數(shù)取自《蘇州河底泥污染與治理》［17］。支流設(shè)計(jì)中融合了生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，主要參考上海農(nóng)村河道水系整治工程中護(hù)岸標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)。

模型在各個(gè)設(shè)計(jì)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)均可輸出洪峰水位過(guò)程線或流量過(guò)程線，以輸入的上游洪峰水位在通過(guò)不同結(jié)構(gòu)河網(wǎng)后的降低值作為判斷河網(wǎng)調(diào)蓄能力大小的依據(jù)。

1.1.4 主要參數(shù)設(shè)置

(1)河道參數(shù)

主干河道:包括河道參數(shù)和初始水流參數(shù)，參照2003年蘇州河有關(guān)研究調(diào)查數(shù)據(jù)，主干河道最大水面寬度取25 m，直線距離為7.7 km，取上海市中級(jí)河道的平均曼寧系數(shù)0.03，常水深為2 m，斷面形狀如圖2a所示。

支流參數(shù):參照上海市典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)河流和村級(jí)河流設(shè)置支流輸入?yún)?shù)，最大河面寬取17 m。曼寧系數(shù)為0.035，區(qū)別與干道的曼寧系數(shù)。常水深為1.5～2 m，每條支流河道形狀由兩個(gè)斷面控制，使其河底高程為0～0.5 m。斷面形狀如圖2b所示。

圖2 河道橫切面*

支流入流點(diǎn)縱斷面中，干支流水位均保持2 m。為防止模型運(yùn)行中河道潰堤，干流渠道高6 m;支流堤高4.5 m。

(2)邊界參數(shù)

上邊界條件:輸入洪峰過(guò)程線(Q－t)，峰值水位為5.00 m(蘇州河歷史最高潮位5.22 m)。

下邊界條件:出水?dāng)嗝鏋楣潭ㄋ? m，主要考慮上海市寬淺河道常水位一般為2 m。

(3)輸出參數(shù):在下游距出水口500 m、1 000 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2(圖3)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處分別輸出洪峰過(guò)程線。兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可相互對(duì)照，避免系統(tǒng)不穩(wěn)定性帶來(lái)的輸出結(jié)果失真。

圖3 概化模型

1.2 模擬情景設(shè)計(jì)

表征河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)取河面率PR、支流交匯角度α(圖4)、支流交匯點(diǎn)位置、干支流配比、彎曲度。運(yùn)用控制變量法，逐一調(diào)整河網(wǎng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)，分析其相應(yīng)調(diào)整對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪峰水位模擬結(jié)果的變化。不同情景設(shè)置如下:

情景一:河面率不改變

(1)改變支流入?yún)R角度。構(gòu)建初始河流模型，即干流彎曲度為1.75(＜蘇州河最大彎曲河段的彎曲度1.99)，在兩岸沿上下游各設(shè)置一條一級(jí)支流。保證干流河面為總河面的60%以上，即保持水系為干流型水系。不改變支流入干流的位置、支流長(zhǎng)寬及干流各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整兩支流入干流的交匯角α，使α=15n(n=1，2，……，10)。分別紀(jì)錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2的洪水位，得到不同α影響下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值水位曲線。力最強(qiáng)的河流彎曲度。設(shè)置河流彎曲度以1/8為步長(zhǎng)，從1.25增長(zhǎng)至3.75。計(jì)算彎曲度每增長(zhǎng)1/8，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2的洪峰削減增量。

(2)不改變干流形態(tài)，以支流形式增長(zhǎng)研究區(qū)的河面率，探究最有效的河面率增長(zhǎng)范圍。不改變干流形狀和長(zhǎng)度，以添加支流的方式增加河面率，支流匯入點(diǎn)從干流中間向兩端均勻添加。河面率每增加1%，增加一級(jí)支流兩條，長(zhǎng)度為總增加長(zhǎng)度的1/2;增加二級(jí)支流兩條，長(zhǎng)度為總增加長(zhǎng)度的1/2，計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2的洪峰過(guò)程線。

(3)以支流形式增加河面率和以增加干流河寬的形式增加相同河面率，探究削峰邊際效益最好的河面率增加方式。初始值設(shè)為彎曲度1.5時(shí)的河面積，設(shè)置三種方案來(lái)增加相同的河面積:①不添加支流，改變河流本身彎曲度，使其彎曲度為1.75。②不添加支流，拓寬河流，使總河面積達(dá)到彎曲度為1.75時(shí)的河面。③不改變干流，添加兩條一級(jí)支流，使總河面達(dá)到彎曲度為1.75時(shí)的河面。記錄三種情形下監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2的洪峰過(guò)程。

2 結(jié)果和分析

圖4 交匯角α

2.1 河面率不變，河流結(jié)構(gòu)變化對(duì)河網(wǎng)調(diào)蓄能力的影響

2.1.1 支流匯入角越小，河網(wǎng)削峰能力越大

洪峰水位－交匯角曲線變化趨勢(shì)在兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處一致。監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪峰水位隨交匯角α的增大呈曲線上升趨勢(shì)，即支流的削峰能力隨α值增大呈下降趨勢(shì)(圖5)。這與茅澤育采用水槽實(shí)驗(yàn)方法得出的結(jié)論一致［18］。茅澤育通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出α為30°、45°、60°、90°時(shí)，支流的分流作用隨α值增大而增大，本文用模型計(jì)算方法驗(yàn)證了此規(guī)律。并將α取值序列延長(zhǎng)到150°，發(fā)現(xiàn)此規(guī)律依然成立。上海市中小河道目前多以直角交匯，是河網(wǎng)削減洪峰能力下降的一個(gè)原因。

(2)改變支流在干流上的交匯點(diǎn)位置，其削峰效果存在一定的差異。在距入水口河流總長(zhǎng)1/4處添加一條支流，計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2的洪峰過(guò)程線。移動(dòng)此支流交匯點(diǎn)至總長(zhǎng)的1/2、3/4處，再分別記錄下游兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的洪峰過(guò)程。

情景二:河面率在一定范圍內(nèi)逐步增大

(1)不設(shè)支流，河流直線距離相同的前提下，改變河流彎曲度，研究使河流單位面積削減洪峰能

圖5 不同α下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的洪峰值＊＊＊＊注:相同α?xí)r，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪峰值差值相對(duì)較大。為對(duì)比說(shuō)明兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的洪峰隨α變化趨勢(shì)同，采用主次坐標(biāo)分別繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的洪峰水位－α曲線。

2.1.2支流交匯口位置靠近干流上游時(shí)，洪峰削減能力較高

兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)處記錄的洪峰過(guò)程共同顯示了干流上游的支流削減主干洪峰的能力比干流下游支流大。圖6中顯示，下游監(jiān)測(cè)洪峰值隨支流交匯口位置向下移動(dòng)而遞增，洪峰削減量遞減。這與Cunge的動(dòng)力波演算方法推出洪峰在河道中既傳播又衰減的結(jié)論一致［19－20］。河道中，洪峰的傳播動(dòng)能和勢(shì)能同步衰減，使上游洪峰的傳播速度大于下游，上游排入支流的水量大于下游，因此上游的支流分洪作用大于下游。這一結(jié)果也初步驗(yàn)證了本次模擬結(jié)果在理論上的正確性。

圖6 洪峰過(guò)程

2.2 河面率以不同方式逐步增加，對(duì)河網(wǎng)有效調(diào)蓄能力的影響研究

2.2.1 干流彎曲度為1.2～2.8時(shí)，新增河面對(duì)洪峰的削峰能力增量呈上升趨勢(shì)

隨著彎曲度的增加，新增河面對(duì)洪峰的削峰貢獻(xiàn)率呈先升后降趨勢(shì)，擬合曲線顯示其拐點(diǎn)在彎曲度2.8處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2的記錄結(jié)果一致(圖7)。彎曲度為2.2～3.4時(shí)，增長(zhǎng)單位彎曲度削峰增量為0.27～0.30 m，削峰效率相對(duì)最高。擬合曲線上，彎曲度增至2.8附近時(shí)，增長(zhǎng)單位彎曲度削峰增量為0.30 m，削峰效率達(dá)到極點(diǎn)，如果河流調(diào)蓄洪水的效率設(shè)為削峰量與河面積的比值，那么，彎曲度為2.8時(shí)，河流調(diào)蓄洪水的效率最高。彎曲度偏小或偏大，增長(zhǎng)單位彎曲度洪峰削減量均下降。

圖7 洪峰削減量增加值曲線＊＊＊＊＊＊注:經(jīng)檢驗(yàn)，回歸擬合曲線在0.01水平上顯著。

彎曲度增大，削峰增量始終為正值，表明河流削峰能力隨自身彎曲度增大而加強(qiáng)。河道彎流以及摩擦阻力使洪峰能量下降，彎曲度增大彎流使洪峰能量損失越大;直線距離不變，彎曲度也與河道實(shí)際長(zhǎng)度及河床摩擦阻力呈正向關(guān)系，即彎曲度越大洪峰的能量損失越大，也即河流的削峰能力越強(qiáng)。

隨彎曲度增大，河道的新增儲(chǔ)水量上升，儲(chǔ)水量增加的速率變化趨勢(shì)為先升后降(圖8)。拐點(diǎn)在彎曲度2.93處，與圖7中顯示的拐點(diǎn)基本吻合，再一次驗(yàn)證了河流單位面積調(diào)蓄能力與河流彎曲度間存在緊密聯(lián)系。

圖8 河道儲(chǔ)水量增加值曲線

2.2.2 河面率為3%～5%時(shí)，河網(wǎng)單位水面積削峰效率最大

圖9顯示了河面率為3%～7.5%時(shí)，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的洪峰值。河面率從3%增長(zhǎng)至5%，河流洪峰隨河面率增大削減較快，單位河面積削峰效率較強(qiáng)。河面率在5%與6%之間為河網(wǎng)削峰效率由高到低的過(guò)渡段。河面率＞6%時(shí)，新增河面率的削峰貢獻(xiàn)不大。河面率為6%時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的洪峰值為2.02 m，接近常水位2 m，此時(shí)繼續(xù)增加河面率，水位變化很小。因模擬計(jì)算中，河面率計(jì)算基于設(shè)定的流域面積參數(shù)，計(jì)算所得河面率節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)因設(shè)定流域的性質(zhì)和面積大小可能有偏離，但仍然可以認(rèn)為河面率增加，河網(wǎng)調(diào)蓄洪峰的能力增強(qiáng)，單位河面積調(diào)蓄洪水的效率存在拐點(diǎn)，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的河面率因所選的研究區(qū)面積不同有偏離。

圖9 不同河面率影響下的兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪峰值

2.2.3 增加相同的河面積，以添加支流形式比增加干流彎曲度、拓寬干流更能有效提高河網(wǎng)削減洪峰的能力

根據(jù)情境二以三種方式增加相同的河面積進(jìn)行河網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2處的洪峰過(guò)程線如圖10所示。兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果均顯示，洪峰經(jīng)過(guò)河網(wǎng)調(diào)蓄后，方案一下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)洪峰水位最高，方案二次之，方案三最低。即通過(guò)添加支流提高河網(wǎng)削減洪峰的能力效果最顯著，拓寬干流河面次之。從水動(dòng)力學(xué)角度分析，支流不僅有分流作用減少主干的洪水流量，還使交匯口處產(chǎn)生紊流，使洪峰進(jìn)一步消能。拓寬河面主要使河流的蓄水能力加強(qiáng)，從而削減洪峰水位。河流彎曲度增大，彎流作用加強(qiáng)，則洪峰削減量增加，但效果相對(duì)不明顯。

圖10 洪峰過(guò)程線

3 結(jié)論與問(wèn)題

借助sobek模型的水力模擬，針對(duì)多種河網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)－功能的情景分析，結(jié)果表明增加支流尤其在干流上游增加支流可有效分洪，直角交匯角降低了河網(wǎng)調(diào)節(jié)洪峰能力。上海市人工河道目前多數(shù)是直角匯入，在河道整改過(guò)程中，若使α＜90°，則在相同河面率條件下也可能增大河道調(diào)節(jié)洪水的能力。河流彎曲度＞2.8時(shí)，單位河面調(diào)節(jié)洪水能力有下降趨勢(shì)，同時(shí)河道水力條件變化為以蓄水為主，易造成河道局部淤積和局部水質(zhì)惡化。因此，將河流的彎曲度保持在2.8以下，有利于保持河流自身健康并最大限度發(fā)揮河網(wǎng)的防洪排澇功能。在河面率5%～6%及以下的區(qū)域，若增加人工河湖，防洪邊際效益顯著。通過(guò)增加支流提高河面率是提高河網(wǎng)調(diào)蓄能力的相對(duì)最有效的途徑。

由于情境設(shè)計(jì)的局限，本文研究結(jié)果相應(yīng)存在局限性。文中僅對(duì)特定洪峰過(guò)程下的河網(wǎng)調(diào)蓄能力進(jìn)行了模擬計(jì)算，未考慮不同形狀洪水過(guò)程與河道的水力作用對(duì)調(diào)蓄能力的可能影響。采用上海河網(wǎng)平均參數(shù)構(gòu)建模型，參數(shù)間的耦合程度及計(jì)算精度尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證。開(kāi)展本模型的適用性驗(yàn)證，兼顧普遍性與區(qū)域典型性，是今后努力的方向。

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