基于MIKE21 的社崗流域水動力學及水沙演變特征影響研究

宋加平，歐陽高明，李 燦

（廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 肇慶 526060）

1 引言

水動力學特征反映了河道水流滲流現狀[1-2],與水利設施調控、運營密切相關,研究河道水動力學特征,有助于水工建筑設計與運營。水沙演變特征反映了河道泥沙遷移、懸浮特性,對河道清淤、排沙及沖砂設計具有參考價值,也有利于流域水土保持設計[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制設計,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 設計模擬分析

2.1 工程概況

作為粵北地區重要地表水源,北江乃是廣東省境內重要水系流域。北江流域內包括有韶關、清遠等地區,全長超過460 km,總流域面積達4.7×104km2,全流域內建設水利設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水力發電、防洪排澇、通航、灌溉等水利功能,特別是流徑清遠等地區的防洪聯圩工程,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,距離河口面軸長為350 m,全聯圩工程涉及流域面積超過3.7 萬km2,聯圩所在區段內降雨也是北江降水最多地區,水位波幅段最大也是該區域,最高水位為38.5 m。與北江聯圩工程密切相關的水利設施為飛來峽水庫,該水庫年降水量超過1800 mm,設計最大庫容量為3800 萬m3,主壩最大高程達65.5 m,全壩身均設置有高度為2.5 m 的防浪墻,采用全階梯式溢流面設計形式的溢洪道,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段內泥沙懸浮影響,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業灌溉、水資源調度等作用,同樣可對下游聯圩工程水位進行控制,減弱水庫泄流對下游防洪設施影響。飛來峽水庫流域內總人口接近30 萬,轄區內共有10 個鄉鎮。人口活動對北江干流飛來峽水庫區段兩側生態植被影響帶來一定影響,特別是由于農業灌渠的建設,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,根據下游聯圩工程監測表明,飛來峽水庫社崗流域內在汛期含沙量最大接近6.5 kg/m3,水質狀態受影響較大,同時泥沙懸浮對下游聯圩工程的沖擊作用,導致堤身受沖刷面區域達到72%。綜合北江干流與飛來峽水庫現狀分析,北江流域內水利設施一方面受降雨徑流活動節制影響,同時也受到生態植被覆蓋現狀影響。為此,水文部門考慮以北江干流飛來峽水庫K3+005～K6～605所在區段的社崗流域為分析對象,開展該區段內降水、生態植被覆蓋對水沙特征影響分析。

2.2 模擬設計

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段也位于該區段內。根據流域內實際河道寬度、水位高程等信息輸入至河道斷面屬性特征中,區段河道起始點空間X～Z 數據均采用社崗流域內河道實際數據。

降水尺度按照2010 年～2020 年10 年共185 場次降水強度數據,按照尺度范圍內降水數據分別降雨強度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數據,設定區段內水系凈流參數,降水與徑流關系見圖1,按照汛期與年平均降水量進行設定,社崗流域內最大徑流量為1575 萬m3。研究區段內生態植被覆蓋以環境科學中心監測NDVI 數據進行計算[14],并按照圖2 中近十年NDVI 植被覆蓋數據分別設定有NVDI值0.42、0.48、0.6、0.66、0.72,MIKE21 中模擬計算時也相應輸入NVDI 植被覆蓋特征。

圖1 降水與徑流關系圖

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,內部水質泥沙懸浮遷移等以能量等替交換形式,河段糙率設定為0.04,河道初始含沙量設定為飛來峽水庫入庫平均含沙量,為2.5 kg/m3。在流域內泄流期工況,開展降水、植被覆蓋特征因素對研究區段內水動力學特征、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,獲得社崗流域區段內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關系,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,河道內水動力學活動的強弱斷面出現改變[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NDVI 值愈大,則泥沙淤積厚度愈小,即NDVI 參數值與泥沙淤積厚度具有負相關關系,運營期為100 d 時,在NDVI 參數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、最小變幅區間斷面均與運營期100 d 一致,未發生改變。分析泥沙淤積厚度的增幅斷面,各NDVI 參數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,即在該區間斷面上,水動力學特征參數受運營時序效應影響最為敏感,且植被覆蓋NDVI 參數的變化,不改變河道時序敏感區間所在斷面。

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間延伸至研究區段的中游,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 后含沙量出現稍有降低的現象。分析認為,降雨強度與含沙量具有正相關,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、沉降的規律。

當植被NDVI 參數值愈大,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 間的降幅均穩定在25%,表明植被覆蓋參數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,更應重點考慮水土流失,而流域內植被覆蓋應盡量廣泛,抑制泥沙流失。

5 結論

本文主要得到以下三點結論：

（1）泥沙淤積厚度與降雨強度為正相關關系,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??；泥沙淤積具有運營時序增長效應,且以中等強度降雨方案下泥沙淤積受此效應更為敏感。

（2）植被NDVI 值與泥沙淤積厚度具有負相關關系,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 值方案間降幅穩定；運營期100 d 與1000 d 下,淤積厚度變幅最大、最小區間斷面均保持一致,為1500 m～1800 m、1090 m～1500 m,該區間斷面水動力特征受運營時序效應最為敏感。

（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。