01 背景介紹

盧瓦爾河是法國最長的河流，發(fā)源于塞文山脈，流程1,020公里（630英里），先向北、西北，后向西注入比斯開灣，兩岸有聞名世界的盧瓦爾河谷城堡群。法國萊蓬德塞和南特之間河道的修復(fù)是一項(xiàng)巨大的工程，主要涉及到防波堤和其他人造結(jié)構(gòu)的重建。

修復(fù)工作的主要目標(biāo)是提高河流低流量處的水位，并重新平衡一級河道和二級河道之間的排放。為了優(yōu)化修復(fù)工程中的具體操作，需要建立并校準(zhǔn)水力學(xué)模型、沉積物輸運(yùn)模型以及河床演變模型。

本文將介紹基于水動(dòng)力學(xué)仿真的模型建立、標(biāo)度過程，并展示該模型如何用于優(yōu)化河床結(jié)構(gòu)。

02 模型介紹

ARTELIA Eau & Environnement公司建立并標(biāo)度了一個(gè)網(wǎng)格精細(xì)的水力與沉積模型，河道中的網(wǎng)格長度約等于10米（網(wǎng)格局部特寫如下圖所示），該模型覆蓋了盧瓦爾河18公里長的流域。其中，水力學(xué)模型的計(jì)算使用的是三維水力學(xué)模塊TELEMAC-3D模塊，沉積物運(yùn)輸以及河床演變的計(jì)算使用的是內(nèi)部耦合了動(dòng)力地貌學(xué)模塊SISYPHE的TELEMAC-3D模塊。

水力學(xué)與動(dòng)力地貌學(xué)耦合標(biāo)度：

A.水力標(biāo)度

水力標(biāo)度主要基于低、中和高流量區(qū)域的水面輪廓，給不同的區(qū)域（裂縫結(jié)構(gòu)、一級河道中的沙床和寬闊的二級河道、狹窄的二級河道、洪泛區(qū)）分配不同的摩擦系數(shù)。除了一級河道中的沙床外，我們認(rèn)為粗糙系數(shù)在所有區(qū)域都是恒定的。基本假設(shè)是沙丘的形成（其大小隨著水位增加而增加）是沙床中產(chǎn)生摩擦力的主要原因。

盡管可以對不同的排放量下的水位值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，但由于以下三個(gè)原因，摩擦系數(shù)依然很難標(biāo)度：

1. 即使整體的平均摩擦力可以確定，由于缺乏可信的速度剖面測量，防波堤和沙床之間的相對摩擦依然難以確定。

2. 存在一些河床粗糙度預(yù)測器，可以將局部沉積變量和水力變量與粗糙度聯(lián)系起來，理論上可以提供物理性更強(qiáng)的摩擦系數(shù)的時(shí)空演化。但這些預(yù)測器并未在本研究中進(jìn)行測試。

3. 低排放量處的水位計(jì)算高度依賴于水深測量，水位的實(shí)際觀測值與可得到的測深學(xué)數(shù)據(jù)不相符導(dǎo)致計(jì)算水位和觀測水位之間存在較大差異。水力與地形動(dòng)力耦合標(biāo)度可以有效克服這一困難。

B.地形動(dòng)力學(xué)標(biāo)度

SISYPHE中使用的運(yùn)輸模型中粒子尺寸只考慮單一的數(shù)量級（1毫米的砂礫），其輸運(yùn)運(yùn)算公式是基于Meyer-Peter和Müller公式[1]改編而來的。為了縮短計(jì)算持續(xù)時(shí)間，我們使用SISYPHE的關(guān)鍵詞“MORPHOLOGICAL FACTOR”（形態(tài)因子）。該因子常用于地形動(dòng)力學(xué)形態(tài)演變，用來“壓縮”水文圖。我們在校準(zhǔn)期間測試了多種形態(tài)因子（最多200個(gè)），并將結(jié)果與沒有時(shí)間加速度的參考算例（形態(tài)因子為1）進(jìn)行了比較。在2013-2017期間對模型進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果如下圖所示。

03 修復(fù)操作

盧瓦爾河的修復(fù)作業(yè)主要包括縮短和降低河床中現(xiàn)有的側(cè)向防波堤。目前盧瓦爾河在低處的流動(dòng)是被阻塞的，我們提出的恢復(fù)操作是降低或打開二級河道入口和出口處的防波堤。

使用不同的恢復(fù)操作的模型進(jìn)行河道長期演化（50年）的模擬計(jì)算。通過與參考狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來測試這些恢復(fù)操作的效率，主要比較：

• 河床的演變（主要河道和次要分支的侵蝕或沉積）

• 低排放、中等排放和泄洪排放時(shí)的水力學(xué)參數(shù)（水位，淹沒區(qū)域，二級河道中的排放量）在河流的干流中，形態(tài)計(jì)算被加入到較高的河床處，計(jì)算得出低流量處水位顯著升高。

河道演化趨勢的計(jì)算高度依賴于二級支流，二級支流周圍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要被用在Neuve-Macrière二級支流的入口和出口處。因此，限制該支流中的沉積物進(jìn)一步堆積以及增強(qiáng)其與干流之間的連通性是河流恢復(fù)的主要目標(biāo)之一。計(jì)算結(jié)果表明，我們應(yīng)該在入口上游保持防波堤以限制該支流中的沉積物進(jìn)入，同時(shí)拆除入口處的防波堤以改善低處水域的連通性。

04 結(jié)語

目前，用非常精細(xì)的網(wǎng)格計(jì)算河流形態(tài)的長期演變在工程中并不常見。本文通過使用水動(dòng)力學(xué)仿真對盧瓦爾河的長期演化進(jìn)行了模擬，并提出了更加優(yōu)化的河床結(jié)構(gòu)。而關(guān)于水動(dòng)力學(xué)仿真本身，我們也看到該軟件的多種計(jì)算方法選擇性和其不斷發(fā)展，適應(yīng)工業(yè)需求，適應(yīng)計(jì)算工具的新數(shù)值特性。

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