馮姍姍

(本溪市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117000)

1 概述

河岸侵蝕造成了重大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題。河岸的河流形態(tài)、水文和土壤分層使河岸侵蝕評(píng)估和河岸易受侵蝕位置的識(shí)別變得復(fù)雜[1- 2]。河岸侵蝕依賴于洪峰流量，同時(shí)不同物理過程的綜合作用，例如風(fēng)化、河流侵蝕和巖土不穩(wěn)定性，均導(dǎo)致河岸侵蝕。此外，如土壤性質(zhì)、凍融頻率、河岸結(jié)構(gòu)的地層、植被的類型和密度以及河岸坡腳河床沉積物的粒度，也顯著影響侵蝕過程[3- 5]。

用于預(yù)測(cè)粘性河岸水力侵蝕率的過度剪應(yīng)力方法，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)計(jì)算可蝕性系數(shù)和邊界剪應(yīng)力，以便準(zhǔn)確估計(jì)河岸侵蝕情況[6]。粘性土體臨界剪應(yīng)力的理論確定非常復(fù)雜，取決于粘粒含量和有機(jī)含量，以及間隙流體的組成等因素。因此，河流侵蝕預(yù)測(cè)的精確度取決于這些參數(shù)值的估算精度[7- 8]。

綜上所述，關(guān)于使用過度剪應(yīng)力方法來分析結(jié)構(gòu)措施對(duì)河岸侵蝕的影響較少。因此，本文的研究內(nèi)容為確定選定河段的可蝕性系數(shù)和臨界剪應(yīng)力之間的關(guān)系；使用過度剪應(yīng)力方法預(yù)測(cè)河岸侵蝕以及確定更易受侵蝕的位置。

2 研究內(nèi)容和方法

2.1 研究區(qū)概況

北沙河為太子河右岸最大的一條支流，流經(jīng)撫順、本溪、沈陽、遼陽等市縣，在燈塔市匯入太子河。在本溪市境內(nèi)北沙河主要流經(jīng)溪湖區(qū)及高新區(qū)，尤其高新區(qū)境內(nèi)北沙河為唯一主要河流。河流水量季節(jié)性變化明顯，汛期水量豐富，驟漲驟落，旱季則易干；河水含沙量較大，多年平均侵蝕模數(shù)為850T/km2，河床淺，河系分布復(fù)雜，河系干、支流分布性狀呈樹枝狀，縱橫交錯(cuò)，流域性狀系數(shù)小于0.5。

2.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和圖像分析

地理信息系統(tǒng)軟件中的圖像分析是評(píng)估河岸侵蝕的一項(xiàng)重要技術(shù)，已被許多研究人員廣泛使用。為了計(jì)算河岸侵蝕量，本文分析了分辨率為30m的增強(qiáng)型專題成像儀(ETM+)的大地衛(wèi)星圖像，所選圖像是在洪水模擬期前后采集的。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

采用CCHE(計(jì)算流體科學(xué)與工程中心)二維模型估算剪應(yīng)力，將數(shù)值模型結(jié)果與過度剪應(yīng)力方法相結(jié)合來估算河岸侵蝕。數(shù)值模型是模擬明渠非恒定流的二維水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)模型。該模型基于有限元網(wǎng)格系統(tǒng)，深度整合的二維方程控制水流計(jì)算，在笛卡兒坐標(biāo)系中，控制方程為公式(1)—(2)。

(1)

(2)

式中，u、v—x、y方向的速度分量，m/s；g—重力加速度，m/s2；z—水面高度，m；ρ—水的密度，kg/m3；h—水深，m；τxx、τxy、τyx、τyy—深度積分雷諾應(yīng)力和流動(dòng)表面上的剪應(yīng)力，N/m2。

3 數(shù)值建模和模型設(shè)置

使用二維數(shù)值模型的流動(dòng)模擬分兩步完成：①網(wǎng)格的生成；②通過定義初始和邊界條件以及參數(shù)設(shè)置來模擬模型。CCHE二維有限元模型使用不同的湍流閉合模型求解用于流動(dòng)模擬的深度積分動(dòng)量方程。通過耦合估算剪應(yīng)力的數(shù)值模型結(jié)果，使用過度剪應(yīng)力方法計(jì)算河岸侵蝕。

建模的地形數(shù)據(jù)集取自2009—2010年期間進(jìn)行的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)。橫斷面數(shù)據(jù)涵蓋了從左側(cè)外部河岸到右側(cè)河岸的河流斷面寬度，涵蓋了整個(gè)河流寬度。地形數(shù)據(jù)包含無坐標(biāo)的測(cè)量河床高程或測(cè)深(河床高程)數(shù)據(jù)。因此，在加載到數(shù)值模型之前，可用的地形數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中進(jìn)行了地理參考。通過使用軟件線性參考工具箱中的布線工具，在數(shù)字化的橫截面線上自動(dòng)生成測(cè)量點(diǎn)。自動(dòng)生成點(diǎn)的形狀文件屬性表中添加了緯度和經(jīng)度字段，這些坐標(biāo)值使用ArcGIS的字段計(jì)算器工具。然后，提取的點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和海拔值以所需的格式用于CCHE網(wǎng)格生成器，如圖1所示。

圖1 地形數(shù)據(jù)CCHE網(wǎng)格生成器中的數(shù)字化域邊界

3.1 初始和邊界條件

由于處理的計(jì)算能力有限，進(jìn)行了兩次單獨(dú)的模擬。測(cè)得的日流量數(shù)據(jù)被用作兩個(gè)獨(dú)立模擬的輸入過程線。在第二階段的模擬中，除了日流量數(shù)據(jù)之外，還考慮了每個(gè)洪水事件的流量數(shù)據(jù)。初始水位取245.3m，水位和開放邊界條件取為出口邊界條件，以允許模型基于運(yùn)動(dòng)波條件計(jì)算水位。河流和島的曼寧粗糙度系數(shù)值分別為0.033和0.032。

3.2 用過度剪應(yīng)力法估算河岸侵蝕率

通過將數(shù)值模型結(jié)果與過度剪應(yīng)力方法相結(jié)合，預(yù)測(cè)了岸坡侵蝕。剪應(yīng)力是通過日平均流量/洪水事件的數(shù)值模型模擬計(jì)算的。河床物質(zhì)顆粒尺寸的臨界剪應(yīng)力計(jì)算得0.018N/m2。

傾斜河岸上的泥沙顆粒不如河床上的穩(wěn)定。公式(3)用于解釋傾向于在傾斜河岸上向下移動(dòng)顆粒的重力：

(3)

式中，θ1—河岸坡度；Φ—沉積物的休止角，根據(jù)沉積物的大小估計(jì)為32°。

可蝕性系數(shù)K是使用公式(4)計(jì)算獲得。

(4)

式中，τc—臨界剪應(yīng)力，Pa。

當(dāng)河岸的所有參數(shù)(即可蝕性系數(shù)、臨界剪應(yīng)力)通過公式(3)、(4)估算得出，并且通過數(shù)值模型模擬施加的應(yīng)力。然后用公式(5)計(jì)算河岸侵蝕。

E=k(τa-τc)a

(5)

式中，E—橫向侵蝕率，m/s；k—可侵蝕性系數(shù)，m3/Ns；τa—流動(dòng)施加的剪應(yīng)力，Pa；τc—臨界剪應(yīng)力，Pa。

4 結(jié)果和討論

4.1 流速和剪應(yīng)力計(jì)算

由于河岸侵蝕的預(yù)測(cè)是基于過度剪應(yīng)力，因此，運(yùn)行該模型來估算選定持續(xù)時(shí)間內(nèi)每個(gè)洪峰事件沿河岸的河床剪應(yīng)力。用該模型預(yù)測(cè)的兩個(gè)洪峰的速度大小和速度矢量的等值線如圖2所示(圖2a為14小時(shí)的流入時(shí)，流量為4152m3/s；圖2b為模擬時(shí)間結(jié)束時(shí)，流量為4223m3/s)。結(jié)果表明，最大速度出現(xiàn)在丁壩鼻端附近，可達(dá)2.8m/s。丁壩減少了水流的截面積，因此在這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生了最大流速。右側(cè)分支通道的流速仍然高于左側(cè)，因此允許最大流量從該側(cè)通過。所以右側(cè)河道的河道斷面也比左側(cè)深。等高線還顯示，位于左岸丁壩上游的流速較低。但是在丁壩下游，由于流動(dòng)面積減小，流速更高。

圖2 不同流量下的速度矢量圖

通過每個(gè)洪峰/流量的數(shù)值模型模擬計(jì)算的研究河段的河床剪應(yīng)力如圖3所示。最大剪應(yīng)力也出現(xiàn)在丁壩的鼻端，其次是沿左岸丁壩的下游。

圖3 不同流量下模擬的河床剪應(yīng)力

河岸兩側(cè)的丁壩導(dǎo)致剪應(yīng)力增加，同樣，它們也導(dǎo)致流速增加。此外，由于每個(gè)洪水事件，在整個(gè)研究河段發(fā)現(xiàn)了與流速相似的剪應(yīng)力模式。臨界剪應(yīng)力是使用盾構(gòu)曲線通過使用沉積物中值粒徑計(jì)算的。中砂顆粒的臨界剪應(yīng)力估算為0.018N/m。河岸顆粒的臨界剪應(yīng)力與河床顆粒的臨界剪應(yīng)力不同。所以，公式(3)用于估算河岸上顆粒的臨界剪應(yīng)力。河岸土體的中等粒徑顆粒的臨界剪應(yīng)力估算為0.011N/m。

沿右岸的最大剪應(yīng)力在水壩下游約2500m處計(jì)算為4.0N/m2。在距離分別為2500、3450、4720m處，有3個(gè)位置的最大剪應(yīng)力。由于河道寬度收縮，選定河段的中部和下游河段的流速顯著增加[9- 10]。由于丁壩，右岸河道的寬度減少了，水流橫截面積的減小導(dǎo)致主河道中的水流加速。通常情況下，高紊流條件出現(xiàn)在丁壩鼻端附近。在這些位置，由于丁壩的設(shè)置，河岸侵蝕的可能性降低了。丁字也造成了再循環(huán)區(qū)，丁壩降低了河岸附近的剪應(yīng)力，增加了主河道的剪應(yīng)力。由于沉積作用，丁壩下游部分不會(huì)出現(xiàn)侵蝕，因?yàn)樵傺h(huán)區(qū)的存在有利于沉積，最終恢復(fù)被侵蝕的河岸。這些發(fā)現(xiàn)在實(shí)地考察中也得到了證實(shí)。

4.2 河岸侵蝕預(yù)測(cè)

不同方法得到的北沙河右岸的河岸侵蝕率如圖4所示。在壩下游約2500m處，右岸的最大侵蝕預(yù)計(jì)為18.7m。通過過度剪應(yīng)力方法預(yù)測(cè)的值比實(shí)測(cè)值小約4.5倍。

圖4 北沙河右岸河岸侵蝕率

由于顆粒間作用力的復(fù)雜性，不容易確定土壤可蝕性系數(shù)。土壤性質(zhì)，如分散度、土壤酸堿度、有機(jī)質(zhì)百分比等都會(huì)影響可蝕性和臨界剪應(yīng)力。因此，對(duì)原可蝕性系數(shù)關(guān)系進(jìn)行了修改，即通過驗(yàn)證使用過度剪應(yīng)力方法進(jìn)行預(yù)測(cè)和使用陸地衛(wèi)星圖像計(jì)算河岸侵蝕之間的最佳一致性，得到用于估算選定河段河岸的可蝕性系數(shù)的修正式，如公式(6)：

(6)

5 結(jié)論與建議

研究表明，采用二維數(shù)值模型與過度剪應(yīng)力計(jì)算相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)河岸侵蝕情況具有較好的適用性，有助于識(shí)別易受侵蝕的河岸位置，從而可針對(duì)易受侵蝕的局部河岸實(shí)施護(hù)岸工程，提高河岸穩(wěn)定性，防止河岸侵蝕的發(fā)生?？山梃b本方法預(yù)測(cè)類似條件的流域河岸侵蝕情況，在未來的研究中，可利用高分辨率衛(wèi)星圖像分析河岸侵蝕與低分辨率的遙感圖像之間的差異；可以建立不同泥沙粒徑和不同河型的河岸可蝕性系數(shù)，以合理的精度正確估算可蝕性系數(shù)；最后，為了保護(hù)河岸，建議分析丁壩高度和長度對(duì)河岸侵蝕的影響。