華南地區河道邊灘植物阻力特性研究
——以深圳河為例

鄭少萍,佟曉蕾,胡浩南,3*

(1.深圳市深圳河灣流域管理中心,廣東 深圳 518040;2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510610;3.長沙理工大學水利與環境工程學院,湖南 長沙 410114)

深圳河是深圳經濟特區和香港特別行政區的邊界河流,改革開放前,深圳城市化密度低,深圳河處于自然演變狀態[1]。2006年,深港雙方先后完成對深圳河裁彎取直、擴寬挖深等綜合治理工程。工程完工后,深圳河防洪能力有所提升,水質環境明顯改善,但治理工程也顯著改變了深圳河中下游河道植物分布的格局[2]。2018年8月29日深圳河流域普降暴雨,上游羅湖流量達到 318 m3/s,水位達4.18 m,相較于2008年“6·13暴雨”流量達到343 m3/s,但水位僅為 2.74 m,分析表明,深圳河下游河道阻力增大是導致“低流量、高水位”特征出現的原因,而河道阻力是眾多影響因素共同作用的結果,隨灘槽沖淤、植物交替生長、水位漲落等因素的變化而變化。近幾年,深圳河淤積后,河道主槽內植物生長,阻水效應增大,當發生較大洪水時,水位抬升,植物對河道阻力影響明顯。

對于植物生長對河道阻力特性的影響,國內外學者均進行了大量的研究。早期的傳統的方法均是通過調整不同的流動參數單獨研究對曼寧系數的影響,由于測量手段的限制,早期只著重研究不同植被水流條件下糙率系數的變化[3]。隨著技術的發展,眾多學者如趙瑜琪等[4]、姬昌輝等[5]引入植被的密度、淹沒水平等植被特征系數,研究與糙率系數的關系。傳統觀點認為,邊灘植被不僅可以減緩水流速度,降低河岸沖刷侵蝕,還有凈化水體、美化環境的功能[6]。然而在洪水期,植被在一定程度上會改變灘槽內部原有水流結構,植物和水流相互作用會破壞河道中部分水流的穩定,產生紊動能,從而降低河道行洪能力[7]。因此,基于以上背景,需對深圳河植物分布及河道行洪、防洪能力的變化開展研究。

1 研究區域概況

深圳河是深圳市的五大河流之一,位于珠江口伶仃洋以東,大鵬灣以西,北部為深圳經濟特區,南部為香港特別行政區(圖1),東經114°～114°12′50″、北緯22°27′～22°39′,發源于梧桐山牛尾嶺,由東北向西南流入深圳灣,流域面積312.5 km2,河長37.6 km,河道比降1.1‰,冬季主導風向為東北風,夏季為東南風,潮汐為典型的不規則半日潮[8]。受鋒面雨、臺風雨影響,暴雨頻發,洪、澇、潮災害時有發生。

圖1 深圳河流域

作為承擔著港深兩市汛期防洪排澇重要責任深圳河,在整治工程之后,最初的天然河道只剩下中下游福田至河口的河道,其主要為主槽和漫灘組成的復式河道。對于天然的復式河道,在枯水期,其主槽承擔泄流功能,洪水期水流溢出主槽,由主槽和漫灘共同泄流[8]。在中下游兩岸邊灘,即主槽岸坡附近,生長著大量的水生植物,如蘆葦、芒、莎草等,汛期時會對河道的行洪產生影響。

2 植物分布及邊緣線變化

2.1 植物分布特征

整體分析2016年深圳河的生態調查結果(圖2),深圳河邊灘植物分布具有一定的空間特征。其植被主要分布在深圳河河道中下游岸坡和灘涂地帶,并且從上游至下游,邊灘植物生長范圍呈增加的趨勢。

a)羅湖—鹿丹村河段

對于羅湖口岸及梧桐河附近,該段河道植物種類較多,長勢較好,分布較為密集,其岸灘寬度約5 m;福田及皇崗河口至下游岸邊,河道較為彎曲,在深圳側凸岸附近布有寬15～20 m的灘涂地帶,分布著較多的蘆葦、芒等植物;新田至河口段,其下游河道往往較上游河道更寬,凸岸側灘涂濕地范圍較廣,達到了30 m左右,植物種類也較豐富,生長較為茂盛。

2.2 植物邊緣線變化

結合歷史遙感影像資料,以新田河口附近至深圳河口河段為代表,分析近十幾年來河道邊灘植物外圍邊緣線的變化。圖3、4為該河段邊灘植物在2008年2月和2018年7月遙感影像資料,2008年在河道整治完成初期,深圳河深圳側邊灘范圍較小,且幾乎沒有植物生長,僅香港側小范圍淺灘存在植物生長,而且河道寬闊,沒有受到植物的阻礙。到2018年,河道兩側的植物范圍擴展明顯,并且邊灘的淤積致使河道過水面積減小。

圖3 2008年河道植物分布范圍

圖4 2018年河道植物分布范圍

整體分析2008—2018年空間上和時間上植物邊緣線變化(圖5),發現在空間上,河道凹岸側由于受到正面沖刷,植物生長擴展的范圍不是很明顯,而凸岸側植物生長迅速,邊灘淤積嚴重,擴展范圍較大。從時間上來看,凸岸側植被每年均有向外擴展,2014—2016年的擴展幅度最大,達10 m左右;2016—2018年擴展幅度較小為5 m左右。對于凹岸側,雖然植物增長幅度不及凸岸,但在近十年的時間里也有向河道內測擴展的趨勢。相比2008年邊灘植物范圍,近十年的邊灘植物外緣線向河道擴展且增長十分迅速。

圖5 局部河段邊灘植物外緣輪廓線年際變化

3 模型的建立與分析

3.1 模型建立

采用mike11HD水動力模型計算,其控制方程基于一維非恒定流圣維南方程組。

(1)

式中t——時間坐標;x——空間坐標;A——過流斷面面積;Q——流量;h——水位;q——旁側流量;C——謝才系數;R——水力半徑;α——動量校正系數;g——重力加速度。

計算范圍見圖6,根據深圳河的扇形特點,以及深圳河“8·29”洪水水面線的特征分析,研究范圍上至平原河口附近,包括深圳深港兩側主要支流等,下至深圳河口。該段位于河道中部包括了河道干流的防洪敏感區域。此外,該河段形態較為復雜,且彎曲河道的灘槽形態明顯,河段植被茂密,河道行洪受植物影響明顯。

圖6 模型范圍

3.2 計算條件

3.2.1地形邊界

對于一維數學模擬,其摩阻通常用綜合糙率來描述,是一維河道水動力模擬中的靈敏參數[10]。研究表明,河段形態、斷面形狀、河道植被等因素均會影響到河道對水流的摩阻,致使綜合糙率產生變化。而當植被較為繁茂時,水流阻力主要來自植物,糙率受植被的影響顯著[11]。為了提高在植物條件下模型模擬的精度,減小地形變化對結果的影響,選取植被生長茂密、范圍較廣、地形變化較小的2018年汛前水下實測資料。

3.2.2設計洪水及潮位

本研究采用以洪水為主遭遇多年平均潮位組合,設計洪水采用《深圳市防洪潮規劃修編及河道整治規劃》(2014—2020)已有的規劃設計成果。(表1、2)。

表1 設計潮位

表2 深圳河干流設計洪峰流量

3.3 模型驗證

模型范圍包括了下游河口、河流干流及主要支流,模型下邊界為深圳河口,上邊界為蓮塘河至平原河口斷面。選取以洪為主的流量過程,2016年6月7至8日的汛期條件、潮位過程作為模型計算邊界,該計算邊界可以較好的模擬洪水時,水位抬升,植物對河道阻力的影響。采用當日深圳河口、鹿丹村、梧桐河的實測水位、潮向、流速及流向對模型進行率定。

結果與實際情況對比見圖7。可以看出,模型計算結果與實際擬合程度較好,選取測點的潮位計算結果與實測值的絕對誤差均小于10%;其次,流速大小和方向與實際情況較為吻合。綜上,所構建模型總體較為合理,模擬結果較為可靠,可用于后續研究分析。

a)深圳河口斷面水位

3.4 植物對河道阻力影響分析

根據現場生態調查和相關研究,深圳河密集邊灘挺水植物平均高度約1.5 m,在洪水條件下基本不過水。因此本研究在模擬中采用過水斷面扣除法概化邊灘植物。本節主要是分析邊灘植物對河段整體阻力狀況的影響,故采用斷面綜合糙率來進行計算和對比。通過設置不同研究組合,定量研究深圳河植物對河道綜合糙率的影響程度。

3.4.1計算工況

根據生態調查結果,植物中蘆葦高度達2 m,考慮到植物生長高度不均,統一考慮植物高度為1.5 m,河道綜合糙率n取0.02,上游邊界為鹿丹村站2018年8月29日0:00至31日0:00實測流量過程,下游邊界為深圳河口站2018年8月29日0:00至31日0:00實測潮位過程。對于沒有植物的地形資料采用2018年汛前水下地形測量結果,在植物生長區域不進行加高,模擬無植物效果。對于有植物的地形資料,在無植物地形的基礎上對有植物生長的區域整體增高1.5 m,綜合糙率不變。對于對照組,采用汛前地形資料,并設置不同的綜合糙率,探究植物的等效綜合糙率。計算工況見表3。

表3 各工況計算情況說明

3.4.2結果分析

分別選取河口、皇崗、鹿丹村3處測站的水位數據,將其與模型計算對比,結果見表4。

表4 各工況最高水位計算結果

分析計算結果發現,在有無植物的情況下,對照組3(綜合糙率為0.025工況),各站水位差別較小,皇崗、鹿丹村只有1、2 cm的差距,因此可以認為當植物高達到1.5 m時,河道綜合糙率n值增加0.005。

3.5 植物對防洪能力影響分析

前文研究發現過去10 a邊灘植物生長范圍擴大使得河道斷面綜合糙率增大約0.005。本節利用斷面綜合糙率變化值,進一步分析不同設計洪水條件下,邊灘植物生長對河道洪水期流速、洪水位等的影響。

以無植物的工況與對照組3對比,計算采用以洪水為主遭遇多年平均潮位組合(表1、2),綜合研究在200、100、50、20、10年一遇的洪水條件下,植物對深圳河防洪能力的影響。

a)沿程流速平均變化。對比有無邊灘植物對河道流速的影響,研究河道邊灘植物對洪水條件下河道動力的影響程度。圖8為有邊灘植物條件下河道沿程流速與無邊灘植物條件下的差值。從圖中可以明顯看出,河道邊灘植物生長后阻力增大,使得河道流速有所減小。在200、100年一遇極端洪水條件下,植物對流速影響明顯,變化幅度較大,均超過了1 m/s。對于50、20、10年一遇洪水條件下河道邊灘植物對流速的影響各有差異,但整體上變化幅度較小,基本維持在0.5～0.7 m/s。從區域上分析植物分布對流速的影響,由于河道植物主要集中在深圳河中下部,因此對中下游河段流速影響最大,尤其是梧桐河至福田口岸河段,為植物影響最為顯著的區域,流速降幅大,洪水動力減小。而對于羅湖上游河段由于植物范圍減小,流速所受影響較小。對比200、100年極端洪水條件與50、20、10年的洪水條件的結果,當來流流量越大時,植物對流速的影響越明顯;反之,當來流流量減小時,植物對流速的影響也在逐漸減小。

圖8 有植物與無植物的流速平均差值

b)水面線變化。有植物地形的水面線與無植物地形的水面線差值結果見圖9,在植物分布較多的羅湖河段以下,植物對水面線抬升影響顯著。由于直立護岸的布置,在植物分布較少羅湖河段以上,帶來的影響較小。對于200年一遇的洪水,在河口至福田河段,由于上游來流以及植物分布的影響,其水面線變化幅度較為劇烈,在0.4～1.0 m上下浮動,在福田至羅湖河段,植物對水面線的影響最大,均在1 m左右,最大值超過了1.1 m。對于100年一遇的洪水,其變化規律與200年相似,最大值出現在鹿丹村附近,約0.9 m。對于流量較小的50年、20年及10年一遇的洪水,由于上游來流流量較小,整體上變化幅度較極端洪水調條件較小,整體在0.5～0.7 m浮動。

圖9 有植物與無植物水面線差值

4 結論及建議

綜合深圳河邊灘植物生長及分布的變化以及對河道綜合糙率的影響,可得出如下結論。

a)在經過早期治理工程后,深圳河自然狀態發生變化,邊灘植物分布范圍改變,其上游分布范圍較小,主要集中在中下游羅湖至河口河段,中下游河道的綜合糙率受植物影響顯著。

b)深圳河邊灘植物對河道阻力及防洪能力的影響與植物的生長高度有關,高度變化越大,影響越明顯。

c)邊灘植物的過度生長會對河道綜合糙率產生一定影響,深圳河中下游兩側灘地以及斜坡式護岸植被過度發育是導致河道綜合糙率變大的重要原因。

d)深圳河邊灘植物生長茂密,減小了河道行洪斷面,增加了排洪阻力。其凸岸淺灘大范圍的植被以及斜坡式護岸植被發育,阻礙了行洪。加上植被生長迅速,洪水期間存在茂密植被的情況,深圳河沿程水位及流速受到影響,防洪壓力增大。

深圳河作為港深兩地重要的排洪河道,其兩岸邊灘植物的生長直接影響著河道的泄洪能力,為了保證防洪標準,在對深圳河進行其他治理工程的同時,也要對深圳河沿岸植被分布和高度進行合理規劃與修剪,避免邊灘植物過度生長。