1引言
随着社会经济的持续发展，随着长江“黄金水道”建设的不断深入和国家对干线航运投入不断加大，随着航道整治工程的全面加快推进，保护环境，保护生态、保护人文资源等观念渐渐深入人心，国务院印发《交通强国建设纲要》，提出强化交通生态环境保护修复，严守生态保护红线的要求，生态护岸将是我国内河航道建设势不可挡的大趋势，开展生态护岸的研究是十分必要和紧迫的。
某河段作为嘉陵江的重要支流，其流域内河流的水文演变对嘉陵江有着重大影响。数值模拟作为水文分析的常见方法在河道模拟中十分普遍，其中付旭辉等[1]建立河道实物模型研究特拉锚垫对边坡的防护研究、张明进等[2]将数值模拟技术应用于长江中下游航道整治, 取得很好的效果。对某河段段河道某边坡生态防护时，运用mike21进行水文数值模拟在验证的基础上模拟植被对边坡流态的影响以及明确对边坡的影响,为后续类似研究提供方向。
2研究区概括
滩险治理是航道整治的关键性工程, 如图1所示, 河段呈90°急弯, 河岸凹槽长期受水流冲刷作用，形成深坑。凹岸下游为岩石基础不易冲刷，凸岸为泥沙积淤区域，岸坡为冲积细沙堆积而成，岸坡整体稳定。2015年7月受暴雨和洪峰影响导致凸岸岸坡坍塌随后逐年坍塌形成江心洲和河道分汊。河道分汊导致右侧主航道流量减小，流速降低，冲淤平衡被破坏，凹岸主航道深坑出现积淤，对主航槽的稳定十分不利；而且凸岸分汊流速增大加剧了岸坡冲刷，致使坍塌范围增大，下游浅滩积淤严重，河道高程增大，可能出现地上悬河。针对河道左岸崩塌问题, 结合目前冲垮后的河岸线, 采用顺直斜坡式护岸结构阻止左岸持续崩塌。 护岸总长1175ｍ, 分为5段, 从 上 游 至 下 游 长 度 依 次 为 149.8、187.5、272.1、302.3、263.3m。 坡 脚 高 程 为203.0m, 坡顶高程为220.0m, 护岸坡坡为1：3, 护岸后方回填至220.0m。
图1某河段工程河段图
3模型的建立
本模型是基于丹麦水力研究所的mike21水文分析软件对某河段航道整治生态边坡进行水沙数值模拟。
3.1模型的理论依据
Mike21软件拥有FM、HD、ST、MT等模块，不同模块运用解决不同的水力学问题，FM应用于质点、泥、沙的跟踪、ST应用于模拟粒径较大的沙运动，而MT应用于小粒径的泥运动。其中HD模块是mike21的核心，是以浅水方程为理论基础并结合三维不可压缩雷诺平均方程且满足Boussinesq假定和静水压的假定[3]。
3.2定解条件
初始条件：个断面流速为0m/s。
上、下边界：上边界采用实测最大流量；下边界采用实测最大水位。
河岸边界：采用无滑移条件。
3.3结构物的概化及网格划分
基于数值模型，高效合理的概化设施能够提升模型的准确率，结构物节点的划分距离和网格的大小可精确反应构筑物的尺寸，对边坡网格进行加密处理，并且对边坡进行概化有利于数值模拟计算的准确性。如图2所示拟将距离某河段嘴80和60km的边界内的河流定为研究区域，全长20km，其中模型节点数和网格数分别为71258 、140708，靠近边坡的节点划分距离为3m，中心岛屿为2m其他为5m。
图2重庆某河段计算河段网格划分图
4计算分析
4.1模型验证
4.1.1糙率验证
选取断面K75+000和K78+000两断面实测水文资料对研究区域河段糙率进行率定，得到研究河道糙率0.042。
4.1.2水位与流向验证
2019年2月25日、2019年4月21日、2019年5月15日实测流量为534m3/s、839m3/s、947m3/s,实测水位为200.12m、202.65、203.43m。如表1所示，实测研究河段瞬时水位计算值与实测值相差均小于0.1m，满足相对误差基本控制在 5%以内, 满足«内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程» 。
表1重庆某河段典型流量条件下水位验证结果
4.1.3流速分布的验证及流场模拟
图3给出了实测流向与计算流向的对比，如图所示二者流线吻合良好。而图3给出了在854m3/s、203.98m条件下实测流速与计算流速各断面对比图，从图中来看，断面计算流速与实测流速重合率高，相对误差较小满足«内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程» [4]。
4.2生态边坡植被对河道运行的影响
生态边坡相较于传统边坡的优点在于边坡植被能够稳固边坡结构，此外植被能够固存悬浮砂减少河道水土流失。但在河道边坡数值模拟中，对于边坡植被的概化有两种常见方法：将植被概化为刚性圆柱体[5]，通过改变边坡网格点高程实现；边坡植被对水文数值模拟的影响在于影响边坡]糙率系数，通过改变糙率系数来实现对植被的概化[6]。
其中糙率依定曼宁糙率公式和爱因斯坦综合糙率公式按照鲁微[7]的计算方法进行选取，取值为0.044。计算结果如图5所示：
生态边坡的三个断面计算值在远离边坡的右侧，流速相对于普通边坡几乎无变化，但在靠近边坡的左侧河道，计算值普遍小于普通边坡。分析原因是植被改变了边坡的糙率系数增大了阻力从而减小边坡水流的流速，随着流速减小，水流携砂能力下降[8]，悬浮砂开始沉降也会减少对边坡的冲刷。
图5生态边坡计算结果对比图
5结论
上述基于MIKE21模型，对重庆某河段进行二维数值模拟，得出如下结论：
1. mike21软件在复杂河道进行水文数值模拟取得不错精度，在糙率率定为0.042时，在上游断面流量为（854m3）、下游水位为（203.98m），计算结果与实测数据差值小于0.1m，满足精度要求。
2. 边坡植被改变边坡的糙率系数从而减小边坡水流流速，流速减小导致水流携沙能力降低悬浮砂沉降量增强，从而减少了凸岸堆积细沙的流失，减少了对边坡的冲刷。
参考文献
[1] 付旭辉,龚敖,刘志庆等.渗流作用下特拉锚垫对土质岸坡的防护研究[J].水运工程,2022,No.600(09):161-165.
[2] 杨云平,张明进,孙昭华等.基于河段单元尺度长江中游河床形态调整过程及差异性研究[J].应用基础与工程科学学报,2018,26(01):70-84.
[3] 徐存东,任子豪,黄嵩等.基于动态规划理论的MIKE21河网排水方案优化研究[J].环境工程,2023,41(01):79-86.
[4] 王益良, 内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程. 天津市,交通部天津水运工程科学研究所,1998-08-01.
[5] 贾凤聪,王伟杰,张晶等.明渠水流淹没植被阻力系数计算公式研究[J].水电能源科学,2022,40(03):132-135.
[6] 马富强,欧福超.大型调水工程糙率系数影响因素及取值[J].农业工程,2019,9(02):51-54.
[7] 鲁薇.植草河床的糙率系数试验研究[J].中国农村水利水电电,2021,No.462(04):81-84+91.
[8] 周美蓉,夏军强,邓珊珊,刘鑫.低含沙量条件下张瑞瑾挟沙力公式中参数确定及其在荆江的应用[J].水利学报,2021,52(04):409-419.