宋加平，歐陽高明，李 燦

（廣東中灝勘察設(shè)計咨詢有限公司,廣東 肇慶 526060）

1 引言

水動力學特征反映了河道水流滲流現(xiàn)狀[1-2],與水利設(shè)施調(diào)控、運營密切相關(guān),研究河道水動力學特征,有助于水工建筑設(shè)計與運營。水沙演變特征反映了河道泥沙遷移、懸浮特性,對河道清淤、排沙及沖砂設(shè)計具有參考價值,也有利于流域水土保持設(shè)計[3,4]。蔡玉鵬等[5]、王蕊[6]為研究河道水動力學特征,采用模型試驗方法,開展了河道原型比尺復(fù)制設(shè)計,分析了模型試驗過程中河床水位、流速及泥沙懸浮特征,豐富了工程設(shè)計參考成果。華中等[7]、程正飛等[8]、張瑜等[9]采用了流場離散元計算方法,基于Fluent 等平臺建立河道概化模型,探討河道在不同方案下流速、含沙量及水位變化特征,反映了河道運營現(xiàn)狀。針對水沙特征,馮淑琳等[10]、陳志軍[11]、劉富強等[12]采用MIKE 等水沙模擬平臺開展了泥沙淤積分析,獲得了河床泥沙淤積厚度演變及河道斷面含沙量變化特征,為河道清淤、沖排沙提供了參照。本文基于北江社崗流域河床特征,利用MIKE21 開展降雨、植被覆蓋下河道泥沙淤積與水沙演變特征分析。

2 設(shè)計模擬分析

2.1 工程概況

作為粵北地區(qū)重要地表水源,北江乃是廣東省境內(nèi)重要水系流域。北江流域內(nèi)包括有韶關(guān)、清遠等地區(qū),全長超過460 km,總流域面積達4.7×104km2,全流域內(nèi)建設(shè)水利設(shè)施包括有北江飛來峽水庫、北江清遠水利樞紐工程及其他中小型水利工程,北江各水利工程承擔著流域內(nèi)水力發(fā)電、防洪排澇、通航、灌溉等水利功能,特別是流徑清遠等地區(qū)的防洪聯(lián)圩工程,對北江中下游城市防洪帶來較大保障,堤頂最高處位于清遠石角鎮(zhèn),距離河口面軸長為350 m,全聯(lián)圩工程涉及流域面積超過3.7 萬km2,聯(lián)圩所在區(qū)段內(nèi)降雨也是北江降水最多地區(qū),水位波幅段最大也是該區(qū)域,最高水位為38.5 m。與北江聯(lián)圩工程密切相關(guān)的水利設(shè)施為飛來峽水庫,該水庫年降水量超過1800 mm,設(shè)計最大庫容量為3800 萬m3,主壩最大高程達65.5 m,全壩身均設(shè)置有高度為2.5 m 的防浪墻,采用全階梯式溢流面設(shè)計形式的溢洪道,配置有可承擔最大泄流量300 m3/s 的泄洪閘,汛期可同時四孔泄流,閘室凈寬度達8.6 m,但由于受上游降水及區(qū)段內(nèi)泥沙懸浮影響,導致泄洪閘泥沙淤積過高,不利于通流。飛來峽水庫其一方面自身承擔著農(nóng)業(yè)灌溉、水資源調(diào)度等作用,同樣可對下游聯(lián)圩工程水位進行控制,減弱水庫泄流對下游防洪設(shè)施影響。飛來峽水庫流域內(nèi)總?cè)丝诮咏?0 萬,轄區(qū)內(nèi)共有10 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。人口活動對北江干流飛來峽水庫區(qū)段兩側(cè)生態(tài)植被影響帶來一定影響,特別是由于農(nóng)業(yè)灌渠的建設(shè),部分河道植被覆蓋密度受影響較大,導致河坡水土流失嚴重,根據(jù)下游聯(lián)圩工程監(jiān)測表明,飛來峽水庫社崗流域內(nèi)在汛期含沙量最大接近6.5 kg/m3,水質(zhì)狀態(tài)受影響較大,同時泥沙懸浮對下游聯(lián)圩工程的沖擊作用,導致堤身受沖刷面區(qū)域達到72%。綜合北江干流與飛來峽水庫現(xiàn)狀分析,北江流域內(nèi)水利設(shè)施一方面受降雨徑流活動節(jié)制影響,同時也受到生態(tài)植被覆蓋現(xiàn)狀影響。為此,水文部門考慮以北江干流飛來峽水庫K3+005～K6～605所在區(qū)段的社崗流域為分析對象,開展該區(qū)段內(nèi)降水、生態(tài)植被覆蓋對水沙特征影響分析。

2.2 模擬設(shè)計

本文采用MIKE21 對飛來峽水庫社崗流域水系河道進行概化[11-13],概化圖中對部分水面寬度低于1m 的水渠進行忽略,主要水系包括了飛來峽水庫上下游支流,而本文模擬的社崗流域區(qū)段也位于該區(qū)段內(nèi)。根據(jù)流域內(nèi)實際河道寬度、水位高程等信息輸入至河道斷面屬性特征中,區(qū)段河道起始點空間X～Z 數(shù)據(jù)均采用社崗流域內(nèi)河道實際數(shù)據(jù)。

降水尺度按照2010 年～2020 年10 年共185 場次降水強度數(shù)據(jù),按照尺度范圍內(nèi)降水數(shù)據(jù)分別降雨強度150 mm/d、300 mm/d、450 mm/d、600 mm/d、750 mm/d、900 mm/d,在MIKE21 中按照降雨與徑流的線性相關(guān)數(shù)據(jù),設(shè)定區(qū)段內(nèi)水系凈流參數(shù),降水與徑流關(guān)系見圖1,按照汛期與年平均降水量進行設(shè)定,社崗流域內(nèi)最大徑流量為1575 萬m3。研究區(qū)段內(nèi)生態(tài)植被覆蓋以環(huán)境科學中心監(jiān)測NDVI 數(shù)據(jù)進行計算[14],并按照圖2 中近十年NDVI 植被覆蓋數(shù)據(jù)分別設(shè)定有NVDI值0.42、0.48、0.6、0.66、0.72,MIKE21 中模擬計算時也相應(yīng)輸入NVDI 植被覆蓋特征。

圖1 降水與徑流關(guān)系圖

圖2 近十年植被覆蓋NDVI 值

基于MIKE 流域模型的建立,其邊界條件考慮水動力演化與水沙擴散特征,外部接觸面邊界直接采用飛來峽水庫泄流期最高水位55.5 m 作為計算工況,內(nèi)部水質(zhì)泥沙懸浮遷移等以能量等替交換形式,河段糙率設(shè)定為0.04,河道初始含沙量設(shè)定為飛來峽水庫入庫平均含沙量,為2.5 kg/m3。在流域內(nèi)泄流期工況,開展降水、植被覆蓋特征因素對研究區(qū)段內(nèi)水動力學特征、水沙演化特征影響分析。

3 流域泥沙淤積特征影響

3.1 降水影響

根據(jù)不同降雨強度方案下流域水動力學特征計算,獲得社崗流域區(qū)段內(nèi)泥沙淤積厚度變化特征,見圖3,為分析方便,以飛來峽水庫K3+005 樁號點為河道橫斷面起點（0 m）。分析泥沙淤積特征可知,泥沙淤積厚度與降雨強度為正相關(guān)關(guān)系,在運營期為100 d 下,降雨強度150 mm/d 下流域斷面680 m 處泥沙淤積厚度為0.35 m,而降雨強度為300 mm/d、600 mm/d、900 mm/d 下同斷面處泥沙淤積厚度較之分別增長了26.4%、47.2%、71.7%；從社崗流域河道斷面整體泥沙淤積厚度來看,降雨強度150 mm/d 下泥沙淤積平均厚度為0.35 m,最大、最小厚度分別為0.42 m、0.3 m,分別位于斷面1800 m、2550 m,而在降水方案中降雨強度每增長150 mm/d 下,河道斷面上泥沙淤積平均厚度可增長11.3%,最大、最小厚度在降雨強度600 mm/d 前基本一致,均處于同一斷面,而降雨強度750 mm/d、900 mm/d 下最大、最小斷面均發(fā)生改變,分別位于1090 m、3250 m。筆者認為,河道泥沙淤積厚度最大值斷面上水動力學活動較緩,不利于河道沖砂、排流活動,而淤積厚度最小的斷面上動水沖擊作用較強,泥沙受水流裹挾遷移力較大；當降雨強度過大,河道內(nèi)水動力學活動的強弱斷面出現(xiàn)改變[15]。從降雨強度對泥沙淤積厚度影響變幅來看,降雨強度過大,泥沙淤積厚度的增幅實質(zhì)上在減弱,如運營期100 d 下,降雨強度600 mm/d 與150 mm/d、300 mm/d 的斷面平均淤積厚度分別具有增幅45.7%、15.9%,而降雨強度750 mm/d、900 mm/d 較之600 mm/d 下分別僅有增幅7.8%、14.5%。由此說明,降雨強度增大,河道泥沙淤積趨勢在減弱,高強度降雨下的徑流活動一方面帶來水土流失,另一方面河道徑流量也得到增長,河道泥沙遷移作用增強,有助于控制泥沙的沉降。

圖3 降雨對河道斷面泥沙淤積厚度特征

當運營期增長10 倍,為1000 d 時,泥沙淤積受時序效應(yīng)影響,斷面厚度均得到增大,在降雨強度300 mm/d 時,其全斷面上泥沙淤積厚度較之運營100 d 時,增幅分布為1.7～2.2倍,淤積厚度平均值的增幅為1.82 倍,淤積增長最為顯著的屬斷面2550 m,該斷面也是水動力學活動處于較活躍。降雨強度增大,運營期1000 d 下泥沙淤積厚度增長最顯著的為降雨強度600 mm/d 下,泥沙淤積平均厚度的增幅達2.05 倍,而各斷面上淤積厚度增幅分布為1.9～2.22 倍,而降雨強度150 mm/d及高降雨強度750 mm/d、900 mm/d 等方案中,其平均淤積厚度值的增幅分別為1.9 倍、1.85 倍、1.76 倍。分析表明,在過大或過低的降雨強度方案下,泥沙淤積厚度隨運營期變化均不是最敏感,而以中等降雨強度方案中泥沙淤積厚度隨運營期變化敏感度最大。

3.2 植被影響

根據(jù)對不同NDVI 植被覆蓋方案下泥沙淤積分析,獲得了植被覆蓋對流域泥沙淤積影響,見圖4。從圖中可知,植被覆蓋參數(shù)NDVI 值愈大,則泥沙淤積厚度愈小,即NDVI 參數(shù)值與泥沙淤積厚度具有負相關(guān)關(guān)系,運營期為100 d 時,在NDVI 參數(shù)0.42 方案中,斷面380m 處泥沙淤積厚度為0.63 m,而植被覆蓋方案的NDVI 值每增大0.6,則該斷面處泥沙淤積平均可減少12.8%。NDVI 值0.42 方案中,河道全斷面上泥沙淤積厚度平均值為0.65 m,其隨每階次NDVI0.06 的變化,厚度值的平均降幅為12.5%,且各方案間平均厚度降幅較穩(wěn)定,基本均接近平均降幅,表明植被覆蓋不僅有利于固土護沙[16],且植被覆蓋密度的變化對水土流失效應(yīng)的影響變化較恒定。

圖4 植被對河道斷面泥沙淤積厚度特征

當運營期增長至1000 d 時,各方案中泥沙淤積厚度值均有增長,在NDVI 參數(shù)0.48 方案中,其流域斷面上泥沙厚度的增幅分布為54.2%～57.9%,淤積厚度平均值的增幅為55.2%,河道斷面間泥沙淤積的變幅最大、最小均與運營期100 d 下一致,而其他NDVI 方案中,同樣斷面間淤積厚度的最大、最小變幅區(qū)間斷面均與運營期100 d 一致,未發(fā)生改變。分析泥沙淤積厚度的增幅斷面,各NDVI 參數(shù)方案中泥沙淤積厚度隨運營期的增長最大、最低均一致,分別為1500 m～1800 m、1090 m～1500 m,即在該區(qū)間斷面上,水動力學特征參數(shù)受運營時序效應(yīng)影響最為敏感,且植被覆蓋NDVI 參數(shù)的變化,不改變河道時序敏感區(qū)間所在斷面。

4 流域水沙演變影響特征

為研究流域水沙演變特征,對不同降雨強度、植被覆蓋方案下開展河道斷面含沙量參數(shù)計算,獲得運營期1000 d 時各方案中斷面含沙量特征,見圖5。

圖5 河道斷面含沙量影響變化

從圖中可知,降雨強度愈大,則含沙量愈高,但高強度強度方案下斷面含沙量較大的區(qū)間延伸至研究區(qū)段的中游,降雨強度150 mm/d 下斷面1090 m 處含沙量為1.84 kg/m3,而降雨強度每增長150 mm/d,該斷面處含沙量平均增長16.5%,降雨150 mm/d 方案下河道斷面平均含沙量為2.16 kg/m3,隨降雨強度增長,斷面平均含沙量的增幅13.2%。在降雨強度低于600 mm/d 時,各斷面上含沙量從上游至下游均為遞增,但降雨強度在750 mm/d 時其斷面2550 m 后含沙量增幅較小,甚至在強度900 mm/d 方案下斷面2550 m 后含沙量出現(xiàn)稍有降低的現(xiàn)象。分析認為,降雨強度與含沙量具有正相關(guān),但降雨強度過大,會影響河道含沙量在斷面上分布特征,改變上游至下游泥沙遷移、沉降的規(guī)律。

當植被NDVI 參數(shù)值愈大,則河道斷面含沙量愈低,在NDVI 值0.42 時,其斷面平均含沙量為4.17 kg/m3,而植被覆蓋參數(shù)NDVI 值每梯次增長0.06,則其斷面平均含沙量可減少16.3%,表明植被覆蓋愈廣泛,有利于限制泥沙流失。在各NDVI 值參數(shù)方案中,同一斷面上含沙量的降幅在各方案中基本保持一致,如斷面1500 m 處含沙量在NDVI 值0.54～0.6 間、0.66～0.72 間的降幅均穩(wěn)定在25%,表明植被覆蓋參數(shù)對河道斷面含沙量影響具有恒定性。從水土保持及河道泥沙治理方面考量,在降雨強度處于中等時,更應(yīng)重點考慮水土流失,而流域內(nèi)植被覆蓋應(yīng)盡量廣泛,抑制泥沙流失。

5 結(jié)論

本文主要得到以下三點結(jié)論：

（1）泥沙淤積厚度與降雨強度為正相關(guān)關(guān)系,降雨強度每增長150 mm/d 下,運營期100 d 時河道斷面淤積平均厚度可增長11.3%,降雨強度較大時,會改變淤積厚度峰、谷值所處斷面,同時淤積厚度增幅也減小；泥沙淤積具有運營時序增長效應(yīng),且以中等強度降雨方案下泥沙淤積受此效應(yīng)更為敏感。

（2）植被NDVI 值與泥沙淤積厚度具有負相關(guān)關(guān)系,每階次NDVI0.06 的變化,運營期100 d 時淤積厚度平均降幅為12.5%,各NDVI 值方案間降幅穩(wěn)定；運營期100 d 與1000 d 下,淤積厚度變幅最大、最小區(qū)間斷面均保持一致,為1500 m～1800 m、1090 m～1500 m,該區(qū)間斷面水動力特征受運營時序效應(yīng)最為敏感。

（3）降雨強度愈大,含沙量愈高,降雨150 mm/d 的階次增長,可引起斷面平均含沙量的梯次增幅為13.2%,降雨強度過大,上下游斷面泥沙遷移、沉降效應(yīng)受改變；植被NDVI值每梯次增長0.06,則斷面平均含沙量可減少16.3%,且同一斷面含沙量的降幅保持恒定。