李發(fā)孝

(江西省九江市廬山市水利局，江西 九江 332000)

0 引 言

下切河道的特點(diǎn)是河床的位置會(huì)因侵蝕的增加而降低[1]。河道切口可能是由河流梯度變陡、洪峰增加或侵蝕阻力降低等造成的[2]。復(fù)合河道通常建在下切河道的修復(fù)項(xiàng)目中。這種設(shè)計(jì)允許河流在高流量期間流過(guò)更寬的河道，并旨在降低河道中的流速和河床剪切應(yīng)力[3]。這種方法被用于江西省的某河道修復(fù)工程。

圖1所示為創(chuàng)建復(fù)合河道后，與修復(fù)工程中切割河道處的橫截面類似的典型橫截面。許多河流的修復(fù)工程都會(huì)由于河道不穩(wěn)定或試圖創(chuàng)造與現(xiàn)行河道不兼容的工程而失敗。因此，準(zhǔn)確計(jì)算最大河床剪應(yīng)力和河道中的剪應(yīng)力分布，對(duì)于獲得可靠的河道穩(wěn)定性估計(jì)從而進(jìn)行河道修復(fù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。為了解該建模方法的局限性，本研究評(píng)估了HEC-RAS模型在復(fù)合河道設(shè)計(jì)中的有效性。

圖1 修復(fù)工程前后的河床橫截面特征

本研究通過(guò)調(diào)查，為構(gòu)建的復(fù)合河道在阻止河道切割的有效性上提供了定量評(píng)價(jià)。首先，使用HEC-RAS對(duì)河道修復(fù)前、河道修復(fù)設(shè)計(jì)和河道修復(fù)后進(jìn)行建模，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。其次，將HEC-RAS得到的結(jié)果與三維流體動(dòng)力學(xué)模型UnTRIM得到的結(jié)果進(jìn)行比較，評(píng)估一維模型量化河道流速和剪切應(yīng)力的能力。最后，通過(guò)這些方法，本研究評(píng)估了河道修復(fù)工程在實(shí)現(xiàn)生態(tài)、地貌和水流輸送等目標(biāo)的有效性，并根據(jù)其在高流量條件下降低河道流速和河床剪切應(yīng)力的能力，評(píng)估一維模型的適用性及復(fù)合河道設(shè)計(jì)的有效性。

1 方 法

1.1 河道調(diào)查

本研究中的HEC-RAS用于模擬3種不同的河道情況: 河道修復(fù)前、河道修復(fù)設(shè)計(jì)和河道修復(fù)后。

盡管河道修復(fù)前和河道修復(fù)設(shè)計(jì)模型對(duì)整個(gè)工程都進(jìn)行了評(píng)估，但本研究的分析主要關(guān)注于工程上游的流量。提取河段內(nèi)與河道修復(fù)后的同一橫斷面特征進(jìn)行比較。在3種河道情況下，HEC-RAS被用于計(jì)算2、25和100年重現(xiàn)期的流量下的水面剖面。擬選用的相應(yīng)的流量分別為18.4、58.0和121.8 m3/s。

1.2 棱形河道

基于河道修復(fù)前和河道修復(fù)后的橫截面，開(kāi)發(fā)了直棱柱形切割方法和圖1中的復(fù)合河道。無(wú)論在上游還是下游，該河道斷面的河段相對(duì)較直，就洪泛區(qū)和河道的寬度和深度而言，整個(gè)河段的幾何形狀一致。因此，棱柱形河道是進(jìn)行河道修復(fù)工程的一種合理選擇。

為了便于模型之間的比較，通常將下游水面高度設(shè)定為正常深度。HEC-RAS和UnTRIM的邊界條件是相同的。并使用這兩個(gè)模型均模擬了58 m3/s的河流流速。對(duì)于一維模型，模擬中選取的曼寧系數(shù)為0.03，并應(yīng)用于河道和河岸區(qū)域。對(duì)于三維模型，通過(guò)校準(zhǔn)每個(gè)河道中的水面來(lái)確定合適的河床粗糙度，以匹配來(lái)自一維模型中的數(shù)據(jù)，以確保一維模擬和三維模擬中由于摩擦導(dǎo)致的能量損失幾乎相同。

2 結(jié) 果

2.1 項(xiàng)目實(shí)施后的調(diào)查和評(píng)估

通過(guò)調(diào)查低流量河道河床的縱向剖面和6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，收集和審查該地點(diǎn)的歷史航空攝影和相關(guān)水文數(shù)據(jù)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，低流量河道剖面最顯著的變化是在進(jìn)行修復(fù)工程之前河道的深切口已經(jīng)不再發(fā)生變化，且發(fā)現(xiàn)河床形式變得更加動(dòng)態(tài)，隨著時(shí)間的推移，河床形式隨著沉積物、水文和植被的變化而變化。

2.2 河道調(diào)查

表1給出使用HEC-RAS預(yù)測(cè)的上游河道流速和河道剪切應(yīng)力在橫截面上的平均值。由表1可以看出，在河道修復(fù)工程中和修復(fù)完成后進(jìn)行預(yù)測(cè)的平均河道流速比修復(fù)前預(yù)測(cè)的低?？偟膩?lái)說(shuō)，河道修復(fù)工程中和修復(fù)完成后的結(jié)果基本相同。這表明，當(dāng)根據(jù)河道流速和河道剪切應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估時(shí)，基于修復(fù)工程建造的河道的性能和修復(fù)設(shè)計(jì)之間非常匹配。

由表1可以看出，雖然根據(jù)HEC-RAS模型預(yù)測(cè)到修復(fù)工程的建設(shè)會(huì)導(dǎo)致平均河道流速下降，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致河床剪切應(yīng)力增加。修復(fù)工程設(shè)計(jì)和修復(fù)后的河道剪切應(yīng)力相對(duì)于修復(fù)前會(huì)增加，這表明項(xiàng)目施工后河道的切口會(huì)變大，這一結(jié)果與后期調(diào)查的情況并不相同。由調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目建成之后，河道一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，河道切口并沒(méi)有持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

表1 上游設(shè)計(jì)流量下的HEC-RAS計(jì)算結(jié)果

2.3 棱形河道

表2比較了使用UnTRIM和HEC-RAS在棱形河道上計(jì)算的平均下游流速和河床剪切應(yīng)力。對(duì)于修復(fù)前的河道，使用HEC-RAS預(yù)測(cè)的平均河道流速與使用UnTRIM計(jì)算的差異小于4%。對(duì)于修復(fù)后的河道，差異約為2.6%。左右河漫灘流速的平均值分別相差6.2%和3.4%。UnTRIM預(yù)測(cè)的主河道流量略高于HEC-RAS，河漫灘的流量略低于HEC-RAS。

表2 不同模型在棱形河道上的平均流速和河床剪切應(yīng)力

下切河道修復(fù)前的預(yù)測(cè)河床剪切應(yīng)力見(jiàn)圖2。對(duì)于HEC-RAS，預(yù)測(cè)了整個(gè)河道河床剪切應(yīng)力的單一平均值。在UnTRIM模擬中，使用近河床速度計(jì)算每個(gè)水平網(wǎng)格單元的河床剪切應(yīng)力。修復(fù)后復(fù)合河道的預(yù)測(cè)河床剪切應(yīng)力見(jiàn)圖3。對(duì)于HEC-RAS模擬，對(duì)河道進(jìn)行細(xì)分，分別預(yù)測(cè)河道和河漫灘區(qū)域的河床剪切應(yīng)力。在UnTRIM模擬中，沒(méi)有進(jìn)行單獨(dú)的河道細(xì)分。由表2可知，HEC-RAS預(yù)測(cè)的復(fù)合河道中的平均河道剪切應(yīng)力相對(duì)于下切河道會(huì)增加5%，而UnTRIM預(yù)測(cè)的平均河道剪切應(yīng)力會(huì)減少7%，最大剪切應(yīng)力減少24%。

圖2 河道修復(fù)前的剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)值

圖3 河道修復(fù)后的剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)值

3 結(jié) 論

通過(guò)研究表明，采用復(fù)合河道的設(shè)計(jì)可以成功阻止河道進(jìn)一步的切割，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)修復(fù)地貌、生態(tài)和水流輸送的目標(biāo)。然而，在復(fù)合河道設(shè)計(jì)中使用的HEC-RAS模型存在一定的缺陷，限制了一維模型評(píng)估復(fù)合河道河床剪切應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

UnTRIM證明了三維建模在評(píng)估河道流速和河床剪切應(yīng)力變化的能力。由UnTRIM模擬中預(yù)測(cè)的結(jié)果可以看出，修復(fù)工程的設(shè)計(jì)和施工成功降低了河道中的最大河床剪切應(yīng)力。雖然三維模型的計(jì)算時(shí)間比一維或二維模型的更多，但三維模型預(yù)測(cè)的河道流速和河床剪切應(yīng)力的精度更高。本研究中的分析表明，三維模型更有利于準(zhǔn)確量化復(fù)合河道設(shè)計(jì)在降低下切河道河床剪切應(yīng)力方面的有效性。