MIKE11模型在山區(qū)中小河流生態(tài)護(hù)岸工程中的應(yīng)用研究
——以瀏陽市南川河為例

丁志良，孫凌凱，陳 帆，陳 立，韓麗娟

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；3.太原理工大學(xué)，太原 030024）

0 引 言

山區(qū)河流具有坡陡流急、匯流時間短、洪水漲落快的特點，易造成河岸沖刷崩退、河勢不穩(wěn)、水土流失等危害［1，2］。守護(hù)山區(qū)河流岸線是保障河道行洪安全、維持岸坡及河勢穩(wěn)定、減少山洪災(zāi)害損失的重要手段。長久以來，由于缺乏系統(tǒng)規(guī)劃、資金投入不足等原因，我國山區(qū)中小河流治理普遍存在“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的現(xiàn)象，護(hù)岸工程單純以固岸行洪為目的，采用大量漿砌石或混凝土擋墻等硬質(zhì)化護(hù)岸型式，未考慮工程措施與整體環(huán)境的協(xié)調(diào)及對河道生態(tài)的影響［3］；更有甚者，許多重要河段至今仍處于未設(shè)防的自然狀態(tài)，岸坡沖毀嚴(yán)重，威脅周邊群眾的生命財產(chǎn)安全。因此，針對山區(qū)中小河流防洪基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、生態(tài)狀況不佳等現(xiàn)狀，綜合考慮兩岸洪水沖刷安全、生態(tài)景觀、經(jīng)濟(jì)適用等多方面需求開展生態(tài)護(hù)岸工程建設(shè)必要而迫切［4］。

河道水力計算是銜接流域水文分析計算與水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對護(hù)岸工程型式的確定、工程規(guī)模及造價有著重大影響［5］，直接關(guān)系到生態(tài)護(hù)岸工程的防洪、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益。山區(qū)中小河流地形復(fù)雜、斷面形式多變、坡降變化大、流態(tài)復(fù)雜，傳統(tǒng)的逐段試算法在計算全面性、準(zhǔn)確性和合理性方面已難以滿足工程實際需求［6］，需結(jié)合專業(yè)軟件模擬、洪痕調(diào)查和既有成果比對等多種方法進(jìn)行河道水力計算［7，8］，如彭小波［9］利用HEC-RAS 模型成功分析了湖南省盤陂江護(hù)岸工程實施后的水面線變化情況；孫翔［7］利用MIKE11 模型對湖南省撈刀河天然河道水面線進(jìn)行了簡化復(fù)核計算，得到了可靠性更高的設(shè)計水位；葉楠等［10］利用HEC-RAS 軟件計算分析了吉林省湯河20年一遇設(shè)計洪水頻率下的河道水面線，據(jù)此開展河道岸坡治理?？梢姡延醒芯看蠖鄠?cè)重于水動力模型在山區(qū)河流現(xiàn)狀水面線復(fù)核計算及河道水面線工程影響分析等方面的應(yīng)用，對于模型計算結(jié)果如何指導(dǎo)河道護(hù)岸工程選材、選型及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面的研究較少。因此，本文以典型山區(qū)河流南川河為例，采用水文比擬法與瞬時單位線法結(jié)合計算設(shè)計洪水，將其作為邊界條件導(dǎo)入MIKE11 模型進(jìn)行水力計算，基于模型計算結(jié)果從岸線布置、護(hù)岸材料和護(hù)岸選型等方面針對性地提出生態(tài)護(hù)岸工程方案，并運用模型對工程實施后的南川河進(jìn)行模擬，分析生態(tài)護(hù)岸工程措施對河道行洪及河勢穩(wěn)定的影響，可為其他山區(qū)中小河流生態(tài)護(hù)岸工程規(guī)劃設(shè)計提供參考。

1 研究區(qū)域

南川河又名潭水，為淥水一級支流，在瀏陽市境內(nèi)長61.4 km，流經(jīng)文家市、中和、澄潭江、大瑤、金剛5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，控制集雨面積約736.7 km2，河道平均坡降約8.99‰；沿途自上而下有14條主要支流匯入，修建有水閘37 座、泵站20 座和水電站1 座。南川河瀏陽段已有護(hù)岸均修建于2010年以后，分別位于文家市鎮(zhèn)沙溪村段、澄潭江鎮(zhèn)集鎮(zhèn)段、大瑤鎮(zhèn)潭水河大橋段和金剛鎮(zhèn)明星橋段，守護(hù)河長約22.4 km（河道中心線長度），僅占全部河長的36.5%；剩余未治理河段中，除河岸倚靠山體的河段外，沿河主要分布有農(nóng)田、道路、村落和集鎮(zhèn)等，現(xiàn)狀主要存在岸坡沖刷、水土流失、親水性差、生態(tài)面貌不佳等問題。因此，須以河道水力計算為基礎(chǔ)，科學(xué)論證南川河生態(tài)護(hù)岸工程措施方案，以達(dá)到穩(wěn)固岸坡、提升河道行洪抗沖能力、全面改善河道生態(tài)面貌的目的。

針對以上問題，瀏陽市南川河有生態(tài)護(hù)岸工程治理需求的河段包括文家市兩省段、文家市集鎮(zhèn)段、文家市湘龍段、中和段、澄潭江碧溪段、澄潭江集鎮(zhèn)段和金剛段，總治理河長約29.894 km（圖1）。本文以此范圍作為研究區(qū)域，研究MIKE11一維水動力模型在生態(tài)護(hù)岸工程設(shè)計中的應(yīng)用。

圖1 瀏陽市南川河流域水系概化圖Fig.1 Sketch of the Nanchuan River watershed system in the Liuyang City

2 模型構(gòu)建與驗證

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料

2.1.1 水文特征數(shù)據(jù)

瀏陽市南川河流域內(nèi)無水文站，出境斷面下游約5 km處的醴陵市境內(nèi)設(shè)有潼塘水文站，控制集雨面積1 162 km2。本次分析中，文家市湘龍段及其以下河段的降雨及下墊面條件與同流域的潼塘水文站基本相近，其設(shè)計洪水依據(jù)潼塘水文站實測流量資料采用水文比擬法計算；文家市集鎮(zhèn)段及其以上河段控制集雨面積較小，可參照適用于小流域設(shè)計洪水計算的《湖南省暴雨洪水查算手冊》（2013年）進(jìn)行推求，即先通過點雨量計算、點面關(guān)系轉(zhuǎn)換、雨量時程分配以及扣損后得到設(shè)計暴雨和設(shè)計凈雨，再利用瞬時單位線法推算設(shè)計洪水。治理河段各典型斷面設(shè)計洪峰流量見表1。

表1 治理河段各典型斷面設(shè)計洪峰流量Tab.1 Designed flood peak discharges of the typical cross sections

2.1.2 地形資料

實測1∶2 000地形圖、帶狀圖和河道斷面圖。

2.1.3 閘（壩）資料

治理河段內(nèi)現(xiàn)存16座閘（壩）的結(jié)構(gòu)形式、位置以及閘孔凈寬、閘孔數(shù)量、及過閘流量等特征參數(shù)。

2.2 模型建立

2.2.1 基本原理

采用MIKE11 構(gòu)建一維水動力模型開展河道水力計算，基本方程組為一維圣維南方程組［11］：

式中：x為距離（主河道流向方向），m；t為時間，s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3；h為水位，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；a為動量校正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。

控制方程組采用Abbott 六點中心隱式差分格式進(jìn)行離散后形成一系列隱式差分方程組，再用追趕法求解，在每一個網(wǎng)格點按順序交替計算水位或流量。

2.2.2 模型范圍

本次南川河水動力模型范圍覆蓋全部生態(tài)護(hù)岸工程治理河段。綜合考慮流域匯水特征、城鎮(zhèn)規(guī)劃及防洪標(biāo)準(zhǔn)等因素，分段建立南川河一維水動力模型。其中第一段模擬范圍包括文家市兩省段和文家市集鎮(zhèn)段，總長10.131 km；第二段模擬范圍包括文家市湘龍段、中和段、澄潭江碧溪段和澄潭江集鎮(zhèn)段，總長16.302 km；第三段模擬范圍包括金剛段及其支流段，總長3.461 km。

2.2.3 河道斷面及阻水建筑物

本次70 個實測河道斷面中，32 個位于生態(tài)護(hù)岸工程治理河段。將河道實測斷面輸入模型，并對河道斷面較稀疏段進(jìn)行插值處理，確保相鄰斷面間距不大于500 m。將16 座閘（壩）按實際情況在模型中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

2.2.4 河道糙率

河道糙率取值基于水面線驗證結(jié)果由模型率定反求，初始糙率取值可根據(jù)各河段平面形態(tài)、河床組成以及岸壁特征，利用《水力計算手冊》（第二版）［12］中的斷面綜合糙率計算公式進(jìn)行確定：

式中：nmax和nmin分別為同一斷面的最大糙率和最小糙率；χ1、χ2、…分別為與糙率n1、n2、…相應(yīng)的濕周。

2.2.5 邊界條件

模型邊界條件主要包括進(jìn)口入流邊界、旁側(cè)入流邊界和出口邊界。根據(jù)水系分布情況，本次模擬共設(shè)置16 個邊界條件，其中進(jìn)口入流邊界3個，出口邊界3個，旁側(cè)入流邊界10個。進(jìn)口與旁側(cè)入流邊界條件根據(jù)水文分析計算結(jié)果給定同頻流量過程，出口邊界條件給定由謝才公式Q=AR2/3/nJ1/2推求的水位流量關(guān)系（圖2），其中水面坡降J由進(jìn)出口斷面高差除以間距計算得到，斷面綜合糙率n則根據(jù)前述方法給定。經(jīng)計算，上、中、下游三段模型中J取值分別為2.79‰、1.58‰和1.7‰，n取值分別為0.035、0.028和0.025。

圖2 模型出口斷面水位～流量關(guān)系Fig.2 Water stage-flow discharge relation curves at the numerical model outlets

2.3 模型驗證

分別給定模型進(jìn)口和旁側(cè)入流5 a一遇、10 a一遇以及20 a一遇的設(shè)計流量過程，模型出口給定水位～流量關(guān)系，對模型參數(shù)（河道糙率）進(jìn)行率定，并采用《河湖管理范圍劃界項目淥水（南川河）瀏陽市水文計算書》中的河道水面線已有成果對率定后的模型進(jìn)行驗證，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，本模型計算所得的南川河上、中游設(shè)計水位與已有成果基本一致，但下游出口斷面水位明顯偏低。經(jīng)分析，已有成果中全線均采用推理公式法推求設(shè)計洪水流量，而下游出口斷面處匯水面積過大，推理公式法不再適應(yīng)，從而導(dǎo)致該段設(shè)計流量偏大、計算水位偏高。

圖3 模型水面線驗證結(jié)果Fig.3 Validation outcomes of the modelled water surface profiles

分析各頻率洪水流量下岸灘淹沒情況可知，已有成果中出口段沿程各斷面（樁號K3+461～K0+000）設(shè)計水位均高于兩岸灘頂0.2～3.2 m，平均水深為6.1～8.8 m，顯著大于上、中游河段的平均水深4.5 m。顯然，由于出口斷面設(shè)計流量計算結(jié)果偏大，已有成果中出口段水面線存在不合理之處。因此，本文將考慮了出口斷面匯水面積修正后的設(shè)計流量過程與MIKE11相耦合計算得到的水面線更能反映實際情況。

另據(jù)2021年6月對2008年洪水的調(diào)查結(jié)果，南川河支流灌江河鎮(zhèn)區(qū)段2008年發(fā)生了約20 a 一遇的洪水（流量約329 m3/s），洪水位約為95.97 m，與本模型計算結(jié)果較為接近。且其他多處洪痕調(diào)查水位與模型計算結(jié)果均相差不大，表明本模型計算成果較為合理。

經(jīng)參數(shù)率定后的水動力模型計算結(jié)果與洪痕調(diào)查及已有成果的符合性較好，能較好地模擬南川河不同頻率洪水的傳播過程，具有較高的模擬精度，可用于現(xiàn)狀與設(shè)計條件下的河道水力計算。

3 MIKE11 模型在生態(tài)護(hù)岸工程方案設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 生態(tài)護(hù)岸工程方案設(shè)計

3.1.1 護(hù)岸工程設(shè)計原則

治理河段部分區(qū)域設(shè)計洪水位已超過河岸岸頂高程，但考慮到山區(qū)河道高水位歷時短、流量集中、洪水陡漲陡落的特點，新建堤防會造成堤內(nèi)排水不暢、阻隔人水親近等問題，同時也涉及大量的征地拆遷，帶來諸多不利影響［13］，本次生態(tài)護(hù)岸工程設(shè)計遵循“防沖不防淹”的治理原則，以增強(qiáng)河岸行洪抗沖能力為主要目的，同時兼顧改善水域生態(tài)環(huán)境和河道親水性，促進(jìn)人水和諧。

3.1.2 護(hù)岸材料選擇

根據(jù)模型計算結(jié)果，治理河段約70%的河道斷面流速為0.8～2.1 m/s，適宜在非經(jīng)常性淹沒岸坡部位布置草皮護(hù)坡（允許不沖流速為2 m/s）［14］，而剩下約30%的河道斷面流速為2.2～4.7 m/s，主要集中在彎道狹窄段和集鎮(zhèn)段等重點防護(hù)段，需在坡腳部位布置防沖能力更強(qiáng)的硬質(zhì)護(hù)岸材料以提升岸坡的防沖能力。

因此，設(shè)計綜合選用生態(tài)性較好的草皮和耐沖性、生態(tài)性均較好的自鎖式生態(tài)塊護(hù)岸材料，并對凹岸沖毀嚴(yán)重和有一定承重需求的局部河段采用漿砌石等硬質(zhì)護(hù)岸材料加強(qiáng)守護(hù)。

3.1.3 護(hù)岸型式及設(shè)計參數(shù)論證

護(hù)岸型式選取需綜合考慮岸坡地形、地質(zhì)和河道水文水動力條件等因素。對于岸坡較緩、穩(wěn)定性較好但坡面不規(guī)整的農(nóng)田段，河岸受沖刷影響較小、防沖要求不高、且需治理段較長，設(shè)計采用常水位以上局部岸坡人工平整搭配草皮護(hù)坡的簡單護(hù)岸型式［圖4（a）］；對于岸坡較緩但穩(wěn)定性較差的居民段或岸頂?shù)缆范?，考慮到此類河岸一般位于深泓?？康膹澋腊及?、斷面流速較大，需一定強(qiáng)度的抗沖能力才能滿足防護(hù)需求，設(shè)計采用仰斜式漿砌石擋墻對坡腳守護(hù)至一定深度，擋墻以上坡面人工平整后利用連鎖式生態(tài)塊護(hù)坡至設(shè)計水位，再采用草皮護(hù)坡守護(hù)至現(xiàn)狀岸頂高程的組合護(hù)岸型式［圖4（b）］；對于岸坡較陡的居民集中段，考慮到河岸主要位于河寬較窄、流速較大，有岸坡防護(hù)和生態(tài)、親水需求的集鎮(zhèn)河段，設(shè)計采用預(yù)制生態(tài)磚銜接親水平臺，平臺以上岸坡進(jìn)行人工平整后采用連鎖式生態(tài)塊守護(hù)至現(xiàn)狀岸定高程的組合護(hù)岸型式（型式三），典型斷面見圖4（c）；對于河岸邊坡倚靠山體、整體地勢較高的自然岸坡段，河岸穩(wěn)定性較好，無強(qiáng)化防護(hù)需求，予以保留現(xiàn)狀。

圖4 典型斷面護(hù)岸型式示意圖Fig.4 Sketch of revetment types at the typical cross sections

本次生態(tài)護(hù)岸工程設(shè)計中，型式二和型式三分別涉及到漿砌石擋墻基礎(chǔ)和C25 混凝土基礎(chǔ)的構(gòu)建，需根據(jù)相關(guān)規(guī)范對護(hù)岸穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行復(fù)核論證。將模型20 a 一遇設(shè)計洪水條件下河道水面線及斷面流速計算結(jié)果代入到河道沖刷深度經(jīng)驗公式［15］計算得到典型斷面河道最大沖刷深度為0.39～0.83 m，因此，為滿足護(hù)岸工程防沖要求，基礎(chǔ)埋深不得小于0.83 m；選取岸坡較高陡的最不利設(shè)計斷面，將模型水面線、擋墻尺寸及墻面坡比、土體性質(zhì)等代入相應(yīng)的經(jīng)驗公式［16］計算擋墻各項穩(wěn)定性參數(shù)，結(jié)果顯示，本次設(shè)計中擋墻穩(wěn)定性參數(shù)均滿足規(guī)范要求（表2）；針對三種護(hù)岸型式各選取多個具有代表性的典型設(shè)計斷面，將護(hù)岸各結(jié)構(gòu)尺寸、岸坡巖土物理力學(xué)參數(shù)和模型水面線作為輸入條件，采用瑞典圓弧法進(jìn)行岸坡穩(wěn)定驗算（圖5），結(jié)果顯示，各典型斷面岸坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值［17］。

圖5 典型斷面岸坡穩(wěn)定計算示意圖Fig.5 Sketch of bank slope stability calculation at the typical cross sections

表2 擋墻穩(wěn)定計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of the retaining walls stability

綜上，基于模型計算結(jié)果對護(hù)岸工程進(jìn)行基礎(chǔ)埋深、擋墻穩(wěn)定性和岸坡抗滑穩(wěn)定性的驗算結(jié)果表明，本次生態(tài)護(hù)岸工程方案設(shè)計中，護(hù)岸工程型式及設(shè)計參數(shù)基本合理，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 生態(tài)護(hù)岸工程方案效果分析

根據(jù)護(hù)岸工程措施對岸坡形態(tài)的改變調(diào)整模型河道斷面輸入，并保持模型邊界條件和阻水建筑物的設(shè)置不變，利用MIKE11 水動力模型對護(hù)岸工程實施后的南川河再次模擬，計算岸坡調(diào)整后的設(shè)計水面線和斷面流速。

水面線計算結(jié)果顯示，與現(xiàn)狀水面線相比，工程后沿程各斷面20 a 一遇設(shè)計洪水位總體降低0～0.412 m（表3），表明護(hù)岸工程在增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性、抗沖性的同時，也擴(kuò)大了河道過水?dāng)嗝?，降低了洪水位，使得是河道行洪能力有所提升，可在一定程度上減輕洪水對兩岸農(nóng)田、房屋、道路等的侵害。

表3 南川河各典型斷面工程前后20 a一遇（P=5%）設(shè)計洪水位變化Tab.3 Variations of the designed 5%frequency flood water stage after revetment projects at the typical cross sections

斷面流速計算結(jié)果顯示，護(hù)岸工程對河道斷面流速的影響較小，變化值總體控制在0.1 m/s 以內(nèi)，河道演變影響因素未發(fā)生明顯改變。但由于護(hù)岸工程加強(qiáng)了河岸的防護(hù)，可減少不利的河床、河岸沖淤變化帶來的河勢調(diào)整，有利于河道岸線的穩(wěn)固及河勢穩(wěn)定。

基于MIKE11一維水動力模型計算結(jié)果開展南川河生態(tài)護(hù)岸工程設(shè)計，有利于科學(xué)選定護(hù)岸工程型式和優(yōu)化工程設(shè)計參數(shù)，在滿足河道固岸防沖、河勢穩(wěn)定需求，減輕災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)威脅的同時，又能美化村鎮(zhèn)面貌、改善生產(chǎn)和生活環(huán)境，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

4 結(jié) 論

（1）在缺乏充足的河道流量與水位資料、河道斷面復(fù)雜的條件下，將利用水文比擬法和瞬時單位線法計算的流量過程線與MIKE11 模型相結(jié)合，對河道水面線和斷面流速進(jìn)行了較高精度的模擬，為制定河道生態(tài)護(hù)岸工程措施和方案設(shè)計及優(yōu)化提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

（2）基于實際調(diào)研和MIKE11水動力模型計算結(jié)果，分析了南川河現(xiàn)狀存在的河勢不穩(wěn)、岸坡沖毀、水土流失等問題，并結(jié)合當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)需求，制定了差異化的生態(tài)護(hù)岸工程治理方案，既滿足了不同河段的治理需求，同時節(jié)省了工程總投資。

（3）生態(tài)護(hù)岸工程方案的制定遵循適當(dāng)防護(hù)的原則，較好解決了有限資金條件下中小河流防洪安保功能與生態(tài)服務(wù)功能難以兼顧的難題，在增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性、提升河道行洪抗沖能力的前提下，因地制宜創(chuàng)建親水空間，改善河道的生態(tài)面貌，達(dá)到了穩(wěn)定河勢、強(qiáng)化河道行洪安全、改善沿岸居民生活質(zhì)量的總體目標(biāo)，可為其他類似的中小河流護(hù)岸工程的實施提供參考。