長江中下游岸灘穩定性評價指標體系構建及應用

李 強，王 乃 茹，曹 雙，陳 槐，羅 紅 雨，范 紅 霞

(1.長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，江蘇 南京 210011； 2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

長江中下游干流河道為沖積平原河流，河岸邊界在水流長期的沖刷作用下，崩岸現象時有發生。河岸崩退不僅危及河勢穩定，還可能嚴重影響防洪、航運、涉水建筑物安全及岸線保護利用。三峽水庫蓄水運用后，“清水下泄”引起壩下河段沖刷加劇，局部河段崩岸頻率和強度明顯增大[1]，2013年以來長江中下游干流河道累計發生崩岸900多處，岸線長達700 km[2]。在崩岸發生前對岸灘穩定性進行監測分析和綜合評估十分必要。

影響岸灘穩定性的因素眾多，各因素相互作用下崩岸形成的機理也十分復雜[3]。為此，許多學者就岸灘穩定性計算分析、崩岸機理及過程和影響因素方面開展了大量研究[4-7]，但在岸灘穩定性評價方面進行的研究相對較少。隨著數學理論的發展，學者們開始注重對岸灘穩定性進行量化評價，比較常用的評價方法主要有層次分析法[8]、模糊綜合評判法[9]、神經網絡模型方法[10]、專家評分法[11]等，采用的評價指標主要隸屬于地質邊界條件、水動力條件、人類活動等方面。學者們往往從中選取一至兩類因素，借助評價模型對岸灘穩定性進行評價分析。如李鵬岳等[12]選取地形、地層巖性等地質因素指標，構建了基于改進層次分析法與可拓理論相結合的評價模型確定評價指標權重。王延貴等[13]從岸坡形態、土壤特性和水流條件出發，建立了河流岸灘崩塌影響因子的層次結構模型，并基于模糊數學方法構造岸灘穩定綜合評價函數，對洪水期和枯水期岸灘穩定性進行了評價，但未給出河岸穩定性判別的臨界值。王坤[14]綜合考慮水力學、土力學因素對崩岸的共同作用，應用模糊決策理論形成的模糊一致矩陣對長江石首河段崩岸危險程度進行了量化評價，以綜合決策優度值的形式表征了河段崩岸的危險程度。除地質、水動力等自然因素外，俎全磊等[15]進一步考慮了堤防工程、采砂等人為因素的影響，通過對宜都市長江與清江岸坡穩定性進行評價指出，影響土質岸坡穩定性的最重要因素為堤防工程，但該項研究僅停留在定性分析，評價結果精度不高。可以發現，已有成果多停留在各因素相對孤立的狀態，較少考慮并量化各因素之間的相互作用，綜合各影響因素的定量評估成果及實例應用尚不多見。

針對以上情況，在分析長江中下游岸灘穩定性影響因素的基礎上，建立長江中下游岸灘穩定性評價指標體系，并以揚中河段太平洲環島岸線為例，利用層次分析法與該體系進行綜合賦分評價。具體實施步驟為：首先構建岸灘穩定性評價的層次結構模型，并建立判斷矩陣推求各指標的影響權重；進而給出指標的分級閾值與賦分標準；依據實測資料計算岸灘穩定性綜合得分與分級，從而實現對環島不同河段岸灘穩定性的定量評價。該方法可以幫助崩岸管理部門更全面、準確地掌握岸灘穩定性真實狀況，為崩岸預警提供有效的定量分析工具。

1 長江中下游岸灘穩定性評價指標體系

影響長江中下游岸灘穩定，導致崩岸的因素主要分為自然因素和人為因素兩大類，其中自然因素主要包括河岸邊界條件、河流水動力條件、河勢條件3方面；人為因素主要指河道整治工程、采砂、植被破壞等人類活動。許多學者認為，沖刷是造成崩岸的主要外因，其他因素都是通過改變河岸邊界條件和水流動力條件間接影響岸灘穩定性[16-17]。

1.1 岸灘穩定性影響因素分析

1.1.1河岸邊界條件

河岸邊界條件是崩岸形成的主要內在因素，包括邊界地質與地形因素。岸坡土體結構決定著崩岸的發生、速率和分布，岸坡形態通過影響岸坡土體受力狀態進而影響崩岸的發生[18]。長江中下游多處崩岸段岸坡具有二元土體結構[4]，上層以河漫灘相的粉粒居多，下層為河床相的細中砂，厚度可達50～60 m，抗沖性差，坡腳易受水流沖刷形成陡岸高坡。崩岸段往往為高大陡坡，如長江中游荊江段黃水套[18]、長江下游揚中段二墩港等處的岸坡坡比在1∶1.5～1∶2.0之間，坡高在10～20 m之間[19]，由粒徑0.2 mm左右細砂組成的岸坡極限穩定坡比僅為1∶1.8左右，上述岸坡極易失穩形成崩岸。

1.1.2河流動力條件

河流動力條件是影響岸灘穩定性最重要的外因，主要包括近岸水動力條件、河道水位變化和副流作用[18]。深泓貼岸處近岸單寬流量大，易造成局部沖刷，當近岸流速超過坡腳土體泥沙臨界抗沖流速，則可能出現侵蝕，導致局部深槽鍥入、岸坡水下坡度變陡，坡比和坡高超過穩定極限值后岸坡崩塌[16]。河道水位變化會通過滲流過程引起岸坡土體內部水位變化，導致岸坡土體力學特性改變，從而影響岸坡穩定性[20]。河道縱向水流形成的貼岸頂沖、環流、回流等副流作用使近岸水流切應力增大，導致對坡腳淘刷作用增強，降低了岸坡穩定性。

1.1.3河勢條件

河勢條件包括河勢形態與河勢演變特性，前者代表河段所處的宏觀河勢環境，后者可用來判斷影響岸灘穩定性的外在環境是否轉好、轉壞或保持相對平衡。河勢形態決定了岸坡沖淤的性質，一般順直或微彎的單一或雙分汊岸線比較穩定，而河流彎道凹岸、汊道分流和匯流處主流易貼岸形成強烈沖刷，長江中下游大多數崩岸均發生在此類岸段上[18]。局部河段河勢的演變可改變上、下游河段深泓走向，水流頂沖點上提或下移、水流頂沖位置的改變等將導致原有護岸薄弱段發生崩岸險情。

1.1.4人類活動

人類活動主要通過影響河岸邊界條件和河流動力條件來間接影響岸灘穩定性[21]，主要包括涉水工程、采砂和植被破壞等。其中護岸工程及良好的岸坡植被是提高土質岸坡穩定性的重要因素，護岸工程使被保護岸段減少或免受暴雨洪水、水位漲落等自然力對土質岸坡的侵蝕破壞，良好的岸坡植被可提高土壤的抗剪強度，并使土壤產生一定的抗拉強度，岸坡上的樹木會對岸坡的穩定起促進作用[18]。

1.2 評價指標體系的建立

對岸灘穩定性進行綜合評價的目標在于掌握岸灘穩定性真實現狀，因此將岸灘穩定性作為目標層。崩岸是水流動力條件、河岸邊界條件、河勢條件和人類活動等多因素共同作用下形成的，故將河岸邊界條件、河流動力條件、河勢條件、人類活動4大類作為準則層要素。河岸邊界條件包括地質因素和地形因素，主要的影響因子有岸坡土體結構、坡比、坡高、坡腳侵蝕度。河流動力條件包括主流貼岸距離、近岸流速、水位變化和河岸浸泡時間4個影響因子。河勢條件以河型、河道寬深比2個因子反映河床的抗侵蝕和淤積能力，用深泓線平面擺幅、岸線平面擺幅、近岸深槽平面位移和刷深4個因子表現河床實際的侵蝕、淤積或穩定狀況。人為實施的護岸工程及良好的植被是提高土質岸坡穩定性最重要的因素[21]，對崩岸發生起到一定的抑制作用，因此在建立指標體系時人類活動主要考慮護岸工程和植被的作用，分別以護岸工程措施保障率和河岸帶植被覆蓋度來表征。以上16個指標構成指標層要素，由此建立長江中下游岸灘穩定性評價指標體系(見表1)。

表1 長江中下游岸灘穩定性評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of beach stability for the middle and lower reaches of Yangtze River

2 評價指標體系的應用

2.1 基于層次分析法的岸灘穩定性評價過程

本文利用長江下游水文水資源勘測局收集的揚中河段實測資料，以揚中河段太平洲環島岸線為研究對象，從長江中下游岸灘穩定性評價指標體系(見表1)中篩選出適宜太平洲環島的若干指標，采用層次分析法對環島岸線的岸灘穩定性進行賦分評價，具體流程如圖1所示。為了將評價結果與已列入揚中市崩岸預警險工段名錄的岸段分布情況[19]進行對比，沿環島選取5個省廳重點險工段、6個市轄險工段和5個非預警段3類不同預警級別的岸段作為評估河段。每個評估河段按0.5～2.0 km左右不等的長度劃分為若干監測河段，每個監測河段內以200～400 m 不等的間隔設置監測斷面，提取各指標的實測數據。

圖1 基于層次分析法的太平洲環島岸灘穩定性綜 合評價流程Fig.1 Evaluatim process of Taipingzhou roundabout beach stability based on AHP

2.1.1構建層次結構模型

長江中下游岸線較長，河岸邊界條件與水流動力條件因地而異，針對具體河段，影響岸灘穩定性造成崩岸的因素會有所不同，因此對揚中河段太平洲環島岸灘穩定性進行綜合評價時，可結合研究區實際情況，必要時對前文所建長江中下游岸灘穩定性評價指標體系進行適當調整。

太平洲環島岸灘穩定性綜合評價仍以岸灘穩定性作為目標，列為目標層。2017年11月太平洲指南村二墩港下游發生了近期長江下游最大的一次崩岸險情，主要誘因為[22-23]：① 河岸土體為二元結構，下層弱抗沖層厚度遠大于上部抗沖層厚度，底部掏刷導致上部懸空崩塌；② 局部河勢調整，嘶馬彎道頂沖點下移、過渡主流直接頂沖崩岸段，導致近岸深槽持續沖刷；③ 局部無護岸工程；④ 頂沖主流大流量級天數增多，大水小沙對河道造床作用明顯。可見此次崩岸也是河岸邊界條件、河勢條件、河流動力條件和人類活動共同作用的結果，因此初步擬定由這4類因素構成層次結構模型的準則層。

考慮到一般情況下人類活動往往通過引起河道邊界或近岸水流條件變化進而對岸灘穩定性產生影響，可根據具體河段情況，將人類活動影響歸并為河岸邊界或水動力條件準則層中[21]。針對揚中河段，受野外監測技術手段限制，岸坡植被目前暫無相關實測資料，獲得詳實的實測數據仍有較大難度，因此人類活動層面只考慮護岸工程的影響，但這會導致護岸工程因素所占權重較實際情況偏大。另外，環島岸坡基本為上粉下砂的二元土體結構，且不同河段沿岸地層分布差異較小，岸坡土體結構對河岸邊界條件的指示作用并不明顯，河岸邊界條件判斷主要依據護岸工程的實施情況。鑒于以上實際情況，將人類活動影響歸并至河岸邊界條件屬性，即將護岸工程因素的影響歸入到河岸邊界條件層面，最終由河岸邊界條件、河勢條件、河流動力條件構成太平洲環島岸灘穩定性評價準則層要素。

河岸邊界條件包括岸坡土體結構、坡比、坡高、坡腳侵蝕度、護岸措施保障率5個因子。長江大通站以下干流區間入江流量僅占大通站流量的3%左右，因此大通站流量、泥沙特征基本可代表長江下游來水來沙特征。考慮到太平洲環島來水、來沙特征值均參考大通站水沙資料，不同河段水位變化和河岸浸泡時間對河流動力條件的指示作用不大，故河流動力條件只保留主流貼岸距離、近岸流速2個因子。河勢條件采用的指標無變化，即河型、河道寬深比、深泓平面擺幅等6個主要因子。經調整，從長江中下游岸灘穩定評價指標體系中選取了13項指標，構成太平洲環島岸灘穩定性評價體系指標層，從而建立太平洲環島岸灘穩定性評價層次結構模型(見圖2)。

圖2 太平洲環島岸灘穩定性評價層次結構模型Fig.2 Hierarchical framework model for the Taipingzhou roundabout beach stability evaluation

2.1.2指標權重的確定

由于各因素對岸灘穩定性所起作用的大小和重要性不同，采用層次分析法對岸灘穩定性影響因素進行分析并確定評價指標權重。將層次結構模型各層次中諸因素重要性進行兩兩比較，結合研究區特點，通過專家咨詢對各因素之間的相對重要性做出排序，結果見表2。

表2 岸灘穩定性影響因素重要性排序原則Tab.2 Principles of weightiness ordering of factors affecting beach stability

為使評估因素的相對重要性定量化，采用1～9倒數標度法[24]列出各層次的判斷矩陣(見表3～6)，計算各判斷矩陣的最大特征根及對應的特征向量，并檢驗判斷矩陣的一致性。特征向量經歸一化處理后的向量即為各層次、各指標的權重向量，相應也就得到不同層次、不同指標的權重系數，鑒于篇幅限制，具體計算過程省略。各層次權重計算結果見表3～6。

表3 A-B層判斷矩陣及其計算結果Tab.3 Judgment matrix A-B and its calculation results

表4 B1-C層判斷矩陣及其計算結果Tab.4 Judgment matrix B1-C and its calculation results

表5 B2-C層判斷矩陣及其計算結果Tab.5 Judgment matrix B2-C and its calculation results

表6 B3-C層判斷矩陣及其計算結果Tab.6 Judgment matrix B3-C and its calculation results

根據組合權重的計算方法[24]，對判斷矩陣進行綜合求得層次總排序權重，即指標層C對目標層A的權重值(見表7)，并進行總排序一致性檢驗。經一致性檢驗，A-B層判斷矩陣單排序隨機一致性指標CR為0.033 2，B1-C和B2-C層判斷矩陣(B3-C層判斷矩陣無需檢驗)單排序隨機一致性指標CR分別為0.038 0和0.019 7，層次總排序隨機一致性指標CR為

表7 岸灘穩定性評價指標權重值Tab.7 Weight of beach stability evaluation indexes

0.026 7，均滿足一致性要求(CR<0.1)，說明層次分析排序結果可靠，權系數分配合理。

2.1.3指標賦分標準

依據相關行業標準和類似岸灘穩定性評價的研究成果，結合實際調查數據，同時參考專家咨詢建議，確定太平洲環島岸灘穩定性評價指標的分級閾值和賦分標準(見表8)。對于河岸土體結構、坡比、坡高、坡腳侵蝕程度等指標，參考《河流健康評估技術導則》[25]《航道工程手冊》[26]《揚中市環島水下地形監測及預警分析報告》[19]等確定；對近岸流速、主流貼岸距離、寬深比、護岸工程措施保障率，由于目前無行業標準作為依據的指標，則參考類似研究成果和相關數據；對于近岸深槽位移、深泓線擺幅等無參考系統的指標，采用數理統計方法并結合專家咨詢法確定。將各指標劃分為穩定、基本穩定、較不穩定、不穩定、極不穩定5級岸灘穩定性級別，對應分數為100～0，每級標準為25分，分值越大表明對于岸灘穩定越有利。

2.1.4岸灘穩定性評價賦分方法

在建立了岸灘穩定性評價層次結構模型和確定了模型底層各指標的權重系數后，就可以依據各指標實測值，根據指標賦分標準對各指標進行賦分，對單個指標評價分值加權計算可得到岸灘穩定性綜合分值。本文主要對岸灘穩定目標層在斷面尺度與河段尺度進行綜合評價，監測斷面的岸灘穩定性得分為指標層各指標得分的加權平均，即先獲取監測斷面各指標的原始數據，然后根據指標賦分標準為指標賦分，再由各指標

得分及其權重按式(1) 計算岸灘穩定性得分：

(1)

式中：H為監測斷面的岸灘穩定性得分；Fi和Wi分別為指標層各指標得分及其權重；n為指標層指標的數量。

監測河段的岸灘穩定性得分為該河段內各監測斷面岸灘穩定性得分的算數平均值：

(2)

式中：HI為監測河段的岸灘穩定性得分；Hi為監測斷面i的岸灘穩定性得分；m為監測斷面的數量。

由于評估河段由一系列長度不等的監測河段組成，因此評估河段的岸灘穩定性得分為該河段內各監測河段得分按其長度比例進行加權求和，具體計算公式如下：

(3)

式中：LHI為評估河段的岸灘穩定性得分；HIi為監測河段i的岸灘穩定性得分；Li為監測河段i的長度；L為評估河段的長度；N為監測河段的數量。

2.2 評價結果

2.2.1評價等級劃分

參考《評估技術導則》及類似研究成果，結合專家咨詢建議，將評估區岸線分為穩定、基本穩定、較不穩定、不穩定和極不穩定共5級(見表9)，80～100為穩定岸線，60～80為基本穩定岸線，40～60為較不穩定岸線，20～40為不穩定岸線，得分小于20則為極不穩定岸線。

表8 評價指標賦分標準Tab.8 Marking criteria of assessment indexes

表9 太平洲環島岸灘穩定性評價分級標準Tab.9 Grading criteria of beach stability evaluation for the Taipingzhou roundabout

2.2.2評價結果分析

研究區環島評估岸線總長48.53 km，所選16個評估河段中，省廳重點險工段岸線長26.15 km，市轄險工段岸線長11.58 km，非預警段岸線長10.80 km。根據前文所述原理與計算步驟，采用13個評價指標對太平洲環島16個評估河段的岸灘穩定性進行綜合評價，其結果見圖3和表10。

圖3 研究區評估河段劃分與岸灘穩定性評價結果Fig.3 Evaluation segment division of the beach and bank stability assessment results

從圖3可看出：研究區岸線總體上以基本穩定為主，無不穩定和極不穩定的岸線。其中穩定岸線長3.90 km，占評估岸線總長的8.0%；基本穩定岸線長32.49 km，占評估岸線總長的67.0%；較不穩定岸線長12.14 km，占評估岸線總長的25.0%。穩定岸線主要集中于洲頭左緣唐家港上、右岸石橋-太平河、洲尾右緣小泡子-揚中二橋等崩岸風險較低的非預警河段范圍內，這些區域非迎流頂沖岸段且近岸流速較小，岸坡形態較平緩、完整，近岸河床無明顯沖刷，加上實施了較為完善的護岸工程，從而降低了崩岸發生的可能性。較不穩定岸線大部分位于崩岸風險較高的省廳重點險工段范圍內，比如左岸的豐樂橋、永勤港-三躍港、大決港-小決港一帶，與2020年9月和11月分別發生在豐樂橋、永勤港附近的崩岸事實基本相符[19](見圖3)，這部分岸段近岸坡陡流急、坡高大，主流貼岸且近岸防護相對薄弱，因此岸灘穩定性相對差一些；右岸興隆港、洲頭右緣新寧村-華威村一帶，由于處于江心洲頭、汊道分流口、彎道或彎頂位置，河床斷面窄深，主流易貼岸形成強烈沖刷，這些因素對岸灘穩定不利，加上目前這部分岸段并未實施護岸工程，因此岸灘穩定性較差。

表10 太平洲環島各評估河段岸灘穩定性得分與排序Tab.10 Evaluation scores of beach stability of each segment of the Taipingzhou roundabout

由表10可見：非預警岸段、市轄岸段和省廳重點岸段的岸灘穩定性評價得分分別介于58.61～83.26、63.35～70.41和56.97～73.28之間，平均得分別為68.68、67.20和64.93，表明總體上非預警岸段最安全，市轄岸段次之，省廳重點岸段最不安全。按已確立的崩岸預警級別，所選3類評估河段的崩岸危險程度由高至低的排序依次為省廳重點岸段>市轄岸段>非預警岸段，可見評價結果與3類評估河段實際的崩岸危險程度排序具有較好的吻合度。

崩岸危險程度最低的非預警岸段總體以基本穩定為主，該類評估河段總長40.7%左右的區域為基本穩定岸線，穩定岸線、較不穩定岸線分別占31.5%，27.8%，穩定岸線占比在3類評估河段中最高。其中，非預警第4岸段(太平洲右岸石橋-太平河)是所有評估河段中最穩定的區域，岸灘穩定性平均得分83.26，為穩定岸線。但非預警河段中也有一些局部區域的岸灘穩定性較差，如非預警第2岸段(洲頭右緣新寧村～華威村)在所有評估河段中岸灘穩定性排倒數第二，穩定性得分僅為58.61，為較不穩定岸線，2020年11月在洲頭右緣附近也確實發生了崩岸險情[19](見圖3)，因此建議將該岸段劃入揚中市崩岸預警險工段名錄以加強監測。

盡管崩岸危險程度最高的省廳重點險工岸段總體也以基本穩定為主(基本穩定岸線占比為65.4%)，但該類評估河段中較不穩定岸線長度占比在3類評估河段中卻是最高的(占比為32.7%)。其中，省廳第7岸段(左岸豐樂橋附近)在所有評估河段中穩定性最差，岸灘穩定性得分僅為56.97，依據評價分級標準(見表9)屬于較不穩定岸線。根據資料[19]，深水航道治理時，在該河段上游實施了魚骨壩、護底、護岸等工程，導致二道淺壩下游豐樂橋一帶水流湍急紊亂，近岸河床沖刷劇烈，TPZL-CS3+950斷面(即豐樂橋崩岸中心位置)往下300 m范圍內沖刷厚度達到10 m量級。雖經過護岸治理，但近岸深槽仍向下游及近岸發展擴大，加上近岸坡陡、河床斷面窄深，這些不利因素使該岸段的岸灘穩定性大大降低，從而造成豐樂橋一帶發生崩岸(見圖3)。省廳第8岸段(左岸二墩港-新韓通船廠)在所有評估河段中岸灘穩定性排倒數第三，穩定性評價得分為62.36，該區域內永勤港附近于2020年11月也發生了條崩險情[19]。省廳重點岸段也有部分區域的岸灘穩定性較好，如省廳第11岸段(太平洲右岸興隆彎道)岸灘穩定性平均得分為73.28，為基本穩定岸線，該區域上游段岸坡形態平緩，近岸流速小，近岸河床無明顯沖刷，特別是實施了岸灘灘面硬質化處理工程且有碼頭工程作為掩護，這些有利因素從整體上拉高了該岸段的岸灘穩定性分值。

評價結果表明：受岸灘實測資料限制，上述指標體系在揚中河段的應用雖未考慮岸坡植被、河道水位變化對岸灘穩定性的影響，但該指標體系及評價方法仍基本能夠反映出該河段的岸灘穩定性狀況，對于岸坡植被或水位對岸灘穩定有加大影響的河段，在進行岸灘穩定性評估計算時，需考慮這方面的權重與賦分。因此，針對長江中下游其他河段的岸灘穩定性評價，需根據所評估河段河岸邊界、河勢、河流動力等因素的具體情況，適當調整評價指標的權重與賦分標準。

3 結 論

在分析長江中下游岸灘穩定性主要影響因素的基礎上，建立了長江中下游岸灘穩定性評價指標體系，以揚中河段太平洲環島為例，利用層次分析法和該指標體系對3類不同崩岸預警級別的岸段岸灘穩定性進行了賦分評價，得出如下結論。

(1) 研究區岸灘總體上以基本穩定為主，基本穩定岸線長度占評估區岸線總長的67%，穩定和較不穩定岸線分別占8%和25%，無不穩定和極不穩定情形。

(2) 3類評估河段岸灘穩定性評價結果與其崩岸預警級別吻合度較好，即非預警岸段的岸灘穩定性排第一，市轄岸段次之，省廳重點岸段的岸灘穩定性最差，且穩定岸線集中于崩岸風險較低的非預警岸段范圍內，而較不穩定岸線主要分布于崩岸風險較高的省廳重點險工段范圍內。

(3) 太平洲環島左岸豐樂橋、二墩港-新韓通船廠及洲頭右緣新寧村-華威村岸灘穩定性得分最低的3個河段內均發生過崩岸，按已確立的崩岸預警級別，洲頭右緣新寧村-華威村一帶仍屬于非預警岸段，因此建議將該岸段也列入揚中市崩岸預警險工段名錄以進行重點監測。

本文建立的涵蓋河岸邊界、河流動力、河勢、人類活動等16個因素的岸灘穩定性評價指標體系，經長江下游揚中河段太平洲環島岸線驗證，能較好地反映該段岸灘的穩定性狀況。根據目標河段河勢條件，經適當調整指標權重和賦分標準，該指標體系可廣泛應用于長江中下游不同河段的岸灘穩定性評價工作。