MIKE11模型在山区中小河流生态护岸工程中的应用研究——以浏阳市南川河为例

丁志良，孙凌凯，陈 帆，陈 立，韩丽娟

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3.太原理工大学，太原 030024）

0 引 言

山区河流具有坡陡流急、汇流时间短、洪水涨落快的特点，易造成河岸冲刷崩退、河势不稳、水土流失等危害［1，2］。守护山区河流岸线是保障河道行洪安全、维持岸坡及河势稳定、减少山洪灾害损失的重要手段。长久以来，由于缺乏系统规划、资金投入不足等原因，我国山区中小河流治理普遍存在“头痛医头、脚痛医脚”的现象，护岸工程单纯以固岸行洪为目的，采用大量浆砌石或混凝土挡墙等硬质化护岸型式，未考虑工程措施与整体环境的协调及对河道生态的影响［3］；更有甚者，许多重要河段至今仍处于未设防的自然状态，岸坡冲毁严重，威胁周边群众的生命财产安全。因此，针对山区中小河流防洪基础设施薄弱、生态状况不佳等现状，综合考虑两岸洪水冲刷安全、生态景观、经济适用等多方面需求开展生态护岸工程建设必要而迫切［4］。

河道水力计算是衔接流域水文分析计算与水工结构设计的关键环节，对护岸工程型式的确定、工程规模及造价有着重大影响［5］，直接关系到生态护岸工程的防洪、生态与经济效益。山区中小河流地形复杂、断面形式多变、坡降变化大、流态复杂，传统的逐段试算法在计算全面性、准确性和合理性方面已难以满足工程实际需求［6］，需结合专业软件模拟、洪痕调查和既有成果比对等多种方法进行河道水力计算［7，8］，如彭小波［9］利用HEC-RAS 模型成功分析了湖南省盘陂江护岸工程实施后的水面线变化情况；孙翔［7］利用MIKE11 模型对湖南省捞刀河天然河道水面线进行了简化复核计算，得到了可靠性更高的设计水位；叶楠等［10］利用HEC-RAS 软件计算分析了吉林省汤河20年一遇设计洪水频率下的河道水面线，据此开展河道岸坡治理。可见，已有研究大多侧重于水动力模型在山区河流现状水面线复核计算及河道水面线工程影响分析等方面的应用，对于模型计算结果如何指导河道护岸工程选材、选型及参数优化设计方面的研究较少。因此，本文以典型山区河流南川河为例，采用水文比拟法与瞬时单位线法结合计算设计洪水，将其作为边界条件导入MIKE11 模型进行水力计算，基于模型计算结果从岸线布置、护岸材料和护岸选型等方面针对性地提出生态护岸工程方案，并运用模型对工程实施后的南川河进行模拟，分析生态护岸工程措施对河道行洪及河势稳定的影响，可为其他山区中小河流生态护岸工程规划设计提供参考。

1 研究区域

南川河又名潭水，为渌水一级支流，在浏阳市境内长61.4 km，流经文家市、中和、澄潭江、大瑶、金刚5 个乡镇，控制集雨面积约736.7 km2，河道平均坡降约8.99‰；沿途自上而下有14条主要支流汇入，修建有水闸37 座、泵站20 座和水电站1 座。南川河浏阳段已有护岸均修建于2010年以后，分别位于文家市镇沙溪村段、澄潭江镇集镇段、大瑶镇潭水河大桥段和金刚镇明星桥段，守护河长约22.4 km（河道中心线长度），仅占全部河长的36.5%；剩余未治理河段中，除河岸倚靠山体的河段外，沿河主要分布有农田、道路、村落和集镇等，现状主要存在岸坡冲刷、水土流失、亲水性差、生态面貌不佳等问题。因此，须以河道水力计算为基础，科学论证南川河生态护岸工程措施方案，以达到稳固岸坡、提升河道行洪抗冲能力、全面改善河道生态面貌的目的。

针对以上问题，浏阳市南川河有生态护岸工程治理需求的河段包括文家市两省段、文家市集镇段、文家市湘龙段、中和段、澄潭江碧溪段、澄潭江集镇段和金刚段，总治理河长约29.894 km（图1）。本文以此范围作为研究区域，研究MIKE11一维水动力模型在生态护岸工程设计中的应用。

图1 浏阳市南川河流域水系概化图Fig.1 Sketch of the Nanchuan River watershed system in the Liuyang City

2 模型构建与验证

2.1 基础数据资料

2.1.1 水文特征数据

浏阳市南川河流域内无水文站，出境断面下游约5 km处的醴陵市境内设有潼塘水文站，控制集雨面积1 162 km2。本次分析中，文家市湘龙段及其以下河段的降雨及下垫面条件与同流域的潼塘水文站基本相近，其设计洪水依据潼塘水文站实测流量资料采用水文比拟法计算；文家市集镇段及其以上河段控制集雨面积较小，可参照适用于小流域设计洪水计算的《湖南省暴雨洪水查算手册》（2013年）进行推求，即先通过点雨量计算、点面关系转换、雨量时程分配以及扣损后得到设计暴雨和设计净雨，再利用瞬时单位线法推算设计洪水。治理河段各典型断面设计洪峰流量见表1。

表1 治理河段各典型断面设计洪峰流量Tab.1 Designed flood peak discharges of the typical cross sections

2.1.2 地形资料

实测1∶2 000地形图、带状图和河道断面图。

2.1.3 闸（坝）资料

治理河段内现存16座闸（坝）的结构形式、位置以及闸孔净宽、闸孔数量、及过闸流量等特征参数。

2.2 模型建立

2.2.1 基本原理

采用MIKE11 构建一维水动力模型开展河道水力计算，基本方程组为一维圣维南方程组［11］：

式中：x为距离（主河道流向方向），m；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；Q为流量，m3；h为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s；C为谢才系数；R为水力半径，m；a为动量校正系数；g为重力加速度，m/s2。

控制方程组采用Abbott 六点中心隐式差分格式进行离散后形成一系列隐式差分方程组，再用追赶法求解，在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量。

2.2.2 模型范围

本次南川河水动力模型范围覆盖全部生态护岸工程治理河段。综合考虑流域汇水特征、城镇规划及防洪标准等因素，分段建立南川河一维水动力模型。其中第一段模拟范围包括文家市两省段和文家市集镇段，总长10.131 km；第二段模拟范围包括文家市湘龙段、中和段、澄潭江碧溪段和澄潭江集镇段，总长16.302 km；第三段模拟范围包括金刚段及其支流段，总长3.461 km。

2.2.3 河道断面及阻水建筑物

本次70 个实测河道断面中，32 个位于生态护岸工程治理河段。将河道实测断面输入模型，并对河道断面较稀疏段进行插值处理，确保相邻断面间距不大于500 m。将16 座闸（坝）按实际情况在模型中进行参数设置。

2.2.4 河道糙率

河道糙率取值基于水面线验证结果由模型率定反求，初始糙率取值可根据各河段平面形态、河床组成以及岸壁特征，利用《水力计算手册》（第二版）［12］中的断面综合糙率计算公式进行确定：

式中：nmax和nmin分别为同一断面的最大糙率和最小糙率；χ1、χ2、…分别为与糙率n1、n2、…相应的湿周。

2.2.5 边界条件

模型边界条件主要包括进口入流边界、旁侧入流边界和出口边界。根据水系分布情况，本次模拟共设置16 个边界条件，其中进口入流边界3个，出口边界3个，旁侧入流边界10个。进口与旁侧入流边界条件根据水文分析计算结果给定同频流量过程，出口边界条件给定由谢才公式Q=AR2/3/nJ1/2推求的水位流量关系（图2），其中水面坡降J由进出口断面高差除以间距计算得到，断面综合糙率n则根据前述方法给定。经计算，上、中、下游三段模型中J取值分别为2.79‰、1.58‰和1.7‰，n取值分别为0.035、0.028和0.025。

图2 模型出口断面水位～流量关系Fig.2 Water stage-flow discharge relation curves at the numerical model outlets

2.3 模型验证

分别给定模型进口和旁侧入流5 a一遇、10 a一遇以及20 a一遇的设计流量过程，模型出口给定水位～流量关系，对模型参数（河道糙率）进行率定，并采用《河湖管理范围划界项目渌水（南川河）浏阳市水文计算书》中的河道水面线已有成果对率定后的模型进行验证，结果见图3。由图3 可知，本模型计算所得的南川河上、中游设计水位与已有成果基本一致，但下游出口断面水位明显偏低。经分析，已有成果中全线均采用推理公式法推求设计洪水流量，而下游出口断面处汇水面积过大，推理公式法不再适应，从而导致该段设计流量偏大、计算水位偏高。

图3 模型水面线验证结果Fig.3 Validation outcomes of the modelled water surface profiles

分析各频率洪水流量下岸滩淹没情况可知，已有成果中出口段沿程各断面（桩号K3+461～K0+000）设计水位均高于两岸滩顶0.2～3.2 m，平均水深为6.1～8.8 m，显著大于上、中游河段的平均水深4.5 m。显然，由于出口断面设计流量计算结果偏大，已有成果中出口段水面线存在不合理之处。因此，本文将考虑了出口断面汇水面积修正后的设计流量过程与MIKE11相耦合计算得到的水面线更能反映实际情况。

另据2021年6月对2008年洪水的调查结果，南川河支流灌江河镇区段2008年发生了约20 a 一遇的洪水（流量约329 m3/s），洪水位约为95.97 m，与本模型计算结果较为接近。且其他多处洪痕调查水位与模型计算结果均相差不大，表明本模型计算成果较为合理。

经参数率定后的水动力模型计算结果与洪痕调查及已有成果的符合性较好，能较好地模拟南川河不同频率洪水的传播过程，具有较高的模拟精度，可用于现状与设计条件下的河道水力计算。

3 MIKE11 模型在生态护岸工程方案设计中的应用

3.1 生态护岸工程方案设计

3.1.1 护岸工程设计原则

治理河段部分区域设计洪水位已超过河岸岸顶高程，但考虑到山区河道高水位历时短、流量集中、洪水陡涨陡落的特点，新建堤防会造成堤内排水不畅、阻隔人水亲近等问题，同时也涉及大量的征地拆迁，带来诸多不利影响［13］，本次生态护岸工程设计遵循“防冲不防淹”的治理原则，以增强河岸行洪抗冲能力为主要目的，同时兼顾改善水域生态环境和河道亲水性，促进人水和谐。

3.1.2 护岸材料选择

根据模型计算结果，治理河段约70%的河道断面流速为0.8～2.1 m/s，适宜在非经常性淹没岸坡部位布置草皮护坡（允许不冲流速为2 m/s）［14］，而剩下约30%的河道断面流速为2.2～4.7 m/s，主要集中在弯道狭窄段和集镇段等重点防护段，需在坡脚部位布置防冲能力更强的硬质护岸材料以提升岸坡的防冲能力。

因此，设计综合选用生态性较好的草皮和耐冲性、生态性均较好的自锁式生态块护岸材料，并对凹岸冲毁严重和有一定承重需求的局部河段采用浆砌石等硬质护岸材料加强守护。

3.1.3 护岸型式及设计参数论证

护岸型式选取需综合考虑岸坡地形、地质和河道水文水动力条件等因素。对于岸坡较缓、稳定性较好但坡面不规整的农田段，河岸受冲刷影响较小、防冲要求不高、且需治理段较长，设计采用常水位以上局部岸坡人工平整搭配草皮护坡的简单护岸型式［图4（a）］；对于岸坡较缓但稳定性较差的居民段或岸顶道路段，考虑到此类河岸一般位于深泓停靠的弯道凹岸、断面流速较大，需一定强度的抗冲能力才能满足防护需求，设计采用仰斜式浆砌石挡墙对坡脚守护至一定深度，挡墙以上坡面人工平整后利用连锁式生态块护坡至设计水位，再采用草皮护坡守护至现状岸顶高程的组合护岸型式［图4（b）］；对于岸坡较陡的居民集中段，考虑到河岸主要位于河宽较窄、流速较大，有岸坡防护和生态、亲水需求的集镇河段，设计采用预制生态砖衔接亲水平台，平台以上岸坡进行人工平整后采用连锁式生态块守护至现状岸定高程的组合护岸型式（型式三），典型断面见图4（c）；对于河岸边坡倚靠山体、整体地势较高的自然岸坡段，河岸稳定性较好，无强化防护需求，予以保留现状。

图4 典型断面护岸型式示意图Fig.4 Sketch of revetment types at the typical cross sections

本次生态护岸工程设计中，型式二和型式三分别涉及到浆砌石挡墙基础和C25 混凝土基础的构建，需根据相关规范对护岸稳定性参数进行复核论证。将模型20 a 一遇设计洪水条件下河道水面线及断面流速计算结果代入到河道冲刷深度经验公式［15］计算得到典型断面河道最大冲刷深度为0.39～0.83 m，因此，为满足护岸工程防冲要求，基础埋深不得小于0.83 m；选取岸坡较高陡的最不利设计断面，将模型水面线、挡墙尺寸及墙面坡比、土体性质等代入相应的经验公式［16］计算挡墙各项稳定性参数，结果显示，本次设计中挡墙稳定性参数均满足规范要求（表2）；针对三种护岸型式各选取多个具有代表性的典型设计断面，将护岸各结构尺寸、岸坡岩土物理力学参数和模型水面线作为输入条件，采用瑞典圆弧法进行岸坡稳定验算（图5），结果显示，各典型断面岸坡的抗滑稳定安全系数均大于规范允许值［17］。

图5 典型断面岸坡稳定计算示意图Fig.5 Sketch of bank slope stability calculation at the typical cross sections

表2 挡墙稳定计算结果Tab.2 Calculation results of the retaining walls stability

综上，基于模型计算结果对护岸工程进行基础埋深、挡墙稳定性和岸坡抗滑稳定性的验算结果表明，本次生态护岸工程方案设计中，护岸工程型式及设计参数基本合理，满足相关规范要求。

3.2 生态护岸工程方案效果分析

根据护岸工程措施对岸坡形态的改变调整模型河道断面输入，并保持模型边界条件和阻水建筑物的设置不变，利用MIKE11 水动力模型对护岸工程实施后的南川河再次模拟，计算岸坡调整后的设计水面线和断面流速。

水面线计算结果显示，与现状水面线相比，工程后沿程各断面20 a 一遇设计洪水位总体降低0～0.412 m（表3），表明护岸工程在增强河岸稳定性、抗冲性的同时，也扩大了河道过水断面，降低了洪水位，使得是河道行洪能力有所提升，可在一定程度上减轻洪水对两岸农田、房屋、道路等的侵害。

表3 南川河各典型断面工程前后20 a一遇（P=5%）设计洪水位变化Tab.3 Variations of the designed 5%frequency flood water stage after revetment projects at the typical cross sections

断面流速计算结果显示，护岸工程对河道断面流速的影响较小，变化值总体控制在0.1 m/s 以内，河道演变影响因素未发生明显改变。但由于护岸工程加强了河岸的防护，可减少不利的河床、河岸冲淤变化带来的河势调整，有利于河道岸线的稳固及河势稳定。

基于MIKE11一维水动力模型计算结果开展南川河生态护岸工程设计，有利于科学选定护岸工程型式和优化工程设计参数，在满足河道固岸防冲、河势稳定需求，减轻灾害对人民生命财产威胁的同时，又能美化村镇面貌、改善生产和生活环境，具有明显的经济效益和生态效益。

4 结 论

（1）在缺乏充足的河道流量与水位资料、河道断面复杂的条件下，将利用水文比拟法和瞬时单位线法计算的流量过程线与MIKE11 模型相结合，对河道水面线和断面流速进行了较高精度的模拟，为制定河道生态护岸工程措施和方案设计及优化提供了基础和依据。

（2）基于实际调研和MIKE11水动力模型计算结果，分析了南川河现状存在的河势不稳、岸坡冲毁、水土流失等问题，并结合当地城镇规划和生态文明建设需求，制定了差异化的生态护岸工程治理方案，既满足了不同河段的治理需求，同时节省了工程总投资。

（3）生态护岸工程方案的制定遵循适当防护的原则，较好解决了有限资金条件下中小河流防洪安保功能与生态服务功能难以兼顾的难题，在增强河岸稳定性、提升河道行洪抗冲能力的前提下，因地制宜创建亲水空间，改善河道的生态面貌，达到了稳定河势、强化河道行洪安全、改善沿岸居民生活质量的总体目标，可为其他类似的中小河流护岸工程的实施提供参考。