復合河道流速及河床剪切應力降低的有效性分析

朱燕萍

(南昌市水利電力建設公司，江西 南昌 330000)

1 研究區概況

F江上游水流深切，河谷兩岸峰巒疊嶂，流域所在區域主要為亞熱帶季風氣候，年氣溫均值在15～19 ℃，年降水量均值為800～1200 mm，冬季溫和濕潤，夏季高溫多雨，流域徑流以大氣降水為主要來源。在F江上游流域數字高程模型上，以流域源頭為起點，以干流河道為中心線，與干流河道東西側分別相距5000 m為分析區。沿長軸將此條帶狀區域內劃分成100個段落，并進行各段落海拔點高程最大值統計，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。基于對不同河段下切深度的統計，進行F江上游干流河道地貌類型劃分以及下切速率計算，從而對復合河道設計對河道流速及河床剪切應力降低有效性進行分析。

根據圖1所示，F江上游流域條帶剖面情況，可以將該流域流經區域劃分成山脈區、高原區和低丘平壩區三個地貌單元。與起點相距67.5 km處為地形陡變區，山頂面海拔高程從4.5 km以上驟降至2.4 km。根據河道坡降指數計算公式，該段河道坡降指數為2.81，河段主要流經高原區，與山脈區相比地形起伏減??；此后進入低丘平壩區，山頂面高程突降至600～750 m，河道坡降指數減小至0.18。

圖1 F江上游流域條帶剖面圖

2 分析思路及方法

本文應用HEC-RAS一維模型分別對河道修復前后進行模型構建及相應計算，將所得出的結果和UnTRIM三維流體動力學模型結果進行比較，以便進行河道流速及剪切應力的評估。最后基于相關分析，評估高流量條件下河道流速及河床剪切應力降低能力以及河道修復工程在生態、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模型可進行河道修復前后實際狀況的模擬，提取河段內及河道修復后同一斷面特征進行比較。河道修復前后上下游橫斷面河段相對較直，包括洪泛區在內的整個河段幾何形狀基本一致，所以河道修復中棱柱形河道是合理選擇。

為進行模型對比，一般假設下游水面高度為正常深度，HEC-RAS模型和UnTRIM三維流體動力學模型邊界條件相同。通過兩個模型進行河流流速為58 m3/s時的河道運行情況模擬，一維模型中曼寧系數取0.03；三維模型中通過河道水面校準而進行河床粗糙度模擬，以匹配一維模型分析結果，從而保證一維模型和三維模型中摩擦能量損失一致。

3 分析過程及結果

通過對低流量河道河床縱向剖面及監測斷面的調查，收集并審查所取得的歷史航空攝影及水文數據。結果表明，低流量河道剖面在河道修復工程實施前深切口已經不再變化，且河床動態程度明顯增大；河床形式主要隨著水文、沉積物、植被等的變化而變化。

3.1 河道調查

HEC-RAS模型所預測的上游河道流速及河道剪切應力在橫截面的均值詳見表1。根據表中結果，河道修復過程中及修復后所測得的流速均值比修復前低；總體而言，河道修復過程中和修復后的結果較為接近。這意味著根據河道流速和剪切應力進行有效性評估時，修復后的河道性能和修復設計十分匹配。此外，根據表中計算結果還可以看出，根據HEC-RAS模型預測，河道修復工程的實施將使河道流速均值下降，但也會使河床剪切應力增大，這意味著修復工程實施后會使河道切口增大，該結論和后期實地調查結果并不吻合。根據實地調查結果，修復工程實施后河道始終處于穩定狀態，河道切口也無任何增長趨勢。

表1 HEC-RAS計算結果

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中灰色區域)，根據F江上游河流下切深度變化趨勢特征，不同地貌區河道下切深度差異較大：山脈區、高原區及低丘平壩區河流下切深度均值依次為1841 m、1089 m和132 m；此外，不同地貌區河流切割深度變化趨勢基本穩定，且與所在地貌單元表面隆升幅度存在明顯的正相關關系，即隆升幅度越大，河道下切深度也越大；反之則越小。

在得知不同地貌區河道下切深度的基礎上，可進行F江干流河道相應區域下切速率的推求，根據推求結果進一步推定F江形成時間。相關文獻對F江山前沖積扇進行了系統性研究，認為最古老的沖積扇由含石英巖、閃長巖等成分的黃褐色、灰褐色松散礫石組成，并以鈣泥質膠結為主要填隙物；通過采集沖積扇沉積樣品并進行埋藏年代的測試和分析發現，其礫石最早沉積年代為1.84 Ma。此外F江沖積扇發育的礫石層膠結程度類似于大邑礫巖；并根據河段不同地貌區下切深度和形成時間得到山脈區、高原區和低丘平壩區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，F江河道不同地貌區下切速率差異較大，并與下切深度變化趨勢吻合；F江下切速率和隆升幅度之間明顯正相關，即隆升幅度越大，河流下切速率也越大。

3.3 下切過程的控制因素

地表隆升、氣候轉濕及侵蝕基準面下降均為河道下切過程的控制性因素，其中，地表隆升是基層褶皺變形、斷裂活動等內力作用的結果，而其余因素則是大氣圈層活動等外力作用的結果?？紤]到流域下蝕局部侵蝕基準面控制了所在區域地形及河流下切速率，整個F江為微觀水系系統，即便是水系發育受到氣候和侵蝕基準面變化的影響，這種影響和控制對于整個流域而言應當是一致的。根據相關文獻，將侵蝕基準面下降、氣候轉濕等外力作用視為F江下切過程的約束性常量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。通過對流域所在地區表面隆升速率的反演，高原地區表面隆升速率在0.11～0.20 mm/a之間，隆升變化基本穩定；沖積平原區表面隆升速率在0.03～0.05 mm/a之間，隆升速率更小。根據F江上游河道所流經地貌區的隆升速率及河道下切速率，可以計算出F江下切過程受氣候轉濕及侵蝕基準面下降等外力作用的約束系數的變化范圍，具體見表2。根據表中結果，F江上游河道流經山脈區、高原區及低丘平壩區等不同地貌區，且地表隆升等內在因素和其余外在因素對河道下切的影響程度基本一致，在流域上游河道下切過程中，內在因素和外在因素的貢獻比基本保持在1∶2.6，也就是說，流域上游河道對所流經地表的總體切割程度的影響因素中，構造隆升等內在因素的貢獻約為28%，氣候轉濕及侵蝕基準面下降等外在因素的貢獻約為72%[3]。

表2 外力作用的約束系數的變化范圍

3.4 復合河道流速均值和河床剪切應力模擬

在進行F江上游河道下切情況量化分析的基礎上，還應進行河床剪應力最大值及剪應力分布情況的準確計算，以便對河道穩定性及修復方案設計進行合理評估。HEC-RAS模型和UnTRIM三維流體動力學模型所得到的棱形河道下游流速均值及河床剪切應力結果詳見表3。根據比較，河道修復前HEC-RAS模型所測得的流速均值比UnTRIM模型小4.0%；修復后小2.5%。修復后HEC-RAS模型所測得的左右河漫灘流速均值比UnTRIM模型分別高6.2%和3.4%。

下切河道修復前及修復中所預測的河床剪切應力具體見圖2。HEC-RAS模型主要預測的是河道整體河床剪切應力單一均值；而UnTRIM模型主要通過近河床速度進行各水平網絡單元河床剪切應力計算。修復后的復合河道河床剪切應力預測結果詳見圖3，圖中HEC-RAS模型在河道細分的基礎上，進行河道和左右漫灘河床剪切應力預測；而UnTRIM模型并未進行河道細分。

圖2 河道修復前和修復中剪切應力預測情況

圖3 河道修復后剪切應力預測情況

4 結 論

進行復合河道設計能有效阻止河道持續切割、河床沖刷，也能達到地貌、水土保持、生態修復及水流輸送的目標。但是采用HEC-RAS模型進行復合河道設計時存在明顯缺陷，對一維模型評估復合河道河床剪切應力的準確度存在限制。UnTRIM三維流體動力學模型可真實反映河道流速及河床剪切應力變化趨勢，根據預測結果，河道整治修復工程的設計及實施能有效降低河床剪切應力，防止河床沖刷。三維模型計算過程比一維和二維模型更加耗時，但三維模型對河道流速及河床剪切應力預測的精確度更高，并可對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進行準確量化。通過以上分析研究，復合河道的設計可有效降低河道沖刷，減少自身水土流失的產生，復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、保持水土功能得到進一步提升。