复合河道修复工程对下切河道整治效果的有效性评估
2022-03-25李发孝
李发孝
(江西省九江市庐山市水利局，江西 九江 332000)
0 引 言
下切河道的特点是河床的位置会因侵蚀的增加而降低[1]。河道切口可能是由河流梯度变陡、洪峰增加或侵蚀阻力降低等造成的[2]。复合河道通常建在下切河道的修复项目中。这种设计允许河流在高流量期间流过更宽的河道，并旨在降低河道中的流速和河床剪切应力[3]。这种方法被用于江西省的某河道修复工程。
图1所示为创建复合河道后，与修复工程中切割河道处的横截面类似的典型横截面。许多河流的修复工程都会由于河道不稳定或试图创造与现行河道不兼容的工程而失败。因此，准确计算最大河床剪应力和河道中的剪应力分布，对于获得可靠的河道稳定性估计从而进行河道修复设计来说至关重要。为了解该建模方法的局限性，本研究评估了HEC-RAS模型在复合河道设计中的有效性。
图1 修复工程前后的河床横截面特征
本研究通过调查，为构建的复合河道在阻止河道切割的有效性上提供了定量评价。首先，使用HEC-RAS对河道修复前、河道修复设计和河道修复后进行建模，并进行相应的计算。其次，将HEC-RAS得到的结果与三维流体动力学模型UnTRIM得到的结果进行比较，评估一维模型量化河道流速和剪切应力的能力。最后，通过这些方法，本研究评估了河道修复工程在实现生态、地貌和水流输送等目标的有效性，并根据其在高流量条件下降低河道流速和河床剪切应力的能力，评估一维模型的适用性及复合河道设计的有效性。
1 方 法
1.1 河道调查
本研究中的HEC-RAS用于模拟3种不同的河道情况: 河道修复前、河道修复设计和河道修复后。
尽管河道修复前和河道修复设计模型对整个工程都进行了评估，但本研究的分析主要关注于工程上游的流量。提取河段内与河道修复后的同一横断面特征进行比较。在3种河道情况下，HEC-RAS被用于计算2、25和100年重现期的流量下的水面剖面。拟选用的相应的流量分别为18.4、58.0和121.8 m3/s。
1.2 棱形河道
基于河道修复前和河道修复后的横截面，开发了直棱柱形切割方法和图1中的复合河道。无论在上游还是下游，该河道断面的河段相对较直，就洪泛区和河道的宽度和深度而言，整个河段的几何形状一致。因此，棱柱形河道是进行河道修复工程的一种合理选择。
为了便于模型之间的比较，通常将下游水面高度设定为正常深度。HEC-RAS和UnTRIM的边界条件是相同的。并使用这两个模型均模拟了58 m3/s的河流流速。对于一维模型，模拟中选取的曼宁系数为0.03，并应用于河道和河岸区域。对于三维模型，通过校准每个河道中的水面来确定合适的河床粗糙度，以匹配来自一维模型中的数据，以确保一维模拟和三维模拟中由于摩擦导致的能量损失几乎相同。
2 结 果
2.1 项目实施后的调查和评估
通过调查低流量河道河床的纵向剖面和6个监测断面，收集和审查该地点的历史航空摄影和相关水文数据。通过研究发现，低流量河道剖面最显著的变化是在进行修复工程之前河道的深切口已经不再发生变化，且发现河床形式变得更加动态，随着时间的推移，河床形式随着沉积物、水文和植被的变化而变化。
2.2 河道调查
表1给出使用HEC-RAS预测的上游河道流速和河道剪切应力在横截面上的平均值。由表1可以看出，在河道修复工程中和修复完成后进行预测的平均河道流速比修复前预测的低。总的来说，河道修复工程中和修复完成后的结果基本相同。这表明，当根据河道流速和河道剪切应力进行评估时，基于修复工程建造的河道的性能和修复设计之间非常匹配。
由表1可以看出，虽然根据HEC-RAS模型预测到修复工程的建设会导致平均河道流速下降，但同时也会导致河床剪切应力增加。修复工程设计和修复后的河道剪切应力相对于修复前会增加，这表明项目施工后河道的切口会变大，这一结果与后期调查的情况并不相同。由调查可以发现，在项目建成之后，河道一直处于稳定状态，河道切口并没有持续增长的趋势。
表1 上游设计流量下的HEC-RAS计算结果
2.3 棱形河道
表2比较了使用UnTRIM和HEC-RAS在棱形河道上计算的平均下游流速和河床剪切应力。对于修复前的河道，使用HEC-RAS预测的平均河道流速与使用UnTRIM计算的差异小于4%。对于修复后的河道，差异约为2.6%。左右河漫滩流速的平均值分别相差6.2%和3.4%。UnTRIM预测的主河道流量略高于HEC-RAS，河漫滩的流量略低于HEC-RAS。
表2 不同模型在棱形河道上的平均流速和河床剪切应力
下切河道修复前的预测河床剪切应力见图2。对于HEC-RAS，预测了整个河道河床剪切应力的单一平均值。在UnTRIM模拟中，使用近河床速度计算每个水平网格单元的河床剪切应力。修复后复合河道的预测河床剪切应力见图3。对于HEC-RAS模拟，对河道进行细分，分别预测河道和河漫滩区域的河床剪切应力。在UnTRIM模拟中，没有进行单独的河道细分。由表2可知，HEC-RAS预测的复合河道中的平均河道剪切应力相对于下切河道会增加5%，而UnTRIM预测的平均河道剪切应力会减少7%，最大剪切应力减少24%。
图2 河道修复前的剪切应力预测值
图3 河道修复后的剪切应力预测值
3 结 论
通过研究表明，采用复合河道的设计可以成功阻止河道进一步的切割，同时也可以实现修复地貌、生态和水流输送的目标。然而，在复合河道设计中使用的HEC-RAS模型存在一定的缺陷，限制了一维模型评估复合河道河床剪切应力的预测准确度。
UnTRIM证明了三维建模在评估河道流速和河床剪切应力变化的能力。由UnTRIM模拟中预测的结果可以看出，修复工程的设计和施工成功降低了河道中的最大河床剪切应力。虽然三维模型的计算时间比一维或二维模型的更多，但三维模型预测的河道流速和河床剪切应力的精度更高。本研究中的分析表明，三维模型更有利于准确量化复合河道设计在降低下切河道河床剪切应力方面的有效性。
