赣抚平原灌区抚河故道植被对行洪能力的影响分析

杨方福，刘方平，苏 甜，杨中华，郑俊杰，向爱农，龚来红

（1.江西省赣抚平原水利工程管理局，南昌 330096；2.江西省灌溉试验中心站，南昌 330201；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

0 引 言

近年来，人们逐渐认识到植被在河流生态系统中的重要性，在进行河道整治和河道水环境综合治理时，越来越多的考虑利用植被来达到调整河道中的水位、流速、流向以及固定岸坡的作用［1，2］，并且在生态修复工程中常常采用种植水生植物的办法促进植被区泥沙沉降，降低水体浊度，净化水体。植被作为一种生态措施，对于河流生态环境的保护和修复具有积极的作用［2-8］。然而，河道植被的存在将使水体的流动特性和紊流结构发生变化［9，10］。植被的存在将增大水流的阻力［11-13］，造成水流流速降低、水位升高，使河流的过流能力减弱，加大了洪水发生的风险；同时，植被对水流的扰动增加了水流的不均匀性，对水体质量和动量的传输产生影响。但作为河流湖泊的重要组成部分，植被的存在有利于减缓河流冲刷，调整河道内的横向水流结构，影响河道的泥沙冲淤平衡和河床变形。为此，深入研究植被与水流之间相互影响及作用机理，对于河道的行洪能力分析、河床演变分析、水生生物的栖息地评估、河流水环境治理以及河流生态系统保护等方面具有重要的指导意义。

本研究以江西省赣抚平原灌区抚河故道为研究对象，通过调查河道地形、水文、植被种类及分布等基础资料，采用经不同水流条件、植被参数、河道参数算例验证了的、具有较高精度和可靠性的模拟植被水流的数学模型，即基于Godunov 型有限体积法建立的二维浅水数学模型［14-17］，来研究抚河故道植被对水流运动的影响。

1 抚河故道概况

抚河故道全长约20 km，是抚河末端的西支流，横跨宜春市丰城市与南昌市南昌县两个市县，始于丰城市箭江口（116°4′29.51"E，28°16′50.52"N），沿途流经丰城市袁渡镇、南昌县黄马乡、三江镇，止于岗前大坝（115°58′20.28"E，28°20′54.16"N），河流水一部分流入青丰山溪排渍道，另一部分经赣抚平原灌区西总干渠流向南昌市内并最后汇入赣江。抚河故道在赣抚平原灌区具有重要的战略意义，是抚河防洪非工程的重要组成部分，是赣抚平原灌区重要的调蓄区，同时也是南昌市的应急备用水源。作为平原地区的中小型河流，抚河故道通过蓄泄兼筹的方式在一定程度上减少流入江河干流及其支流的水量，降低洪水的水位，对江河干流的防洪防涝有极大的积极作用。除此之外，抚河故道小流域对周围的生态环境保护、水土保持等方面也起到了极大的积极影响。

抚河故道地处亚热带湿润气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，光照充足，霜期较短，生长期长；全年平均气温为15.3～17.7 ℃，全年日照时数1 935.7 h，年平均降水量1 552.1 mm，4-6月降水量约占全年降水量的50%，年平均降水日数为154 d。

2 二维浅水数学模型介绍

2.1 二维浅水控制方程

考虑植被因素，守恒形式的二维浅水控制方程包括连续性方程和x、y方向上的动量方程，可表示为：

其中：

式中：t为时间变量；U为守恒变量；F、G均为通量向量；Szb为地形变化引起的底坡；Sturb为紊动阻力；Sf为河床摩阻；Svege为植被引起的外力；g为地球引起的重力加速度；h为水深；zb为河床地形高程；η为水位；u、v分别为x、y方向上的流速分量；ηb为河床曼宁阻力系数；vt为涡黏系数；ρ为流体密度；Fvx、Fvy分别表示为x、y方向上植被引起的拖曳力，采用式（8）计算。

式中：uc、vc分别为x、y方向上的植被层的水深平均流速；λ为单位体积水体中植被的挡水面积；Cd为拖曳力系数。

2.2 Godunov型有限体积方法

二维浅水方程组式（1）的Godunov 型有限体积方法离散形式为：

式（9）为显格式离散，上标n为时间层；下标i、j为网格序号；Δt为时间步长；Δx、Δy分别为网格在x、y方向的尺寸大小；Fi＋1/2，j、Fi-1/2，j、Gi，j+1/2、Gi，j-1/2分别为界面四个方向的对流数值通量。

为了在时间上达到二阶精度，应用二阶Runge-Kutta 方法。式（9）可重新写为：

其中：

式中：Ki，j为二阶Runge-Kutta系数；为中间变量。

计算网格边界处的通量是数值模型中的关键，在Godunov显格式中网格边界通量通过求解定义在网格边界处的黎曼问题求解。本文采用HLLC 近似黎曼求解器计算网格边界通量［18］。地形高程Szb和紊动阻力Sturb采用网格内部中心差分格式进行离散。为了保证数学模型在遇到极浅水深时的稳定性，摩擦阻力半隐式格式处理摩阻项［19］。

3 数据与方法

3.1 河道地形测量

抚河故道地形测量采用D380 测深仪和GPS-S3 仪器相结合的方法，于2017年11月至12月，依据《水道观测规范（SL257-2000）》、《工程测量规范（GB50026-2007）》等规定要求进行测定。地形测量范围为河道两岸堤防以内的区域，测量精度以5～8 m 为一个地形散点，总计测量了210 550 个地形散点，控制点高程取位至0.01 m；采用测深仪进行野外数字化测定后，基于北京1954 坐标系，通过AutoCAD 软件输出地形图，另外导出水下地形断面原始数据和河道洲滩地分布图。

据测定分析，抚河故道平均底坡约为0.028 3%；河道宽度在125～840 m 之间，上游河道窄，植被分布面积大，下游河道变宽；河道内滩地、塘较多，河道滩地人工开垦问题严重；河道过水断面最窄处位于上游，宽度只有59.05 m，河底高程在24.5 m左右，两岸滩地高于河底4～5 m；至中游舒家湾河段，河道过水断面最宽，达到509.88 m。在箭江分洪闸未分洪条件下水流主要集中在主河道，滩地植被的淹没范围和程度较低。具体测量地形图见图2。

3.2 河道植物群落分布调查

通过从抚河故道上游至下游选择植被种类丰富、人为干扰较少的10个横断面，分别于2017年4月、6月、7月、9月、11月和2018年1月、3月对植被种类、分布位置、分布面积、植被密度、植株高度等植被特征指标进行调查。在调查过程中，分别在调查断面的两岸湿地带由近岸区到敞水区，根据植物丰富程度选择2～6 个1 m×1 m 的小样方，记录样方内的水深以及植物的种类、高度、株数、密度，同时测定所记植物种类的覆盖度；用镰刀割取样方内全部沼生和挺水植株的地上部分（漂浮植物取整株植物），分类后称取鲜重，随后带回实验室于烘箱105 ℃杀青30 min，再75 ℃烘干至恒重后称取干重。

通过调查分析发现，湿地植物主要分布在抚河故道上游，并且主要分布在边滩和河心洲上，凤眼莲和菰为河道植物优势种，表现为植物种类结构较单一；两岸还遍布着农田种植作物，如水稻、蔬菜、甘蔗等，以及养鱼、养鸭等产业；总体表现为上游河道中植被的分布面积占比较大，下游河道两岸人为开垦严重。具体植被分布图见图3。

通过设置网格大小为10 m×10 m，则全河道计算区域包含92 943 个网格节点和90 660 个网格单元。通过对河道植被分布进行概化处理，将河道概化为75 块不同的区域，各区域的相关参数见表1。

表1 全河道植被参数Tab.1 The vegetation parameters of the whole river course

根据植被样本的调查结果，抚河故道植被密度和高度普遍呈现菰＞农作物＞野草，各植被的平均密度分别为0.014、0.012、0.01。通过对植株高度的测量和统计发现，甘蔗植株高度达2.2 m，菰、农作物、野草平均植株高度分别为1.88、0.21、0.13 m；甘蔗植株直径最大，达到0.042 m，菰的平均植株直径为0.012 m，农作物和野草的平均植株直径分别为0.002 5和0.002 m。

3.3 工况的设置和计算

在不考虑箭江分洪闸分洪，河道上游的来水完全由焦石拦河大坝引入，并由西总干渠流入抚河故道。据测定，西总干渠来水量大约在20～120 m3/s范围内。综合流量的年际变化趋势，选取70 m3/s 为平水流量值，110 m3/s 为丰水流量值，对应下游平、丰水期的平均水位分别为21.54 和21.80 m，设置有、无植被的计算工况（如表2），来研究河道现有植被在平水期和丰水期对河道过流特性的影响。

表2 河道上游来水计算工况设置Tab.2 The calculation conditions Setting for incoming water from the upstream of the river

根据抚河流域防洪规划，确定抚河故道的典型分洪流量分别为200和400 m3/s，对应的两种分洪流量条件下河道出口断面水位值分别为27.50 和28.00 m。因此，将现有植被影响下河道流速和水位作为背景工况，设置不同的计算工况，其中工况C-1、D-1 为现有植被分布，C-2、D-2 为去除河道的植被，如菰、农作物、甘蔗等，分别模拟上游来水量110 m3/s，分洪闸泄洪量在200和400 m3/s条件下的河道水流流动，来研究不同植被类型及分布情况下对河道水流的水力影响，具体计算工况见表3。

表3 分洪条件下计算工况设置Tab.3 The calculation condition setting under flood diversion condition

4 河道中植被对河道过流特性的影响分析

4.1 未分洪条件下河道中植被对河道过流特性的影响分析

4.1.1 河道植被对各河段水位抬升的影响分析

对比有无植被工况下的水位差异图4和图5可以看出，受到边滩植被和箭江分洪闸至主河道之间植被的阻水影响，河道上游水位壅高，水位抬升明显，并影响到上游的池塘区域范围。受到下游出口边界的影响，水位抬升作用自上游至下游逐渐减弱。上游分洪闸附近水位差异最大，在上游来水量为70 m3/s条件下，上游水位普遍抬升0.09 m 左右。随着上游来水量的增加，植被对水流的阻力增强，对水位的影响程度和范围也在提升，在上游来水量为110 m3/s 条件下，上游水位普遍抬升0.12 m左右。

4.1.2 河道植被对各河段流速的影响分析

对比有无植被工况下的流速差异图6和图7，河道植被的存在增加了河床的粗糙度，引起水位的上升，导致河道过水面积的增加，造成了主河道流速的降低，在河道上游菰存在区域对水流的阻碍最为明显，在上游来水量为70 m3/s 条件下，对流速的削减幅度达到0.2 m/s。可以看到，随着来水量的增加，各河段的流速大小普遍得到提升，所对应的流速差异也进一步扩大，在上游来水量为110 m3/s条件下，河道上游菰存在区域对流速的削减幅度达到0.25 m/s；并且整体呈现出有植被分布的区域流速削减、相邻河道流速提升的变化规律；这一现象可以看作是植被对水流的排水作用，在断面上水流为达到整体质量守恒而做出的流速调整。

4.2 分洪条件下河道植被对河道过流特性的影响分析

4.2.1 河道植被对各河段水位抬升的影响分析

图8和图9分别显示了分洪流量200 和400 m3/s 条件下有植被和无植被的水位差异。由水位差异图可以看出，河道滩地植被的阻水作用造成水位壅高，影响范围主要集中在分洪闸附近。在分洪量为200 m3/s 条件下，分洪闸附近水位普遍抬升0.17 m 左右。随着分洪量的增加，水位所受影响的程度和范围也在提升，在分洪量为400 m3/s条件下，分洪闸附近水位普遍抬升0.18 m 左右。由上述分析可知，随着分洪量的增大河道植被普遍被洪水淹没，植被的糙率系数降低，但高分洪流量条件下河道的整体水位抬升，在植被阻力作用下河道水位的壅高程度有所提升。

4.2.2 河道植被对各河段流速的影响分析

图10 和图11 分别显示了分洪流量200 和400 m3/s 条件下有植被和无植被的流速差异。对比两种分洪流量条件下河道有无植被的流速差异图可以看出，有植被条件下流速分布变化表现为滩地区域流速减小，河槽流速增大。在200 m3/s 分洪流量条件下，滩地流速的最大减幅达0.25 m/s，农垦区域流速减小0.05～0.10 m/s，河槽流速最大增幅达0.35 m/s。在400 m3/s 分洪流量条件下，植被区流速最大减幅达0.35 m/s，河槽流速最大增幅达0.50 m/s。

4.2.3 河道植被对断面流量分布的影响分析

在河道中上游植被主要分布区域标注4 个监测断面（DM1、DM、DM3、DM4），见流速差异图（见图11），对各监测断面分洪条件下4 种计算工况进行流速分布特征分析（具体见图12）。

从图12断面流速分布图可以明显看出，植被对断面流速具有调整作用。在无植被情况下，影响断面流速的因素主要来自于地形的坡度，因而同一断面不同位置流速的差异不大。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，导致了河道过水面积的增加，造成河道流速整体的降低。随着边滩的水位增加，在无植被条件下河道不过水的部分开始过水，故边滩流速呈现增大的趋势。对比两种来洪条件下的断面流速分布可以看出，随着流量的增加，各断面上的流速大小普遍得到提升，所对应的流速差异也进一步扩大。

表4给出了不同分洪流量下河道有植被（工况C-1、工况D-1）与无植被（工况C-2、工况D-2）条件下，上中游监测断面（DM1、DM2、DM3、DM4）的主河道与滩地的过流流量以及两者的比值。滩地有植被情况下，从不同流量下的对比可以看出，随着流量增大，滩地分流量有所增加；其中DM3 断面的不同分洪流量下槽滩分流比的变化最为显著，200 m3/s 分洪流量条件下主槽中的行洪流量与滩地行洪流量比值为2.83，400 m3/s 分洪流量条件下主槽中的行洪流量与滩地行洪流量比值仅为1.43。

表4 过流能力计算Tab.4 The calculation of overcurrent capacity

对比有无植被条件，具有滩地的河段由于植物的阻力作用，促使更多的流量回归到主槽中。对比有无植被条件下河道断面的流量分配，可以看到植被对流量的调整作用在DM2处最为明显；在200 与400 m3/s 分洪流量和有植被条件下，主槽与滩地的行洪流量比值分别为3.03 和2.27，接近无植被条件下的2倍。

5 结 论

本文以江西省赣抚平原灌区抚河故道为研究对象，基于Godunov 型有限体积法建立的二维浅水数学模型，通过设置丰水和平水条件，以及丰水条件下分洪流量200 和400 m3/s，进行洪水运动过程数值模拟，来研究抚河故道植被对过流及行洪能力的影响。主要得到以下结论：

（1）随着上游来水量的增加，植被对水流的阻力增强，特别在河道上游的菰存在区域最为明显，对水位的影响程度和范围也在提升；在上游来水量分别为70 和110 m3/s 条件下，上游水位分别抬升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渐减弱。当箭江分洪闸进行分洪时，随着分洪量的增大，河道水位的壅高程度有所提升，水位所受影响的程度和范围也在提升；当分洪量分别为200 和400 m3/s 条件下，分洪闸附近水位分别抬升0.17 m左右和0.18 m左右。

（2）随着上游来水量的增加，河道各断面上的流速普遍得到提升，有植被区所对应无植被条件的流速差异也进一步扩大；并且整体呈现出有植被分布的主河槽流速削减、边滩流速提升的这一变化趋势；在河道上游菰存在区域对流速的削减作用最为明显，在上游来水量分别为70 和110 m3/s 情况下，河道断面最大削减幅度分别达到0.20 和0.25 m/s。而在分洪条件下，现有植被对流速分布变化表现为滩地区域流速减小、河槽流速增大的规律；在分洪流量为200 m3/s条件下，滩地植被区流速最大减幅达0.25 m/s，河槽流速最大增幅达0.35 m/s；在分洪流量为400 m3/s 条件下，滩地植被区流速最大减幅达0.35 m/s，河槽流速最大增幅达0.50 m/s。

（3）植被对河道断面流速具有调整作用；在无植被情况下，同一断面不同位置流速的差异不大。在有滩地分布和植被河段，随着流量增大，滩地分流量有所增加；不同分洪流量下，槽滩分流比的变化较为显著，分洪流量200 m3/s 较分洪流量400 m3/s 槽滩分流比最大河段增加了近2 倍；对比有无植被条件下河道断面的流量分配，槽滩分流比的变化同样较为显著，两种分洪量下，槽滩分流比有植被条件较无植被条件最大河段增加了近2倍。□