复合河道流速及河床剪切应力降低的有效性分析

朱燕萍

(南昌市水利电力建设公司，江西 南昌 330000)

1 研究区概况

F江上游水流深切，河谷两岸峰峦叠嶂，流域所在区域主要为亚热带季风气候，年气温均值在15～19 ℃，年降水量均值为800～1200 mm，冬季温和湿润，夏季高温多雨，流域径流以大气降水为主要来源。在F江上游流域数字高程模型上，以流域源头为起点，以干流河道为中心线，与干流河道东西侧分别相距5000 m为分析区。沿长轴将此条带状区域内划分成100个段落，并进行各段落海拔点高程最大值统计，以得到海拔高程剖面，以该剖面值代表F江下蚀后的山顶残留面，该残留面和F江下蚀后的河床面高程差即为F江下切深度。基于对不同河段下切深度的统计，进行F江上游干流河道地貌类型划分以及下切速率计算，从而对复合河道设计对河道流速及河床剪切应力降低有效性进行分析。

根据图1所示，F江上游流域条带剖面情况，可以将该流域流经区域划分成山脉区、高原区和低丘平坝区三个地貌单元。与起点相距67.5 km处为地形陡变区，山顶面海拔高程从4.5 km以上骤降至2.4 km。根据河道坡降指数计算公式，该段河道坡降指数为2.81，河段主要流经高原区，与山脉区相比地形起伏减小；此后进入低丘平坝区，山顶面高程突降至600～750 m，河道坡降指数减小至0.18。

图1 F江上游流域条带剖面图

2 分析思路及方法

本文应用HEC-RAS一维模型分别对河道修复前后进行模型构建及相应计算，将所得出的结果和UnTRIM三维流体动力学模型结果进行比较，以便进行河道流速及剪切应力的评估。最后基于相关分析，评估高流量条件下河道流速及河床剪切应力降低能力以及河道修复工程在生态、水流输送、地貌等方面的适用性和有效性。

本文所采用的HEC-RAS模型可进行河道修复前后实际状况的模拟，提取河段内及河道修复后同一断面特征进行比较。河道修复前后上下游横断面河段相对较直，包括洪泛区在内的整个河段几何形状基本一致，所以河道修复中棱柱形河道是合理选择。

为进行模型对比，一般假设下游水面高度为正常深度，HEC-RAS模型和UnTRIM三维流体动力学模型边界条件相同。通过两个模型进行河流流速为58 m3/s时的河道运行情况模拟，一维模型中曼宁系数取0.03；三维模型中通过河道水面校准而进行河床粗糙度模拟，以匹配一维模型分析结果，从而保证一维模型和三维模型中摩擦能量损失一致。

3 分析过程及结果

通过对低流量河道河床纵向剖面及监测断面的调查，收集并审查所取得的历史航空摄影及水文数据。结果表明，低流量河道剖面在河道修复工程实施前深切口已经不再变化，且河床动态程度明显增大；河床形式主要随着水文、沉积物、植被等的变化而变化。

3.1 河道调查

HEC-RAS模型所预测的上游河道流速及河道剪切应力在横截面的均值详见表1。根据表中结果，河道修复过程中及修复后所测得的流速均值比修复前低；总体而言，河道修复过程中和修复后的结果较为接近。这意味着根据河道流速和剪切应力进行有效性评估时，修复后的河道性能和修复设计十分匹配。此外，根据表中计算结果还可以看出，根据HEC-RAS模型预测，河道修复工程的实施将使河道流速均值下降，但也会使河床剪切应力增大，这意味着修复工程实施后会使河道切口增大，该结论和后期实地调查结果并不吻合。根据实地调查结果，修复工程实施后河道始终处于稳定状态，河道切口也无任何增长趋势。

表1 HEC-RAS计算结果

3.2 下切深度及速率

河流下切深度是山顶残留面和河床面海拔高程差(图1中灰色区域)，根据F江上游河流下切深度变化趋势特征，不同地貌区河道下切深度差异较大：山脉区、高原区及低丘平坝区河流下切深度均值依次为1841 m、1089 m和132 m；此外，不同地貌区河流切割深度变化趋势基本稳定，且与所在地貌单元表面隆升幅度存在明显的正相关关系，即隆升幅度越大，河道下切深度也越大；反之则越小。

在得知不同地貌区河道下切深度的基础上，可进行F江干流河道相应区域下切速率的推求，根据推求结果进一步推定F江形成时间。相关文献对F江山前冲积扇进行了系统性研究，认为最古老的冲积扇由含石英岩、闪长岩等成分的黄褐色、灰褐色松散砾石组成，并以钙泥质胶结为主要填隙物；通过采集冲积扇沉积样品并进行埋藏年代的测试和分析发现，其砾石最早沉积年代为1.84 Ma。此外F江冲积扇发育的砾石层胶结程度类似于大邑砾岩；并根据河段不同地貌区下切深度和形成时间得到山脉区、高原区和低丘平坝区等地貌单元河流下切速率依次为0.99 mm/a、0.59 mm/a和0.07 mm/a[1-2]，也就是说，F江河道不同地貌区下切速率差异较大，并与下切深度变化趋势吻合；F江下切速率和隆升幅度之间明显正相关，即隆升幅度越大，河流下切速率也越大。

3.3 下切过程的控制因素

地表隆升、气候转湿及侵蚀基准面下降均为河道下切过程的控制性因素，其中，地表隆升是基层褶皱变形、断裂活动等内力作用的结果，而其余因素则是大气圈层活动等外力作用的结果。考虑到流域下蚀局部侵蚀基准面控制了所在区域地形及河流下切速率，整个F江为微观水系系统，即便是水系发育受到气候和侵蚀基准面变化的影响，这种影响和控制对于整个流域而言应当是一致的。根据相关文献，将侵蚀基准面下降、气候转湿等外力作用视为F江下切过程的约束性常量C，则F江河流下切速率和表面隆升之间存在定量关系，如式(1)：

Ve=Vu×C

(1)

式中：Ve为F江上游干流下切速率，mm/a；Vu为F江上游河道隆升速率，mm/a。通过对流域所在地区表面隆升速率的反演，高原地区表面隆升速率在0.11～0.20 mm/a之间，隆升变化基本稳定；冲积平原区表面隆升速率在0.03～0.05 mm/a之间，隆升速率更小。根据F江上游河道所流经地貌区的隆升速率及河道下切速率，可以计算出F江下切过程受气候转湿及侵蚀基准面下降等外力作用的约束系数的变化范围，具体见表2。根据表中结果，F江上游河道流经山脉区、高原区及低丘平坝区等不同地貌区，且地表隆升等内在因素和其余外在因素对河道下切的影响程度基本一致，在流域上游河道下切过程中，内在因素和外在因素的贡献比基本保持在1∶2.6，也就是说，流域上游河道对所流经地表的总体切割程度的影响因素中，构造隆升等内在因素的贡献约为28%，气候转湿及侵蚀基准面下降等外在因素的贡献约为72%[3]。

表2 外力作用的约束系数的变化范围

3.4 复合河道流速均值和河床剪切应力模拟

在进行F江上游河道下切情况量化分析的基础上，还应进行河床剪应力最大值及剪应力分布情况的准确计算，以便对河道稳定性及修复方案设计进行合理评估。HEC-RAS模型和UnTRIM三维流体动力学模型所得到的棱形河道下游流速均值及河床剪切应力结果详见表3。根据比较，河道修复前HEC-RAS模型所测得的流速均值比UnTRIM模型小4.0%；修复后小2.5%。修复后HEC-RAS模型所测得的左右河漫滩流速均值比UnTRIM模型分别高6.2%和3.4%。

下切河道修复前及修复中所预测的河床剪切应力具体见图2。HEC-RAS模型主要预测的是河道整体河床剪切应力单一均值；而UnTRIM模型主要通过近河床速度进行各水平网络单元河床剪切应力计算。修复后的复合河道河床剪切应力预测结果详见图3，图中HEC-RAS模型在河道细分的基础上，进行河道和左右漫滩河床剪切应力预测；而UnTRIM模型并未进行河道细分。

图2 河道修复前和修复中剪切应力预测情况

图3 河道修复后剪切应力预测情况

4 结 论

进行复合河道设计能有效阻止河道持续切割、河床冲刷，也能达到地貌、水土保持、生态修复及水流输送的目标。但是采用HEC-RAS模型进行复合河道设计时存在明显缺陷，对一维模型评估复合河道河床剪切应力的准确度存在限制。UnTRIM三维流体动力学模型可真实反映河道流速及河床剪切应力变化趋势，根据预测结果，河道整治修复工程的设计及实施能有效降低河床剪切应力，防止河床冲刷。三维模型计算过程比一维和二维模型更加耗时，但三维模型对河道流速及河床剪切应力预测的精确度更高，并可对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进行准确量化。通过以上分析研究，复合河道的设计可有效降低河道冲刷，减少自身水土流失的产生，复合河道增加了河道两岸绿植面积，可有效拦截周边泥沙，河道生态、保持水土功能得到进一步提升。