長(zhǎng)江浦口段江灘復(fù)綠對(duì)河道行洪能力的影響

王玲玲，姜兆宇，韓建軍，胡禮涵

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

長(zhǎng)江浦口段江灘復(fù)綠工程位于南京市浦口區(qū)濱江岸線北岸13.9 km江灘上，該江段灘淺槽深，江心洲發(fā)育，北岸平均灘寬約350 m，南岸平均灘寬約150 m，平均槽寬2 500 m，這類灘槽寬度比小于1的河道稱為窄灘復(fù)式河道[1]。江灘上原有的39家船廠拆除后，環(huán)境雜亂、場(chǎng)地硬質(zhì)化高，廠址與江灘上零星的原生植被相間分布，阻斷了連續(xù)性濱水綠道。為改善沿岸生態(tài)環(huán)境、提升江灘景觀性，對(duì)原有船廠遺址區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)地平整，并對(duì)江灘進(jìn)行人工復(fù)綠。而江灘灌木、喬木的種植，將減小復(fù)式河道的過流面積，增加水流阻力[2-5]。長(zhǎng)江來水大于平灘流量時(shí)，洲灘開發(fā)利用工程會(huì)引起整個(gè)河道水位的明顯抬高[6]，對(duì)行洪產(chǎn)生不利影響。但是這類復(fù)綠工程的影響程度時(shí)空分布不均，規(guī)律難以量化，影響因素眾多[7-9]。黃本勝等[10]研究發(fā)現(xiàn)珠江三角洲復(fù)式河道河灘植被帶進(jìn)口處水位顯著壅高，以此建立經(jīng)驗(yàn)公式，用于估算上游水位最大壅高值與灘地和全斷面過水面積之比的關(guān)系。石月珍[11]通過對(duì)稱雙邊灘地的復(fù)式河道物理模擬試驗(yàn)，研究了不同水深和灘地種樹密度條件下灘槽流量分配比的變化。王忖[12]通過水槽試驗(yàn)研究了有剛性植被的復(fù)式斷面河道水流，發(fā)現(xiàn)灘地種樹密度及樹木排列方式對(duì)河道水位變幅和流速差有明顯影響。任杰等[13]以嫩江干流東陽堤段為例，建立二維水動(dòng)力模型定量研究了灘地種植防浪林對(duì)復(fù)式河道行洪的影響，識(shí)別了影響行洪的2個(gè)關(guān)鍵因素：灘地水深和林帶寬度。前人的研究大多集中在采用概化模型研究灘地寬度、灘地水深、種樹密度和樹木排列形式等單變量對(duì)河道行洪能力的影響，對(duì)于天然復(fù)雜河道、不同來流量與特定復(fù)綠方式耦合作用下河道行洪影響的研究較少。本文以長(zhǎng)江浦口段江灘復(fù)綠工程為研究對(duì)象，基于MIKE21 FM建立工程區(qū)段二維水動(dòng)力模型，研究復(fù)綠工程對(duì)長(zhǎng)江高水行洪的影響，以期能為天然復(fù)雜形態(tài)河道岸灘整治工程的規(guī)劃利用提供參考。

1 江灘復(fù)綠工程概況

長(zhǎng)江浦口段江灘復(fù)綠工程范圍為駟馬山河—石磧河之間長(zhǎng)約13.7 km的南京長(zhǎng)江段北岸灘地，如圖1所示。該段平均河寬約3 km，最大水深約50 m，水平尺度遠(yuǎn)大于垂向水深。北岸平均灘地寬約350 m，高程范圍3.5～10.0 m；南岸平均灘地寬約150 m，高程范圍3.0～9.0 m。河槽平均寬約2 500 m，高程范圍-10.0～-35.0 m。工程江段洲灘發(fā)育，分布有新濟(jì)洲、新潛洲等江心洲，高程范圍3.0～8.5 m。根據(jù)水位消落和土質(zhì)情況，篩選耐旱、耐淹、抗沖刷且能固土的植物，沿濕度梯度方向草-灌-喬階梯狀配置近自然植物群落。考慮到長(zhǎng)江水位變化，高程8.0 m以下以地被植物固土為主，高程8.0 m以上以組團(tuán)形式點(diǎn)綴栽植喬灌木。其中高程8.5 m以下為水生苔草、花葉蘆竹、再力花等，高程8.5 m以上以水生鳶尾、黃菖蒲為主，高程10.0 m以上少量大花萱草、酢漿草、木芙蓉等。

圖1 研究區(qū)域范圍Fig.1 Scope of research area

2 研究方法

2.1 控制方程

二維水深平均數(shù)學(xué)模型控制方程由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成：

(1)

(2)

(3)

式中：ζ——水面高程；p、q——x、y方向通量密度；d——時(shí)變水深；h——水深；g——重力加速度；C——謝才阻力；ρw——水的密度；f——風(fēng)摩擦系數(shù)；v、vx、vy——風(fēng)速及其在x、y方向上的分量；pa——大氣壓力；x、y——空間坐標(biāo)；t——時(shí)間；τxx、τxy、τyy——有效剪應(yīng)力的分量。

2.2 數(shù)值方法

空間離散方法采用有限體積法，控制體形狀為三角形及四邊形。控制方程離散時(shí)，速度分量位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。時(shí)間積分采用二階Runge-Kutta方法，其通式為

(4)

時(shí)間積分公式為

(5)

式中：U——通用物理量；G——U的連續(xù)函數(shù)；Δt——時(shí)間步長(zhǎng)；i、i+1/2——第i時(shí)刻、中間時(shí)刻。

3 復(fù)綠工程水動(dòng)力模型構(gòu)建

3.1 區(qū)域網(wǎng)格與邊界條件

模型上邊界位于慈湖河口上游1.90 km，下邊界位于南京水文站下游1.85 km，區(qū)域總長(zhǎng)約30.0 km。采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算區(qū)域剖分，網(wǎng)格最小角度為25°。網(wǎng)格單元總數(shù)為9 770，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為6 147，兼顧計(jì)算效率和穩(wěn)定性選取時(shí)間步長(zhǎng)初值為60 s。

地形資料采用2013年實(shí)測(cè)地形，復(fù)綠工程所在的北岸局部采用2019年實(shí)測(cè)地形進(jìn)行修正。根據(jù)《長(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃》確定長(zhǎng)江中下游防洪標(biāo)準(zhǔn)：荊江以下河段以防御1954 年洪水為目標(biāo)。大通站1954年8月1日最大洪峰流量為9.26萬m3/s；水位取南京設(shè)計(jì)洪水位10.6 m，考慮洪水比降后，插補(bǔ)得下游邊界水位為10.87 m。

3.2 糙率取值

3.2.1 復(fù)綠工程前糙率率定

率定依據(jù)為2008年7月30日0時(shí)至8月4日0時(shí)計(jì)算區(qū)域的一次測(cè)流過程，其上下游邊界均為實(shí)測(cè)的水位過程。以 CS1、CS2水文測(cè)驗(yàn)斷面(圖1)的實(shí)測(cè)平均水位過程進(jìn)行灘槽糙率率定，計(jì)算與實(shí)測(cè)水位對(duì)比如圖2所示(圖中時(shí)間為距離2008年7月30日0時(shí)的時(shí)間)，CS1、CS2斷面納什效率系數(shù)[14]分別為0.958和0.997，表明計(jì)算結(jié)果具有較高精度。率定得河槽糙率為0.021，灘地糙率為0.026。

圖2 2008年水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Comparison of calculated and measured water levels in 2008

3.2.2 復(fù)綠工程后灘地糙率取值

復(fù)綠工程后糙率取值依據(jù)Moghadam等[15]的糙率計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中：uc——斷面平均流速；hn——正常水深；hv——植被平均高度；hn/hv——植被相對(duì)淹沒度；A——植被水平投影面積；a——明渠水平投影面積；A/a——植被相對(duì)密度。

槐文信等[16]基于2009年漢江上黃莊至興隆段河道汛期的水文、地形資料，利用式(6)所得糙率計(jì)算了某斷面的水位、流量過程，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，證明了式(6)在天然復(fù)式河道糙率計(jì)算中具有良好的精度和可靠性。

依據(jù)復(fù)綠工程方案植被分布形狀和連續(xù)性，將北岸灘地概化為3段(圖3)。第一段灘地形狀近似矩形，植被分布連續(xù)緊湊；第二段灘地形狀復(fù)雜，植被集中在3塊不連續(xù)的小區(qū)域；第三段灘地形狀近似狹長(zhǎng)矩形，植被隨灘地呈連續(xù)的狹長(zhǎng)帶狀分布。將北岸灘地區(qū)域視為含植被明渠過水床面，利用式(6)計(jì)算各段糙率，其中hn取各段灘地上的平均水深，各段水位由設(shè)計(jì)洪水位插補(bǔ)得到，3段灘地代表斷面平均水位分別為11.6 m、11.4 m和11.23 m；以植被面積為權(quán)重，加權(quán)計(jì)算出各段hv；A=Sc(S為工程規(guī)劃植被面積，c為植被密度)，根據(jù)Moghadam的試驗(yàn)結(jié)果，糙率對(duì)c的變化不敏感，可取c=0.5；a為各段灘地總水平投影面積；uc采用試算法得到，即初選各段uc值，利用式(6)計(jì)算糙率后用數(shù)學(xué)模型計(jì)算新的流速均值，修正uc值重新計(jì)算糙率，直到收斂。由此計(jì)算得工程后的北岸灘地第一、二、三段糙率分別為0.028、0.027和0.029，參考第3.2.1節(jié)率定結(jié)果，河槽糙率和南岸灘地糙率分別為0.021和0.026。

圖3 北岸灘地植被分布Fig.3 Distribution of vegetation on north floodplains

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 江灘復(fù)綠對(duì)水面線影響

由圖4可知，主槽在植被帶上游出現(xiàn)了約1 cm的壅高，植被帶區(qū)域壅高值沿程回落，植被帶下游出現(xiàn)較小的水位跌落，水位壅高迅速衰減為零。北岸灘地水面線壅高特征與主槽基本相似，不同點(diǎn)在于植被帶進(jìn)口附近壅高值出現(xiàn)了約1 cm的急劇抬升并達(dá)到峰值，最大壅高約為0.02 m，壅高值波動(dòng)較主槽更劇烈。表明江灘復(fù)綠將使灘地水流不穩(wěn)，能量損失現(xiàn)象明顯，對(duì)灘地水位的影響遠(yuǎn)大于主槽水位。

圖4 復(fù)綠工程后沿程水面線變化Fig.4 Changes of water surface line along river after vegetation construction

4.2 江灘復(fù)綠對(duì)流速分布影響

由圖5(圖中紅線描繪出灘地輪廓)可知，河道北岸灘地流速明顯降低，植被帶區(qū)域流速降低尤其明顯，局部降低0.02～0.06 m/s。主槽及南岸灘地流速升高0～0.2 m/s。表明受植被帶阻力作用，北岸灘地過流能力降低，上游水流偏向右側(cè)主槽，改變了灘槽的流量比。灘槽之間存在較大的流速差，形成較大的流速梯度，增強(qiáng)了水體對(duì)灘地的沖刷作用。交界面會(huì)產(chǎn)生由大量旋渦組成的“渦街”，使灘、槽水流相互作用加強(qiáng)，產(chǎn)生動(dòng)量和能量交換[17]，也使水流能量耗散加強(qiáng)。

圖5 復(fù)綠工程后流速變化Fig.5 Velocity change after vegetation construction

4.3 不同流量對(duì)水位壅高影響

1946—2006年大通站洪季最小流量為2.78萬m3/s[18]，1954年8月1日最大洪峰流量為9.26萬m3/s。為研究不同流量Q對(duì)江灘復(fù)綠引起的水位壅高影響，在3萬～9.5萬m3/s之間每隔5 000 m3/s取一流量作為上游邊界條件。李國(guó)芳等[19]選取1983—1987年高水期大通站逐月最大流量和相應(yīng)的下關(guān)站逐月最大水位，做線性回歸并點(diǎn)繪出水位-流量關(guān)系曲線,依據(jù)此曲線，可確定各流量對(duì)應(yīng)的水位值作為下游邊界條件。

由圖6可知，不同流量下水位變化分布規(guī)律基本相似：植被帶上游水位壅高較大，峰值區(qū)域出現(xiàn)在江灘植被帶進(jìn)口附近，中下游水位變化小。流量由3萬m3/s增大到4萬m3/s時(shí)，水位壅高峰值區(qū)域范圍增大，上游平均壅高增大。流量由4萬m3/s增大到8萬m3/s時(shí)則相反，水位壅高峰值區(qū)域收縮明顯，上游平均壅高減小。

圖6 復(fù)綠工程后不同流量下水位變化分布Fig.6 Distribution of water level change corresponding to different discharge after vegetation construction

上游最大水位壅高和上游斷面平均壅高與河床上游平均水深之比分別記為Zm/H、Za/H，上游流量與9.26萬m3/s之比記為Q/Q0，點(diǎn)繪Zm/H、Za/H與Q/Q0關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，Q/Q0由0.32增加到1.03，即流量由3萬m3/s增加到9.5萬m3/s時(shí)，Zm和Za都呈先增加后減小的趨勢(shì)。Zm的變化幅度較Za的變化幅度更明顯，且減小趨勢(shì)的出現(xiàn)早于Za，說明上游Zm對(duì)流量變化更敏感。

圖7 無量綱水位壅高與無量綱流量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between dimensionless banked up water level and dimensionless discharge

黃本勝等[1]通過水槽試驗(yàn)?zāi)M河灘種樹對(duì)窄灘復(fù)式河道行洪的影響，發(fā)現(xiàn)上游水位壅高與植被帶寬度和漫灘水深成正相關(guān)。植被帶寬度與漫灘水深的乘積即為植被帶的阻水面積。研究范圍江灘平灘流量約為3萬～3.5萬m3/s，灘地植被帶平均高度為1.4 m，其被完全淹沒的流量大約為5.5萬m3/s，而Za的減小趨勢(shì)在4.5萬m3/s流量條件下就已經(jīng)出現(xiàn)。可以認(rèn)為在水流未完全淹沒植被帶時(shí)，流量的增大對(duì)上游水位壅高同時(shí)存在兩種相反的作用：一是所引起的植被帶阻水面積增大對(duì)上游水位壅高的增大作用，二是整體水位抬升削減了灘面局部阻力造成的上游水位壅高。當(dāng)3萬m3/s

流量4.5萬～9.5萬m3/s區(qū)間ΔZa/H與Q/Q0存在較好的線性關(guān)系，回歸方程為

(7)

根據(jù)式(7)可以預(yù)測(cè)淹沒條件下植被帶上游斷面平均壅高。1922—2002年大通站最大洪峰記錄資料顯示，大通站在大洪水年份洪峰流量為6.5萬～9.26萬m3/s[20]，研究區(qū)域河床上游平均水深介于5.5～11.5 m范圍，可估算此時(shí)江灘植被引起的上游斷面平均壅高介于0.5～1 cm范圍。

5 結(jié) 論

a.江灘植被對(duì)長(zhǎng)江浦口段窄灘復(fù)式河道行洪能力有一定影響，具體表現(xiàn)為：植被帶上游水位壅高，灘地流速減小，主槽流速增大。

b.確定了復(fù)綠工程附近江段灘面臨界水深值為1.3 m。灘面水深小于或大于臨界水深時(shí)，流量引起的上游壅高變化趨勢(shì)截然相反。臨界水深的確定對(duì)長(zhǎng)江浦口段岸灘整治工程規(guī)劃和行洪水位壅高預(yù)測(cè)具有重要意義。

c.得到了研究范圍河段4.5萬～9.5萬m3/s區(qū)間無量綱上游斷面平均壅高與無量綱流量的線性擬合方程，預(yù)測(cè)了大洪水年份江灘植被引起的上游斷面平均壅高介于0.5～1 cm范圍。