華南地區(qū)河道邊灘植物阻力特性研究
——以深圳河為例

鄭少萍,佟曉蕾,胡浩南,3*

(1.深圳市深圳河灣流域管理中心,廣東 深圳 518040;2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510610;3.長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 長沙 410114)

深圳河是深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)和香港特別行政區(qū)的邊界河流,改革開放前,深圳城市化密度低,深圳河處于自然演變狀態(tài)[1]。2006年,深港雙方先后完成對(duì)深圳河裁彎取直、擴(kuò)寬挖深等綜合治理工程。工程完工后,深圳河防洪能力有所提升,水質(zhì)環(huán)境明顯改善,但治理工程也顯著改變了深圳河中下游河道植物分布的格局[2]。2018年8月29日深圳河流域普降暴雨,上游羅湖流量達(dá)到 318 m3/s,水位達(dá)4.18 m,相較于2008年“6·13暴雨”流量達(dá)到343 m3/s,但水位僅為 2.74 m,分析表明,深圳河下游河道阻力增大是導(dǎo)致“低流量、高水位”特征出現(xiàn)的原因,而河道阻力是眾多影響因素共同作用的結(jié)果,隨灘槽沖淤、植物交替生長、水位漲落等因素的變化而變化。近幾年,深圳河淤積后,河道主槽內(nèi)植物生長,阻水效應(yīng)增大,當(dāng)發(fā)生較大洪水時(shí),水位抬升,植物對(duì)河道阻力影響明顯。

對(duì)于植物生長對(duì)河道阻力特性的影響,國內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了大量的研究。早期的傳統(tǒng)的方法均是通過調(diào)整不同的流動(dòng)參數(shù)單獨(dú)研究對(duì)曼寧系數(shù)的影響,由于測量手段的限制,早期只著重研究不同植被水流條件下糙率系數(shù)的變化[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展,眾多學(xué)者如趙瑜琪等[4]、姬昌輝等[5]引入植被的密度、淹沒水平等植被特征系數(shù),研究與糙率系數(shù)的關(guān)系。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,邊灘植被不僅可以減緩水流速度,降低河岸沖刷侵蝕,還有凈化水體、美化環(huán)境的功能[6]。然而在洪水期,植被在一定程度上會(huì)改變?yōu)┎蹆?nèi)部原有水流結(jié)構(gòu),植物和水流相互作用會(huì)破壞河道中部分水流的穩(wěn)定,產(chǎn)生紊動(dòng)能,從而降低河道行洪能力[7]。因此,基于以上背景,需對(duì)深圳河植物分布及河道行洪、防洪能力的變化開展研究。

1 研究區(qū)域概況

深圳河是深圳市的五大河流之一,位于珠江口伶仃洋以東,大鵬灣以西,北部為深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū),南部為香港特別行政區(qū)(圖1),東經(jīng)114°～114°12′50″、北緯22°27′～22°39′,發(fā)源于梧桐山牛尾嶺,由東北向西南流入深圳灣,流域面積312.5 km2,河長37.6 km,河道比降1.1‰,冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),夏季為東南風(fēng),潮汐為典型的不規(guī)則半日潮[8]。受鋒面雨、臺(tái)風(fēng)雨影響,暴雨頻發(fā),洪、澇、潮災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

圖1 深圳河流域

作為承擔(dān)著港深兩市汛期防洪排澇重要責(zé)任深圳河,在整治工程之后,最初的天然河道只剩下中下游福田至河口的河道,其主要為主槽和漫灘組成的復(fù)式河道。對(duì)于天然的復(fù)式河道,在枯水期,其主槽承擔(dān)泄流功能,洪水期水流溢出主槽,由主槽和漫灘共同泄流[8]。在中下游兩岸邊灘,即主槽岸坡附近,生長著大量的水生植物,如蘆葦、芒、莎草等,汛期時(shí)會(huì)對(duì)河道的行洪產(chǎn)生影響。

2 植物分布及邊緣線變化

2.1 植物分布特征

整體分析2016年深圳河的生態(tài)調(diào)查結(jié)果(圖2),深圳河邊灘植物分布具有一定的空間特征。其植被主要分布在深圳河河道中下游岸坡和灘涂地帶,并且從上游至下游,邊灘植物生長范圍呈增加的趨勢。

a)羅湖—鹿丹村河段

對(duì)于羅湖口岸及梧桐河附近,該段河道植物種類較多,長勢較好,分布較為密集,其岸灘寬度約5 m;福田及皇崗河口至下游岸邊,河道較為彎曲,在深圳側(cè)凸岸附近布有寬15～20 m的灘涂地帶,分布著較多的蘆葦、芒等植物;新田至河口段,其下游河道往往較上游河道更寬,凸岸側(cè)灘涂濕地范圍較廣,達(dá)到了30 m左右,植物種類也較豐富,生長較為茂盛。

2.2 植物邊緣線變化

結(jié)合歷史遙感影像資料,以新田河口附近至深圳河口河段為代表,分析近十幾年來河道邊灘植物外圍邊緣線的變化。圖3、4為該河段邊灘植物在2008年2月和2018年7月遙感影像資料,2008年在河道整治完成初期,深圳河深圳側(cè)邊灘范圍較小,且?guī)缀鯖]有植物生長,僅香港側(cè)小范圍淺灘存在植物生長,而且河道寬闊,沒有受到植物的阻礙。到2018年,河道兩側(cè)的植物范圍擴(kuò)展明顯,并且邊灘的淤積致使河道過水面積減小。

圖3 2008年河道植物分布范圍

圖4 2018年河道植物分布范圍

整體分析2008—2018年空間上和時(shí)間上植物邊緣線變化(圖5),發(fā)現(xiàn)在空間上,河道凹岸側(cè)由于受到正面沖刷,植物生長擴(kuò)展的范圍不是很明顯,而凸岸側(cè)植物生長迅速,邊灘淤積嚴(yán)重,擴(kuò)展范圍較大。從時(shí)間上來看,凸岸側(cè)植被每年均有向外擴(kuò)展,2014—2016年的擴(kuò)展幅度最大,達(dá)10 m左右;2016—2018年擴(kuò)展幅度較小為5 m左右。對(duì)于凹岸側(cè),雖然植物增長幅度不及凸岸,但在近十年的時(shí)間里也有向河道內(nèi)測擴(kuò)展的趨勢。相比2008年邊灘植物范圍,近十年的邊灘植物外緣線向河道擴(kuò)展且增長十分迅速。

圖5 局部河段邊灘植物外緣輪廓線年際變化

3 模型的建立與分析

3.1 模型建立

采用mike11HD水動(dòng)力模型計(jì)算,其控制方程基于一維非恒定流圣維南方程組。

(1)

式中t——時(shí)間坐標(biāo);x——空間坐標(biāo);A——過流斷面面積;Q——流量;h——水位;q——旁側(cè)流量;C——謝才系數(shù);R——水力半徑;α——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù);g——重力加速度。

計(jì)算范圍見圖6,根據(jù)深圳河的扇形特點(diǎn),以及深圳河“8·29”洪水水面線的特征分析,研究范圍上至平原河口附近,包括深圳深港兩側(cè)主要支流等,下至深圳河口。該段位于河道中部包括了河道干流的防洪敏感區(qū)域。此外,該河段形態(tài)較為復(fù)雜,且彎曲河道的灘槽形態(tài)明顯,河段植被茂密,河道行洪受植物影響明顯。

圖6 模型范圍

3.2 計(jì)算條件

3.2.1地形邊界

對(duì)于一維數(shù)學(xué)模擬,其摩阻通常用綜合糙率來描述,是一維河道水動(dòng)力模擬中的靈敏參數(shù)[10]。研究表明,河段形態(tài)、斷面形狀、河道植被等因素均會(huì)影響到河道對(duì)水流的摩阻,致使綜合糙率產(chǎn)生變化。而當(dāng)植被較為繁茂時(shí),水流阻力主要來自植物,糙率受植被的影響顯著[11]。為了提高在植物條件下模型模擬的精度,減小地形變化對(duì)結(jié)果的影響,選取植被生長茂密、范圍較廣、地形變化較小的2018年汛前水下實(shí)測資料。

3.2.2設(shè)計(jì)洪水及潮位

本研究采用以洪水為主遭遇多年平均潮位組合,設(shè)計(jì)洪水采用《深圳市防洪潮規(guī)劃修編及河道整治規(guī)劃》(2014—2020)已有的規(guī)劃設(shè)計(jì)成果。(表1、2)。

表1 設(shè)計(jì)潮位

表2 深圳河干流設(shè)計(jì)洪峰流量

3.3 模型驗(yàn)證

模型范圍包括了下游河口、河流干流及主要支流,模型下邊界為深圳河口,上邊界為蓮塘河至平原河口斷面。選取以洪為主的流量過程,2016年6月7至8日的汛期條件、潮位過程作為模型計(jì)算邊界,該計(jì)算邊界可以較好的模擬洪水時(shí),水位抬升,植物對(duì)河道阻力的影響。采用當(dāng)日深圳河口、鹿丹村、梧桐河的實(shí)測水位、潮向、流速及流向?qū)δＰ瓦M(jìn)行率定。

結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)比見圖7?？梢钥闯?模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際擬合程度較好,選取測點(diǎn)的潮位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的絕對(duì)誤差均小于10%;其次,流速大小和方向與實(shí)際情況較為吻合。綜上,所構(gòu)建模型總體較為合理,模擬結(jié)果較為可靠,可用于后續(xù)研究分析。

a)深圳河口斷面水位

3.4 植物對(duì)河道阻力影響分析

根據(jù)現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查和相關(guān)研究,深圳河密集邊灘挺水植物平均高度約1.5 m,在洪水條件下基本不過水。因此本研究在模擬中采用過水?dāng)嗝婵鄢ǜ呕厼┲参?。本?jié)主要是分析邊灘植物對(duì)河段整體阻力狀況的影響,故采用斷面綜合糙率來進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比。通過設(shè)置不同研究組合,定量研究深圳河植物對(duì)河道綜合糙率的影響程度。

3.4.1計(jì)算工況

根據(jù)生態(tài)調(diào)查結(jié)果,植物中蘆葦高度達(dá)2 m,考慮到植物生長高度不均,統(tǒng)一考慮植物高度為1.5 m,河道綜合糙率n取0.02,上游邊界為鹿丹村站2018年8月29日0:00至31日0:00實(shí)測流量過程,下游邊界為深圳河口站2018年8月29日0:00至31日0:00實(shí)測潮位過程。對(duì)于沒有植物的地形資料采用2018年汛前水下地形測量結(jié)果,在植物生長區(qū)域不進(jìn)行加高,模擬無植物效果。對(duì)于有植物的地形資料,在無植物地形的基礎(chǔ)上對(duì)有植物生長的區(qū)域整體增高1.5 m,綜合糙率不變。對(duì)于對(duì)照組,采用汛前地形資料,并設(shè)置不同的綜合糙率,探究植物的等效綜合糙率。計(jì)算工況見表3。

表3 各工況計(jì)算情況說明

3.4.2結(jié)果分析

分別選取河口、皇崗、鹿丹村3處測站的水位數(shù)據(jù),將其與模型計(jì)算對(duì)比,結(jié)果見表4。

表4 各工況最高水位計(jì)算結(jié)果

分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),在有無植物的情況下,對(duì)照組3(綜合糙率為0.025工況),各站水位差別較小,皇崗、鹿丹村只有1、2 cm的差距,因此可以認(rèn)為當(dāng)植物高達(dá)到1.5 m時(shí),河道綜合糙率n值增加0.005。

3.5 植物對(duì)防洪能力影響分析

前文研究發(fā)現(xiàn)過去10 a邊灘植物生長范圍擴(kuò)大使得河道斷面綜合糙率增大約0.005。本節(jié)利用斷面綜合糙率變化值,進(jìn)一步分析不同設(shè)計(jì)洪水條件下,邊灘植物生長對(duì)河道洪水期流速、洪水位等的影響。

以無植物的工況與對(duì)照組3對(duì)比,計(jì)算采用以洪水為主遭遇多年平均潮位組合(表1、2),綜合研究在200、100、50、20、10年一遇的洪水條件下,植物對(duì)深圳河防洪能力的影響。

a)沿程流速平均變化。對(duì)比有無邊灘植物對(duì)河道流速的影響,研究河道邊灘植物對(duì)洪水條件下河道動(dòng)力的影響程度。圖8為有邊灘植物條件下河道沿程流速與無邊灘植物條件下的差值。從圖中可以明顯看出,河道邊灘植物生長后阻力增大,使得河道流速有所減小。在200、100年一遇極端洪水條件下,植物對(duì)流速影響明顯,變化幅度較大,均超過了1 m/s。對(duì)于50、20、10年一遇洪水條件下河道邊灘植物對(duì)流速的影響各有差異,但整體上變化幅度較小,基本維持在0.5～0.7 m/s。從區(qū)域上分析植物分布對(duì)流速的影響,由于河道植物主要集中在深圳河中下部,因此對(duì)中下游河段流速影響最大,尤其是梧桐河至福田口岸河段,為植物影響最為顯著的區(qū)域,流速降幅大,洪水動(dòng)力減小。而對(duì)于羅湖上游河段由于植物范圍減小,流速所受影響較小。對(duì)比200、100年極端洪水條件與50、20、10年的洪水條件的結(jié)果,當(dāng)來流流量越大時(shí),植物對(duì)流速的影響越明顯;反之,當(dāng)來流流量減小時(shí),植物對(duì)流速的影響也在逐漸減小。

圖8 有植物與無植物的流速平均差值

b)水面線變化。有植物地形的水面線與無植物地形的水面線差值結(jié)果見圖9,在植物分布較多的羅湖河段以下,植物對(duì)水面線抬升影響顯著。由于直立護(hù)岸的布置,在植物分布較少羅湖河段以上,帶來的影響較小。對(duì)于200年一遇的洪水,在河口至福田河段,由于上游來流以及植物分布的影響,其水面線變化幅度較為劇烈,在0.4～1.0 m上下浮動(dòng),在福田至羅湖河段,植物對(duì)水面線的影響最大,均在1 m左右,最大值超過了1.1 m。對(duì)于100年一遇的洪水,其變化規(guī)律與200年相似,最大值出現(xiàn)在鹿丹村附近,約0.9 m。對(duì)于流量較小的50年、20年及10年一遇的洪水,由于上游來流流量較小,整體上變化幅度較極端洪水調(diào)條件較小,整體在0.5～0.7 m浮動(dòng)。

圖9 有植物與無植物水面線差值

4 結(jié)論及建議

綜合深圳河邊灘植物生長及分布的變化以及對(duì)河道綜合糙率的影響,可得出如下結(jié)論。

a)在經(jīng)過早期治理工程后,深圳河自然狀態(tài)發(fā)生變化,邊灘植物分布范圍改變,其上游分布范圍較小,主要集中在中下游羅湖至河口河段,中下游河道的綜合糙率受植物影響顯著。

b)深圳河邊灘植物對(duì)河道阻力及防洪能力的影響與植物的生長高度有關(guān),高度變化越大,影響越明顯。

c)邊灘植物的過度生長會(huì)對(duì)河道綜合糙率產(chǎn)生一定影響,深圳河中下游兩側(cè)灘地以及斜坡式護(hù)岸植被過度發(fā)育是導(dǎo)致河道綜合糙率變大的重要原因。

d)深圳河邊灘植物生長茂密,減小了河道行洪斷面,增加了排洪阻力。其凸岸淺灘大范圍的植被以及斜坡式護(hù)岸植被發(fā)育,阻礙了行洪。加上植被生長迅速,洪水期間存在茂密植被的情況,深圳河沿程水位及流速受到影響,防洪壓力增大。

深圳河作為港深兩地重要的排洪河道,其兩岸邊灘植物的生長直接影響著河道的泄洪能力,為了保證防洪標(biāo)準(zhǔn),在對(duì)深圳河進(jìn)行其他治理工程的同時(shí),也要對(duì)深圳河沿岸植被分布和高度進(jìn)行合理規(guī)劃與修剪,避免邊灘植物過度生長。