【正文】 ra, . (2000), “Onedimensional channel network model CCHE1D manual,” Technical Report No. NCCHETR20001, National Center for Computational Hydroscience and Engineering, The University of Mississippi. Yalin, . (1972). Mechanics of Sediment Transport. Pergamon Press.附錄二：外文翻譯CCHE1D渠道網(wǎng)絡(luò)模型的靈敏度分析摘 要： CCHE1D模型是用于模擬長期流和河道的泥沙輸移，DEC項目就是憑借這個模型。考慮到隊列液壓結(jié)構(gòu)的影響，比如涵洞、堤岸、滴結(jié)構(gòu),和橋道口。它使用動態(tài)波或擴(kuò)散波模型計算有復(fù)合截面河道上的非穩(wěn)態(tài)流,它使用一種非平衡的方法模擬非均勻泥沙運(yùn)輸和計算岸堤侵蝕和河道叉口引起的淤積問題。CCHE1D模型可以減小流量和泥沙輸移的計算量但同時增大非均勻泥沙輸移、河床演變和河床質(zhì)分類來提高模型的數(shù)值穩(wěn)定性。本文，無論是在實驗室或者自然情況下研究河道沖刷和淤積的情況下都應(yīng)該考慮CCHE1D敏感性的參數(shù)：如泥沙運(yùn)輸?shù)姆蔷膺m應(yīng)長度、混合層厚度。在河漕刷深的情況下，這個模擬沖刷過程對非均衡適應(yīng)長度的變化不敏感，但是混合層的厚度的選定對計算均衡沖刷深度和粗化層上的床沙粒徑分布很重要。在河槽淤積情況下模擬河床剖面圖和在自然河道計算產(chǎn)沙量都對非均衡適應(yīng)長度、混合層厚度的指定不敏感。即使這兩個參數(shù)有一個很大的參考范圍，但是這個CCHE1D模型也可以提供可靠地結(jié)果。簡 介：CCHE1D模型是用于模擬長期流和河道的泥沙輸移,支持演示侵蝕控制(DEC)項目。這個項目是美國陸軍工程兵團(tuán)、自然資源保護(hù)局和農(nóng)業(yè)研究局跨部門合作完成的。經(jīng)實施動態(tài)波模型和非平衡輸沙模型，它有了明顯的改善。CCHE1D整合了景觀分析工具黃玉、流域模型AGNPS和斯瓦特,通過一個基于gis的圖形用戶界面的ArcView。這個模型曾在各種實驗和現(xiàn)場情況下被成功測試。由于許多參數(shù)必須有經(jīng)驗規(guī)定，所以知道它在這些不確定的參數(shù)下有什么結(jié)果是很重要的。本文，無論是在實驗室河槽還是在自然河道研究沉積和降解，CCHE1D敏感度的模型參數(shù)比如非平衡泥沙的適應(yīng)長度和混合層厚度都應(yīng)該分析。CCHE1D通道網(wǎng)絡(luò)模型的介紹：水力模型：這個CCHE1D流模型使用擴(kuò)散波模型或動態(tài)波模型模擬在渠道網(wǎng)絡(luò)　　與復(fù)合截面的非定常流。動態(tài)波模型解決了完整的圣維南方程。用Preissmann的隱式、四點(diǎn)、有限差分格式離散化方程組。使用雙掃描算法確定并解決了離散控制方程的線性化迭代方案。在CCHE1D模型失蹤考慮水工建筑物的影響如涵洞、測量槽、橋交叉口和滴結(jié)構(gòu)。得到水工建筑物的水位流量關(guān)系后,水工建筑物成為數(shù)值算法的一個固有部分。泥沙輸移模型：這個CCHE1D模型使用一個非平衡的方法計算河流的非均勻泥沙輸移，總負(fù)載不均勻，運(yùn)輸不均衡的控制方程是： ?ACtk ?t+?Qtk?x+1Ls(QtkQt*k)=qlk （1）其中：A是流域面積；Ctk是泥沙大小等級為k的平均深度處總負(fù)載泥沙濃度；Qtk是真實總荷載下的輸移比率；Qt*k是總荷載下的輸移能力；Ls是非均衡輸移沙的適應(yīng)長度；qlk是每單位河道長度的岸堤或支流排放的沉淀物,還有來自CCHE1D模擬的岸堤侵蝕和岸堤沉積,來自被斯瓦特或AGNPS模擬的陸地侵蝕。沉淀物的輸移能力可以用一個一般式描述：Qt*k=pbkQ*tk （2）其中：pbk是河床的材料等級；Q*tk是用SEDTRA模塊 (Garbrechtetal。,1995年),王武、賈慶林的公式(2000),修改后的Ackers和懷特的1973公(Proffitt和薩瑟蘭,1983),或修改1967年Engelund和漢森的公式(王武、賈慶林的校正因子,2000)決定的潛在輸沙率。由于泥沙大小等級為k引起的床變形由下面這個公式確定：（1 p＇）?Abk?t=1Ls(QtkQt*k) （3）其中：p′是河床材料孔隙度，它是用Komura和Simmons（1967）的方法計算出來的或者是被使用者根據(jù)可利用的實測數(shù)據(jù)指定的。?Abk?t是河床泥沙大小等級為k的變形速率。河床材料被分為很多層。在混合層的河床材料漸變種類pbk是由下面公式?jīng)Q定的：?（AmPbk）?t=?Abk?t+p*bk（?Am?t?Ab?t） （4）其中：Am是混合層的截面積；?Ab?t是總的床變形率，定義為K=1N?Abk?t；N是泥沙大小等級的總數(shù)；當(dāng) 時，P*bk是混合層的Pbk，當(dāng)時，P*bk是地表下層（混合層之下）大小級為kth的泥沙百分比。Eq(1)是使用Preissmann隱格式離散,源項被相同配方離散，這樣右邊術(shù)語的Eq(3)滿足泥沙連續(xù)性。Eq(4)是由一個差分格式離散,為了滿足大眾保護(hù)。計算泥沙輸移、河床演變和河床材料分類的一個耦合的方法被隱式地建立，對待Eq(2)中的pbk像Pbkn+1，通過使用由吳和李(1992)提出的直接法同時解決了套代數(shù)方程相應(yīng)的方程式(1)(4)。相比解耦方法其中Eq（2）顯式地處理，這種耦合方法是更穩(wěn)定和更容易消除出現(xiàn)的計算負(fù)床材料等級。然而,上述輸沙、河床演變、河床材料分選的耦合過程計算仍然從流計算解耦。模型參數(shù)的分析：河流的水流、泥沙數(shù)值模式中的參數(shù)可分為兩組：數(shù)值參數(shù)和物理參數(shù)。數(shù)值參數(shù)由離散和求解過程產(chǎn)生，而物理參數(shù)表示流動和沉積物的物理性質(zhì)，或從水流、泥沙模型產(chǎn)生的數(shù)量。在CCHE1D的河道網(wǎng)絡(luò)模型中，數(shù)值參數(shù)包括計算時間步長和網(wǎng)格的長度，物理參數(shù)是曼寧粗糙度系數(shù)，泥沙運(yùn)移的非平衡適應(yīng)長度，混合層床料厚度，孔隙率等。通常，相比于物理參數(shù)，數(shù)值參數(shù)可以更容易地處理。一些物理參數(shù)，如曼寧粗糙度系數(shù)和床料的孔隙率，已被許多研究人員研究并可以通過測量確定。然而，非平衡適應(yīng)長度和混合層厚度是不太明確，必須靠經(jīng)驗規(guī)定。因此，本文主要關(guān)注的是分析這兩個物理參數(shù)對模擬結(jié)果的影響。非平衡適應(yīng)的特征距離長度Ls泥沙調(diào)節(jié)從非平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)。吳荻和文凱（2000）、吳維埃拉（2000）詳細(xì)審查了這些經(jīng)驗并用半經(jīng)驗方法確定發(fā)表在文獻(xiàn)上的LS，如貝爾和薩瑟蘭的（1981），armanini和迪西爾維奧（1988）等。它發(fā)現(xiàn)這些方法證明LS顯著不同的估計。在CCHE1D，洗沙適應(yīng)長度設(shè)置為無限大的，因為沖瀉質(zhì)和河床之間的交換常可以忽略不計。懸沙輸移的適應(yīng)長度可以用Ls=uh/αωs計算，其中u為這一部分的平均速度，h為水深，ωs泥沙顆粒的沉降速度，α是根據(jù)armanini和西爾維奧的計算方法（1998）確定或被用戶指定的一個恒定值，它是適應(yīng)系數(shù)。床負(fù)載運(yùn)輸適應(yīng)長度建議設(shè)置為主導(dǎo)的床形式的長度，沙丘的長度（van Rijn，1984），通道中交替沙壩的長度（亞林，1972）。在這里，B為平均河道寬度?；旌蠈雍穸仁谴擦霞壟錅y定中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它影響整個模擬。然而，在文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)此參數(shù)的評價方法帶有高度的經(jīng)驗性。實際上，它和床面形態(tài)的運(yùn)動相關(guān)。因此，在CCHE1D中，混合層厚度設(shè)定為半沙丘的高度，它是用vanRijin（1984）的公式計算的。實例研究：實例一：河槽刷深。在研究（吳，維埃拉和王，2000）之前，由蘆田和michiue進(jìn)行（1971）的床降解實驗和粗化過程過去常常被用來測驗CCHE1D模型，它是在這里進(jìn)行的敏感性分析模型。在實驗6，179。/s。在這種敏感性分析，只有一個參數(shù)的值是在一個時間改變，而所有其他參數(shù)保持 與以前的試驗相同。為了檢驗Ls的影響，多種功能，如LS = ，LS = t和LS = 1 + ，已被使用。在這里，t為幾個小時的時間。圖1顯示來自堰尾水槽的上游深度為7m、10m、13m處測量和計算河床沖刷的比較。Ls=，特別是到達(dá)平衡狀態(tài)的時間。結(jié)果從LS = T和LS = 1 + 。它表明計算沖刷深度對LS是不敏感的。同時還發(fā)現(xiàn)，計算平衡床料級配的粗化層對Ls也是不敏感的。 圖一 此外，混合層厚度在計算沖刷深度和河床材料級配的影響是通過改變中間混合層厚度價值為母混合層的兩倍檢測的。圖2顯示了較厚的混合層，更大的平衡沖刷深度。達(dá)到平衡沖刷深度和平衡床沙級配的時間隨混合層厚度的增加而增加?；旌蠈拥暮穸仍跊_刷的情況是非常重要的。 圖二案例二：渠道淤積。渠道淤積實驗在安東尼瀑布水利實驗室（safhl；見封口，1995）（吳、維埃拉和王，2000）.在這里，實驗2是用來進(jìn)行敏感性的研究。在水槽實驗達(dá)到45米長、。擋板被保持在一個恒定的高度，以致足夠高可以在主要礫石的下游端產(chǎn)生波狀水躍。儲在水槽入口的沉積物包括一個廣泛的弱雙峰混合物尺寸，從0。125mm到64mm，這主要是因為床負(fù)載運(yùn)輸。由于沉積物超載，加積楔。其前逐漸向下游移動，而上游高程持續(xù)上升。在運(yùn)行2，179。/s,。、2m、。在這里，H為從鍥入口的礫石前的平均流量深度。如圖三所示，Ls對礫石沉積前的定位、高度、敏捷有點(diǎn)影響。它似乎不影響楔形斜面。LS唯一值得注意的明顯影響就是對沉淀物前斜坡的影響。適應(yīng)長度越長，沉淀物前斜坡越緩。然而這發(fā)生在一個有限的距離，Ls的影響在計算河床演變是有限的。 圖三圖四顯示的是當(dāng)混合層厚度設(shè)定為D50，?時計算的床資料。計算出的床資料之間的差異非常小。當(dāng)混合層厚度增加六倍，%。混合層的厚度對沉積的影響比以前的沖刷情況低的多。圖四案例三：古德溫溪集水區(qū)：古德溫溪帕諾拉縣，密西西比州，是一個為DEC工程的實驗流域。流域內(nèi)大部分的通道都是短暫的，只有在下游的分水嶺發(fā)生常年流。暴雨引起的徑流迅速的退出分水嶺，返回基流水平的排放在一到三天。如推移質(zhì)，懸移質(zhì)，范圍從泥沙（）到礫石（≤65mm）的沉積物被輸移。十四個完全儀表化引水槽被構(gòu)建在通道中控制河道沖刷和監(jiān)測徑流泥沙。 圖5顯示了用TOPAZ從數(shù)字高程模型提取的古德溫河渠道網(wǎng)絡(luò)。考慮位于Strahler順序兩個或更高的十個流量水槽和四個涵洞。模擬時間是18年，從1978年一月到1995年十二月，共有1192個風(fēng)暴事件。計算使用的時間步長是15分鐘。把SWAT（bingner等人。，1997）得到從陸地領(lǐng)域產(chǎn)生的徑流和泥沙產(chǎn)量用于在渠道網(wǎng)絡(luò)的流程和輸沙模擬的流入條件。通過吳對模型的校準(zhǔn)，維埃拉、王（2000）表明CCHE1D的通道在這個流域產(chǎn)沙演變提供了良好的預(yù)測模型。在這里，該模型進(jìn)行了對非平衡適應(yīng)長度和混合層厚度的靈敏度分析。圖五 首先，α是非平衡適應(yīng)系數(shù)，它是用來計算懸移質(zhì)非均衡適應(yīng)長度，，而其他參數(shù)保持不變。在這里，輸沙能力的計算方法是用吳、王、賈（2000）公式計算的。圖6顯示的是利用各種α計算的淤泥，沙子礫石產(chǎn)量的比較。表1提供了有關(guān)該比較的定量信息。，淤泥的產(chǎn)量提高27%，礫石產(chǎn)量減少9%；砂量先減小后增大的凈增加8%；結(jié)果總輸沙量略下降5%。圖6 基于α計算泥沙的靈敏度分析表1 不同α下流域出口的產(chǎn)沙量沉積物類別計算年均產(chǎn)沙量α=α=α=α=淤泥（m179。/年）8834859582588044沙（m179。/年）2089201120882256砂礫（m179。/年）338389421428總計（m179。/年）11261109951076710728表2說明，在其他參數(shù)保持不變時，流域出口處的泥沙計算采用了許多不同的非平衡適應(yīng)底沙的長度Ls。當(dāng)?shù)咨车拈L度Ls從20m增加至200m，淤泥、%，%%，%。表2 當(dāng)?shù)咨抽L度Ls不同，流域出口的產(chǎn)沙量沉積物類別計算年均產(chǎn)沙量Ls=200mLs=Ls=20m淤泥（m179。/年）888188348769沙（m179。/年）216720891981砂礫（m179。/年）381338303總計（m179。/年）114291126111080表3說明采用不同混合層厚度計算流域出口產(chǎn)沙量。，%，%，%，%。這些結(jié)果可以得到以下結(jié)論：流域出口的產(chǎn)沙量計算與非平衡適應(yīng)長度和混合層厚度相關(guān)性不高。表3 用不同混合層厚度計算流域出口產(chǎn)沙量沉積物類別計算年均產(chǎn)沙量δ=δ=δ=?淤泥（m179。/年）893488408834沙（m179。/年）220721102089砂礫（m179。/年）306360338總計（m179。/年）114471131011261結(jié) 論：因為在沉積物運(yùn)輸模型中幾個參數(shù)必須事先規(guī)定,分析清楚這幾個參量對模型的影響程度就非常重要。在本文研究調(diào)查的敏感性CCHE1D通道網(wǎng)絡(luò)模型中的一些參數(shù)，例如泥沙轉(zhuǎn)移的非均衡適應(yīng)長度和混合層厚度。我們已經(jīng)做了一些數(shù)值試驗驗證這些參量如何影響模型。當(dāng)河槽變深，模擬沖刷過程對非平衡適應(yīng)長度值的變化的敏感度不高，但是混合層厚度的測定對平衡沖刷深度和在鎧裝層的床沙粒徑分布的計算非常重要。在信道沉積的情況下模擬河床和在自然通道網(wǎng)絡(luò)下計算產(chǎn)沙量對泥沙轉(zhuǎn)移的非均衡適應(yīng)長度和混合層厚度的都不敏感。因此模型CCHE1D在這兩個參量給出的范圍較大的情況下也能得到可靠的結(jié)論。這個結(jié)論為使用者在直接將這個模型運(yùn)用于實際項目中的河流和小溪上提供了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn).(1973)一種新的方法和分析泥沙輸移。，土木工程，99（11），20412060頁Armanini，G（1988）?！霸诜瞧胶鈼l件下泥沙混合物的一維模型?！?，26（3）阿諾德，哲學(xué)，艾倫，下午和哈特，G（1993）?！叭娴乇淼叵滤髂Ｐ?。”，142， 4769頁。蘆田（英國）和Michiue，M.（1971）?！按髩蜗掠魏?