一種順直河道低水生態(tài)修復工程布局的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種順直河道低水生態(tài)修復工程布局的確定方法，屬于河流生態(tài)修復
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，人類的過度干擾使得許多河道原有自然生態(tài)系統(tǒng)退化。出于節(jié)約土地和 行洪安全的考慮，人們對于河流實施裁彎取直，河道斷面沿程基本不變，這種形態(tài)單一的河 道降低了水流生態(tài)環(huán)境的多樣性，導致河流生態(tài)系統(tǒng)退化。為了滿足人們保護環(huán)境和親近 自然的需求，需要對河流特別是城市河流進行生態(tài)修復，使其成為蜿蜒曲折、水流多樣、急 緩并存的生態(tài)景觀河流。
[0003] 直線化河流生態(tài)修復的方法主要有兩種。其一，是在大尺度范圍內(nèi)進行河流生態(tài) 修復，即將已被直線化的河道進行蜿蜒化改造，為生物創(chuàng)造豐富多變的棲息環(huán)境。美國基 西米（Kissimmee)河重新開挖渠化工程中被回填掉的河道，以形成蜿蜒形態(tài)，恢復到渠化 前的自然狀態(tài)。英國斯克恩（Skerne)河進行生態(tài)修復時進行了蜿蜒化改造，并新建了濕 地、水洼、淺灘等空間，豐富了河道的自然特征，提高了河道多樣性。北京轉(zhuǎn)河重新開挖打通 了北環(huán)水系，恢復河道平面形態(tài)多樣性。長春市蓮花山受損河道修復工程在河道的直線型 部分，盡量模仿自然河流的蜿蜒形態(tài)，重塑河流的彎曲形態(tài)，使河流逐漸恢復原始的自然風 貌。其二，是在小尺度范圍內(nèi)對河流進行改造，如對城市順直河道進行低水生態(tài)修復。考慮 到城市河道空間尺度有限、短期防洪為主等特點，可以在河道中布置低水生態(tài)修復建筑物， 以便在低水期形成蜿蜒流動的水流形態(tài)，洪水期又不影響河道行洪，在一定程度上恢復河 流的自然狀態(tài)。
[0004]目前，大尺度的生態(tài)修復已有較多的工程實踐，但小尺度范圍的生態(tài)修復少有應(yīng) 用，而且現(xiàn)行的小尺度范圍順直河道生態(tài)修復布局設(shè)計中多是根據(jù)天然河灣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)采 用經(jīng)驗方法確定各設(shè)計參數(shù)，因此，發(fā)明一種科學、合理的順直河道低水生態(tài)修復工程布局 確定方法的問題已成為河流生態(tài)修復技術(shù)領(lǐng)域當務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種順直河道低水生態(tài)修復工程 布局的確定方法。本發(fā)明設(shè)計科學、能夠在保證低水生態(tài)修復工程的短期行洪安全的前提 下，最大化其生態(tài)修復效果。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種順直河道低水生態(tài)修復工程布局的確定方法，其 特征在于，包括如下步驟：
[0007] 步驟一，建立水流數(shù)學模型；
[0008] 步驟二：計算低水生態(tài)修復河道水流特征；
[0009] 步驟三：分析并確定低水生態(tài)修復工程平面布局；
[0010] 步驟四：驗證低水生態(tài)修復工程對行洪的影響。
[0011] 優(yōu)選地，步驟一具體包括：根據(jù)某河流的低水生態(tài)修復工程情況，建立工程河段 二維平面水流數(shù)學模型并采用有限體積法對其求解；在進行數(shù)值計算時，對于開邊界，上、 下游分別采用流量邊界和水位邊界條件；對于閉邊界，根據(jù)不可入原理取法向流速為0 ;此 外，還采用了干濕判別技術(shù)進行動邊界處理，所述的二維平面水流數(shù)學模型的控制方程分 別為式（1)的連續(xù)方程及式（2)和式（3)的運動方程如下：
[0012] 水流連續(xù)方程
[0014] 水流運動方程
[0017] 其中，x、y為笛卡爾坐標；t為時間變量；n為水位；h代表總水深，且有h=d+n， d為靜水深；F為x、y方向深度平均速度；Tbx、Tby為x、y方向底部應(yīng)力；P^為水的密 度；f為科氏力系數(shù)，且f= 2Qsini]) ;g為當?shù)刂亓铀俣?；Txx、Txy、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項。 [0018] 優(yōu)選地，步驟二包括：利用步驟一所述的水流數(shù)學模型，根據(jù)生態(tài)修復建筑物，錯 口丁壩的錯口深度及丁壩間距的不同，設(shè)計9組低水生態(tài)修復工程平面布置方案，并分別 進行了丁壩非淹沒狀況和部分淹沒（壩頭淹沒，壩根不淹沒）狀況的數(shù)值模擬，其中方案1、 4、7,方案2、5、8及方案3、6、9分析丁壩間距對水流特征的影響，方案1~3,方案4~6及 方案7~9分析錯口深度對水流特征的影響，通過對各方案水動力數(shù)值模擬結(jié)果的處理和 分析，得出低水生態(tài)修復工程實施后河道的蜿蜒水流流態(tài)與水流特征變化結(jié)果。
[0019] 優(yōu)選地，步驟三包括：結(jié)合天然河灣形態(tài)特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析不同低水生態(tài)修復工 程平面布局下的水流特征，得出低水生態(tài)修復工程修復效果影響因素，從而選取合理的平 面布局方式。
[0020] 優(yōu)選地，步驟三具體包括：SS1明確低水河槽生態(tài)修復要求，是指根據(jù)自然條件下 穩(wěn)定河灣中河道平面形態(tài)與河道特征尺寸間的關(guān)系及其各項特征系數(shù)，建立具體評價標準 并以此判斷低水生態(tài)修復工程的目標（形成近自然持久穩(wěn)定的蜿蜒水流形態(tài)）是否達到， 為后續(xù)選取平面布局奠定基礎(chǔ)；SS2分析低水生態(tài)修復工程修復效果影響因素，是指通過 對不同方案河道的蜿蜒水流流態(tài)與人工形成的彎道形態(tài)特征的分析，得到影響水流特征的 因素：丁壩間距、錯口深度；對丁壩間距而言，丁壩間距加大則蜿蜒波長增加，丁壩間距減 小則蜿蜒波長減??；對錯口深度而言，錯口深度加大則擺幅減小，錯口深度減小則擺幅增 大；同時，對比錯口丁壩非淹沒與部分淹沒的情況可發(fā)現(xiàn)，部分淹沒狀態(tài)下的水流彎曲形態(tài) 雖然不如非淹沒狀態(tài)時明顯，但水流特征依舊取決于丁壩間距和錯口深度；SS3選取合理 的平面布局方式，根據(jù)低水河槽生態(tài)修復要求，結(jié)合低水生態(tài)修復工程修復效果影響因素， 由計算結(jié)果分析對比得到合理的布局方式：即非淹沒情況丁壩間距為2. 28倍河寬、錯口深 度為〇時的平面布局效果最佳；部分淹沒情況下丁壩間距維持2. 28倍河寬、錯口深度調(diào)整 至大于0時效果最佳。
[0021] 優(yōu)選地，步驟四包括：選擇部分淹沒情況下模擬天然河灣最佳的平面布置方案進 行相對壩高變化對壅水影響的數(shù)值模擬來實現(xiàn)，共設(shè)計6組相對壩高方案，最大相對壩高 1:1 (剛好淹沒壩根），最小相對壩高達1:6 ;由計算結(jié)果分析可知，隨著相對壩高減小，生態(tài) 修復建筑物對水流的影響逐漸降低，壅水幅度顯著下降；相對壩高較小時，錯口丁壩群壅水 較小，對行洪沒有影響。
[0022] 本發(fā)明所達到的有益效果：（1)在分析天然條件下彎曲河流形態(tài)特征經(jīng)驗公式的 基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬，為大量存在的空間受限的順直河道的低水生態(tài)修復工程設(shè)計提供 平面布局，科學合理；（2)充分考慮了順直河道短期行洪的限制條件，研宄了不同壩高情況 生態(tài)修復建筑物的建設(shè)對于河道行洪的影響，驗證了其工程實用性；（3)本發(fā)明廣泛適用 于寬度受限、短期防洪為主的順直河道生態(tài)修復工程平面布局設(shè)計。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的低水生態(tài)修復工程布局示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明的一種實施例的低水生態(tài)修復工程計算區(qū)域示意圖。
[0025] 圖3是本發(fā)明的一種實施例的河道斷面示意圖。
[0026] 圖4是天然河灣平面形態(tài)基本要素圖。
[0027] 圖5是非淹沒情況水流流態(tài)圖。
[0028] 圖6是部分淹沒情況水流流態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0030] 圖1是本發(fā)明的低水生態(tài)修復工程布局示意圖，現(xiàn)以本發(fā)明提出一種順直河道低 水生態(tài)修復工程的平面布局方法應(yīng)用于某低水生態(tài)修復工