朱燕萍

(南昌市水利電力建設(shè)公司，江西 南昌 330000)

1 研究區(qū)概況

F江上游水流深切，河谷兩岸峰巒疊嶂，流域所在區(qū)域主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，年氣溫均值在15～19 ℃，年降水量均值為800～1200 mm，冬季溫和濕潤(rùn)，夏季高溫多雨，流域徑流以大氣降水為主要來(lái)源。在F江上游流域數(shù)字高程模型上，以流域源頭為起點(diǎn)，以干流河道為中心線，與干流河道東西側(cè)分別相距5000 m為分析區(qū)。沿長(zhǎng)軸將此條帶狀區(qū)域內(nèi)劃分成100個(gè)段落，并進(jìn)行各段落海拔點(diǎn)高程最大值統(tǒng)計(jì)，以得到海拔高程剖面，以該剖面值代表F江下蝕后的山頂殘留面，該殘留面和F江下蝕后的河床面高程差即為F江下切深度?；趯?duì)不同河段下切深度的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行F江上游干流河道地貌類型劃分以及下切速率計(jì)算，從而對(duì)復(fù)合河道設(shè)計(jì)對(duì)河道流速及河床剪切應(yīng)力降低有效性進(jìn)行分析。

根據(jù)圖1所示，F(xiàn)江上游流域條帶剖面情況，可以將該流域流經(jīng)區(qū)域劃分成山脈區(qū)、高原區(qū)和低丘平壩區(qū)三個(gè)地貌單元。與起點(diǎn)相距67.5 km處為地形陡變區(qū)，山頂面海拔高程從4.5 km以上驟降至2.4 km。根據(jù)河道坡降指數(shù)計(jì)算公式，該段河道坡降指數(shù)為2.81，河段主要流經(jīng)高原區(qū)，與山脈區(qū)相比地形起伏減小；此后進(jìn)入低丘平壩區(qū)，山頂面高程突降至600～750 m，河道坡降指數(shù)減小至0.18。

圖1 F江上游流域條帶剖面圖

2 分析思路及方法

本文應(yīng)用HEC-RAS一維模型分別對(duì)河道修復(fù)前后進(jìn)行模型構(gòu)建及相應(yīng)計(jì)算，將所得出的結(jié)果和UnTRIM三維流體動(dòng)力學(xué)模型結(jié)果進(jìn)行比較，以便進(jìn)行河道流速及剪切應(yīng)力的評(píng)估。最后基于相關(guān)分析，評(píng)估高流量條件下河道流速及河床剪切應(yīng)力降低能力以及河道修復(fù)工程在生態(tài)、水流輸送、地貌等方面的適用性和有效性。

本文所采用的HEC-RAS模型可進(jìn)行河道修復(fù)前后實(shí)際狀況的模擬，提取河段內(nèi)及河道修復(fù)后同一斷面特征進(jìn)行比較。河道修復(fù)前后上下游橫斷面河段相對(duì)較直，包括洪泛區(qū)在內(nèi)的整個(gè)河段幾何形狀基本一致，所以河道修復(fù)中棱柱形河道是合理選擇。

為進(jìn)行模型對(duì)比，一般假設(shè)下游水面高度為正常深度，HEC-RAS模型和UnTRIM三維流體動(dòng)力學(xué)模型邊界條件相同。通過(guò)兩個(gè)模型進(jìn)行河流流速為58 m3/s時(shí)的河道運(yùn)行情況模擬，一維模型中曼寧系數(shù)取0.03；三維模型中通過(guò)河道水面校準(zhǔn)而進(jìn)行河床粗糙度模擬，以匹配一維模型分析結(jié)果，從而保證一維模型和三維模型中摩擦能量損失一致。

3 分析過(guò)程及結(jié)果

通過(guò)對(duì)低流量河道河床縱向剖面及監(jiān)測(cè)斷面的調(diào)查，收集并審查所取得的歷史航空攝影及水文數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，低流量河道剖面在河道修復(fù)工程實(shí)施前深切口已經(jīng)不再變化，且河床動(dòng)態(tài)程度明顯增大；河床形式主要隨著水文、沉積物、植被等的變化而變化。

3.1 河道調(diào)查

HEC-RAS模型所預(yù)測(cè)的上游河道流速及河道剪切應(yīng)力在橫截面的均值詳見(jiàn)表1。根據(jù)表中結(jié)果，河道修復(fù)過(guò)程中及修復(fù)后所測(cè)得的流速均值比修復(fù)前低；總體而言，河道修復(fù)過(guò)程中和修復(fù)后的結(jié)果較為接近。這意味著根據(jù)河道流速和剪切應(yīng)力進(jìn)行有效性評(píng)估時(shí)，修復(fù)后的河道性能和修復(fù)設(shè)計(jì)十分匹配。此外，根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果還可以看出，根據(jù)HEC-RAS模型預(yù)測(cè)，河道修復(fù)工程的實(shí)施將使河道流速均值下降，但也會(huì)使河床剪切應(yīng)力增大，這意味著修復(fù)工程實(shí)施后會(huì)使河道切口增大，該結(jié)論和后期實(shí)地調(diào)查結(jié)果并不吻合。根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，修復(fù)工程實(shí)施后河道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，河道切口也無(wú)任何增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表1 HEC-RAS計(jì)算結(jié)果

3.2 下切深度及速率

河流下切深度是山頂殘留面和河床面海拔高程差(圖1中灰色區(qū)域)，根據(jù)F江上游河流下切深度變化趨勢(shì)特征，不同地貌區(qū)河道下切深度差異較大：山脈區(qū)、高原區(qū)及低丘平壩區(qū)河流下切深度均值依次為1841 m、1089 m和132 m；此外，不同地貌區(qū)河流切割深度變化趨勢(shì)基本穩(wěn)定，且與所在地貌單元表面隆升幅度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隆升幅度越大，河道下切深度也越大；反之則越小。

在得知不同地貌區(qū)河道下切深度的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行F江干流河道相應(yīng)區(qū)域下切速率的推求，根據(jù)推求結(jié)果進(jìn)一步推定F江形成時(shí)間。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)F江山前沖積扇進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，認(rèn)為最古老的沖積扇由含石英巖、閃長(zhǎng)巖等成分的黃褐色、灰褐色松散礫石組成，并以鈣泥質(zhì)膠結(jié)為主要填隙物；通過(guò)采集沖積扇沉積樣品并進(jìn)行埋藏年代的測(cè)試和分析發(fā)現(xiàn)，其礫石最早沉積年代為1.84 Ma。此外F江沖積扇發(fā)育的礫石層膠結(jié)程度類似于大邑礫巖；并根據(jù)河段不同地貌區(qū)下切深度和形成時(shí)間得到山脈區(qū)、高原區(qū)和低丘平壩區(qū)等地貌單元河流下切速率依次為0.99 mm/a、0.59 mm/a和0.07 mm/a[1-2]，也就是說(shuō)，F(xiàn)江河道不同地貌區(qū)下切速率差異較大，并與下切深度變化趨勢(shì)吻合；F江下切速率和隆升幅度之間明顯正相關(guān)，即隆升幅度越大，河流下切速率也越大。

3.3 下切過(guò)程的控制因素

地表隆升、氣候轉(zhuǎn)濕及侵蝕基準(zhǔn)面下降均為河道下切過(guò)程的控制性因素，其中，地表隆升是基層褶皺變形、斷裂活動(dòng)等內(nèi)力作用的結(jié)果，而其余因素則是大氣圈層活動(dòng)等外力作用的結(jié)果。考慮到流域下蝕局部侵蝕基準(zhǔn)面控制了所在區(qū)域地形及河流下切速率，整個(gè)F江為微觀水系系統(tǒng)，即便是水系發(fā)育受到氣候和侵蝕基準(zhǔn)面變化的影響，這種影響和控制對(duì)于整個(gè)流域而言應(yīng)當(dāng)是一致的。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，將侵蝕基準(zhǔn)面下降、氣候轉(zhuǎn)濕等外力作用視為F江下切過(guò)程的約束性常量C，則F江河流下切速率和表面隆升之間存在定量關(guān)系，如式(1)：

Ve=Vu×C

(1)

式中：Ve為F江上游干流下切速率，mm/a；Vu為F江上游河道隆升速率，mm/a。通過(guò)對(duì)流域所在地區(qū)表面隆升速率的反演，高原地區(qū)表面隆升速率在0.11～0.20 mm/a之間，隆升變化基本穩(wěn)定；沖積平原區(qū)表面隆升速率在0.03～0.05 mm/a之間，隆升速率更小。根據(jù)F江上游河道所流經(jīng)地貌區(qū)的隆升速率及河道下切速率，可以計(jì)算出F江下切過(guò)程受氣候轉(zhuǎn)濕及侵蝕基準(zhǔn)面下降等外力作用的約束系數(shù)的變化范圍，具體見(jiàn)表2。根據(jù)表中結(jié)果，F(xiàn)江上游河道流經(jīng)山脈區(qū)、高原區(qū)及低丘平壩區(qū)等不同地貌區(qū)，且地表隆升等內(nèi)在因素和其余外在因素對(duì)河道下切的影響程度基本一致，在流域上游河道下切過(guò)程中，內(nèi)在因素和外在因素的貢獻(xiàn)比基本保持在1∶2.6，也就是說(shuō)，流域上游河道對(duì)所流經(jīng)地表的總體切割程度的影響因素中，構(gòu)造隆升等內(nèi)在因素的貢獻(xiàn)約為28%，氣候轉(zhuǎn)濕及侵蝕基準(zhǔn)面下降等外在因素的貢獻(xiàn)約為72%[3]。

表2 外力作用的約束系數(shù)的變化范圍

3.4 復(fù)合河道流速均值和河床剪切應(yīng)力模擬

在進(jìn)行F江上游河道下切情況量化分析的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)行河床剪應(yīng)力最大值及剪應(yīng)力分布情況的準(zhǔn)確計(jì)算，以便對(duì)河道穩(wěn)定性及修復(fù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行合理評(píng)估。HEC-RAS模型和UnTRIM三維流體動(dòng)力學(xué)模型所得到的棱形河道下游流速均值及河床剪切應(yīng)力結(jié)果詳見(jiàn)表3。根據(jù)比較，河道修復(fù)前HEC-RAS模型所測(cè)得的流速均值比UnTRIM模型小4.0%；修復(fù)后小2.5%。修復(fù)后HEC-RAS模型所測(cè)得的左右河漫灘流速均值比UnTRIM模型分別高6.2%和3.4%。

下切河道修復(fù)前及修復(fù)中所預(yù)測(cè)的河床剪切應(yīng)力具體見(jiàn)圖2。HEC-RAS模型主要預(yù)測(cè)的是河道整體河床剪切應(yīng)力單一均值；而UnTRIM模型主要通過(guò)近河床速度進(jìn)行各水平網(wǎng)絡(luò)單元河床剪切應(yīng)力計(jì)算。修復(fù)后的復(fù)合河道河床剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)圖3，圖中HEC-RAS模型在河道細(xì)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行河道和左右漫灘河床剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)；而UnTRIM模型并未進(jìn)行河道細(xì)分。

圖2 河道修復(fù)前和修復(fù)中剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)情況

圖3 河道修復(fù)后剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)情況

4 結(jié) 論

進(jìn)行復(fù)合河道設(shè)計(jì)能有效阻止河道持續(xù)切割、河床沖刷，也能達(dá)到地貌、水土保持、生態(tài)修復(fù)及水流輸送的目標(biāo)。但是采用HEC-RAS模型進(jìn)行復(fù)合河道設(shè)計(jì)時(shí)存在明顯缺陷，對(duì)一維模型評(píng)估復(fù)合河道河床剪切應(yīng)力的準(zhǔn)確度存在限制。UnTRIM三維流體動(dòng)力學(xué)模型可真實(shí)反映河道流速及河床剪切應(yīng)力變化趨勢(shì)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，河道整治修復(fù)工程的設(shè)計(jì)及實(shí)施能有效降低河床剪切應(yīng)力，防止河床沖刷。三維模型計(jì)算過(guò)程比一維和二維模型更加耗時(shí)，但三維模型對(duì)河道流速及河床剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)的精確度更高，并可對(duì)復(fù)合河道設(shè)計(jì)在降低下切河道河床剪切應(yīng)力方面的有效性進(jìn)行準(zhǔn)確量化。通過(guò)以上分析研究，復(fù)合河道的設(shè)計(jì)可有效降低河道沖刷，減少自身水土流失的產(chǎn)生，復(fù)合河道增加了河道兩岸綠植面積，可有效攔截周邊泥沙，河道生態(tài)、保持水土功能得到進(jìn)一步提升。