保护阿尔卑斯莱茵河谷免受洪水侵袭

作者：Renata Barradas Gutiérrez

莱茵河是欧洲主要河流之一，发源于瑞士格里森州的阿尔卑斯山。阿尔卑斯山脉的莱茵河谷沿着莱茵河延伸90多公里，从其发源地瑞士经列支敦士登到达奥地利。这个山谷有着11世纪以来毁灭性洪水事件的历史。如今，约30万人生活在莱茵河谷下游，许多公司，包括徕卡地球系统公司，在这一地区蓬勃发展。由于莱茵河流域人口密集，经济活动频繁，重大洪水事件造成的潜在损失估计为100亿欧元。

为了保护山谷中的人口、定居点和经济活动，需要给阿尔卑斯莱茵河更多的洪水径流和蓄水空间。因此，防洪工程“莱茵河-二胡龙和西赫海特”（“莱茵河-休闲和安全”）或简称莱西-寻求将阿尔卑斯莱茵河的流量从3100 m³/s增加至至少4300 m³/s，在支流伊尔河交汇处65 km和91 km之间的国际延伸段，阿尔卑斯莱茵河在此处排入康斯坦斯湖。由奥地利和瑞士平等出资的项目成本目前估计为10亿欧元。

“为了达到要求的防洪水平，需要改变阿尔卑斯莱茵河的河道几何结构，以加强项目周边的防洪。在莱西项目中，选择了一种非常现代的方法：而不是提高河流堤坝，以考虑4300 m的高流量^3./s、 通过将河流宽度从目前的60–70 m增加到未来的几百m，将创建所需的流量断面。由于在过去150年中采取了各种河流修复措施，河道目前具有非常技术性的形状，通过这种方式将恢复接近自然状态，其条件与人类干预前的河流系统状态相似。”瑞士苏黎世联邦理工学院水力学、水文学和冰川学实验室（VAW）的环境工程师Florian Hinkelammert Zens解释道。

为了评估预计措施的效果，并检查Rhesi项目的水力计算和假设，苏黎世ETH的VAW已代表国际莱茵河法规（IRR）机构委托进行混合模型试验。这些研究包括两个主要部分：1）物理水力模型试验和2）伴随的数值模拟。

“在广泛的水力模型中，以1:50的比例连续复制两个关键项目段。对于每个段，复制的水流长度约为5km（模型比例尺约为110m），河道宽度范围为250m至350m（模型比例尺约为8m）。”辛克拉默特泽斯说. “同时，建立了该项目的数值计算机模型，以提供和评估水力模型的边界条件，验证结果并进行敏感性分析。”

因此，这两个水力学模型是有史以来建造的最大的高山河流模型之一，平均尺寸为110 x 9 m。两者都位于奥地利多恩比恩的一座旧厂房内，苏黎世ETH在此设计了一条排水量为400 l/s的水路。该系统由一个高位水箱、入口和出口水池、地下室的回水管线和一个深水箱组成，从中将水抽回高位水箱（最大400 l/s）。

洪水模拟的三维地形建模

“在洪水期间，由于高流量和流速，河床会发生重大变化。因此，泥沙可能会沉积在多个位置，导致水位上升，或者可能被侵蚀，例如桥墩周围或河岸。这两种情况都可能是危险的，并对防洪产生负面影响。”Hinkelammert Zens说：“为了复制这些形态变化，水力模型配备了可移动的河床。”。

为了观察不同输沙量和各种情景的影响，进行了大量不同参数（如水流量和输沙量）的科学实验。通过激光扫描仪，在每次实验前后测量模型的形貌。获取的数据然后用于创建地形模型，作为确定河床中发生沉积和侵蚀的区域的基础。

从数据捕获到可操作的数据

右：阿尔卑斯莱茵河一段的三维地形模型（从流向看）/左：实验结束后，水力模型中的活动河床

为了获取每次实验前后的地形数据，苏黎世ETH的研究团队依靠徕卡扫描站P20、徕卡地理系统目标和徕卡TS02全站仪用15个参考点对激光扫描进行地理参考。扫描站P20安装在移动三脚架上，部署在四个扫描位置以捕获整个模型。扫描高度约为2.7 m，以尽量减少视角过陡时的阴影影响，并避免死角，在距离设备10 m的径向距离处分辨率为3 x 3 mm，可获得噪音极低的高质量数据。

每次实验后，数据被导入到徕卡旋风3D点云处理软件，用于注册数据和合并点云。在这一点上，面积为4000米^2.用大约2.5亿个点表示。然后使用多边形“修剪”点云，以切断模型边界以外的数据点。然后将剩余的数据点转换为网格单元，网格单元大小在现实生活中表示为50 cm x 50 cm。最后，地形数据转换为瑞士N国际坐标系。

右图：评估激光扫描后，在水力模型中观察到的河床变化的可视化（红色：曲线外侧的侵蚀，蓝色：曲线内侧的沉积，从流向观察）/左图：实验大厅中的激光扫描（从流向观察）

“3D点云用于创建网格数据集，其中约有1500万个网格单元，分辨率为0.5 x 0.5 m，每个网格单元代表实验过程中的一个不同时间点。这些数据随后在地理信息系统中进一步处理，以创建表面视图以及纵向和横向剖面这使我们能够相互比较实验的不同时间点。”辛克拉默特泽斯解释道.

参考网格数据集可在GIS应用程序中用于各种评估，包括：

• 表面视图：从实验结束时的网格值中减去实验开始时的网格值。就这样,ETH团队创建模型河床高度的相对差异可见的视图。

• 横向轮廓：团队在特定位置创建横向轮廓，提取栅格值以创建横向轮廓。使用测试前后的扫描，专家们可以可视化观察到的变化，并将其与项目目标进行比较。

• 纵剖面：提取的横剖面为纵剖面的平均值。通过比较实验前后的平均河床高程，并通过观察自然变化，专家团队可以验证水力模型。

中期成果和未来步骤

苏黎世ETH VAW的调查已经为Rhesi项目的进一步发展提供了重要投入。首先，通过复制过去的洪水事件对模型进行校准。在此过程中，将在水力模型中获得的水位和河床地形与在这些事件中获取的全尺寸数据进行比较。成功完成这一步骤后，根据Rhesi中预测的河流未来形状，对水力模型进行了调整。此后，模拟了各种长期情景和高洪水事件，以调查Rhesi项目对河流形态和水位的影响。

由于调查仍在进行中，只能引用中间结果。到目前为止，结果表明，Rhesi项目的假设和预测是正确的，是更详细地阐述未来项目阶段的坚实基础。混合模型试验将持续到2022年夏季，探索以下技术问题的答案：

• 砾石堤岸将位于何处？
• 凹陷和冲刷将发生在哪里，其最大深度是多少？
• 河岸必须保护多深以防侵蚀和冲刷？
• 如何确保桥墩不受侵蚀和冲刷？
• 洪水期间桥梁上的浮木数量是多少？对水位有什么影响？

这些科学实验的结果得到了徕卡地球系统公司现实捕捉技术的支持，是确保可持续河流规划和确保莱西防洪项目在技术和经济上可行的亚博ag真人规律基础。这种综合洪水风险管理方法将显著降低洪水风险，提高国际范围内阿尔卑斯莱茵河的生态和休闲价值。