基于MIKE21 的社岗流域水动力学及水沙演变特征影响研究

宋加平，欧阳高明，李 灿

（广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东 肇庆 526060）

1 引言

水动力学特征反映了河道水流渗流现状[1-2],与水利设施调控、运营密切相关,研究河道水动力学特征,有助于水工建筑设计与运营。水沙演变特征反映了河道泥沙迁移、悬浮特性,对河道清淤、排沙及冲砂设计具有参考价值,也有利于流域水土保持设计[3,4]。蔡玉鹏等[5]、王蕊[6]为研究河道水动力学特征,采用模型试验方法,开展了河道原型比尺复制设计,分析了模型试验过程中河床水位、流速及泥沙悬浮特征,丰富了工程设计参考成果。华中等[7]、程正飞等[8]、张瑜等[9]采用了流场离散元计算方法,基于Fluent 等平台建立河道概化模型,探讨河道在不同方案下流速、含沙量及水位变化特征,反映了河道运营现状。针对水沙特征,冯淑琳等[10]、陈志军[11]、刘富强等[12]采用MIKE 等水沙模拟平台开展了泥沙淤积分析,获得了河床泥沙淤积厚度演变及河道断面含沙量变化特征,为河道清淤、冲排沙提供了参照。本文基于北江社岗流域河床特征,利用MIKE21 开展降雨、植被覆盖下河道泥沙淤积与水沙演变特征分析。

2 设计模拟分析

2.1 工程概况

作为粤北地区重要地表水源,北江乃是广东省境内重要水系流域。北江流域内包括有韶关、清远等地区,全长超过460 km,总流域面积达4.7×104km2,全流域内建设水利设施包括有北江飞来峡水库、北江清远水利枢纽工程及其他中小型水利工程,北江各水利工程承担着流域内水力发电、防洪排涝、通航、灌溉等水利功能,特别是流径清远等地区的防洪联圩工程,对北江中下游城市防洪带来较大保障,堤顶最高处位于清远石角镇,距离河口面轴长为350 m,全联圩工程涉及流域面积超过3.7 万km2,联圩所在区段内降雨也是北江降水最多地区,水位波幅段最大也是该区域,最高水位为38.5 m。与北江联圩工程密切相关的水利设施为飞来峡水库,该水库年降水量超过1800 mm,设计最大库容量为3800 万m3,主坝最大高程达65.5 m,全坝身均设置有高度为2.5 m 的防浪墙,采用全阶梯式溢流面设计形式的溢洪道,配置有可承担最大泄流量300 m3/s 的泄洪闸,汛期可同时四孔泄流,闸室净宽度达8.6 m,但由于受上游降水及区段内泥沙悬浮影响,导致泄洪闸泥沙淤积过高,不利于通流。飞来峡水库其一方面自身承担着农业灌溉、水资源调度等作用,同样可对下游联圩工程水位进行控制,减弱水库泄流对下游防洪设施影响。飞来峡水库流域内总人口接近30 万,辖区内共有10 个乡镇。人口活动对北江干流飞来峡水库区段两侧生态植被影响带来一定影响,特别是由于农业灌渠的建设,部分河道植被覆盖密度受影响较大,导致河坡水土流失严重,根据下游联圩工程监测表明,飞来峡水库社岗流域内在汛期含沙量最大接近6.5 kg/m3,水质状态受影响较大,同时泥沙悬浮对下游联圩工程的冲击作用,导致堤身受冲刷面区域达到72%。综合北江干流与飞来峡水库现状分析,北江流域内水利设施一方面受降雨径流活动节制影响,同时也受到生态植被覆盖现状影响。为此,水文部门考虑以北江干流飞来峡水库K3+005～K6～605所在区段的社岗流域为分析对象,开展该区段内降水、生态植被覆盖对水沙特征影响分析。

2.2 模拟设计

本文采用MIKE21 对飞来峡水库社岗流域水系河道进行概化[11-13],概化图中对部分水面宽度低于1m 的水渠进行忽略,主要水系包括了飞来峡水库上下游支流,而本文模拟的社岗流域区段也位于该区段内。根据流域内实际河道宽度、水位高程等信息输入至河道断面属性特征中,区段河道起始点空间X～Z 数据均采用社岗流域内河道实际数据。

降水尺度按照2010 年～2020 年10 年共185 场次降水强度数据,按照尺度范围内降水数据分别降雨强度150 mm/d、300 mm/d、450 mm/d、600 mm/d、750 mm/d、900 mm/d,在MIKE21 中按照降雨与径流的线性相关数据,设定区段内水系净流参数,降水与径流关系见图1,按照汛期与年平均降水量进行设定,社岗流域内最大径流量为1575 万m3。研究区段内生态植被覆盖以环境科学中心监测NDVI 数据进行计算[14],并按照图2 中近十年NDVI 植被覆盖数据分别设定有NVDI值0.42、0.48、0.6、0.66、0.72,MIKE21 中模拟计算时也相应输入NVDI 植被覆盖特征。

图1 降水与径流关系图

图2 近十年植被覆盖NDVI 值

基于MIKE 流域模型的建立,其边界条件考虑水动力演化与水沙扩散特征,外部接触面边界直接采用飞来峡水库泄流期最高水位55.5 m 作为计算工况,内部水质泥沙悬浮迁移等以能量等替交换形式,河段糙率设定为0.04,河道初始含沙量设定为飞来峡水库入库平均含沙量,为2.5 kg/m3。在流域内泄流期工况,开展降水、植被覆盖特征因素对研究区段内水动力学特征、水沙演化特征影响分析。

3 流域泥沙淤积特征影响

3.1 降水影响

根据不同降雨强度方案下流域水动力学特征计算,获得社岗流域区段内泥沙淤积厚度变化特征,见图3,为分析方便,以飞来峡水库K3+005 桩号点为河道横断面起点（0 m）。分析泥沙淤积特征可知,泥沙淤积厚度与降雨强度为正相关关系,在运营期为100 d 下,降雨强度150 mm/d 下流域断面680 m 处泥沙淤积厚度为0.35 m,而降雨强度为300 mm/d、600 mm/d、900 mm/d 下同断面处泥沙淤积厚度较之分别增长了26.4%、47.2%、71.7%；从社岗流域河道断面整体泥沙淤积厚度来看,降雨强度150 mm/d 下泥沙淤积平均厚度为0.35 m,最大、最小厚度分别为0.42 m、0.3 m,分别位于断面1800 m、2550 m,而在降水方案中降雨强度每增长150 mm/d 下,河道断面上泥沙淤积平均厚度可增长11.3%,最大、最小厚度在降雨强度600 mm/d 前基本一致,均处于同一断面,而降雨强度750 mm/d、900 mm/d 下最大、最小断面均发生改变,分别位于1090 m、3250 m。笔者认为,河道泥沙淤积厚度最大值断面上水动力学活动较缓,不利于河道冲砂、排流活动,而淤积厚度最小的断面上动水冲击作用较强,泥沙受水流裹挟迁移力较大；当降雨强度过大,河道内水动力学活动的强弱断面出现改变[15]。从降雨强度对泥沙淤积厚度影响变幅来看,降雨强度过大,泥沙淤积厚度的增幅实质上在减弱,如运营期100 d 下,降雨强度600 mm/d 与150 mm/d、300 mm/d 的断面平均淤积厚度分别具有增幅45.7%、15.9%,而降雨强度750 mm/d、900 mm/d 较之600 mm/d 下分别仅有增幅7.8%、14.5%。由此说明,降雨强度增大,河道泥沙淤积趋势在减弱,高强度降雨下的径流活动一方面带来水土流失,另一方面河道径流量也得到增长,河道泥沙迁移作用增强,有助于控制泥沙的沉降。

图3 降雨对河道断面泥沙淤积厚度特征

当运营期增长10 倍,为1000 d 时,泥沙淤积受时序效应影响,断面厚度均得到增大,在降雨强度300 mm/d 时,其全断面上泥沙淤积厚度较之运营100 d 时,增幅分布为1.7～2.2倍,淤积厚度平均值的增幅为1.82 倍,淤积增长最为显著的属断面2550 m,该断面也是水动力学活动处于较活跃。降雨强度增大,运营期1000 d 下泥沙淤积厚度增长最显著的为降雨强度600 mm/d 下,泥沙淤积平均厚度的增幅达2.05 倍,而各断面上淤积厚度增幅分布为1.9～2.22 倍,而降雨强度150 mm/d及高降雨强度750 mm/d、900 mm/d 等方案中,其平均淤积厚度值的增幅分别为1.9 倍、1.85 倍、1.76 倍。分析表明,在过大或过低的降雨强度方案下,泥沙淤积厚度随运营期变化均不是最敏感,而以中等降雨强度方案中泥沙淤积厚度随运营期变化敏感度最大。

3.2 植被影响

根据对不同NDVI 植被覆盖方案下泥沙淤积分析,获得了植被覆盖对流域泥沙淤积影响,见图4。从图中可知,植被覆盖参数NDVI 值愈大,则泥沙淤积厚度愈小,即NDVI 参数值与泥沙淤积厚度具有负相关关系,运营期为100 d 时,在NDVI 参数0.42 方案中,断面380m 处泥沙淤积厚度为0.63 m,而植被覆盖方案的NDVI 值每增大0.6,则该断面处泥沙淤积平均可减少12.8%。NDVI 值0.42 方案中,河道全断面上泥沙淤积厚度平均值为0.65 m,其随每阶次NDVI0.06 的变化,厚度值的平均降幅为12.5%,且各方案间平均厚度降幅较稳定,基本均接近平均降幅,表明植被覆盖不仅有利于固土护沙[16],且植被覆盖密度的变化对水土流失效应的影响变化较恒定。

图4 植被对河道断面泥沙淤积厚度特征

当运营期增长至1000 d 时,各方案中泥沙淤积厚度值均有增长,在NDVI 参数0.48 方案中,其流域断面上泥沙厚度的增幅分布为54.2%～57.9%,淤积厚度平均值的增幅为55.2%,河道断面间泥沙淤积的变幅最大、最小均与运营期100 d 下一致,而其他NDVI 方案中,同样断面间淤积厚度的最大、最小变幅区间断面均与运营期100 d 一致,未发生改变。分析泥沙淤积厚度的增幅断面,各NDVI 参数方案中泥沙淤积厚度随运营期的增长最大、最低均一致,分别为1500 m～1800 m、1090 m～1500 m,即在该区间断面上,水动力学特征参数受运营时序效应影响最为敏感,且植被覆盖NDVI 参数的变化,不改变河道时序敏感区间所在断面。

4 流域水沙演变影响特征

为研究流域水沙演变特征,对不同降雨强度、植被覆盖方案下开展河道断面含沙量参数计算,获得运营期1000 d 时各方案中断面含沙量特征,见图5。

图5 河道断面含沙量影响变化

从图中可知,降雨强度愈大,则含沙量愈高,但高强度强度方案下断面含沙量较大的区间延伸至研究区段的中游,降雨强度150 mm/d 下断面1090 m 处含沙量为1.84 kg/m3,而降雨强度每增长150 mm/d,该断面处含沙量平均增长16.5%,降雨150 mm/d 方案下河道断面平均含沙量为2.16 kg/m3,随降雨强度增长,断面平均含沙量的增幅13.2%。在降雨强度低于600 mm/d 时,各断面上含沙量从上游至下游均为递增,但降雨强度在750 mm/d 时其断面2550 m 后含沙量增幅较小,甚至在强度900 mm/d 方案下断面2550 m 后含沙量出现稍有降低的现象。分析认为,降雨强度与含沙量具有正相关,但降雨强度过大,会影响河道含沙量在断面上分布特征,改变上游至下游泥沙迁移、沉降的规律。

当植被NDVI 参数值愈大,则河道断面含沙量愈低,在NDVI 值0.42 时,其断面平均含沙量为4.17 kg/m3,而植被覆盖参数NDVI 值每梯次增长0.06,则其断面平均含沙量可减少16.3%,表明植被覆盖愈广泛,有利于限制泥沙流失。在各NDVI 值参数方案中,同一断面上含沙量的降幅在各方案中基本保持一致,如断面1500 m 处含沙量在NDVI 值0.54～0.6 间、0.66～0.72 间的降幅均稳定在25%,表明植被覆盖参数对河道断面含沙量影响具有恒定性。从水土保持及河道泥沙治理方面考量,在降雨强度处于中等时,更应重点考虑水土流失,而流域内植被覆盖应尽量广泛,抑制泥沙流失。

5 结论

本文主要得到以下三点结论：

（1）泥沙淤积厚度与降雨强度为正相关关系,降雨强度每增长150 mm/d 下,运营期100 d 时河道断面淤积平均厚度可增长11.3%,降雨强度较大时,会改变淤积厚度峰、谷值所处断面,同时淤积厚度增幅也减小；泥沙淤积具有运营时序增长效应,且以中等强度降雨方案下泥沙淤积受此效应更为敏感。

（2）植被NDVI 值与泥沙淤积厚度具有负相关关系,每阶次NDVI0.06 的变化,运营期100 d 时淤积厚度平均降幅为12.5%,各NDVI 值方案间降幅稳定；运营期100 d 与1000 d 下,淤积厚度变幅最大、最小区间断面均保持一致,为1500 m～1800 m、1090 m～1500 m,该区间断面水动力特征受运营时序效应最为敏感。

（3）降雨强度愈大,含沙量愈高,降雨150 mm/d 的阶次增长,可引起断面平均含沙量的梯次增幅为13.2%,降雨强度过大,上下游断面泥沙迁移、沉降效应受改变；植被NDVI值每梯次增长0.06,则断面平均含沙量可减少16.3%,且同一断面含沙量的降幅保持恒定。