基于GIS和賦權法的大型橋梁防洪影響評價

張曉沛

(浙江中冶勘測設計有限公司，浙江 杭州 330113)

近些年來，洪澇災害在我國頻繁出現，在帶來巨大經濟財產損失的同時，甚至威脅著人們的生命安全。我國針對防洪評價等相關問題的研究頗多，王鵬全等[1]通過定性加定量的方法，設計一種防洪評價的結構框架，對跨河橋梁施工技術具有一定參考意義；倪晉等[2]針對淮河流域馮鐵營銀河工程，提出一種水動力數學模型，實現防洪效益及影響的客觀評價。本文以白沙溪大橋的防洪影響評價為實例，全面研究大型橋梁施工對河道防洪的影響，望有助于降低跨河橋梁建設對水利工程的不良影響。

1 研究實例概況

位于重慶巫鎮的白沙溪大橋，在樁號ZK53+656.50及YK53+655.85處的橋段跨過白沙溪。白沙溪大橋跨河處跨徑均為220m，其中左幅跨徑為892 m，且右幅跨徑為892 m。在橋梁施工時，于白沙溪河道中布設2排4個橋墩，且左右幅的橋墩位于同一水流方向上。白沙溪大橋的基礎采用樁基礎，預應力混凝土T梁結合預應力混凝土連續箱梁的形式構成橋梁上部結構，柱式墩構成橋梁下部結構。由于白沙溪起點位于沙金安渡槽，終點位于金華江匯水口，全長約為16.685 km，屬于市級河道，所以白沙溪的主要功能就是行洪排澇。在白沙溪大橋跨越河道的橋段位置處，現狀河寬100 m，河底高程為55 m，《金華市婺城區白沙溪河道治理規劃》中指出，白沙溪大橋工程項目所在河段控制最小堤距應≥100 m，所以該現狀河寬滿足規劃要求，河道的北岸堤頂高度大約62.3 m，南岸堤頂高度大約61.8 m，兩岸堤防是一級斜坡式的防洪堤。

2 大型橋梁防洪影響評價指標研究

2.1 計算設計洪水位

本文為方便計算，參考上述獲取的河道斷面數據，然后獲取不同水位下的河道輸水斷面面積以及水力半徑參數，再根據白沙溪大橋的實際情況，選取合適的河道輸水斷面比降參數以及河床糙率系數，通過曼寧公式計算白沙溪不同洪水位的過流能力，進而確定白沙溪大橋的水位流量關系，如式(1)：

(1)

式中：L為白沙溪大橋斷面的河道流量數據，m3/h；c為河床糙率系數；S為河道輸水斷面面積數據，m2；r為河道斷面的水力半徑數據，m；b為河道輸水斷面比降參數，%。其中S、r和b數據需要結合文中上述內容獲取的白沙溪大橋相關數據以及已有研究成果來確定，c則參考天然河床糙率表進行取值。然后根據恒定非均流公式來計算設計洪水位，如式(2)：

(2)

式中：W1、W2為白沙溪上游與下游的輸水斷面水位數據，m；V1、V2分別為白沙溪上游與下游的輸水斷面的輸水效率數據，m；η為河道動能修正系數值；μ為河道水頭損失系數值；g為河流流動時的重力加速度數據，m/s2；D為白沙溪河道斷面之間的距離數據，m。根據此公式獲取到白沙溪上游與下游輸水斷面水位數據，以此逐段獲取設計洪水位，然后將設計洪水位作為本文評價大型橋梁防洪影響的其中一個指標。

2.2 計算河道壅水高度

由于白沙溪大橋跨越白沙溪的主河道，并且河道中布設了2排4個橋墩，當在白沙溪河道進行行洪時，大橋的橋墩會占用白沙溪過水斷面，所以會造成橋梁前的河道壅水高度增加[3-4]，從而影響行洪工作。河道壅水高度的計算屬于較為復雜的水力問題，其中大型橋梁的布置方式、河道的邊界條件等參數均會影響壅水變化。

本文將GIS獲取的有效數據，結合《公路工程水文勘察設計規范》(JTG C30—2015)中提出的公式，計算河道壅水高度，如式(3)：

(3)

式中：ΔH為白沙溪大橋前的壅水高度最大值，m；α為橋墩墩形系數，根據實際情況取值；V3、V4為白沙溪大橋下與河道輸水斷面的流速數據，m/s。當在白沙溪上方建設大型橋梁時，受到橋墩的阻水效應，白沙溪過水斷面的面積會降低，進而形成壅水區，嚴重影響行洪工作。并且河道壅水的高度與白沙溪橋梁的高度存在直接聯系，涉及白沙溪上游和下游跨河建筑物的安全問題，所以本文將河道壅水高度作為評價大型橋梁防洪影響的另一個指標。

2.3 計算洪水沖刷深度

當白沙溪大橋修建完成時，如果白沙溪的流速比河道中泥沙起動流速快，河流會沖刷河床質，如果沖刷力度較大，會導致橋梁結構遭受一定破壞。與此同時，輸沙力與河流沖刷也存在一定聯系，總之，只要白沙溪的水動力環境出現改變，大橋結構就會受到相應的影響。所以需要計算白沙溪大橋工程區域進行洪水沖刷深度，本文將從一般沖刷深度與局部沖刷深度兩個層面進行計算。參考規范JTG C30—2015，其中一般沖刷深度的計算，如式(4)：

(4)

3 基于賦權法確定評價指標權重

關于大型橋梁防洪影響評價指標權重的確定，一般包括主觀賦權法以及客觀賦權法[5]，本文為防止獲取的評價指標權重具有主觀性以及片面性，將這兩種方法結合起來獲取評價指標權重。首先通過主觀賦權法的層次分析獲得評價指標體系的原始權重數據，然后再運用客觀賦權法的熵權法對原始權重數據進行排列組合，最后可以得到比較精準的評價指標組合權重數據。通過賦權法計算評價指標權重時，關鍵在于保持指標權重的均勻性，如式(5)：

(5)

式中：ω為評價指標權重數據；N為評價指標的數量；qi為第i個賦權法的加權參數；(xi)為評價指標組合權重向量。通過此公式將主觀賦權法與客觀賦權法融合在一起，就可以得到大型橋梁防洪影響評價指標的最終權重。

4 構建大型橋梁防洪影響評價模型

根據文中上述內容，構建大型橋梁防洪影響評價模型如式(6)：

(6)

式中：Z(t)為t時刻的大型橋梁防洪影響評價指數；ωm(t)為t時刻第m個評價指標權重數據；Bm(t)為t時刻第m個評價指標的標準化參數。本文為了方便評價，根據防洪影響的嚴重程度，將此式得到的綜合評價指數劃分為三個等級：無影響、影響較小、影響較大，并用[0，10]區間的自然數表示，當指數為10，則表明白沙溪大橋對防洪無影響；影響最嚴重時，指數為0。不同等級的評價指數的分級，直觀地展現了大型橋梁防洪影響評價結果。

5 評價成果

為了獲取本次修建的白沙溪大橋對防洪影響的評價成果，本文利用MIKE21軟件對白沙溪、白沙溪大橋以及洪水進行模擬，構建一個二維數學模型，應用于白沙溪大橋的防洪影響評價中。

本次模擬的二位數學模型計算區域網格為長方形網格，并且在白沙溪大橋的橋墩位置處對網格進行了局部加密。那么通過二維數學模型模擬50 a一遇洪水來臨的情況，獲取白沙溪大橋防洪評價成果如表1所示。

表1 白沙溪大橋防洪評價成果

由表1可知，白沙溪大橋修建后的河段流速與修建前相比變化較小，雖然會使白沙溪河道產生輕微淤泥，但影響范圍較小，橋梁不會加劇洪水對白沙溪兩岸堤防的沖刷，所以白沙溪大橋的施工對白沙溪河勢穩定影響較小。通過壅水高度數據可知，橋梁施工會對白沙溪泄洪產生一定影響，但本次施工，退水管道埋在白沙溪河槽出口處，且深度較小，由于此次施工在非汛期進行的，橋梁修建結束后可以恢復白沙溪河道原貌，不會占據行洪斷面，所以白沙溪大橋的施工對行洪產生影響較小。總體來說，根據二位數學模型獲取的數據，計算綜合評價指數為8.65，屬于影響較小級別，說明本次白沙溪大橋的施工，對白沙溪防洪基本無影響，只需將施工時間控制在白沙溪的非汛期即可，并且加強施工現場的管理，避免破壞河道周圍生態環境。

6 結 語

(1)大型跨河橋梁的建設工程務必在保證防洪安全基礎上進行，本文在白沙溪大橋的防洪影響評價方法中結合了GIS與賦權法，通過防洪影響指標建立的評價模型，不僅可以獲取直觀的評價成果，而且所需成本較低。

(2)白沙溪大橋修建后的河段流速與修建前相比變化較小，且橋梁不會加劇洪水對白沙溪兩岸堤防的沖刷。此次施工在非汛期進行，橋梁修建結束后可以恢復白沙溪河道原貌，不會占據行洪斷面，所以白沙溪大橋的施工對行洪產生影響較小。根據二位數學模型獲取的數據，計算綜合評價指數為8.65，屬于影響較小級別，說明本次白沙溪大橋的施工，對白沙溪防洪基本無影響。

(3)但由于不同施工環境中的評價指標權重存在一定差異，所以本文今后的研究重點就是設計更具有適用性的評價模型，為大型橋梁修建工程提供一定理論依據。