华南地区河道边滩植物阻力特性研究——以深圳河为例.pdf

第 卷 第 期 人民珠江 年 月 :/.:/基金项目:中国水利水电科学研究院水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室开放基金()广州市科技计划项目()流域水治理重大关键技术研究项目()收稿日期:作者简介:郑少萍()女工程师主要从事水利工程管理工作 :.通信作者:胡浩南()男硕士研究生研究方向为河流工程等 :.郑少萍佟晓蕾胡浩南.华南地区河道边滩植物阻力特性研究 以深圳河为例.人民珠江():.华南地区河道边滩植物阻力特性研究 以深圳河为例郑少萍佟晓蕾胡浩南(.深圳市深圳河湾流域管理中心广东 深圳.珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东 广州.长沙理工大学水利与环境工程学院湖南 长沙)摘要:河道边滩植物的阻水特性是影响河道行洪能力的重要因素 以深圳河为例利用遥感影像解析 年间河道边滩植物生长范围变化基于实测洪水资料和一维数学模型通过设置不同河道综合糙率的研究组合定量分析边滩挺水植物对河道断面综合糙率的影响进而研究边滩挺水植物对河道洪水流速和洪水位的影响程度 研究发现:年深圳河中下游边滩植物在向河道内扩展了近 河道综合糙率增大约.在、年一遇洪水条件下河道水位分别增加.、.、.关键词:河道阻力综合糙率防洪能力深圳河中图分类号:文献标识码:文章编号:().深圳河是深圳经济特区和香港特别行政区的边界河流改革开放前深圳城市化密度低深圳河处于自然演变状态 年深港双方先后完成对深圳河裁弯取直、扩宽挖深等综合治理工程 工程人民珠江 年第 期完工后深圳河防洪能力有所提升水质环境明显改善但治理工程也显著改变了深圳河中下游河道植物分布的格局 年 月 日深圳河流域普降暴雨上游罗湖流量达到 /水位达.相较于 年“暴雨”流量达到 /但水位仅为.分析表明深圳河下游河道阻力增大是导致“低流量、高水位”特征出现的原因而河道阻力是众多影响因素共同作用的结果随滩槽冲淤、植物交替生长、水位涨落等因素的变化而变化 近几年深圳河淤积后河道主槽内植物生长阻水效应增大当发生较大洪水时水位抬升植物对河道阻力影响明显对于植物生长对河道阻力特性的影响国内外学者均进行了大量的研究 早期的传统的方法均是通过调整不同的流动参数单独研究对曼宁系数的影响由于测量手段的限制早期只着重研究不同植被水流条件下糙率系数的变化 随着技术的发展众多学者如赵瑜琪等、姬昌辉等引入植被的密度、淹没水平等植被特征系数研究与糙率系数的关系 传统观点认为边滩植被不仅可以减缓水流速度降低河岸冲刷侵蚀还有净化水体、美化环境的功能 然而在洪水期植被在一定程度上会改变滩槽内部原有水流结构植物和水流相互作用会破坏河道中部分水流的稳定产生紊动能从而降低河道行洪能力 因此基于以上背景需对深圳河植物分布及河道行洪、防洪能力的变化开展研究 研究区域概况深圳河是深圳市的五大河流之一位于珠江口伶仃洋以东大鹏湾以西北部为深圳经济特区南部为香港特别行政区(图)东经 、北纬 发源于梧桐山牛尾岭由东北向西南流入深圳湾流域面积.河长.河道比降.冬季主导风向为东北风夏季为东南风潮汐为典型的不规则半日潮 受锋面雨、台风雨影响暴雨频发洪、涝、潮灾害时有发生作为承担着港深两市汛期防洪排涝重要责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为主槽和漫滩组成的复式河道 对于天然的复式河道在枯水期其主槽承担泄流功能洪水期水流溢出主槽由主槽和漫滩共同泄流 在中下游两岸边滩即主槽岸坡附近生长着大量的水生植物如芦苇、芒、莎草等汛期时会对河道的行洪产生影响图 深圳河流域 植物分布及边缘线变化.植物分布特征整体分析 年深圳河的生态调查结果(图)深圳河边滩植物分布具有一定的空间特征 其植被主要分布在深圳河河道中下游岸坡和滩涂地带并且从上游至下游边滩植物生长范围呈增加的趋势对于罗湖口岸及梧桐河附近该段河道植物种类较多长势较好分布较为密集其岸滩宽度约 福田及皇岗河口至下游岸边河道较为弯曲人民珠江 年第 期在深圳侧凸岸附近布有宽 的滩涂地带分布着较多的芦苇、芒等植物新田至河口段其下游河道往往较上游河道更宽凸岸侧滩涂湿地范围较广达到了 左右植物种类也较丰富生长较为茂盛)罗湖鹿丹村河段)福田皇岗河段)新田河口河段图 深圳河的生态调查结果.植物边缘线变化结合历史遥感影像资料以新田河口附近至深圳河口河段为代表分析近十几年来河道边滩植物外围边缘线的变化 图、为该河段边滩植物在 年 月和 年 月遥感影像资料 年在河道整治完成初期深圳河深圳侧边滩范围较小且几乎没有植物生长仅香港侧小范围浅滩存在植物生长而且河道宽阔没有受到植物的阻碍 到 年河道两侧的植物范围扩展明显并且边滩的淤积致使河道过水面积减小整体分析 年空间上和时间上植物边缘线变化(图)发现在空间上河道凹岸侧由于受到正面冲刷植物生长扩展的范围不是很明显而凸岸侧植物生长迅速边滩淤积严重扩展范围较大 从时间上来看凸岸侧植被每年均有向外扩展 年的扩展幅度最大 达 左右 年扩展幅度较小为 左右 对于凹岸侧虽然植物增长幅度不及凸岸但在近十年的时间里也有向河道内测扩展的趋势 相比 年边滩植物范围近十年的边滩植物外缘线向河道扩展且增长十分迅速图 年河道植物分布范围图 年河道植物分布范围图 局部河段边滩植物外缘轮廓线年际变化 模型的建立与分析.模型建立采用 水动力模型计算其控制方程人民珠江 年第 期基于一维非恒定流圣维南方程组 ()式中 时间坐标 空间坐标 过流断面面积 流量 水位 旁侧流量 谢才系数 水力半径 动量校正系数 重力加速度计算范围见图 根据深圳河的扇形特点以及深圳河“”洪水水面线的特征分析研究范围上至平原河口附近包括深圳深港两侧主要支流等下至深圳河口 该段位于河道中部包括了河道干流的防洪敏感区域 此外该河段形态较为复杂且弯曲河道的滩槽形态明显河段植被茂密河道行洪受植物影响明显图 模型范围.计算条件.地形边界对于一维数学模拟其摩阻通常用综合糙率来描述是一维河道水动力模拟中的灵敏参数 研究表明河段形态、断面形状、河道植被等因素均会影响到河道对水流的摩阻致使综合糙率产生变化而当植被较为繁茂时水流阻力主要来自植物糙率受植被的影响显著 为了提高在植物条件下模型模拟的精度减小地形变化对结果的影响选取植被生长茂密、范围较广、地形变化较小的 年汛前水下实测资料.设计洪水及潮位本研究采用以洪水为主遭遇多年平均潮位组合设计洪水采用深圳市防洪潮规划修编及河道整治规划()已有的规划设计成果(表、)表 设计潮位测站名称设计潮位/(黄海基面).均值赤湾站.舢舨洲站.港口站.表 深圳河干流设计洪峰流量断面名称设计洪峰流量/().莲塘河汇入口梧桐河汇入口 布吉河汇入口 福田河汇入口 皇岗河汇入口 河口 .模型验证模型范围包括了下游河口、河流干流及主要支流模型下边界为深圳河口上边界为莲塘河至平原河口断面 选取以洪为主的流量过程 年 月 至 日的汛期条件、潮位过程作为模型计算边界该计算边界可以较好的模拟洪水时水位抬升植物对河道阻力的影响 采用当日深圳河口、鹿丹村、梧桐河的实测水位、潮向、流速及流向对模型进行率定结果与实际情况对比见图 可以看出模型计算结果与实际拟合程度较好选取测点的潮位计算结果与实测值的绝对误差均小于 其次流速大小和方向与实际情况较为吻合 综上所构建模型总体较为合理模拟结果较为可靠可用于后续研究分析人民珠江 年第 期)深圳河口断面水位)深圳河口断面流速)鹿丹村断面水位)鹿丹村断面流速)梧桐河口断面水位)梧桐河口断面流速图 模型水位和流速与实际值对比.植物对河道阻力影响分析根据现场生态调查和相关研究深圳河密集边滩挺水植物平均高度约.在洪水条件下基本不过水 因此本研究在模拟中采用过水断面扣除法概化边滩植物 本节主要是分析边滩植物对河段整体阻力状况的影响故采用断面综合糙率来进行计算和对比 通过设置不同研究组合定量研究深圳河植物对河道综合糙率的影响程度.计算工况根据生态调查结果植物中芦苇高度达 考虑到植物生长高度不均统一考虑植物高度为.河道综合糙率 取.上游边界为鹿丹村站 年 月 日:至 日:实测流量过程下游边界为深圳河口站 年 月 日:至 日:实测潮位过程 对于没有植物的地形资料采用 年汛前水下地形测量结果在植物生长区域不进行加高模拟无植物效果 对于有植物的地形资料在无植物地形的基础上对有植物生长的区域整体增高.综合糙率不变 对于对照组采用汛前地形资料并设置不同的综合糙率探究植物的等效综合糙率 计算工况见表 表 各工况计算情况说明项目无植物工况有植物工况对照组/地形边界 汛前地形 汛前地形加植物 汛前地形综合糙率././.结果分析分别选取河口、皇岗、鹿丹村 处测站的水位数据将其与模型计算对比结果见表 表 各工况最高水位计算结果河口/皇岗/鹿丹村/无植物(.、无植物).有植物(.、植物高度.)无植物工况.对照组(.、无植物)有植物工况.对照组(.、无植物)有植物工况.对照组(.、无植物)有植物工况.人民珠江 年第 期分析计算结果发现在有无植物的情况下对照组(综合糙率为.工况)各站水位差别较小皇岗、鹿丹村只有、的差距因此可以认为当植物高达到.时河道综合糙率 值增加.植物对防洪能力影响分析前文研究发现过去 边滩植物生长范围扩大使得河道断面综合糙率增大约.本节利用断面综合糙率变化值进一步分析不同设计洪水条件下边滩植物生长对河道洪水期流速、洪水位等的影响以无植物的工况与对照组 对比计算采用以洪水为主遭遇多年平均潮位组合(表、)综合研究在、年一遇的洪水条件下植物对深圳河防洪能力的影响)沿程流速平均变化 对比有无边滩植物对河道流速的影响研究河道边滩植物对洪水条件下河道动力的影响程度 图 为有边滩植物条件下河道沿程流速与无边滩植物条件下的差值 从图中可以明显看出河道边滩植物生长后阻力增大使得河道流速有所减小 在、年一遇极端洪水条件下植物对流速影响明显变化幅度较大均超过了/对于、年一遇洪水条件下河道边滩植物对流速的影响各有差异但整体上变化幅度较小基本维持在./从区域上分析植物分布对流速的影响由于河道植物主要集中在深圳河中下部因此对中下游河段流速影响最大尤其是梧桐河至福田口岸河段为植物影响最为显著的区域流速降幅大洪水动力减小 而对于罗湖上游河段由于植物范围减小流速所受影响较小 对比、年极端洪水条件与、年的洪水条件的结果当来流流量越大时植物对流速的影响越明显反之当来流流量减小时植物对流速的影响也在逐渐减小图 有植物与无植物的流速平均差值)水面线变化 有植物地形的水面线与无植物地形的水面线差值结果见图 在植物分布较多的罗湖河段以下植物对水面线抬升影响显著 由于直立护岸的布置在植物分布较少罗湖河段以上带来的影响较小 对于 年一遇的洪水在河口至福田河段由于上游来流以及植物分布的影响其水面线变化幅度较为剧烈在.上下浮动在福田至罗湖河段植物对水面线的影响最大均在 左右最大值超过了.对于 年一遇的洪水其变化规律与 年相似最大值出现在鹿丹村附近约.对于流量较小的 年、年及 年一遇的洪水由于上游来流流量较小整体上变化幅度较极端洪水调条件较小整体在.浮动图 有植物与无植物水面线差值人民珠江 年第 期 结论及建议综合深圳河边滩植物生长及分布的变化以及对河道综合糙率的影响可得出如下结论)在经过早期治理工程后深圳河自然状态发生变化边滩植物分布范围改变其上游分布范围较小主要集中在中下游罗湖至河口河段中下游河道的综合糙率受植物影响显著)深圳河边滩植物对河道阻力及防洪能力的影响与植物的生长高度有关高度变化越大影响越明显)边滩植物的过度生长会对河道综合糙率产生一定影响深圳河中下游两侧滩地以及斜坡式护岸植被过度发育是导致河道综合糙率变大的重要原因)深圳河边滩植物生长茂密减小了河道行洪断面增加了排洪阻力 其凸岸浅滩大范围的植被以及斜坡式护岸植被发育阻碍了行洪 加上植被生长迅速洪水期间存在茂密植被的情况深圳河沿程水位及流速受到影响防洪压力增大深圳河作为港深两地重要的排洪河道其两岸边滩植物的生长直接影响着河道的泄洪能力为了保证防洪标准在对深圳河进行其他治理工程的同时也要对深圳河沿岸植被分布和高度进行合理规划与修剪避免边滩植物过度生长参考文献:王富永吴良冰何勇等.深圳湾河床演变及其对湿地生态系统的影响.人民珠江():.赵瑜琪彭清娥史学伟等.非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响.水利水运工程学报():.姬昌辉洪大林丁瑞等.含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究.水利水运工程学报():.郝由之假冬冬张幸农等.岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟.工程科学与技术():.段余杰吴门伍胡小冬等.深圳河湾生态环境及保护对策分析.人民珠江():.杨颖宜李东子马永顺等.基于 仿真软件的滩地植被作用下复式河道水动力特性的精细化数值模拟.大连海洋大学学报():.周俊伟包为民孙逸群等.河道一维非恒定流微分结构摩阻公式及其试验论证.水科学进展():.(责任编辑:程 茜)(上接第 页)彭亚辉周科平.东江湖流域产业结构变迁与水环境响应研究.江西农业大学学报():.蔡云刘伟京王静等.太湖上游局部地区产业结构对水环境质量动态响应研究/江苏省环境科学学会成立 周年暨第十六届长三角环境高层论坛.乔磊阜新市产业结构的水环境污染效应研究.水利技术监督():.(责任编辑:程 茜)