一种顺直河道低水生态修复工程布局的确定方法

摘要

本发明公开了一种顺直河道低水生态修复工程布局的确定方法，属于河流生态修复技术领域。本发明采用如下技术方案：一种顺直河道低水生态修复工程布局的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，建立水流数学模型；步骤二：计算低水生态修复河道水流特征；步骤三：分析并确定低水生态修复工程平面布局；步骤四：验证低水生态修复工程对行洪的影响。本发明在分析天然条件下弯曲河流形态特征经验公式的基础上，利用数值模拟，为大量存在的空间受限的顺直河道的低水生态修复工程设计提供平面布局，科学合理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种顺直河道低水生态修复工程布局的确定方法，属于河流生态修复技术领域。

背景技术

近年来，人类的过度干扰使得许多河道原有自然生态系统退化。出于节约土地和行洪安全的考虑，人们对于河流实施裁弯取直，河道断面沿程基本不变，这种形态单一的河道降低了水流生态环境的多样性，导致河流生态系统退化。为了满足人们保护环境和亲近自然的需求，需要对河流特别是城市河流进行生态修复，使其成为蜿蜒曲折、水流多样、急缓并存的生态景观河流。

直线化河流生态修复的方法主要有两种。其一，是在大尺度范围内进行河流生态修复，即将已被直线化的河道进行蜿蜒化改造，为生物创造丰富多变的栖息环境。美国基西米(Kissimmee)河重新开挖渠化工程中被回填掉的河道，以形成蜿蜒形态，恢复到渠化前的自然状态。英国斯克恩(Skerne)河进行生态修复时进行了蜿蜒化改造，并新建了湿地、水洼、浅滩等空间，丰富了河道的自然特征，提高了河道多样性。北京转河重新开挖打通了北环水系，恢复河道平面形态多样性。长春市莲花山受损河道修复工程在河道的直线型部分，尽量模仿自然河流的蜿蜒形态，重塑河流的弯曲形态，使河流逐渐恢复原始的自然风貌。其二，是在小尺度范围内对河流进行改造，如对城市顺直河道进行低水生态修复。考虑到城市河道空间尺度有限、短期防洪为主等特点，可以在河道中布置低水生态修复建筑物，以便在低水期形成蜿蜒流动的水流形态，洪水期又不影响河道行洪，在一定程度上恢复河流的自然状态。

目前，大尺度的生态修复已有较多的工程实践，但小尺度范围的生态修复少有应用，而且现行的小尺度范围顺直河道生态修复布局设计中多是根据天然河湾的统计数据采用经验方法确定各设计参数，因此，发明一种科学、合理的顺直河道低水生态修复工程布局确定方法的问题已成为河流生态修复技术领域当务之急。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种顺直河道低水生态修复工程布局的确定方法。本发明设计科学、能够在保证低水生态修复工程的短期行洪安全的前提下，最大化其生态修复效果。

本发明采用如下技术方案：一种顺直河道低水生态修复工程布局的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立水流数学模型；

步骤二：计算低水生态修复河道水流特征；

步骤三：分析并确定低水生态修复工程平面布局；

步骤四：验证低水生态修复工程对行洪的影响。

优选地，步骤一具体包括：根据某河流的低水生态修复工程情况，建立工程河段二维平面水流数学模型并采用有限体积法对其求解；在进行数值计算时，对于开边界，上、下游分别采用流量边界和水位边界条件；对于闭边界，根据不可入原理取法向流速为0；此外，还采用了干湿判别技术进行动边界处理，所述的二维平面水流数学模型的控制方程分别为式(1)的连续方程及式(2)和式(3)的运动方程如下：

水流连续方程

$>\frac{\partial h}{\partial t}+\frac{\partial h\bar{u}}{\partial x}+\frac{\partial h\bar{v}}{\partial y}=0---\left(1\right)$>

水流运动方程

$>\frac{\partial h\bar{u}}{\partial t}+\frac{\partial h{\bar{u}}^2}{\partial x}+\frac{\partial h\overline{\mathrm{vu}}}{\partial y}=f\bar{v}h-\mathrm{gh}\frac{\partial \eta }{\partial x}-\frac{{\tau }_{\mathrm{bx}}}{{\rho }_0}+\frac{\partial }{\partial x}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xx}}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xy}}\right)---\left(2\right)$>

$>\frac{\partial h\bar{v}}{\partial t}+\frac{\partial h{\bar{v}}^2}{\partial x}+\frac{\partial h\overline{\mathrm{uv}}}{\partial x}=-f\bar{u}h-\mathrm{gh}\frac{\partial \eta }{\partial y}-\frac{{\tau }_{\mathrm{by}}}{{\rho }_0}+\frac{\partial }{\partial y}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{yy}}\right)+\frac{\partial }{\partial x}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xy}}\right)---\left(3\right)$>

其中，x、y为笛卡尔坐标；t为时间变量；η为水位；h代表总水深，且有h＝d+η，d为静水深；为x、y方向深度平均速度；τ_bx、τ_by为x、y方向底部应力；ρ₀为水的密度；f为科氏力系数，且f＝2Ωsinψ；g为当地重力加速度；T_xx、T_xy、T_yy为水平粘滞应力项。

优选地，步骤二包括：利用步骤一所述的水流数学模型，根据生态修复建筑物，错口丁坝的错口深度及丁坝间距的不同，设计9组低水生态修复工程平面布置方案，并分别进行了丁坝非淹没状况和部分淹没(坝头淹没，坝根不淹没)状况的数值模拟，其中方案1、4、7，方案2、5、8及方案3、6、9分析丁坝间距对水流特征的影响，方案1～3，方案4～6及方案7～9分析错口深度对水流特征的影响，通过对各方案水动力数值模拟结果的处理和分析，得出低水生态修复工程实施后河道的蜿蜒水流流态与水流特征变化结果。

优选地，步骤三包括：结合天然河湾形态特征统计数据，分析不同低水生态修复工程平面布局下的水流特征，得出低水生态修复工程修复效果影响因素，从而选取合理的平面布局方式。

优选地，步骤三具体包括：SS1明确低水河槽生态修复要求，是指根据自然条件下稳定河湾中河道平面形态与河道特征尺寸间的关系及其各项特征系数，建立具体评价标准并以此判断低水生态修复工程的目标(形成近自然持久稳定的蜿蜒水流形态)是否达到，为后续选取平面布局奠定基础；SS2分析低水生态修复工程修复效果影响因素，是指通过对不同方案河道的蜿蜒水流流态与人工形成的弯道形态特征的分析，得到影响水流特征的因素：丁坝间距、错口深度；对丁坝间距而言，丁坝间距加大则蜿蜒波长增加，丁坝间距减小则蜿蜒波长减小；对错口深度而言，错口深度加大则摆幅减小，错口深度减小则摆幅增大；同时，对比错口丁坝非淹没与部分淹没的情况可发现，部分淹没状态下的水流弯曲形态虽然不如非淹没状态时明显，但水流特征依旧取决于丁坝间距和错口深度；SS3选取合理的平面布局方式，根据低水河槽生态修复要求，结合低水生态修复工程修复效果影响因素，由计算结果分析对比得到合理的布局方式：即非淹没情况丁坝间距为2.28倍河宽、错口深度为0时的平面布局效果最佳；部分淹没情况下丁坝间距维持2.28倍河宽、错口深度调整至大于0时效果最佳。

优选地，步骤四包括：选择部分淹没情况下模拟天然河湾最佳的平面布置方案进行相对坝高变化对壅水影响的数值模拟来实现，共设计6组相对坝高方案，最大相对坝高1:1(刚好淹没坝根)，最小相对坝高达1:6；由计算结果分析可知，随着相对坝高减小，生态修复建筑物对水流的影响逐渐降低，壅水幅度显著下降；相对坝高较小时，错口丁坝群壅水较小，对行洪没有影响。

本发明所达到的有益效果：(1)在分析天然条件下弯曲河流形态特征经验公式的基础上，利用数值模拟，为大量存在的空间受限的顺直河道的低水生态修复工程设计提供平面布局，科学合理；(2)充分考虑了顺直河道短期行洪的限制条件，研究了不同坝高情况生态修复建筑物的建设对于河道行洪的影响，验证了其工程实用性；(3)本发明广泛适用于宽度受限、短期防洪为主的顺直河道生态修复工程平面布局设计。

附图说明

图1是本发明的低水生态修复工程布局示意图。

图2是本发明的一种实施例的低水生态修复工程计算区域示意图。

图3是本发明的一种实施例的河道断面示意图。

图4是天然河湾平面形态基本要素图。

图5是非淹没情况水流流态图。

图6是部分淹没情况水流流态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明的低水生态修复工程布局示意图，现以本发明提出一种顺直河道低水生态修复工程的平面布局方法应用于某低水生态修复工程为例来详细介绍本发明，实施过程分为四个步骤。

步骤一、建立水流数学模型

根据某河流的低水生态修复工程情况，建立工程河段二维平面水流数学模型并采用有限体积法对其求解；在进行数值计算时，对于开边界，上、下游分别采用流量边界和水位边界条件；对于闭边界，根据不可入原理取法向流速为0；此外，还采用了干湿判别技术进行动边界处理，所述的二维平面水流数学模型的控制方程分别为式(1)的连续方程及式(2)和式(3)的运动方程如下：

水流连续方程

$>\frac{\partial h}{\partial t}+\frac{\partial h\bar{u}}{\partial x}+\frac{\partial h\bar{v}}{\partial y}=0---\left(1\right)$>

水流运动方程

$>\frac{\partial h\bar{u}}{\partial t}+\frac{\partial h{\bar{u}}^2}{\partial x}+\frac{\partial h\overline{\mathrm{vu}}}{\partial y}=f\bar{v}h-\mathrm{gh}\frac{\partial \eta }{\partial x}-\frac{{\tau }_{\mathrm{bx}}}{{\rho }_0}+\frac{\partial }{\partial x}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xx}}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xy}}\right)---\left(2\right)$>

$>\frac{\partial h\bar{v}}{\partial t}+\frac{\partial h{\bar{v}}^2}{\partial x}+\frac{\partial h\overline{\mathrm{uv}}}{\partial x}=-f\bar{u}h-\mathrm{gh}\frac{\partial \eta }{\partial y}-\frac{{\tau }_{\mathrm{by}}}{{\rho }_0}+\frac{\partial }{\partial y}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{yy}}\right)+\frac{\partial }{\partial x}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xy}}\right)---\left(3\right)$>

其中，x、y为笛卡尔坐标；t为时间变量；η为水位；h代表总水深，且有h＝d+η，d为静水深；为x、y方向深度平均速度；τ_bx、τ_by为x、y方向底部应力；ρ₀为水的密度；f为科氏力系数，且f＝2Ωsinψ；g为当地重力加速度；T_xx、T_xy、T_yy为水平粘滞应力项。

计算河段总长938m，底宽21.05m，两岸坡度为1:1.3，沿程纵坡0.5‰，糙率0.025，共布置10条错口丁坝，如图2所示的是本发明的一种实施例的低水生态修复工程计算区域示意图。计算区域采用非结构网格进行离散，网格尺度由开边界向工程区分区逐级加密，模型中最大网格尺度为1.5m，丁坝附近最小网格尺度达0.25m，共计约15万个网格，可以满足计算精度要求。

步骤二、计算低水生态修复河道水流特征

(一)工程概况及方案设计

为了对河流进行低水生态修复，某河道在其顺直河段布置了4条错口丁坝，丁坝错口深度取为14.03m，即河宽的三分之一，丁坝间距取24m，即2.28倍河宽，其布局示意图见图1。低水期间，河道水深为0.55m，平均坡度为0.5‰，坝根处高0.5m，坝头处高0.2m，图3本发明的一种实施例的河道断面示意图。

图4所示的是天然河湾平面形态基本要素图，因此考虑到错口丁坝的设计参数包括数量、坝高、错口深度、丁坝间距、挑角、结构型式、材料种类、坡度等，而其中错口深度、丁坝间距对丁坝群的平面布局影响最大，故本发明主要考虑该两项设计参数，具体方案详见表1。

错口深度：根据工程实例，丁坝错口深度取1/3、0以及-1/3河宽。

丁坝间距：根据工程实例，丁坝间距分别取为1.14、2.28以及4.56倍河宽。

表1低水生态修复方案

(二)非淹没情况计算结果

为比较各方案平面布置对水流的影响，绘制了各方案在丁坝非淹没状态下水流流态，如图5所示的是非淹没情况水流流态图，最大流速与壅水情况详见表2。

表2非淹没时各方案最大流速及壅水情况

(三)部分淹没情况计算结果

部分淹没状态即坝头淹没、坝根不淹没的情况，各方案在丁坝部分淹没状态下水流流态详见图6部分淹没情况水流流态图，最大流速与壅水情况详见表3。

表3部分淹没时各方案最大流速及壅水情况

步骤三、低水生态修复工程平面布局分析

(一)低水河槽生态修复要求

自然条件下，蜿蜒河道弯曲形式较为复杂，为方便设计，可将河道形态近似为正弦曲线的平滑曲线。作为近似，可以用一系列方向相反的圆弧和直线段来拟合这一曲线。这样河道平面形态特征值可用弯曲半径R、中心角φ、蜿蜒波长Lm、摆幅Tm、弯曲率S以及过渡段长度L等几个基本要素来表示，如图4是天然河湾平面形态基本要素图。

通过分析自然条件下稳定河湾中河道平面形态与河道特征尺寸间的关系，不少学者得出蜿蜒河道特征值与河宽之间的相关关系，一般形式为：

R＝KRB、Lm＝KLB、L＝KB、Tm＝KTB  (4)

这里B应取低水期河宽，KR、KL、K、KT为各特征系数。对大多数稳定河湾而言：KR＝3～5，KL＝10～14，K＝1～5，KT＝4～5，同时由此也可知，蜿蜒波长与摆幅的比值介于2～3.5之间。而蜿蜒波长与摆幅在低水生态修复工程布局时主要由丁坝间距与错口深度决定，较易控制，需重点关注。

(二)非淹没情况平面布局分析

(1)水流特征取决于丁坝间距和错口深度。

由图5可知，设置错口丁坝后可形成多样化的水流条件和蜿蜒曲折的水流形态，且水流弯曲形态主要取决于丁坝间距以及错口深度。对比方案1、4、7可知，减小丁坝间距，丁坝挑流作用增大，阻水效果加强，弯道的蜿蜒波长将减小；同时，对比方案7、8、9可知，增加丁坝错口深度，水流束窄效果增强，弯道河宽相应减小，摆幅也随之减小。可见，丁坝间距主要控制蜿蜒波长，而丁坝错口深度主要影响摆幅，二者共同决定水流的弯曲形态。

水流流态与丁坝间距和错口深度均有关。对比方案8与方案2可发现，丁坝间距减小，最大流速差距将近2倍，最大壅水近3倍；同时，对比方案6与方案4可发现，错口深度增加最大流速差距近2倍，而最大壅水已逾3倍。可知，改变丁坝间距与错口深度对水流流态影响很大。

(2)丁坝间距为2.28倍河宽、错口深度为0时的平面布局效果最佳。

方案4、5最符合天然条件下弯曲河流的统计特征。由表2可知，方案4中KL＝12.41，KT＝4.49，方案5中KL＝11.63，KT＝4.0，均符合自然条件下稳定河湾KL＝10～14，KT＝4～5的统计规律，且方案4与5蜿蜒波长与摆幅的比值分别为2.76、2.91，介于2～3.5之间，因此重点关注方案4与方案5。

丁坝间距为2.28倍河宽，错口深度为0时效果最佳。由图6可见，方案4水流受到外界丁坝与河岸强制性的约束，蜿蜒形态并不顺畅，说明该布局方式不符合水流内在发展要求。而方案5形成的弯道不仅弯曲形态符合统计特征，而且丁坝主要起引导水流的作用而非阻挡，其弯曲形态发展符合水流自身的内在发展要求。综上，丁坝间距为2.28倍河宽、错口深度为0的平面布局模拟天然河湾弯曲形态的效果最佳。

(三)部分淹没情况平面布局分析

(1)水流特征仍取决于丁坝间距和错口深度。

水流弯曲形态仍取决于丁坝间距与错口深度。由图6可以看出，虽然水流的弯曲形态由于水动力的减弱已不如非淹没状态时明显，最大流速与壅水也相应减小，但蜿蜒波长仍由丁坝间距控制、摆幅也主要受错口深度影响，故而依旧遵循非淹没状态时丁坝间距加大，蜿蜒波长增加；错口深度加大，摆幅减小的规律。

水流流态依然受丁坝间距和错口深度的影响。虽然部分淹没情况的最大流速与壅水均小于非淹没情况，但减小丁坝间距，最大流速与壅水增大；增加错口深度，最大流速与壅水增加的趋势并没有改变。同时，由表3可知，各方案的最大流速差距可达2倍，最大壅水也可差4倍，因此丁坝间距与错口深度对水流流态影响依旧很大。

(2)丁坝间距维持2.28倍河宽、错口深度调整至大于0时效果最佳。

部分淹没情况下，丁坝间距应维持2倍河宽。由方案1～3可知，丁坝间距过大，蜿蜒波长过长，弯曲形态不显著；由方案7～9可知，丁坝间距过小，壅水幅度过大，水流趋于“走直”，弯曲形态基本消失。而方案4～6，除错口深度过小的方案6以外，其余仍呈现出明显的蜿蜒走势，弯道河宽稳定。可见，丁坝间距为2倍河宽时可有效控制蜿蜒波长。

部分淹没情况下，错口深度应调整至大于0。对比方案4、5、6可发现，错口深度减小，水流“走直”趋势愈发明显。同时，由非淹没状态结果分析知错口深度为0时束水效果较其他方案好，加之部分淹没时坝头淹没导致有效错口深度减小，故部分淹没时应适当加大错口深度以补偿坝顶溢流的损失。因此，部分淹没情况下，错口深度需调整至大于0。

步骤四、验证低水生态修复工程对行洪的影响

丁坝处于全淹没状态时，引入相对坝高(相对坝高＝坝根处高程/未设置生态构造物时水深)的概念。由于在部分淹没情况下第4种平面布置方案的模拟弯道水流效果最佳，故选取该种平面布置进行相对坝高变化对壅水影响的数值模拟，具体方案设置见表4，各方案壅水数据见表5。

计算结果表明，相对坝高减小，生态修复建筑物对水流的影响逐渐降低。由表5可以看出，丁坝群上游仍旧出现局部壅水，但壅水高度远低于非淹没状态，且随着相对坝高的减小，壅水幅度显著下降。当相对坝高由1:1下降到1:2时，最大壅水由18.7cm下降到7cm，下降幅度最大，达63％。

相对坝高较小时，错口丁坝壅水较小，对行洪没有影响。由表5知，在相对坝高超过1:3后，最大壅水均小于5cm，相对坝高达1:6的方案6壅水已只有8mm，说明生态修复建筑物的存在仅相当于河底加糙，对行洪的影响十分微小。

表4生态修复建筑物相对坝高具体设置方案

表5全淹没各方案最大流速及壅水情况

以上具体实施方式及实施案例是对本发明提出的一种顺直河道低水生态修复工程平面布局的确定方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

本发明明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。