生態防洪背景下的河流緩沖帶柔性堤岸斷面設計

肖曉博

(東莞市水利勘測設計院有限公司，廣東 東莞 523115)

1 河流緩沖帶柔性堤岸斷面設計

1.1 計算草本群落特征值

河流緩沖帶附近，一定會存在植被，所以此次設計河流緩沖帶柔性堤岸斷面，考慮該區域內的草本群落特征值，通過分析河流緩沖帶內草本群落特征，重新規定堤岸寬度、斷面層數以及弧度等基本參數。

已知草本群落的特征，是衡量群落結構、堤岸防護效果的關鍵因素之一，計算草本群落生物多樣性指標方法，如式(1)所示：

(1)

式中：F為生物多樣性指數；s為樣本總數；Zi為i個樣本區域中，各種植物的相對重要值，該值的計算如式(2)[1-2]所示：

(2)

式中：Wi為某一植被的重要值；W為所有植被的重要值之和。再計算草本群落的生態優勢度指數，用該指數分析植被種群數量變化時，對河流緩沖帶防護效果的影響，該指標的計算如式(3)所示：

(3)

式中：Y為草本群落的生態優勢度。已知草本群落的物種類型，會直接影響河流緩沖的設計寬度和斷面層數，計算物種豐富度指數的方法，如式(4)[3]所示：

(4)

式中：M為草本群落的物種類型總數量；S為河流緩沖區域周圍草本群落的總占地面積。最后再計算草本群落的均勻度指數，為設計斷面的斷層位置提供事實依據，計算如式(5)[4]所示：

(5)

式中：EF是在公式(1)和公式(2)計算下，得到的彈性值；J為群落均勻度。通過上述公式，計算河流緩沖帶內草本群落特征值，為設計柔性堤岸斷面，提供更加精準的影響參數。

1.2 設計河流緩沖帶位置和寬度

根據上述獲得的草本群落特征，設計河流緩沖帶位置和寬度。通常情況下，緩沖帶位于水域和陸地的邊界處，因此對堤岸斷面具有交叉性的影響效果。而確定河流緩沖帶位置的先決條件，就是發揮緩沖帶對洪水的防護作用。如圖1所示，此次研究以生態防洪背景為研究方向，選擇河流緩沖帶布設位置[5]。

圖1 緩沖帶示意

根據現有的河流緩沖帶周圍的地形可知，緩沖帶的位置，一般利用等高線，布設在與地表徑流方向相互垂直的下坡位，從而實現對水流流速的削減，讓地表上的水流，可以更加平緩地通過緩沖帶，防護周邊的城市與村落安全。按照上述分析設計河流緩沖帶位置后，再設計河流緩沖帶寬度。截止2018年年末，對于緩沖帶的寬度設計，還沒有一個明確的量化標準。現階段的研究認為，河流緩沖帶的寬度與河流等級息息相關，河流越寬，所設計的河流緩沖帶寬度越大，只有這樣才能實現對洪水的防護作用[6]。在充分考慮各地自然環境條件、人文環境條件以及河流緩沖帶設計作用的基礎上，對于設計河流緩沖帶寬度，做出了如下要求：第一，考慮能夠投入建設的資金。第二，明確所建地區土地的物理性質，如土質類型、區域坡度穩定性等。第三，考慮建設區域的水文情況和周邊建筑用地性質。第四，明確河流緩沖帶的作用，要求其防護功能更強還是過濾功能更強。第五，考量城市主管部門的一些其他用地行為[7]。綜合考慮上述五個因素，并結合當地草本群落特征，設計河流緩沖帶寬度。

根據草本群落特征值計算結果，當草本群落覆蓋密度大時，可適當縮減緩沖帶寬度；當草本群落覆蓋密度相對較小時，要增加緩沖帶寬度。而歷史調查顯示河流破壞嚴重的地區，設計的緩沖帶寬度需要大一些，可以對緩沖帶寬度進行適量的增加：首先在地表徑流量較大、沉積物較多、富營養物質較為豐富的污染物集中區域，擴大緩沖帶寬度；其次對于河流兩側相鄰用地面積較大、區域坡度較大的位置，適當增加緩沖帶寬度；再次對人類活動頻繁區域，如城市生活區、工廠區、農田灌溉區域，要適當增加河流緩沖寬度[8]。

1.3 設置堤岸斷面層數和弧度

設計完河流緩沖帶位置和寬度后，構建一個河流緩沖帶堤岸模型，設置堤岸斷面層數和弧度。已知現階段功效最好的堤岸，共由3個斷面組成，分別為外部區域層、中間區域層以及河岸區域層。此次設計以上述的傳統堤岸斷面為基礎，在外部區域和河岸區域內，分別加設一個緩沖區，形成一個5層的堤岸斷面，加強對洪水的控制。根據構建的模型高度，以建設地區的歷史洪水最大峰值為研究依據，計算洪水水波高度，然后根據洪水在峰值階段的水波高度，設置堤岸斷面各個層之間的弧度[9-10]，該值的計算如式(6)[11]所示：

(6)

式中：H1為洪水峰值時，水波的最大高度，m；H2為洪水峰值時，水波的最小高度,m；P為峰值節點；ft為t時刻時，水波在模型中的動態變量。而斷面弧度即坡度，假設模型構建的空間平面g=(x,y)，含有一個等值線簇h(x,y)=μ，設d為等高線。對于模型曲面上的任意一點P，沿P的梯度反方向計算h(x,y)的下降最快值，該值就是堤岸斷面需要設置的坡度。對于函數h(x,y)，P點梯度的計算方法如式(7)所示：

gardh(x,y)=hxi+hyj

(7)

式中：參數i和參數j為單位矢量；hxi和hyi分別為x和y的偏導數。該計算結果的模，就是需要設置的坡度，結果如式(8)[12]所示：

(8)

式中：所得結果θ，即為堤岸斷面坡度的計算結果。利用上述計算過程，確定每一個斷面的布設弧度，以此根據模型基本結構，設計河流緩沖帶柔性堤岸斷面的完整結構。至此在考慮生態防洪背景下，實現對河流緩沖帶柔性堤岸斷面的優化設計。

2 試驗研究2.1 試驗準備

提出對比測試，將兩種傳統設計下的堤岸作為不同的對照組，將此次提出方法設計的堤岸作為試驗組，比較三個測試組的防洪能力及對污染物的過濾效果。選擇一個有較大徑流量的城市D，作為試驗測試基本背景。已知途經D城市的河流，全長約1400 km，流域面積超過了22萬km2。D城市四季分明、溫差較大、年均降水量充足，濕潤系數在0.75～1.00，為典型的溫帶大陸氣候區。該城市植被類型和土壤類型，如表1所示。

根據表1可知，D城市的土壤土質較軟，且植被類型相對豐富。經調查得知，該城市在雨水充沛的季節，曾經出現過特大洪水災害，因此以該城市的基本環境為基礎，選擇一個相對開闊的區域，并將其進行劃分，分別利用三種方法在該區域建立三個柔性堤岸。為了加快研究速度，研究團隊分為三組同時進行設計任務，圖2為三個測試組的堤岸設計結果。

表1 測試環境基本條件 %

圖2 設計的堤岸實拍

根據圖2可知，試驗組設計的堤岸，共設置了5層斷面；對照A組設計的堤岸，共設置了3層斷面；對照B組設計的堤岸，只設置了1層斷面。在三個區域內均架設人工降雨模擬器，模擬降水過程；利用水泵向地表引水，模擬洪水涌入；再利用高壓水槍加強水流速度。

將三個設備均安裝到圖2所示的三個區域中，開閘放水，模擬強降水和洪水效果。

2.2 防護能力測試

為了讓試驗測試效果更加明顯，試驗測試共進行5 h，第4 h過后，逐漸控制各個放水工具的水量，直至第5 h，停止放水，查看各個區域堤岸對水流的防護效果，圖3為三個測試組的防護能力實景拍攝。

圖3 堤岸防護能力實拍

根據圖3可知，試驗組設計的堤岸，在多重斷面的保護下，將水流都集中匯聚在了中心地帶，且沒有大量的污染物流入岸邊；對照A組雖然在一定程度上，控制了流動性強、流域面積廣的水流，但其過濾效果較為一般根據圖3(b)可知，試驗結束后，岸邊出現了大量的污染物與廢棄物，而對照B組相較于前兩個測試組來說，其防護效果最差。根據圖3(c)可知，非緩沖地帶已經被水流淹沒，且對其淹沒區域進行雜物撈取時，又得到了與對照A組類似的雜質，可見對照B組防水效果不理想，同時不具備過濾功能。

2.3 過濾能力測試

根據《水和廢水監測分析法》中的規定，采用定量分析法，分析不同河流緩沖帶柔性堤岸斷面設計，對污染物、廢棄物以及雜質的過濾效果。將綜合污染物去除率作為過濾效果的評價指標，該指標的計算如式(9)所示：

(9)

式中：Pc為放水量為c時，污染物質量濃度去除率，%；N0為入流污染物質量濃度，mg/L；Nm為m個采樣點的污染物質量濃度，mg/L。測試堤岸過濾效果時，共選擇10個采樣點，按照順序進行編號，三個測試組的污染物過濾效果見圖4。

圖4 不同斷面堤岸對污染物的過濾效果

根據圖4可以明顯看出，試驗組的污染物質量濃度去除率，均在90%以上，而兩個對照組的過濾結果，均在75%～85%。計算10個采樣節點的所有數據，結果如表2所示。

表2 污染物過濾效果統計 %

根據表2可知，試驗組的污染物平均去除率為92.86%，對照A組和對照B組的污染物平均去除率分別為81.68%和78.22%。相比之下，試驗組的污染物過濾效果，比對照A組高了11.18%，比對照B組高出了14.64%。

3 結 語

此次在充分考慮生態防洪的背景下，所設計的緩沖帶柔性堤岸，有更好的防護與過濾效果。但根據試驗測試結果可知，雖然此次設計的堤岸，可以過濾大多數污染物，但對于部分淤泥、砂石，還沒有更有效的制約手段，因此在今后的研究中，可以在堤岸兩端添加隔離帶或防護網，加強堤岸對泥沙的過濾，為梅雨季節的防洪任務，提供更安全的保護措施。