01 背景介绍

卢瓦尔河是法国最长的河流，发源于塞文山脉，流程1,020公里（630英里），先向北、西北，后向西注入比斯开湾，两岸有闻名世界的卢瓦尔河谷城堡群。法国莱蓬德塞和南特之间河道的修复是一项巨大的工程，主要涉及到防波堤和其他人造结构的重建。

修复工作的主要目标是提高河流低流量处的水位，并重新平衡一级河道和二级河道之间的排放。为了优化修复工程中的具体操作，需要建立并校准水力学模型、沉积物输运模型以及河床演变模型。

本文将介绍基于水动力学仿真的模型建立、标度过程，并展示该模型如何用于优化河床结构。

02 模型介绍

ARTELIA Eau & Environnement公司建立并标度了一个网格精细的水力与沉积模型，河道中的网格长度约等于10米（网格局部特写如下图所示），该模型覆盖了卢瓦尔河18公里长的流域。其中，水力学模型的计算使用的是三维水力学模块TELEMAC-3D模块，沉积物运输以及河床演变的计算使用的是内部耦合了动力地貌学模块SISYPHE的TELEMAC-3D模块。

水力学与动力地貌学耦合标度：

A.水力标度

水力标度主要基于低、中和高流量区域的水面轮廓，给不同的区域（裂缝结构、一级河道中的沙床和宽阔的二级河道、狭窄的二级河道、洪泛区）分配不同的摩擦系数。除了一级河道中的沙床外，我们认为粗糙系数在所有区域都是恒定的。基本假设是沙丘的形成（其大小随着水位增加而增加）是沙床中产生摩擦力的主要原因。

尽管可以对不同的排放量下的水位值进行统计调查，但由于以下三个原因，摩擦系数依然很难标度：

1. 即使整体的平均摩擦力可以确定，由于缺乏可信的速度剖面测量，防波堤和沙床之间的相对摩擦依然难以确定。

2. 存在一些河床粗糙度预测器，可以将局部沉积变量和水力变量与粗糙度联系起来，理论上可以提供物理性更强的摩擦系数的时空演化。但这些预测器并未在本研究中进行测试。

3. 低排放量处的水位计算高度依赖于水深测量，水位的实际观测值与可得到的测深学数据不相符导致计算水位和观测水位之间存在较大差异。水力与地形动力耦合标度可以有效克服这一困难。

B.地形动力学标度

SISYPHE中使用的运输模型中粒子尺寸只考虑单一的数量级（1毫米的砂砾），其输运运算公式是基于Meyer-Peter和Müller公式[1]改编而来的。为了缩短计算持续时间，我们使用SISYPHE的关键词“MORPHOLOGICAL FACTOR”（形态因子）。该因子常用于地形动力学形态演变，用来“压缩”水文图。我们在校准期间测试了多种形态因子（最多200个），并将结果与没有时间加速度的参考算例（形态因子为1）进行了比较。在2013-2017期间对模型进行验证，其结果如下图所示。

03 修复操作

卢瓦尔河的修复作业主要包括缩短和降低河床中现有的侧向防波堤。目前卢瓦尔河在低处的流动是被阻塞的，我们提出的恢复操作是降低或打开二级河道入口和出口处的防波堤。

使用不同的恢复操作的模型进行河道长期演化（50年）的模拟计算。通过与参考状态的数据进行比较来测试这些恢复操作的效率，主要比较：

• 河床的演变（主要河道和次要分支的侵蚀或沉积）

• 低排放、中等排放和泄洪排放时的水力学参数（水位，淹没区域，二级河道中的排放量）在河流的干流中，形态计算被加入到较高的河床处，计算得出低流量处水位显著升高。

河道演化趋势的计算高度依赖于二级支流，二级支流周围结构的优化主要被用在Neuve-Macrière二级支流的入口和出口处。因此，限制该支流中的沉积物进一步堆积以及增强其与干流之间的连通性是河流恢复的主要目标之一。计算结果表明，我们应该在入口上游保持防波堤以限制该支流中的沉积物进入，同时拆除入口处的防波堤以改善低处水域的连通性。

04 结语

目前，用非常精细的网格计算河流形态的长期演变在工程中并不常见。本文通过使用水动力学仿真对卢瓦尔河的长期演化进行了模拟，并提出了更加优化的河床结构。而关于水动力学仿真本身，我们也看到该软件的多种计算方法选择性和其不断发展，适应工业需求，适应计算工具的新数值特性。

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