《Journal of Hydrology: Regional Studies》：System-scale hydraulic trade-offs of dredging in confined urban rivers: Insights from the Tamsui basin
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本研究聚焦于台湾北部淡水河流域，该流域是一个高度城市化的河网系统，河道拓宽能力有限，并建有按200年洪水标准设计的广泛堤防与分洪道网络。本研究评估了疏浚作为一种基于维护的策略，用以维持空间受限城市河流中固定防洪阈值的可行性；在此类河流中，防洪减灾依赖于主河道与
本研究聚焦于台湾北部淡水河流域，该流域是一个高度城市化的河网系统，河道拓宽能力有限，并建有按200年洪水标准设计的广泛堤防与分洪道网络。本研究评估了疏浚作为一种基于维护的策略，用以维持空间受限城市河流中固定防洪阈值的可行性；在此类河流中，防洪减灾依赖于主河道与分洪道的耦合性能。研究人员采用二维水动力学与泥沙输运耦合模型开展系统尺度评估，考察不同疏浚配置方案如何影响水力学荷载、分流性能以及泥沙调整过程，评估基于一次具有代表性的50年洪水事件，重点聚焦于主要城市瓶颈段、分洪道入口及下游主河道出口。区域新水文学见解表明：疏浚能逐步缓解主要城市瓶颈段的水力荷载，且干预范围越大，缓解效果越显著。然而，模拟结果证实，主河道输水能力的增加可能通过削弱驱动分汊水流的压力水头而降低分洪道的分流能力，从而证实了城市洪水调度系统中分流-输水之间的权衡关系。泥沙响应呈现强烈的空间依赖性，受约束的城市河段出现快速再淤积，而下游主河道则呈现持续冲刷。上述耦合的水力与泥沙响应共同表明，在空间受限的城市河流中，依靠基于维护的疏浚策略来维持固定防洪标准正变得日益困难。
城市河流洪水管理是当前全球城市面临的重大挑战，尤其在气候变化导致极端水文事件频发、城市化进程加速以及土地利用强度持续增加的背景下，河流洪水风险正持续攀升。结构性防洪措施，包括堤防建设、河道整治和分洪设施等，被广泛应用于城市洪水防治实践中，然而这些措施也带来了"堤防效应"——即结构性保护增强了保护区内的人口和资产集聚，反而加剧了长期洪水暴露风险。现有研究表明，堤防退距在地广人稀的区域可有效降低洪水位并恢复河流-洪泛区连通性，但在高密度城市走廊，退距往往面临征地成本高昂、政治阻力大及实施不可行等限制。在此类空间严重受限的城市河道中，分洪道和旁通渠道等分流系统成为补充堤防保护的重要工程手段，但分流入口处的泥沙淤积、河床高程变化及杂物堆积等因素会使分流流量维持变得异常复杂。此外，城市河道的泥沙淤积和地形演变持续削减行洪能力，而结构性扩展措施又难以实施，这使得疏浚成为应对输水能力损失的重要维护性工程措施，但快速再淤积和反复维护需求严重制约了其长期有效性。
在上述背景下，研究人员将台北都会区淡水河流域作为典型研究案例，该流域是东亚地区洪水暴露风险最高的城市河网系统之一，流域面积2726平方公里，全长158.7公里，集水区内居住着650万居民，台北市最高人口密度超过每平方公里9000人。淡水河流域的防洪系统按200年重现期标准设计，城市核心区域被连续而完整的堤防系统所环绕，道路和城市基础设施紧邻堤外，没有可供拓宽或退堤的空间。台北桥断面是系统中最关键的水力瓶颈段，设计过流能力为14300立方米/秒；关渡桥断面是系统总出口控制断面，设计过流能力为25000立方米/秒。二重疏洪道承担着通过旁通路径分流以减轻台北桥瓶颈压力的关键功能，设计最大分流能力为9200立方米/秒。然而，由于疏洪道入口堰处持续性的泥沙淤积，当前分流能力已降至约6300立方米/秒，较原设计值衰减约31%，导致更大比例洪水流量被迫通过已十分受限的台北桥河段，增加了局部洪水位和漫堤风险。鉴于空间约束排除了结构性扩展方案的实施可能，定向疏浚在有限的可达地点成为恢复行洪能力的首要策略选择。
研究人员采用SRH-2D二维水动力学与泥沙输运耦合模型开展系统尺度的数值模拟研究。模拟域沿主河道自河口至上游边界延伸约30.6公里，包含基隆河6.2公里、新店溪6.0公里以及二重疏洪道8.9公里。SRH-2D模型求解基于深度平均的浅水圣维南方程组，耦合并平衡泥沙输运与河床演变方程，采用有限体积数值格式和隐式干湿边界处理算法。计算网格包含162903个三角形单元和87875个节点，空间分辨率依据水力结构物重要性进行加密调整。模型参数包括曼宁糙率系数和泥沙输运参数等均基于土地利用分类及实测数据设置。研究设计采用50年重现期洪水作为评估事件，合成水文过程线呈三角形态，持续48小时，峰前流量线性增加后对称退水，并在事件前后施加相当于两年洪水峰值的百分之十作为基流。上游入流边界条件分别设置于大汉溪、新店溪和基隆河流域。模型配置已通过2021年"烟花"台风期间实测水位数据的验证，模拟水面线和水位过程线与监测站观测数据吻合良好。
研究在淡水河都市走廊内识别出五个满足水力关键性和实际施工可行性的疏浚地点：A地点覆盖T013-T017断面间主河道段，该处三支流交汇处来沙在左岸累积抬升局部河床；B地点即台北桥断面左岸，直接拓宽最严重瓶颈处的过流面积；C地点位于关渡桥，疏浚此处可利用下游控制断面的回水效应向上游传递水位降低；D地点是针对芦洲垃圾山异质堆积体的专项处理；E地点针对二重疏洪道入口，旨在恢复入口河床至设计高程以回收部分分流能力。基于此五个地点构建了四个单项方案和四个组合方案共八个疏浚情景：情景1仅在A地点疏浚，情景2仅在B地点，情景3仅在C地点，情景4仅在E地点；组合方案中情景5整合了A、B、C三地点，情景6增加了D地点，情景7增加了E地点，情景8则整合全部五个地点的最广泛干预。
研究人员得出如下主要结果。在水力性能方面，所有八个疏浚方案均一致性地降低了台北桥上、下游的水位，且随着组合方案中疏浚范围扩大，水位降低幅度递增。台北桥上游水位降幅从0.03米至0.29米不等，下游水位降幅从0.04米至0.31米不等。此类降幅在超临界水流为控制机制的系统中产生的原因在于疏浚直接增大了瓶颈处过流面积。关渡桥处水位仅在包含下游河段疏浚的方案中降低约0.11米，纯粹的疏浚上游河段方案无法将水位降低效应传递至下游控制断面。二重疏洪道的分流行为呈现非线性特征。仅疏浚主河道而不治理分洪道入口的方案5和方案6，虽然显著降低了台北桥水位，但分流流量反而低于不疏浚的基准情形，原因在于主河道过流能力增大引起局部水位下降，削弱了驱动分流的水头差。方案7和方案8在组合中纳入分洪道入口疏浚后，分流流量恢复至基准以上，但增益趋于平缓，因为更深的主河道输水同时压制了分流所需的水头梯度。在泥沙再淤积方面，A地点和B地点呈现最高的再淤积速率，各方案中普遍在26%至36%之间，表明城市河段在单次洪水事件内即可快速回填；C地点关渡桥附近几乎完全无再淤积，呈现持续冲刷特征；E地点分洪道入口则表现为10%至12%的中度再沉积。在成本效益方面，单项方案投资较低但水位降低有限，其中台北桥疏浚提供了最强的成本绩效比；组合方案投资显著增大但实现了更大的水位降低幅度，其中方案6在成本与水力效益间取得最佳平衡。
研究讨论部分揭示了系统尺度的关键机制。城市走廊河段由于三支流汇入的沙源汇聚及低坡降、低输沙能力的河道环境，泥沙再淤积率达26%至36%，使得维护需求结构性集中于此，无论干预规模多大均无法避免。即使最广泛的组合疏浚方案在台北桥处实现的最高水位降低值仅为0.31米，这反映了受约束都市走廊、固定桥梁几何形状和下游边界条件共同构成的系统性限制。更为反直觉的发现涉及分流性能的权衡关系，不治理分洪道入口的主河道疏浚会产生低于基准的分流流量，原因是主河道加大导致入口附近局部水位下降，削弱了驱动分汊水流的压力水头。该权衡关系表明，连接主河道与分洪道的水力反馈使得孤立的维护行动不仅效率不足，还可能适得其反。研究局限性包括采用单一合成洪水事件、未反映真实台风的多峰不对称特征，经济比较仅基于施工建设成本而未纳入全生命周期维护费用和生态系统服务价值等。研究结论表明，在空间约束排除结构替代方案、单次中等洪水事件就足以重新确立淤积并抑制分流能力的情况下，单纯依靠工程维护来满足固定200年防洪标准已成为日益不可持续的方案。研究证据支持将周期性疏浚与基于自然的解决方案和非结构性措施相结合，并建议重新审视固定重现期标准在空间受限城市河流系统、面临持续演变泥沙与气候条件时是否仍具有操作层面的有效性。该论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。
