MIKE11模型在山區中小河流生態護岸工程中的應用研究
——以瀏陽市南川河為例

丁志良，孫凌凱，陳 帆，陳 立，韓麗娟

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；3.太原理工大學，太原 030024）

0 引 言

山區河流具有坡陡流急、匯流時間短、洪水漲落快的特點，易造成河岸沖刷崩退、河勢不穩、水土流失等危害［1，2］。守護山區河流岸線是保障河道行洪安全、維持岸坡及河勢穩定、減少山洪災害損失的重要手段。長久以來，由于缺乏系統規劃、資金投入不足等原因，我國山區中小河流治理普遍存在“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的現象，護岸工程單純以固岸行洪為目的，采用大量漿砌石或混凝土擋墻等硬質化護岸型式，未考慮工程措施與整體環境的協調及對河道生態的影響［3］；更有甚者，許多重要河段至今仍處于未設防的自然狀態，岸坡沖毀嚴重，威脅周邊群眾的生命財產安全。因此，針對山區中小河流防洪基礎設施薄弱、生態狀況不佳等現狀，綜合考慮兩岸洪水沖刷安全、生態景觀、經濟適用等多方面需求開展生態護岸工程建設必要而迫切［4］。

河道水力計算是銜接流域水文分析計算與水工結構設計的關鍵環節，對護岸工程型式的確定、工程規模及造價有著重大影響［5］，直接關系到生態護岸工程的防洪、生態與經濟效益。山區中小河流地形復雜、斷面形式多變、坡降變化大、流態復雜，傳統的逐段試算法在計算全面性、準確性和合理性方面已難以滿足工程實際需求［6］，需結合專業軟件模擬、洪痕調查和既有成果比對等多種方法進行河道水力計算［7，8］，如彭小波［9］利用HEC-RAS 模型成功分析了湖南省盤陂江護岸工程實施后的水面線變化情況；孫翔［7］利用MIKE11 模型對湖南省撈刀河天然河道水面線進行了簡化復核計算，得到了可靠性更高的設計水位；葉楠等［10］利用HEC-RAS 軟件計算分析了吉林省湯河20年一遇設計洪水頻率下的河道水面線，據此開展河道岸坡治理?？梢?，已有研究大多側重于水動力模型在山區河流現狀水面線復核計算及河道水面線工程影響分析等方面的應用，對于模型計算結果如何指導河道護岸工程選材、選型及參數優化設計方面的研究較少。因此，本文以典型山區河流南川河為例，采用水文比擬法與瞬時單位線法結合計算設計洪水，將其作為邊界條件導入MIKE11 模型進行水力計算，基于模型計算結果從岸線布置、護岸材料和護岸選型等方面針對性地提出生態護岸工程方案，并運用模型對工程實施后的南川河進行模擬，分析生態護岸工程措施對河道行洪及河勢穩定的影響，可為其他山區中小河流生態護岸工程規劃設計提供參考。

1 研究區域

南川河又名潭水，為淥水一級支流，在瀏陽市境內長61.4 km，流經文家市、中和、澄潭江、大瑤、金剛5 個鄉鎮，控制集雨面積約736.7 km2，河道平均坡降約8.99‰；沿途自上而下有14條主要支流匯入，修建有水閘37 座、泵站20 座和水電站1 座。南川河瀏陽段已有護岸均修建于2010年以后，分別位于文家市鎮沙溪村段、澄潭江鎮集鎮段、大瑤鎮潭水河大橋段和金剛鎮明星橋段，守護河長約22.4 km（河道中心線長度），僅占全部河長的36.5%；剩余未治理河段中，除河岸倚靠山體的河段外，沿河主要分布有農田、道路、村落和集鎮等，現狀主要存在岸坡沖刷、水土流失、親水性差、生態面貌不佳等問題。因此，須以河道水力計算為基礎，科學論證南川河生態護岸工程措施方案，以達到穩固岸坡、提升河道行洪抗沖能力、全面改善河道生態面貌的目的。

針對以上問題，瀏陽市南川河有生態護岸工程治理需求的河段包括文家市兩省段、文家市集鎮段、文家市湘龍段、中和段、澄潭江碧溪段、澄潭江集鎮段和金剛段，總治理河長約29.894 km（圖1）。本文以此范圍作為研究區域，研究MIKE11一維水動力模型在生態護岸工程設計中的應用。

圖1 瀏陽市南川河流域水系概化圖Fig.1 Sketch of the Nanchuan River watershed system in the Liuyang City

2 模型構建與驗證

2.1 基礎數據資料

2.1.1 水文特征數據

瀏陽市南川河流域內無水文站，出境斷面下游約5 km處的醴陵市境內設有潼塘水文站，控制集雨面積1 162 km2。本次分析中，文家市湘龍段及其以下河段的降雨及下墊面條件與同流域的潼塘水文站基本相近，其設計洪水依據潼塘水文站實測流量資料采用水文比擬法計算；文家市集鎮段及其以上河段控制集雨面積較小，可參照適用于小流域設計洪水計算的《湖南省暴雨洪水查算手冊》（2013年）進行推求，即先通過點雨量計算、點面關系轉換、雨量時程分配以及扣損后得到設計暴雨和設計凈雨，再利用瞬時單位線法推算設計洪水。治理河段各典型斷面設計洪峰流量見表1。

表1 治理河段各典型斷面設計洪峰流量Tab.1 Designed flood peak discharges of the typical cross sections

2.1.2 地形資料

實測1∶2 000地形圖、帶狀圖和河道斷面圖。

2.1.3 閘（壩）資料

治理河段內現存16座閘（壩）的結構形式、位置以及閘孔凈寬、閘孔數量、及過閘流量等特征參數。

2.2 模型建立

2.2.1 基本原理

采用MIKE11 構建一維水動力模型開展河道水力計算，基本方程組為一維圣維南方程組［11］：

式中：x為距離（主河道流向方向），m；t為時間，s；A為過水斷面面積，m2；Q為流量，m3；h為水位，m；q為旁側入流流量，m3/s；C為謝才系數；R為水力半徑，m；a為動量校正系數；g為重力加速度，m/s2。

控制方程組采用Abbott 六點中心隱式差分格式進行離散后形成一系列隱式差分方程組，再用追趕法求解，在每一個網格點按順序交替計算水位或流量。

2.2.2 模型范圍

本次南川河水動力模型范圍覆蓋全部生態護岸工程治理河段。綜合考慮流域匯水特征、城鎮規劃及防洪標準等因素，分段建立南川河一維水動力模型。其中第一段模擬范圍包括文家市兩省段和文家市集鎮段，總長10.131 km；第二段模擬范圍包括文家市湘龍段、中和段、澄潭江碧溪段和澄潭江集鎮段，總長16.302 km；第三段模擬范圍包括金剛段及其支流段，總長3.461 km。

2.2.3 河道斷面及阻水建筑物

本次70 個實測河道斷面中，32 個位于生態護岸工程治理河段。將河道實測斷面輸入模型，并對河道斷面較稀疏段進行插值處理，確保相鄰斷面間距不大于500 m。將16 座閘（壩）按實際情況在模型中進行參數設置。

2.2.4 河道糙率

河道糙率取值基于水面線驗證結果由模型率定反求，初始糙率取值可根據各河段平面形態、河床組成以及岸壁特征，利用《水力計算手冊》（第二版）［12］中的斷面綜合糙率計算公式進行確定：

式中：nmax和nmin分別為同一斷面的最大糙率和最小糙率；χ1、χ2、…分別為與糙率n1、n2、…相應的濕周。

2.2.5 邊界條件

模型邊界條件主要包括進口入流邊界、旁側入流邊界和出口邊界。根據水系分布情況，本次模擬共設置16 個邊界條件，其中進口入流邊界3個，出口邊界3個，旁側入流邊界10個。進口與旁側入流邊界條件根據水文分析計算結果給定同頻流量過程，出口邊界條件給定由謝才公式Q=AR2/3/nJ1/2推求的水位流量關系（圖2），其中水面坡降J由進出口斷面高差除以間距計算得到，斷面綜合糙率n則根據前述方法給定。經計算，上、中、下游三段模型中J取值分別為2.79‰、1.58‰和1.7‰，n取值分別為0.035、0.028和0.025。

圖2 模型出口斷面水位～流量關系Fig.2 Water stage-flow discharge relation curves at the numerical model outlets

2.3 模型驗證

分別給定模型進口和旁側入流5 a一遇、10 a一遇以及20 a一遇的設計流量過程，模型出口給定水位～流量關系，對模型參數（河道糙率）進行率定，并采用《河湖管理范圍劃界項目淥水（南川河）瀏陽市水文計算書》中的河道水面線已有成果對率定后的模型進行驗證，結果見圖3。由圖3 可知，本模型計算所得的南川河上、中游設計水位與已有成果基本一致，但下游出口斷面水位明顯偏低。經分析，已有成果中全線均采用推理公式法推求設計洪水流量，而下游出口斷面處匯水面積過大，推理公式法不再適應，從而導致該段設計流量偏大、計算水位偏高。

圖3 模型水面線驗證結果Fig.3 Validation outcomes of the modelled water surface profiles

分析各頻率洪水流量下岸灘淹沒情況可知，已有成果中出口段沿程各斷面（樁號K3+461～K0+000）設計水位均高于兩岸灘頂0.2～3.2 m，平均水深為6.1～8.8 m，顯著大于上、中游河段的平均水深4.5 m。顯然，由于出口斷面設計流量計算結果偏大，已有成果中出口段水面線存在不合理之處。因此，本文將考慮了出口斷面匯水面積修正后的設計流量過程與MIKE11相耦合計算得到的水面線更能反映實際情況。

另據2021年6月對2008年洪水的調查結果，南川河支流灌江河鎮區段2008年發生了約20 a 一遇的洪水（流量約329 m3/s），洪水位約為95.97 m，與本模型計算結果較為接近。且其他多處洪痕調查水位與模型計算結果均相差不大，表明本模型計算成果較為合理。

經參數率定后的水動力模型計算結果與洪痕調查及已有成果的符合性較好，能較好地模擬南川河不同頻率洪水的傳播過程，具有較高的模擬精度，可用于現狀與設計條件下的河道水力計算。

3 MIKE11 模型在生態護岸工程方案設計中的應用

3.1 生態護岸工程方案設計

3.1.1 護岸工程設計原則

治理河段部分區域設計洪水位已超過河岸岸頂高程，但考慮到山區河道高水位歷時短、流量集中、洪水陡漲陡落的特點，新建堤防會造成堤內排水不暢、阻隔人水親近等問題，同時也涉及大量的征地拆遷，帶來諸多不利影響［13］，本次生態護岸工程設計遵循“防沖不防淹”的治理原則，以增強河岸行洪抗沖能力為主要目的，同時兼顧改善水域生態環境和河道親水性，促進人水和諧。

3.1.2 護岸材料選擇

根據模型計算結果，治理河段約70%的河道斷面流速為0.8～2.1 m/s，適宜在非經常性淹沒岸坡部位布置草皮護坡（允許不沖流速為2 m/s）［14］，而剩下約30%的河道斷面流速為2.2～4.7 m/s，主要集中在彎道狹窄段和集鎮段等重點防護段，需在坡腳部位布置防沖能力更強的硬質護岸材料以提升岸坡的防沖能力。

因此，設計綜合選用生態性較好的草皮和耐沖性、生態性均較好的自鎖式生態塊護岸材料，并對凹岸沖毀嚴重和有一定承重需求的局部河段采用漿砌石等硬質護岸材料加強守護。

3.1.3 護岸型式及設計參數論證

護岸型式選取需綜合考慮岸坡地形、地質和河道水文水動力條件等因素。對于岸坡較緩、穩定性較好但坡面不規整的農田段，河岸受沖刷影響較小、防沖要求不高、且需治理段較長，設計采用常水位以上局部岸坡人工平整搭配草皮護坡的簡單護岸型式［圖4（a）］；對于岸坡較緩但穩定性較差的居民段或岸頂道路段，考慮到此類河岸一般位于深泓?？康膹澋腊及丁嗝媪魉佥^大，需一定強度的抗沖能力才能滿足防護需求，設計采用仰斜式漿砌石擋墻對坡腳守護至一定深度，擋墻以上坡面人工平整后利用連鎖式生態塊護坡至設計水位，再采用草皮護坡守護至現狀岸頂高程的組合護岸型式［圖4（b）］；對于岸坡較陡的居民集中段，考慮到河岸主要位于河寬較窄、流速較大，有岸坡防護和生態、親水需求的集鎮河段，設計采用預制生態磚銜接親水平臺，平臺以上岸坡進行人工平整后采用連鎖式生態塊守護至現狀岸定高程的組合護岸型式（型式三），典型斷面見圖4（c）；對于河岸邊坡倚靠山體、整體地勢較高的自然岸坡段，河岸穩定性較好，無強化防護需求，予以保留現狀。

圖4 典型斷面護岸型式示意圖Fig.4 Sketch of revetment types at the typical cross sections

本次生態護岸工程設計中，型式二和型式三分別涉及到漿砌石擋墻基礎和C25 混凝土基礎的構建，需根據相關規范對護岸穩定性參數進行復核論證。將模型20 a 一遇設計洪水條件下河道水面線及斷面流速計算結果代入到河道沖刷深度經驗公式［15］計算得到典型斷面河道最大沖刷深度為0.39～0.83 m，因此，為滿足護岸工程防沖要求，基礎埋深不得小于0.83 m；選取岸坡較高陡的最不利設計斷面，將模型水面線、擋墻尺寸及墻面坡比、土體性質等代入相應的經驗公式［16］計算擋墻各項穩定性參數，結果顯示，本次設計中擋墻穩定性參數均滿足規范要求（表2）；針對三種護岸型式各選取多個具有代表性的典型設計斷面，將護岸各結構尺寸、岸坡巖土物理力學參數和模型水面線作為輸入條件，采用瑞典圓弧法進行岸坡穩定驗算（圖5），結果顯示，各典型斷面岸坡的抗滑穩定安全系數均大于規范允許值［17］。

圖5 典型斷面岸坡穩定計算示意圖Fig.5 Sketch of bank slope stability calculation at the typical cross sections

表2 擋墻穩定計算結果Tab.2 Calculation results of the retaining walls stability

綜上，基于模型計算結果對護岸工程進行基礎埋深、擋墻穩定性和岸坡抗滑穩定性的驗算結果表明，本次生態護岸工程方案設計中，護岸工程型式及設計參數基本合理，滿足相關規范要求。

3.2 生態護岸工程方案效果分析

根據護岸工程措施對岸坡形態的改變調整模型河道斷面輸入，并保持模型邊界條件和阻水建筑物的設置不變，利用MIKE11 水動力模型對護岸工程實施后的南川河再次模擬，計算岸坡調整后的設計水面線和斷面流速。

水面線計算結果顯示，與現狀水面線相比，工程后沿程各斷面20 a 一遇設計洪水位總體降低0～0.412 m（表3），表明護岸工程在增強河岸穩定性、抗沖性的同時，也擴大了河道過水斷面，降低了洪水位，使得是河道行洪能力有所提升，可在一定程度上減輕洪水對兩岸農田、房屋、道路等的侵害。

表3 南川河各典型斷面工程前后20 a一遇（P=5%）設計洪水位變化Tab.3 Variations of the designed 5%frequency flood water stage after revetment projects at the typical cross sections

斷面流速計算結果顯示，護岸工程對河道斷面流速的影響較小，變化值總體控制在0.1 m/s 以內，河道演變影響因素未發生明顯改變。但由于護岸工程加強了河岸的防護，可減少不利的河床、河岸沖淤變化帶來的河勢調整，有利于河道岸線的穩固及河勢穩定。

基于MIKE11一維水動力模型計算結果開展南川河生態護岸工程設計，有利于科學選定護岸工程型式和優化工程設計參數，在滿足河道固岸防沖、河勢穩定需求，減輕災害對人民生命財產威脅的同時，又能美化村鎮面貌、改善生產和生活環境，具有明顯的經濟效益和生態效益。

4 結 論

（1）在缺乏充足的河道流量與水位資料、河道斷面復雜的條件下，將利用水文比擬法和瞬時單位線法計算的流量過程線與MIKE11 模型相結合，對河道水面線和斷面流速進行了較高精度的模擬，為制定河道生態護岸工程措施和方案設計及優化提供了基礎和依據。

（2）基于實際調研和MIKE11水動力模型計算結果，分析了南川河現狀存在的河勢不穩、岸坡沖毀、水土流失等問題，并結合當地城鎮規劃和生態文明建設需求，制定了差異化的生態護岸工程治理方案，既滿足了不同河段的治理需求，同時節省了工程總投資。

（3）生態護岸工程方案的制定遵循適當防護的原則，較好解決了有限資金條件下中小河流防洪安保功能與生態服務功能難以兼顧的難題，在增強河岸穩定性、提升河道行洪抗沖能力的前提下，因地制宜創建親水空間，改善河道的生態面貌，達到了穩定河勢、強化河道行洪安全、改善沿岸居民生活質量的總體目標，可為其他類似的中小河流護岸工程的實施提供參考。