復合河道修復工程對下切河道整治效果的有效性評估

李發(fā)孝

(江西省九江市廬山市水利局，江西 九江 332000)

0 引 言

下切河道的特點是河床的位置會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]。復合河道通常建在下切河道的修復項目中。這種設計允許河流在高流量期間流過更寬的河道，并旨在降低河道中的流速和河床剪切應力[3]。這種方法被用于江西省的某河道修復工程。

圖1所示為創(chuàng)建復合河道后，與修復工程中切割河道處的橫截面類似的典型橫截面。許多河流的修復工程都會由于河道不穩(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，準確計算最大河床剪應力和河道中的剪應力分布，對于獲得可靠的河道穩(wěn)定性估計從而進行河道修復設計來說至關重要。為了解該建模方法的局限性，本研究評估了HEC-RAS模型在復合河道設計中的有效性。

圖1 修復工程前后的河床橫截面特征

本研究通過調查，為構建的復合河道在阻止河道切割的有效性上提供了定量評價。首先，使用HEC-RAS對河道修復前、河道修復設計和河道修復后進行建模，并進行相應的計算。其次，將HEC-RAS得到的結果與三維流體動力學模型UnTRIM得到的結果進行比較，評估一維模型量化河道流速和剪切應力的能力。最后，通過這些方法，本研究評估了河道修復工程在實現(xiàn)生態(tài)、地貌和水流輸送等目標的有效性，并根據(jù)其在高流量條件下降低河道流速和河床剪切應力的能力，評估一維模型的適用性及復合河道設計的有效性。

1 方 法

1.1 河道調查

本研究中的HEC-RAS用于模擬3種不同的河道情況: 河道修復前、河道修復設計和河道修復后。

盡管河道修復前和河道修復設計模型對整個工程都進行了評估，但本研究的分析主要關注于工程上游的流量。提取河段內與河道修復后的同一橫斷面特征進行比較。在3種河道情況下，HEC-RAS被用于計算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

基于河道修復前和河道修復后的橫截面，開發(fā)了直棱柱形切割方法和圖1中的復合河道。無論在上游還是下游，該河道斷面的河段相對較直，就洪泛區(qū)和河道的寬度和深度而言，整個河段的幾何形狀一致。因此，棱柱形河道是進行河道修復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。并使用這兩個模型均模擬了58 m3/s的河流流速。對于一維模型，模擬中選取的曼寧系數(shù)為0.03，并應用于河道和河岸區(qū)域。對于三維模型，通過校準每個河道中的水面來確定合適的河床粗糙度，以匹配來自一維模型中的數(shù)據(jù)，以確保一維模擬和三維模擬中由于摩擦導致的能量損失幾乎相同。

2 結 果

2.1 項目實施后的調查和評估

通過調查低流量河道河床的縱向剖面和6個監(jiān)測斷面，收集和審查該地點的歷史航空攝影和相關水文數(shù)據(jù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，低流量河道剖面最顯著的變化是在進行修復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態(tài)，隨著時間的推移，河床形式隨著沉積物、水文和植被的變化而變化。

2.2 河道調查

表1給出使用HEC-RAS預測的上游河道流速和河道剪切應力在橫截面上的平均值。由表1可以看出，在河道修復工程中和修復完成后進行預測的平均河道流速比修復前預測的低?？偟膩碚f，河道修復工程中和修復完成后的結果基本相同。這表明，當根據(jù)河道流速和河道剪切應力進行評估時，基于修復工程建造的河道的性能和修復設計之間非常匹配。

由表1可以看出，雖然根據(jù)HEC-RAS模型預測到修復工程的建設會導致平均河道流速下降，但同時也會導致河床剪切應力增加。修復工程設計和修復后的河道剪切應力相對于修復前會增加，這表明項目施工后河道的切口會變大，這一結果與后期調查的情況并不相同。由調查可以發(fā)現(xiàn)，在項目建成之后，河道一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，河道切口并沒有持續(xù)增長的趨勢。

表1 上游設計流量下的HEC-RAS計算結果

2.3 棱形河道

表2比較了使用UnTRIM和HEC-RAS在棱形河道上計算的平均下游流速和河床剪切應力。對于修復前的河道，使用HEC-RAS預測的平均河道流速與使用UnTRIM計算的差異小于4%。對于修復后的河道，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預測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力

下切河道修復前的預測河床剪切應力見圖2。對于HEC-RAS，預測了整個河道河床剪切應力的單一平均值。在UnTRIM模擬中，使用近河床速度計算每個水平網(wǎng)格單元的河床剪切應力。修復后復合河道的預測河床剪切應力見圖3。對于HEC-RAS模擬，對河道進行細分，分別預測河道和河漫灘區(qū)域的河床剪切應力。在UnTRIM模擬中，沒有進行單獨的河道細分。由表2可知，HEC-RAS預測的復合河道中的平均河道剪切應力相對于下切河道會增加5%，而UnTRIM預測的平均河道剪切應力會減少7%，最大剪切應力減少24%。

圖2 河道修復前的剪切應力預測值

圖3 河道修復后的剪切應力預測值

3 結 論

通過研究表明，采用復合河道的設計可以成功阻止河道進一步的切割，同時也可以實現(xiàn)修復地貌、生態(tài)和水流輸送的目標。然而，在復合河道設計中使用的HEC-RAS模型存在一定的缺陷，限制了一維模型評估復合河道河床剪切應力的預測準確度。

UnTRIM證明了三維建模在評估河道流速和河床剪切應力變化的能力。由UnTRIM模擬中預測的結果可以看出，修復工程的設計和施工成功降低了河道中的最大河床剪切應力。雖然三維模型的計算時間比一維或二維模型的更多，但三維模型預測的河道流速和河床剪切應力的精度更高。本研究中的分析表明，三維模型更有利于準確量化復合河道設計在降低下切河道河床剪切應力方面的有效性。