华南地区河道边滩植物阻力特性研究——以深圳河为例

郑少萍,佟晓蕾,胡浩南,3*

(1.深圳市深圳河湾流域管理中心,广东 深圳 518040;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510610;3.长沙理工大学水利与环境工程学院,湖南 长沙 410114)

深圳河是深圳经济特区和香港特别行政区的边界河流,改革开放前,深圳城市化密度低,深圳河处于自然演变状态[1]。2006年,深港双方先后完成对深圳河裁弯取直、扩宽挖深等综合治理工程。工程完工后,深圳河防洪能力有所提升,水质环境明显改善,但治理工程也显著改变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,上游罗湖流量达到 318 m3/s,水位达4.18 m,相较于2008年“6·13暴雨”流量达到343 m3/s,但水位仅为 2.74 m,分析表明,深圳河下游河道阻力增大是导致“低流量、高水位”特征出现的原因,而河道阻力是众多影响因素共同作用的结果,随滩槽冲淤、植物交替生长、水位涨落等因素的变化而变化。近几年,深圳河淤积后,河道主槽内植物生长,阻水效应增大,当发生较大洪水时,水位抬升,植物对河道阻力影响明显。

对于植物生长对河道阻力特性的影响,国内外学者均进行了大量的研究。早期的传统的方法均是通过调整不同的流动参数单独研究对曼宁系数的影响,由于测量手段的限制,早期只着重研究不同植被水流条件下糙率系数的变化[3]。随着技术的发展,众多学者如赵瑜琪等[4]、姬昌辉等[5]引入植被的密度、淹没水平等植被特征系数,研究与糙率系数的关系。传统观点认为,边滩植被不仅可以减缓水流速度,降低河岸冲刷侵蚀,还有净化水体、美化环境的功能[6]。然而在洪水期,植被在一定程度上会改变滩槽内部原有水流结构,植物和水流相互作用会破坏河道中部分水流的稳定,产生紊动能,从而降低河道行洪能力[7]。因此,基于以上背景,需对深圳河植物分布及河道行洪、防洪能力的变化开展研究。

1 研究区域概况

深圳河是深圳市的五大河流之一,位于珠江口伶仃洋以东,大鹏湾以西,北部为深圳经济特区,南部为香港特别行政区(图1),东经114°～114°12′50″、北纬22°27′～22°39′,发源于梧桐山牛尾岭,由东北向西南流入深圳湾,流域面积312.5 km2,河长37.6 km,河道比降1.1‰,冬季主导风向为东北风,夏季为东南风,潮汐为典型的不规则半日潮[8]。受锋面雨、台风雨影响,暴雨频发,洪、涝、潮灾害时有发生。

图1 深圳河流域

作为承担着港深两市汛期防洪排涝重要责任深圳河,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,其主要为主槽和漫滩组成的复式河道。对于天然的复式河道,在枯水期,其主槽承担泄流功能,洪水期水流溢出主槽,由主槽和漫滩共同泄流[8]。在中下游两岸边滩,即主槽岸坡附近,生长着大量的水生植物,如芦苇、芒、莎草等,汛期时会对河道的行洪产生影响。

2 植物分布及边缘线变化

2.1 植物分布特征

整体分析2016年深圳河的生态调查结果(图2),深圳河边滩植物分布具有一定的空间特征。其植被主要分布在深圳河河道中下游岸坡和滩涂地带,并且从上游至下游,边滩植物生长范围呈增加的趋势。

a)罗湖—鹿丹村河段

对于罗湖口岸及梧桐河附近,该段河道植物种类较多,长势较好,分布较为密集,其岸滩宽度约5 m;福田及皇岗河口至下游岸边,河道较为弯曲,在深圳侧凸岸附近布有宽15～20 m的滩涂地带,分布着较多的芦苇、芒等植物;新田至河口段,其下游河道往往较上游河道更宽,凸岸侧滩涂湿地范围较广,达到了30 m左右,植物种类也较丰富,生长较为茂盛。

2.2 植物边缘线变化

结合历史遥感影像资料,以新田河口附近至深圳河口河段为代表,分析近十几年来河道边滩植物外围边缘线的变化。图3、4为该河段边滩植物在2008年2月和2018年7月遥感影像资料,2008年在河道整治完成初期,深圳河深圳侧边滩范围较小,且几乎没有植物生长,仅香港侧小范围浅滩存在植物生长,而且河道宽阔,没有受到植物的阻碍。到2018年,河道两侧的植物范围扩展明显,并且边滩的淤积致使河道过水面积减小。

图3 2008年河道植物分布范围

图4 2018年河道植物分布范围

整体分析2008—2018年空间上和时间上植物边缘线变化(图5),发现在空间上,河道凹岸侧由于受到正面冲刷,植物生长扩展的范围不是很明显,而凸岸侧植物生长迅速,边滩淤积严重,扩展范围较大。从时间上来看,凸岸侧植被每年均有向外扩展,2014—2016年的扩展幅度最大,达10 m左右;2016—2018年扩展幅度较小为5 m左右。对于凹岸侧,虽然植物增长幅度不及凸岸,但在近十年的时间里也有向河道内测扩展的趋势。相比2008年边滩植物范围,近十年的边滩植物外缘线向河道扩展且增长十分迅速。

图5 局部河段边滩植物外缘轮廓线年际变化

3 模型的建立与分析

3.1 模型建立

采用mike11HD水动力模型计算,其控制方程基于一维非恒定流圣维南方程组。

(1)

式中t——时间坐标;x——空间坐标;A——过流断面面积;Q——流量;h——水位;q——旁侧流量;C——谢才系数;R——水力半径;α——动量校正系数;g——重力加速度。

计算范围见图6,根据深圳河的扇形特点,以及深圳河“8·29”洪水水面线的特征分析,研究范围上至平原河口附近,包括深圳深港两侧主要支流等,下至深圳河口。该段位于河道中部包括了河道干流的防洪敏感区域。此外,该河段形态较为复杂,且弯曲河道的滩槽形态明显,河段植被茂密,河道行洪受植物影响明显。

图6 模型范围

3.2 计算条件

3.2.1地形边界

对于一维数学模拟,其摩阻通常用综合糙率来描述,是一维河道水动力模拟中的灵敏参数[10]。研究表明,河段形态、断面形状、河道植被等因素均会影响到河道对水流的摩阻,致使综合糙率产生变化。而当植被较为繁茂时,水流阻力主要来自植物,糙率受植被的影响显著[11]。为了提高在植物条件下模型模拟的精度,减小地形变化对结果的影响,选取植被生长茂密、范围较广、地形变化较小的2018年汛前水下实测资料。

3.2.2设计洪水及潮位

本研究采用以洪水为主遭遇多年平均潮位组合,设计洪水采用《深圳市防洪潮规划修编及河道整治规划》(2014—2020)已有的规划设计成果。(表1、2)。

表1 设计潮位

表2 深圳河干流设计洪峰流量

3.3 模型验证

模型范围包括了下游河口、河流干流及主要支流,模型下边界为深圳河口,上边界为莲塘河至平原河口断面。选取以洪为主的流量过程,2016年6月7至8日的汛期条件、潮位过程作为模型计算边界,该计算边界可以较好的模拟洪水时,水位抬升,植物对河道阻力的影响。采用当日深圳河口、鹿丹村、梧桐河的实测水位、潮向、流速及流向对模型进行率定。

结果与实际情况对比见图7。可以看出,模型计算结果与实际拟合程度较好,选取测点的潮位计算结果与实测值的绝对误差均小于10%;其次,流速大小和方向与实际情况较为吻合。综上,所构建模型总体较为合理,模拟结果较为可靠,可用于后续研究分析。

a)深圳河口断面水位

3.4 植物对河道阻力影响分析

根据现场生态调查和相关研究,深圳河密集边滩挺水植物平均高度约1.5 m,在洪水条件下基本不过水。因此本研究在模拟中采用过水断面扣除法概化边滩植物。本节主要是分析边滩植物对河段整体阻力状况的影响,故采用断面综合糙率来进行计算和对比。通过设置不同研究组合,定量研究深圳河植物对河道综合糙率的影响程度。

3.4.1计算工况

根据生态调查结果,植物中芦苇高度达2 m,考虑到植物生长高度不均,统一考虑植物高度为1.5 m,河道综合糙率n取0.02,上游边界为鹿丹村站2018年8月29日0:00至31日0:00实测流量过程,下游边界为深圳河口站2018年8月29日0:00至31日0:00实测潮位过程。对于没有植物的地形资料采用2018年汛前水下地形测量结果,在植物生长区域不进行加高,模拟无植物效果。对于有植物的地形资料,在无植物地形的基础上对有植物生长的区域整体增高1.5 m,综合糙率不变。对于对照组,采用汛前地形资料,并设置不同的综合糙率,探究植物的等效综合糙率。计算工况见表3。

表3 各工况计算情况说明

3.4.2结果分析

分别选取河口、皇岗、鹿丹村3处测站的水位数据,将其与模型计算对比,结果见表4。

表4 各工况最高水位计算结果

分析计算结果发现,在有无植物的情况下,对照组3(综合糙率为0.025工况),各站水位差别较小,皇岗、鹿丹村只有1、2 cm的差距,因此可以认为当植物高达到1.5 m时,河道综合糙率n值增加0.005。

3.5 植物对防洪能力影响分析

前文研究发现过去10 a边滩植物生长范围扩大使得河道断面综合糙率增大约0.005。本节利用断面综合糙率变化值,进一步分析不同设计洪水条件下,边滩植物生长对河道洪水期流速、洪水位等的影响。

以无植物的工况与对照组3对比,计算采用以洪水为主遭遇多年平均潮位组合(表1、2),综合研究在200、100、50、20、10年一遇的洪水条件下,植物对深圳河防洪能力的影响。

a)沿程流速平均变化。对比有无边滩植物对河道流速的影响,研究河道边滩植物对洪水条件下河道动力的影响程度。图8为有边滩植物条件下河道沿程流速与无边滩植物条件下的差值。从图中可以明显看出,河道边滩植物生长后阻力增大,使得河道流速有所减小。在200、100年一遇极端洪水条件下,植物对流速影响明显,变化幅度较大,均超过了1 m/s。对于50、20、10年一遇洪水条件下河道边滩植物对流速的影响各有差异,但整体上变化幅度较小,基本维持在0.5～0.7 m/s。从区域上分析植物分布对流速的影响,由于河道植物主要集中在深圳河中下部,因此对中下游河段流速影响最大,尤其是梧桐河至福田口岸河段,为植物影响最为显著的区域,流速降幅大,洪水动力减小。而对于罗湖上游河段由于植物范围减小,流速所受影响较小。对比200、100年极端洪水条件与50、20、10年的洪水条件的结果,当来流流量越大时,植物对流速的影响越明显;反之,当来流流量减小时,植物对流速的影响也在逐渐减小。

图8 有植物与无植物的流速平均差值

b)水面线变化。有植物地形的水面线与无植物地形的水面线差值结果见图9,在植物分布较多的罗湖河段以下,植物对水面线抬升影响显著。由于直立护岸的布置,在植物分布较少罗湖河段以上,带来的影响较小。对于200年一遇的洪水,在河口至福田河段,由于上游来流以及植物分布的影响,其水面线变化幅度较为剧烈,在0.4～1.0 m上下浮动,在福田至罗湖河段,植物对水面线的影响最大,均在1 m左右,最大值超过了1.1 m。对于100年一遇的洪水,其变化规律与200年相似,最大值出现在鹿丹村附近,约0.9 m。对于流量较小的50年、20年及10年一遇的洪水,由于上游来流流量较小,整体上变化幅度较极端洪水调条件较小,整体在0.5～0.7 m浮动。

图9 有植物与无植物水面线差值

4 结论及建议

综合深圳河边滩植物生长及分布的变化以及对河道综合糙率的影响,可得出如下结论。

a)在经过早期治理工程后,深圳河自然状态发生变化,边滩植物分布范围改变,其上游分布范围较小,主要集中在中下游罗湖至河口河段,中下游河道的综合糙率受植物影响显著。

b)深圳河边滩植物对河道阻力及防洪能力的影响与植物的生长高度有关,高度变化越大,影响越明显。

c)边滩植物的过度生长会对河道综合糙率产生一定影响,深圳河中下游两侧滩地以及斜坡式护岸植被过度发育是导致河道综合糙率变大的重要原因。

d)深圳河边滩植物生长茂密,减小了河道行洪断面,增加了排洪阻力。其凸岸浅滩大范围的植被以及斜坡式护岸植被发育,阻碍了行洪。加上植被生长迅速,洪水期间存在茂密植被的情况,深圳河沿程水位及流速受到影响,防洪压力增大。

深圳河作为港深两地重要的排洪河道,其两岸边滩植物的生长直接影响着河道的泄洪能力,为了保证防洪标准,在对深圳河进行其他治理工程的同时,也要对深圳河沿岸植被分布和高度进行合理规划与修剪,避免边滩植物过度生长。