贛撫平原灌區(qū)撫河故道植被對(duì)行洪能力的影響分析

楊方福，劉方平，蘇 甜，楊中華，鄭俊杰，向愛(ài)農(nóng)，龔來(lái)紅

（1.江西省贛撫平原水利工程管理局，南昌 330096；2.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

0 引 言

近年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到植被在河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要性，在進(jìn)行河道整治和河道水環(huán)境綜合治理時(shí)，越來(lái)越多的考慮利用植被來(lái)達(dá)到調(diào)整河道中的水位、流速、流向以及固定岸坡的作用［1，2］，并且在生態(tài)修復(fù)工程中常常采用種植水生植物的辦法促進(jìn)植被區(qū)泥沙沉降，降低水體濁度，凈化水體。植被作為一種生態(tài)措施，對(duì)于河流生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)具有積極的作用［2-8］。然而，河道植被的存在將使水體的流動(dòng)特性和紊流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［9，10］。植被的存在將增大水流的阻力［11-13］，造成水流流速降低、水位升高，使河流的過(guò)流能力減弱，加大了洪水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，植被對(duì)水流的擾動(dòng)增加了水流的不均勻性，對(duì)水體質(zhì)量和動(dòng)量的傳輸產(chǎn)生影響。但作為河流湖泊的重要組成部分，植被的存在有利于減緩河流沖刷，調(diào)整河道內(nèi)的橫向水流結(jié)構(gòu)，影響河道的泥沙沖淤平衡和河床變形。為此，深入研究植被與水流之間相互影響及作用機(jī)理，對(duì)于河道的行洪能力分析、河床演變分析、水生生物的棲息地評(píng)估、河流水環(huán)境治理以及河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究以江西省贛撫平原灌區(qū)撫河故道為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)查河道地形、水文、植被種類及分布等基礎(chǔ)資料，采用經(jīng)不同水流條件、植被參數(shù)、河道參數(shù)算例驗(yàn)證了的、具有較高精度和可靠性的模擬植被水流的數(shù)學(xué)模型，即基于Godunov 型有限體積法建立的二維淺水?dāng)?shù)學(xué)模型［14-17］，來(lái)研究撫河故道植被對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響。

1 撫河故道概況

撫河故道全長(zhǎng)約20 km，是撫河末端的西支流，橫跨宜春市豐城市與南昌市南昌縣兩個(gè)市縣，始于豐城市箭江口（116°4′29.51"E，28°16′50.52"N），沿途流經(jīng)豐城市袁渡鎮(zhèn)、南昌縣黃馬鄉(xiāng)、三江鎮(zhèn)，止于崗前大壩（115°58′20.28"E，28°20′54.16"N），河流水一部分流入青豐山溪排漬道，另一部分經(jīng)贛撫平原灌區(qū)西總干渠流向南昌市內(nèi)并最后匯入贛江。撫河故道在贛撫平原灌區(qū)具有重要的戰(zhàn)略意義，是撫河防洪非工程的重要組成部分，是贛撫平原灌區(qū)重要的調(diào)蓄區(qū)，同時(shí)也是南昌市的應(yīng)急備用水源。作為平原地區(qū)的中小型河流，撫河故道通過(guò)蓄泄兼籌的方式在一定程度上減少流入江河干流及其支流的水量，降低洪水的水位，對(duì)江河干流的防洪防澇有極大的積極作用。除此之外，撫河故道小流域?qū)χ車(chē)纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)、水土保持等方面也起到了極大的積極影響。

撫河故道地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，霜期較短，生長(zhǎng)期長(zhǎng)；全年平均氣溫為15.3～17.7 ℃，全年日照時(shí)數(shù)1 935.7 h，年平均降水量1 552.1 mm，4-6月降水量約占全年降水量的50%，年平均降水日數(shù)為154 d。

2 二維淺水?dāng)?shù)學(xué)模型介紹

2.1 二維淺水控制方程

考慮植被因素，守恒形式的二維淺水控制方程包括連續(xù)性方程和x、y方向上的動(dòng)量方程，可表示為：

其中：

式中：t為時(shí)間變量；U為守恒變量；F、G均為通量向量；Szb為地形變化引起的底坡；Sturb為紊動(dòng)阻力；Sf為河床摩阻；Svege為植被引起的外力；g為地球引起的重力加速度；h為水深；zb為河床地形高程；η為水位；u、v分別為x、y方向上的流速分量；ηb為河床曼寧阻力系數(shù)；vt為渦黏系數(shù)；ρ為流體密度；Fvx、Fvy分別表示為x、y方向上植被引起的拖曳力，采用式（8）計(jì)算。

式中：uc、vc分別為x、y方向上的植被層的水深平均流速；λ為單位體積水體中植被的擋水面積；Cd為拖曳力系數(shù)。

2.2 Godunov型有限體積方法

二維淺水方程組式（1）的Godunov 型有限體積方法離散形式為：

式（9）為顯格式離散，上標(biāo)n為時(shí)間層；下標(biāo)i、j為網(wǎng)格序號(hào)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；Δx、Δy分別為網(wǎng)格在x、y方向的尺寸大?。籉i＋1/2，j、Fi-1/2，j、Gi，j+1/2、Gi，j-1/2分別為界面四個(gè)方向的對(duì)流數(shù)值通量。

為了在時(shí)間上達(dá)到二階精度，應(yīng)用二階Runge-Kutta 方法。式（9）可重新寫(xiě)為：

其中：

式中：Ki，j為二階Runge-Kutta系數(shù)；為中間變量。

計(jì)算網(wǎng)格邊界處的通量是數(shù)值模型中的關(guān)鍵，在Godunov顯格式中網(wǎng)格邊界通量通過(guò)求解定義在網(wǎng)格邊界處的黎曼問(wèn)題求解。本文采用HLLC 近似黎曼求解器計(jì)算網(wǎng)格邊界通量［18］。地形高程Szb和紊動(dòng)阻力Sturb采用網(wǎng)格內(nèi)部中心差分格式進(jìn)行離散。為了保證數(shù)學(xué)模型在遇到極淺水深時(shí)的穩(wěn)定性，摩擦阻力半隱式格式處理摩阻項(xiàng)［19］。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 河道地形測(cè)量

撫河故道地形測(cè)量采用D380 測(cè)深儀和GPS-S3 儀器相結(jié)合的方法，于2017年11月至12月，依據(jù)《水道觀測(cè)規(guī)范（SL257-2000）》、《工程測(cè)量規(guī)范（GB50026-2007）》等規(guī)定要求進(jìn)行測(cè)定。地形測(cè)量范圍為河道兩岸堤防以內(nèi)的區(qū)域，測(cè)量精度以5～8 m 為一個(gè)地形散點(diǎn)，總計(jì)測(cè)量了210 550 個(gè)地形散點(diǎn)，控制點(diǎn)高程取位至0.01 m；采用測(cè)深儀進(jìn)行野外數(shù)字化測(cè)定后，基于北京1954 坐標(biāo)系，通過(guò)AutoCAD 軟件輸出地形圖，另外導(dǎo)出水下地形斷面原始數(shù)據(jù)和河道洲灘地分布圖。

據(jù)測(cè)定分析，撫河故道平均底坡約為0.028 3%；河道寬度在125～840 m 之間，上游河道窄，植被分布面積大，下游河道變寬；河道內(nèi)灘地、塘較多，河道灘地人工開(kāi)墾問(wèn)題嚴(yán)重；河道過(guò)水?dāng)嗝孀钫幬挥谏嫌?，寬度只?9.05 m，河底高程在24.5 m左右，兩岸灘地高于河底4～5 m；至中游舒家灣河段，河道過(guò)水?dāng)嗝孀顚?，達(dá)到509.88 m。在箭江分洪閘未分洪條件下水流主要集中在主河道，灘地植被的淹沒(méi)范圍和程度較低。具體測(cè)量地形圖見(jiàn)圖2。

3.2 河道植物群落分布調(diào)查

通過(guò)從撫河故道上游至下游選擇植被種類豐富、人為干擾較少的10個(gè)橫斷面，分別于2017年4月、6月、7月、9月、11月和2018年1月、3月對(duì)植被種類、分布位置、分布面積、植被密度、植株高度等植被特征指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查。在調(diào)查過(guò)程中，分別在調(diào)查斷面的兩岸濕地帶由近岸區(qū)到敞水區(qū)，根據(jù)植物豐富程度選擇2～6 個(gè)1 m×1 m 的小樣方，記錄樣方內(nèi)的水深以及植物的種類、高度、株數(shù)、密度，同時(shí)測(cè)定所記植物種類的覆蓋度；用鐮刀割取樣方內(nèi)全部沼生和挺水植株的地上部分（漂浮植物取整株植物），分類后稱取鮮重，隨后帶回實(shí)驗(yàn)室于烘箱105 ℃殺青30 min，再75 ℃烘干至恒重后稱取干重。

通過(guò)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，濕地植物主要分布在撫河故道上游，并且主要分布在邊灘和河心洲上，鳳眼蓮和菰為河道植物優(yōu)勢(shì)種，表現(xiàn)為植物種類結(jié)構(gòu)較單一；兩岸還遍布著農(nóng)田種植作物，如水稻、蔬菜、甘蔗等，以及養(yǎng)魚(yú)、養(yǎng)鴨等產(chǎn)業(yè)；總體表現(xiàn)為上游河道中植被的分布面積占比較大，下游河道兩岸人為開(kāi)墾嚴(yán)重。具體植被分布圖見(jiàn)圖3。

通過(guò)設(shè)置網(wǎng)格大小為10 m×10 m，則全河道計(jì)算區(qū)域包含92 943 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和90 660 個(gè)網(wǎng)格單元。通過(guò)對(duì)河道植被分布進(jìn)行概化處理，將河道概化為75 塊不同的區(qū)域，各區(qū)域的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 全河道植被參數(shù)Tab.1 The vegetation parameters of the whole river course

根據(jù)植被樣本的調(diào)查結(jié)果，撫河故道植被密度和高度普遍呈現(xiàn)菰＞農(nóng)作物＞野草，各植被的平均密度分別為0.014、0.012、0.01。通過(guò)對(duì)植株高度的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，甘蔗植株高度達(dá)2.2 m，菰、農(nóng)作物、野草平均植株高度分別為1.88、0.21、0.13 m；甘蔗植株直徑最大，達(dá)到0.042 m，菰的平均植株直徑為0.012 m，農(nóng)作物和野草的平均植株直徑分別為0.002 5和0.002 m。

3.3 工況的設(shè)置和計(jì)算

在不考慮箭江分洪閘分洪，河道上游的來(lái)水完全由焦石攔河大壩引入，并由西總干渠流入撫河故道。據(jù)測(cè)定，西總干渠來(lái)水量大約在20～120 m3/s范圍內(nèi)。綜合流量的年際變化趨勢(shì)，選取70 m3/s 為平水流量值，110 m3/s 為豐水流量值，對(duì)應(yīng)下游平、豐水期的平均水位分別為21.54 和21.80 m，設(shè)置有、無(wú)植被的計(jì)算工況（如表2），來(lái)研究河道現(xiàn)有植被在平水期和豐水期對(duì)河道過(guò)流特性的影響。

表2 河道上游來(lái)水計(jì)算工況設(shè)置Tab.2 The calculation conditions Setting for incoming water from the upstream of the river

根據(jù)撫河流域防洪規(guī)劃，確定撫河故道的典型分洪流量分別為200和400 m3/s，對(duì)應(yīng)的兩種分洪流量條件下河道出口斷面水位值分別為27.50 和28.00 m。因此，將現(xiàn)有植被影響下河道流速和水位作為背景工況，設(shè)置不同的計(jì)算工況，其中工況C-1、D-1 為現(xiàn)有植被分布，C-2、D-2 為去除河道的植被，如菰、農(nóng)作物、甘蔗等，分別模擬上游來(lái)水量110 m3/s，分洪閘泄洪量在200和400 m3/s條件下的河道水流流動(dòng)，來(lái)研究不同植被類型及分布情況下對(duì)河道水流的水力影響，具體計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 分洪條件下計(jì)算工況設(shè)置Tab.3 The calculation condition setting under flood diversion condition

4 河道中植被對(duì)河道過(guò)流特性的影響分析

4.1 未分洪條件下河道中植被對(duì)河道過(guò)流特性的影響分析

4.1.1 河道植被對(duì)各河段水位抬升的影響分析

對(duì)比有無(wú)植被工況下的水位差異圖4和圖5可以看出，受到邊灘植被和箭江分洪閘至主河道之間植被的阻水影響，河道上游水位壅高，水位抬升明顯，并影響到上游的池塘區(qū)域范圍。受到下游出口邊界的影響，水位抬升作用自上游至下游逐漸減弱。上游分洪閘附近水位差異最大，在上游來(lái)水量為70 m3/s條件下，上游水位普遍抬升0.09 m 左右。隨著上游來(lái)水量的增加，植被對(duì)水流的阻力增強(qiáng)，對(duì)水位的影響程度和范圍也在提升，在上游來(lái)水量為110 m3/s 條件下，上游水位普遍抬升0.12 m左右。

4.1.2 河道植被對(duì)各河段流速的影響分析

對(duì)比有無(wú)植被工況下的流速差異圖6和圖7，河道植被的存在增加了河床的粗糙度，引起水位的上升，導(dǎo)致河道過(guò)水面積的增加，造成了主河道流速的降低，在河道上游菰存在區(qū)域?qū)λ鞯淖璧K最為明顯，在上游來(lái)水量為70 m3/s 條件下，對(duì)流速的削減幅度達(dá)到0.2 m/s?？梢钥吹剑S著來(lái)水量的增加，各河段的流速大小普遍得到提升，所對(duì)應(yīng)的流速差異也進(jìn)一步擴(kuò)大，在上游來(lái)水量為110 m3/s條件下，河道上游菰存在區(qū)域?qū)α魉俚南鳒p幅度達(dá)到0.25 m/s；并且整體呈現(xiàn)出有植被分布的區(qū)域流速削減、相鄰河道流速提升的變化規(guī)律；這一現(xiàn)象可以看作是植被對(duì)水流的排水作用，在斷面上水流為達(dá)到整體質(zhì)量守恒而做出的流速調(diào)整。

4.2 分洪條件下河道植被對(duì)河道過(guò)流特性的影響分析

4.2.1 河道植被對(duì)各河段水位抬升的影響分析

圖8和圖9分別顯示了分洪流量200 和400 m3/s 條件下有植被和無(wú)植被的水位差異。由水位差異圖可以看出，河道灘地植被的阻水作用造成水位壅高，影響范圍主要集中在分洪閘附近。在分洪量為200 m3/s 條件下，分洪閘附近水位普遍抬升0.17 m 左右。隨著分洪量的增加，水位所受影響的程度和范圍也在提升，在分洪量為400 m3/s條件下，分洪閘附近水位普遍抬升0.18 m 左右。由上述分析可知，隨著分洪量的增大河道植被普遍被洪水淹沒(méi)，植被的糙率系數(shù)降低，但高分洪流量條件下河道的整體水位抬升，在植被阻力作用下河道水位的壅高程度有所提升。

4.2.2 河道植被對(duì)各河段流速的影響分析

圖10 和圖11 分別顯示了分洪流量200 和400 m3/s 條件下有植被和無(wú)植被的流速差異。對(duì)比兩種分洪流量條件下河道有無(wú)植被的流速差異圖可以看出，有植被條件下流速分布變化表現(xiàn)為灘地區(qū)域流速減小，河槽流速增大。在200 m3/s 分洪流量條件下，灘地流速的最大減幅達(dá)0.25 m/s，農(nóng)墾區(qū)域流速減小0.05～0.10 m/s，河槽流速最大增幅達(dá)0.35 m/s。在400 m3/s 分洪流量條件下，植被區(qū)流速最大減幅達(dá)0.35 m/s，河槽流速最大增幅達(dá)0.50 m/s。

4.2.3 河道植被對(duì)斷面流量分布的影響分析

在河道中上游植被主要分布區(qū)域標(biāo)注4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（DM1、DM、DM3、DM4），見(jiàn)流速差異圖（見(jiàn)圖11），對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面分洪條件下4 種計(jì)算工況進(jìn)行流速分布特征分析（具體見(jiàn)圖12）。

從圖12斷面流速分布圖可以明顯看出，植被對(duì)斷面流速具有調(diào)整作用。在無(wú)植被情況下，影響斷面流速的因素主要來(lái)自于地形的坡度，因而同一斷面不同位置流速的差異不大。而河道植被的存在，一定程度增加了河床的粗糙度，引起河道水位的上升，導(dǎo)致了河道過(guò)水面積的增加，造成河道流速整體的降低。隨著邊灘的水位增加，在無(wú)植被條件下河道不過(guò)水的部分開(kāi)始過(guò)水，故邊灘流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。對(duì)比兩種來(lái)洪條件下的斷面流速分布可以看出，隨著流量的增加，各斷面上的流速大小普遍得到提升，所對(duì)應(yīng)的流速差異也進(jìn)一步擴(kuò)大。

表4給出了不同分洪流量下河道有植被（工況C-1、工況D-1）與無(wú)植被（工況C-2、工況D-2）條件下，上中游監(jiān)測(cè)斷面（DM1、DM2、DM3、DM4）的主河道與灘地的過(guò)流流量以及兩者的比值。灘地有植被情況下，從不同流量下的對(duì)比可以看出，隨著流量增大，灘地分流量有所增加；其中DM3 斷面的不同分洪流量下槽灘分流比的變化最為顯著，200 m3/s 分洪流量條件下主槽中的行洪流量與灘地行洪流量比值為2.83，400 m3/s 分洪流量條件下主槽中的行洪流量與灘地行洪流量比值僅為1.43。

表4 過(guò)流能力計(jì)算Tab.4 The calculation of overcurrent capacity

對(duì)比有無(wú)植被條件，具有灘地的河段由于植物的阻力作用，促使更多的流量回歸到主槽中。對(duì)比有無(wú)植被條件下河道斷面的流量分配，可以看到植被對(duì)流量的調(diào)整作用在DM2處最為明顯；在200 與400 m3/s 分洪流量和有植被條件下，主槽與灘地的行洪流量比值分別為3.03 和2.27，接近無(wú)植被條件下的2倍。

5 結(jié) 論

本文以江西省贛撫平原灌區(qū)撫河故道為研究對(duì)象，基于Godunov 型有限體積法建立的二維淺水?dāng)?shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)置豐水和平水條件，以及豐水條件下分洪流量200 和400 m3/s，進(jìn)行洪水運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬，來(lái)研究撫河故道植被對(duì)過(guò)流及行洪能力的影響。主要得到以下結(jié)論：

（1）隨著上游來(lái)水量的增加，植被對(duì)水流的阻力增強(qiáng)，特別在河道上游的菰存在區(qū)域最為明顯，對(duì)水位的影響程度和范圍也在提升；在上游來(lái)水量分別為70 和110 m3/s 條件下，上游水位分別抬升0.09 m 左右和0.12 m 左右；但水位抬升作用自上游至下游逐漸減弱。當(dāng)箭江分洪閘進(jìn)行分洪時(shí)，隨著分洪量的增大，河道水位的壅高程度有所提升，水位所受影響的程度和范圍也在提升；當(dāng)分洪量分別為200 和400 m3/s 條件下，分洪閘附近水位分別抬升0.17 m左右和0.18 m左右。

（2）隨著上游來(lái)水量的增加，河道各斷面上的流速普遍得到提升，有植被區(qū)所對(duì)應(yīng)無(wú)植被條件的流速差異也進(jìn)一步擴(kuò)大；并且整體呈現(xiàn)出有植被分布的主河槽流速削減、邊灘流速提升的這一變化趨勢(shì)；在河道上游菰存在區(qū)域?qū)α魉俚南鳒p作用最為明顯，在上游來(lái)水量分別為70 和110 m3/s 情況下，河道斷面最大削減幅度分別達(dá)到0.20 和0.25 m/s。而在分洪條件下，現(xiàn)有植被對(duì)流速分布變化表現(xiàn)為灘地區(qū)域流速減小、河槽流速增大的規(guī)律；在分洪流量為200 m3/s條件下，灘地植被區(qū)流速最大減幅達(dá)0.25 m/s，河槽流速最大增幅達(dá)0.35 m/s；在分洪流量為400 m3/s 條件下，灘地植被區(qū)流速最大減幅達(dá)0.35 m/s，河槽流速最大增幅達(dá)0.50 m/s。

（3）植被對(duì)河道斷面流速具有調(diào)整作用；在無(wú)植被情況下，同一斷面不同位置流速的差異不大。在有灘地分布和植被河段，隨著流量增大，灘地分流量有所增加；不同分洪流量下，槽灘分流比的變化較為顯著，分洪流量200 m3/s 較分洪流量400 m3/s 槽灘分流比最大河段增加了近2 倍；對(duì)比有無(wú)植被條件下河道斷面的流量分配，槽灘分流比的變化同樣較為顯著，兩種分洪量下，槽灘分流比有植被條件較無(wú)植被條件最大河段增加了近2倍?！?/p>