河道沿岸土体崩塌阻塞水流的影响研究

贠元璐 李晓梦 尹飞翔

摘要：本文利用 CCHE-2D 数值模型软件仿真探讨A溪遭到崩塌土石阻塞后，在不同重现期的来水及来砂量下，對河道左岸生态环境的影响。经模型软件检定及验证后，进行崩塌土石阻塞河道程度的情境模拟。

Abstract： This paper uses CCHE-2D numerical simulation software to simulate the impact of the collapsed earth and stone in Lasai Creek on the left bank of the river bank in different return periods and the amount of incoming sand. After the verification and verification by the model software， a simulation of the situation of the degree of river blockage by collapsed earth and rock was performed.

关键词：不同阻塞程度；CCHE-2D，情境模拟

Key words： different degrees of obstruction；CCHE-2D；situational simulation

中图分类号：TV147+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）27-0257-03

1 研究目的

河岸边坡土体崩塌而阻塞全部或部分通洪断面而挤压水流，造成流路偏向改变，洪水泛滥成灾，危及沿岸保全对象。考虑以往研究多着重于堰塞湖及泥石流问题，故本研究以探讨水流流路因遭崩落土石挤压而产生流路变动致灾的机理和模拟为主轴，提供溪流防灾与治灾的参考。

2 研究方法

本研究选定A溪 DS32 大规模崩塌地为研究对象，应用二维水理动床输砂模式 CCHE-2D 仿真 DS32 大规模崩塌地在降雨过程中发生崩塌时，探讨不同崩塌量对A溪的阻塞程度，对沿岸保全对象可能危害情形。

2.1 数值模式选择

本研究采用二维模式分析河床横向水流变化的问题。一维模式主要分析河床纵向冲淤变化现象，二维模式多用于分析横向水流特征明显的河段，如宽河处的流路偏流等特性。本研究拟模拟崩塌后堆积河道土体对河道水流流路的影响，因此建议采用二维模式进行分析。

2.2 CCHE-2D 模式理论及数值方法

CCHE-2D模式利用隐式时间有效元素法，水理模组采用交错网格求解连续方程式的水位，特别的速度校正法来求解系统方程式；变亮流模拟利用隐式时间推进法求解，干湿点问题处理利用移动边界法；紊流模式除两种方程涡粘滞模式，另有？资-？着紊流模式；悬浮载传输利用非平衡输砂方程式，并考虑底床坡度与弯道二次流效应。

2.2.1 水理模式理论

明渠流多为浅水波问题，垂直方向运动通常可忽略，水深积分的二维控制方程式通常允许合理及有效的使用。

在 CCHE-2D 模式中采用两种方法计算涡粘滞系数，第一种方式为使用水深积分抛物线涡粘滞系数公式：

2.2.2 输砂模式理论

总载对输砂模式来讲，可分为推移载及悬浮载，或依泥砂来源分类，可分为河床质载及冲洗载。因此 CCHE-2D 模式使用两种概念计算总载输砂行为，其一为分离推移载与悬浮载，其二合并为河床载，前者的控制方程式如下所示。

悬浮载对流传输方程式：

CCHE-2D模式中有四种输砂公式可计算C*k及qb*k。此四种输砂公式由数十种经由实验及现场资料检定验证而得，可考虑非均匀输砂的各种效应，此四种输砂公式亦可写成以下一般化形式：

床质粒径分布通常沿垂直方向变化，因此不冲刷层以上的河床可再切割为数层，最上层定义为混合层，此层与移动的泥砂直接参与交换，在混合层中粒径分布可以下式计算：

2.2.3 二次流机制

自然河道中常出现弯曲段及蜿蜒型态，当水流流经不同曲率弯道时，水流受到离心力影响产生二次流。二次流在水深上半部指向外岸，在水深下半部指向内岸，造成泥砂由外岸向内岸横向运移。底床改变后水流状态随之改变，两者互相影响，二次流主导弯曲段河道底床变化，因此模拟弯曲河道时不能忽略二次流造成的底床变化。

目前CCHE-2D模式中使用 Engelund （1974）提出的公式推估：

式中的r为纵向格网的曲率半径。根据 Engelund （1974）的研究成果，此推估公式的误差为3%。泥砂在底床横向坡度？茁的底床因重力作用往下游移动，而二次流则是趋向与底床横向坡降不同方向。当两者互相抵消达到平衡后泥砂随主流移动，决定纵向的运移路径。

2.3 研究区域

本研究 DS32 崩塌地位于A溪右岸，崩塌面积约79公顷，上游1公里处亦有一大型崩塌地，崩塌面积约108公顷，两崩塌地皆曾在风灾期间发生崩塌，崩塌土石下移造成A溪汇流口处回淤严重，若再次发生大规模滑动，将影响岸边居民的安全。

3 模式检定

3.1 参数设定

3.1.1 流量历线

利用三角形单位历线法推估流量历线。各参数的设定值分别为：Qp为洪峰流量（m3/s）211.22，A为集水区面积（km2）38.70，Tp为历线开始至洪峰流量发生时间（hr）0.38；D为单位降雨延时（hr）0.00625，Tc为集流时间（hr）0.58；Tp为历线基期（hr）0.38，L为溪流长度（km）9.64。

3.1.2 水理相关参数

大部分水理参数依现有数据或考虑模拟现象进行设定，如卡门常数0.41、重力加速度9.8m/s2、运动粘滞系数0.000001m2/s，河床糙度0.028，紊流模式为混合流模式，紊流粘性系数1，干湿点分界0.15m。

3.1.3 土砂相关参数

CCHE-2D模式中，输砂参数主要检定输砂公式、调适长度Lb及混合层厚度。调适长度830m、混合层厚度为0.2、施密特数为1.0、时间步长调节流量为1、冲蚀/淤积限制为0.01、最大冲刷厚度-90m、最大淤积厚度+90m。

3.2 模式检定

Yalin（1972）提出Lb值可用于河道宽的6.3倍，或Van Rijn（1984），即约流动深度的7.3倍。本研究因流动深度难取得，故使用Yalin（1972）提出河道宽的6.3倍约830米作为参数检定分析。当Lb值减小时，其土砂会集中在入流口造成淤砂高度增加，且下游呈现冲刷趋势；反之，若Lb增大时，淤砂长度延长，且淤砂高度减缓。可知Lb值是影响河床形状及冲淤程度的重要参数。本研究利用前述的四种公式模拟，模拟结果与2015年河道测量高程接近，适用于本研究。四种公式以2015年实测地形进行模拟，并将其模拟值与2015年实测值进行比对，比对结果如表1 所示。

3.3 小结

综合以上检定分析结果，采用 SEDTRA module 公式，Lb为830，混和层厚度为0.2进行模拟，较符合本河段的冲淤变化特性。

4 崩塌阻塞河道模拟分析

4.1 无堵塞

DS32 崩塌地未发生崩塌，河道未遭土石阻塞、重现期Q1.1距时模拟结果为：水深最大深度约为7.9m，未对居民造成危害；重现期距Q10时模拟结果为：最大水深为8.6m，未对居民造成危害；重现期距Q50时模拟结果为：最大水深为8.1m，水流经由居民区东、西两侧溢淹至居民区，淹水面积约为1.86 km2，占46.97%。

4.2 阻塞河幅均宽1/3

DS32 崩塌地发生崩塌遭土石阻塞河幅均宽1/3、重现期距Q1.1时模拟结果：水深最大深度约为9.4m，未对居民造成危害；重现期距Q10时模拟结果：最大水深为8.8m，未对居民造成危害；重现期距Q50时模拟结果：最大水深为 7.7m，水流经由居民区东、西两侧溢淹至居民区，淹水面积约为 2.03 km2，占51.26%。

4.3 阻塞河幅均宽1/2

阻塞河幅均宽1/2、重现期距Q1.1时模拟结果：最大水深为 7.73m，且水流经由居民区西侧溢淹至居民区，淹水面积约为 1.22 km2，占30.81%。

4.4 阻塞河幅均寬2/3

阻塞河幅均宽2/3、重现期距Q1.1时，模拟结果：最大水深为7.7m，且水流经由居民区西侧溢淹至居民区，淹水面积约为1.76 km2，占34.34%。

4.5 综合比较说明

综合上述模拟结果，无阻塞河道及阻塞河道平均宽度1/3时，皆在重现期距Q50时由居民区东、西两侧溢淹至居民区；阻塞河道平均宽度1/2及阻塞河道平均宽度2/3时，皆在重现期距Q1.1即从居民区西侧溢淹，造成居民区淹水。

5 结束语

本研究检定得出，在CCHE-2D众多参数中，混合层厚度、调适长度及四种输砂公式影响模拟结果最为显著。当无土石阻塞河道与遭土石阻塞河幅均宽1/3，在重现期距Q50时，水流由居民区东、西两侧地势较低道路溢淹至居民区；而当河道遭土石阻塞河幅均宽1/2及2/3时，皆在重现期距Q1.1条件下，即从居民区西侧溢淹，造成居民区内淹水。

参考文献：

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