解决再自然化项目中不希望出现的形态动态过程

《River Research and Applications》：Addressing Unwanted Morphodynamic Processes in Re-Naturalization Projects

河流自然化中次级渠道重新开放的水力与泥沙平衡问题，通过准一维模型和二维数值模拟分析渠道宽度比、入口步骤参数对系统均衡的影响，发现不当设计会导致主渠道泥沙淤积，降低通航效率，强调需多学科框架平衡生态与功能。

　　河流系统在全球范围内正经历严重的生态和形态退化，这主要是由于长期的人类活动干预，如河道整治和大坝建设，这些行为破坏了泥沙的连续性和自然的水流格局。为应对这一问题，河流生态修复项目逐渐成为恢复河流系统动态的重要策略。然而，这些修复措施往往带来意想不到的形态动力学后果，包括泥沙侵蚀和沉积、水流模式的改变以及河道稳定性被破坏，这些挑战可能影响实现生态、航运和防洪管理的目标。本研究聚焦于二次河道重新开通这一常见实践，特别是在低地河流系统中，探讨关键设计参数如何影响河流段的平衡状态。研究强调，不当的项目设计可能会加剧主河道分支的泥沙沉积，从而降低航运能力、增加维护成本，并抵消生态修复的成果。为支持管理机构和项目设计者，本研究强调需要一个跨学科框架，结合长期形态动力学预测与生态修复目标。研究结果为在环境可持续性与功能操作性之间取得平衡提供了见解，也为未来全球河流生态修复工作提供了指导。

河流生态修复的目标在于恢复自然的河流形态和增强生态系统的韧性。常见的策略包括拓宽河道、重建原河道形态以及将主河道与旧侧河道重新连接。这些措施不仅有助于恢复生态廊道，还能改善生物多样性，为实现欧盟2030年生物多样性战略提供支持。然而，重新开通的侧河道必须在增强生物多样性与确保主河道的水力效率之间取得平衡。例如，分叉-汇合单元可能导致主河道的侵蚀和沉积过程，这些现象在理想化配置中已有大量研究。通常，泥沙沉积主要发生在运输能力较低的河道分支中，最终可能导致一次性的河道改道，使单一分支占据主导地位。

本研究关注的是一个蜿蜒的河道段，其中包含一个较短、较窄的截断河道，该河道绕过了较长的弯道。这种配置在意大利波河的低地部分非常常见，如图1所示。一些关于这种高度不对称系统的潜在演变过程的见解可以通过简化的一维模型获得，其中分叉-汇合的形态动力学通过基于物理的两细胞模型进行参数化。这些模型表明，当主河道和截断河道的长度差异足够大时，唯一可能的解决方案是较短的河道成为主导。尽管一维模型能够提供清晰且快速的结果，但它们假设了对两细胞节点的二维水流和泥沙交换的简化描述，因此在横向泥沙输运完全三维的情况下，提供的是近似信息。此外，通过降低隔离主河道与截断河道的局部堤坝来重新开通侧河道通常会在该河道入口处形成一个残余的台阶，这可能会阻碍泥沙进入。因此，大部分泥沙仍会留在主河道中，可能导致其显著沉积。

本研究系统地通过简化方法和全面的数值模拟，探讨了重新开通旧截断河道所面临的挑战，以加深对相关形态动力学过程的理解。本文的结构如下。第二部分描述了系统几何结构，随后介绍了采用的一维和二维建模方法。两种方法的结果在第三部分中进行报告，参考两种不同的主河道和截断河道长度配置。第四部分提供了重新开通侧河道在高度改造河流中的潜在影响和动态过程的全面视角。最后，第五部分总结了研究的结论。

本研究系统地探讨了用于重新激活主河道旁的侧河道的堤坝降低设计。重新激活是通过一个侧堰将主河道与侧河道入口连接实现的（图2）。该堰的高度和长度在确定从主河道向侧河道分流的水量和泥沙量方面起着关键作用。本部分首先描述了系统几何结构，然后介绍了问题的一维和二维公式，最后明确了数值模拟的设计。

在理想化框架中，分析重新开通旧截断河道的影响包括一个由三个弯道组成的蜿蜒段（如图2a所示），这在一定程度上再现了波河的某一段。主河道被假设为具有恒定宽度和初始恒定坡度。河道轴的曲率通过经典的正弦生成曲线进行近似（Leopold et al. 1964）：

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\text{（1）}
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其中，表示河道轴的切线与山谷方向之间的夹角，表示控制弯道幅度的参数，表示沿着河道轴的曲率纵向坐标，表示弯道的固有波数。由此，弯道轴的曲率被推导为：

$$
\text{（2）}
$$

被重新开通的侧河道具有恒定宽度和长度。它在第一个弯道顶点附近与主河道分叉（即在和之间），并在第二个弯道顶点之后与主河道汇合（即在和之间，图2a）。侧河道的初始坡度由主河道在分叉和汇合点的高程决定。假设两个河道床均由均匀的细沙组成，粒径为毫米，而河道堤岸被认为是不可侵蚀的。

为控制分流的水流，使用了一个堰（图2b）。该堰的长度等于侧河道的宽度（即），其顶部高程为，与主河道床的初始高程相比，其高度为。堰的高度和侧河道的宽度对于分叉-汇合系统的形态动力学响应至关重要。因此，引入了两个无量纲设计参数，将堰的特征与干预前的主河道几何结构联系起来。它们是分支宽度比和无量纲入口台阶参数，定义为：

$$
\text{（3）}
$$

其中，表示主河道的均匀水流深度。根据这些无量纲参数，可以计算出被分流的泥沙量。这些参数在计算过程中被保持固定，与研究的波河段一致。相反，分支宽度比和入口台阶参数被变化以评估侧河道重新激活的影响，并提供有关堰几何选择的参考信息。

在一维框架中，考虑了分流过程中水流和泥沙的均衡床剖面。假设河道具有较大的宽度，远大于平均水流深度，因此可以将水力半径近似为。同时，面积被近似为。动量方程可以重写为：

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\text{（6）}
$$

其中，表示比能（即单位流体重量），表示比能损失率，定义为：

$$
\text{（7）}
$$

在每个横截面，局部水流深度被确定为确保该横截面的泥沙输送量达到最大。通过解决这些方程，可以得到均衡的河道床配置。在上游边界，施加了恒定的流量。与之对应的固体输送量被假设为与流量均衡。考虑到泥沙的细粒特性，使用了Engelund和Hansen（1967）的总负载公式来计算固体输送量。在下游边界，通过数值积分方法施加了条件：

$$
\text{（8）}
$$

其中，和表示与主河道流量对应的均匀流动值。在分流过程中，流体的动量和泥沙的输送会受到影响。这些影响会在主河道与截断河道之间的河道段（即图2a中的河道段）中体现，将在下面详细讨论。

尽管一维模型能够提供关于分叉-汇合系统的总体形态动力学演变的重要见解，但它只能粗略描述在分叉和汇合区域发生的具体过程。因此，通过系统进行数值模拟，以更全面地评估这些局部现象及其在时间和空间上的演变。采用的软件是Delft3D-Flow Flexible Mesh，它能够在非稳态条件下进行多维水动力模拟，包括泥沙输运、侵蚀和沉积引起的床演变。这些方程通过隐式有限体积求解器应用于交错的、灵活形状的网格进行离散化。与这些方程相关的边界条件包括主河道上游部分的水流量和对应的均衡泥沙流量，以及下游部分的固定自由水面。此外，考虑到床组成泥沙的细粒特性，泥沙输运强度再次通过Engelund和Hansen（1967）提出的总负载公式进行估算。

无结构网格被设计用于准确捕捉正在研究的局部过程。因此，在横向方向上使用了至少个计算单元，以在分辨率和计算成本之间取得平衡。在模型中启用了次级流动计算，以准确描述在弯道区域和侧河道入口、出口处的流动结构。虽然分叉-汇合区域存在一些三维特征，但二维方法能够有效捕捉这些区域附近的总体形态动力学趋势，以及整个主河道和侧河道中的流动和泥沙分配。侧河道入口处的堰被建模为主河道横向堤坝的局部降低，其高度基于参数。为了保持初始平面形态，河道床在与侧堰相关的单元中被建模为不可侵蚀。

通过考虑与第二部分相同的形成水和泥沙流量，分析了主河道和侧河道床的形态动力学均衡。相反，用于控制分流的侧堰高度、侧河道宽度及其长度与主河道长度的比较被通过修改无量纲参数进行变化，这些参数由公式（3）和公式（21）定义。在图1中，研究了各种参数的数值配置，如表1所示。

值得注意的是，在一维模型中，均衡配置是通过直接解决一个常微分方程系统来确定的。相反，在二维模型中，形态动力学向均衡的演变是通过时间推进方法获得的。这种方法涉及解决包含二维浅水连续性和动量方程以及二维Exner方程的偏微分方程系统。每项模拟，包括提供所有其他模拟的初始条件的预分流床地形，均运行足够长的时间（大约2年），以确保达到一个准均衡配置，其中河道床的时间变化微乎其微。

研究了不同侧堰配置对分叉-汇合系统均衡状态的影响。分析采用了简化的一维方法和二维数值模拟。虽然二维模拟提供了更细致和准确的控制物理过程的描述，但其应用受限于计算成本。相比之下，一维分析有助于更快的计算，从而评估更广泛的配置下的均衡状态。

图4显示了通过一维模拟获得的各种主河道段的均衡剖面。具体而言，图4a显示了一个显著的堤坝降低（0.5）和较宽的侧河道（0.75）的配置结果，而图4b则显示了一个较高且较窄的侧堰（0.75和0.4）的配置。在两种情况下，降低侧堰使部分水流被分流到截断河道，从而在主河道段下游产生沉积。这种沉积是由于分流的流量与分流的泥沙流量之间的不平衡。大部分泥沙仍留在主河道中，而分流后下游的流速降低，导致泥沙输送能力下降。新的床均衡是通过增加主河道段的床坡度以及分流后自由水面的高程实现的。在侧堰附近，沉积和自由水面的增加增强了水流和泥沙向截断河道的分流，如图4a所示。

尽管一维模型提供了计算效率，但它在分叉和汇合区域以及截断河道的反馈机制方面过于简化。二维模拟有助于部分克服这些限制，提供分叉-汇合系统的详细描述，如弯道诱导的次级流动和点坝的形成。相同的配置在二维框架中重现（图5）。特别地，主河道（图5a,c）和侧河道（图5b,d）的横截面平均均衡床剖面表现出与一维模拟结果一致的形态模式。泥沙沉积在主河道段中，这导致床整体的堆积。随着侧堰高度增加和侧河道变窄，这种堆积变得更加有限（图5a,b）。

图5显示了这种配置的均衡条件，特征是主河道段的堤坝降低约为一半的流量深度（0.5）和较窄的侧河道（0.4）。与图6相比，这种配置在主河道段的分流导致较少的沉积。这一结果是由于主河道段和侧河道段之间坡度优势不显著，最终导致主河道床的改变较弱。在侧河道和主河道段长度差异较小的情况下，这种对主河道床的形态动力学影响被体现在所有考虑的入口台阶参数值中。

图9总结了不同主河道和侧河道长度不对称度的配置下的均衡条件。比较突出了不对称度对分叉-汇合系统的影响，包括主河道段的无量纲平均床高程变化和无量纲流量不对称度，如公式（22）定义。在更对称的配置中（0.82），分流的流量和主河道段的沉积始终较低，无论入口台阶比如何变化。有趣的是，与更不对称的情况（0.62）不同，其中和显示随着的增加而单调变化，更对称的配置表现出非单调响应。具体来说，配置（0.25）导致主河道段原始床的改变最小。在这种情况下，截断河道接收的泥沙超过其运输能力，导致床堆积。沉积的泥沙最终淹没侧堰，保持约2米的残余水深。

本研究的结果表明，即使在有侧堰的情况下，高度不对称的分叉-汇合系统最终会向较短路径发生改道，尽管有所延迟，这是由于较短路径的坡度优势。相反，长度不对称度相对适中的配置则不会随着侧堰高度的降低表现出明显的单调趋势。这种行为源于分流在上游分叉处和截断河道进入主河道在汇合处的动量影响，这促进了侧河道的沉积。

一维和二维结果均表明，在汇合下游的主河道段的形态变化相对较小，除了在重新连接点的局部侵蚀。这一结果并不令人意外，因为由于连续性约束，总流量恢复到未分流的值，符合下游边界施加的恒定流量要求。然而，在自然环境中，主河道段以外的河道平面形态和床地形可能会影响相邻弯道的形态动力学均衡，这取决于形态动力学机制的亚共振或超共振特性。一些关于自然弯道截断的观察表明，较短路径的初始坡度优势最终会通过在考虑的弯道上下游的河段均衡而被抵消。

本研究的结果突出了重新开通截断河道引起的形态过程。值得注意的是，即使在相对较小的分流流量下，主河道中的沉积现象仍然存在。这种沉积趋势可以被解释为整个主河道-截断系统的特性。重新激活侧河道可以被概念化为主河道段的虚拟整体拓宽，沉积发生在主河道段流速降低的情况下，从而导致运输能力下降。

然而，所研究的干预措施导致分流流量增加，无疑重新激活了河流过程，包括床沙输运和堤岸侵蚀。此外，这一现象可能促进洪水平原上水生和滨岸生境的恢复，从而在夏季形成热避难区。

本研究总结了重新开通旧截断河道引起的形态动力学过程。值得注意的是，主河道中的沉积现象即使在相对较小的分流流量下也会发生。这种沉积趋势可以被解释为整个主河道-截断系统的特性。重新激活侧河道可以被概念化为主河道段的虚拟整体拓宽，沉积发生在主河道段流速降低的情况下，从而导致运输能力下降。

这些结果随后通过二维（即深度平均）数值模拟进行验证，这些模拟提供了更全面的关于侧向分流和汇合动态的局部机制的理解。然而，这些模拟也突出了主河道和侧河道段长度在确定非平凡均衡配置中的关键影响。

总体而言，研究结果表明，重新开通旧截断河道会导致主河道中的沉积，这是由于分流引起的运输能力下降。主河道较宽（即较大的宽度比）和侧堰较低（即较小的入口台阶比）的配置表现出最显著的沉积影响，强调了在恢复水流连通性与减轻主河道沉积之间需要权衡，这可能影响局部航运能力以及堤岸稳定性。

最后，即使在有侧堰的情况下，高度不对称的分叉-汇合系统最终会向较短路径发生改道，尽管有所延迟，这是由于较短路径的坡度优势。相反，长度不对称度相对适中的配置则不会随着侧堰高度的降低表现出明显的单调趋势。