基于海城河河道治理斷面的優化設計研究

高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務中心，遼寧 岫巖 114300)

1 河道斷面優化設計模型

1.1 經濟優化方法

從空間上，可以利用河道空間位置的函數反映河道治理變化，即橫、縱、垂向利用函數Ω=F(X，Y，Z)來描述，從河道底坡、橫斷面和縱向中心線進行河道整治。河道治理的目的主要是維持其自然屬性，故一般不修改中心線。因此，可以選用包含斷面與坡度的函數代表河道治理成本和收益，以實現最大化收益為條件搭建模型如式(1)：

(1)

式中：X為決策變量；φm、im-1為m斷面變量及其與m-1斷面間的坡度；C(X)、B(X)、Y(X)為河道治理成本、效益和收益；P(X)、L(X)、E(X)、H(X)為用地規劃、景觀、生態和水力指標函數；Pr、Lr、Er、Hr為用地規劃、景觀、生態和水力約束集。

1.2 斷面概化設計

通過實際具體規劃解決模型約束條件和變量較多的問題，優化設計流程如下：評估河道斷面功能→分河段確定符合功能要求的斷面型式→明確斷面變量→考慮功能需求及規劃明確變量約束→創建經濟優化模型→確定優化設計數據→結合實際情況適當調整→復核計算結果。

1.2.1 斷面類型概化

實際工程中，一般選用復式斷面滿足城市河道的生態性、景觀性和親水性的要求。復式斷面能夠滿足枯水位、常水位、洪水位等波動變化的親水性要求，有效消除景觀視覺欣賞受不同水位變化的影響作用。復式斷面設置的多層親水平臺既能夠滿足親水性、防洪排澇和航運等多功能要求，還可以在枯水期提供一定的景觀水面，特別是對四季水位變化明顯的北方城市河流是一種合適的理想斷面型式，在此基礎上也就確定了其決策變量。

1.2.2 約束條件概化

河道設計應考慮現行規范和有關研究成果簡化結構型式，明確并細化變量區間。由流速和斷面型式控制生態景觀約束條件，確定斷面型式也就符合了斷面自身約束條件，規劃用地、河道加高擴寬收縮擴深、底坡與堤岸銜接約束由斷面特征高程和特征寬度確定。為了更好地滿足底坡銜接約束，可結合實踐經驗設定統一坡降或坡降范圍。各斷面水位、流速必須符合堤頂超高且不漫過路面要求和允許不沖刷流速要求[1]。

1.2.3 目標函數概化

對于受斷面變化影響的成本和效益應作為優化模型計算的重點。其中，成本主要考慮河道挖方成本、填方成本、建堤成本和邊坡整治成本，采用C表示；效益主要指河道灘地收縮產生的土地效益，不考慮河道整治后周邊地產增值效益、生態環境效益和周邊直接經營性收益等，單位面積土地效益、土地節約出來的總效益和河道整治綜合效益可利用B1、B、Y表示。經整合，成本與效益表達式如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

Y=B-C

(4)

2 實例分析

2.1 河道斷面概況

海城河哈大公路橋至鐵路橋段河道治理工程位于海城河城區河段，該段左岸無堤防，防洪標準僅為20 a一遇，無任何護岸防護措施，荒草叢生，居民亂扔垃圾現象嚴重，每年洪水一過，水刷痕跡縱橫，垃圾飄散，既不利于水土保持，又嚴重影響城市環境，不滿足城市總體規劃要求。為美化城市環境，提高城市品位，左岸河道治理建設必不可少[2-3]。

充分考慮河道通航、景觀、防洪排澇等功能要求，研究選用多級復式斷面如圖1。根據該斷面型式明確其決策變量φm=φ(b，d，e，f，z，z1，z2，m1，m2)，其中b、d、e、f代表斷面底寬、一級平臺寬度、一二級平臺垂直距離和二級平臺寬度；z、z1、z2代表斷面底高程、一級平臺高程和斷面頂高程；m1、m2代表斷面上、下坡段坡度。

考慮到海城河常水位、洪水位和洪水位高差較大的具體情況，為創造較好的親水環境設計多級復式斷面。在枯水位和常水位上部設置親水平臺，考慮通航要求及常水位、景觀用地和綠化需求設定一級平臺高程z1、平臺寬度d及f。根據景觀墻和用地局促等特殊造要求利用直立型擋墻連接兩平臺，并結合巷道要求水深設定擋墻間距，按照景觀布置與用地約束條件設定邊坡坡度。由此以來，在確定m1、m2、z1、d、f、e的情況下，斷面只取決于z、z2和b參數值。本工程m1、m2、z1、d、f、e的取值分別為4.0 m、3.0 m、3.5 m、1.5 m、2.0 m和3.0 m。

2.2 約束條件

根據以下幾方面確定約束條件：其一，河道可以擴寬和收縮范圍依據規劃用地需求確定，由b控制；其二，由每個斷面的z1、z2確定河道加高擴寬收縮擴深約束和底坡與堤岸銜接約束；其三，為達到底坡銜接要求，河道整治后的底坡范圍由經驗設定，本工程設定成統一底坡i，其變化范圍為0.000 02～0.0002。在確定河道坡降的情況下，各斷面底高程主要取決于下游斷面情況；其四，各斷面水位、流速必須符合堤頂超高且不漫過路面要求及允許不沖刷流速要求。

2.3 決策流量

在確定斷面底高程z、水位、過流流量及底寬b的情況下，可確定水力半徑、兩斷面水力坡度和過流面積等參數值。在設計流量588 m3/s恒定流和底坡i確定的條件下，考慮到河道下游閘控利用逐段試算法就可以求出各斷面水位。設堤頂高程z2等于安全超高與水位之和，經計算設定安全超高1.2 m，在此基礎上即可確定堤頂高程。本工程使用統一坡降，則所有決策變量包括最下游斷面的底高程z、各斷面底寬b以及底坡i，鑒于下游與河道相連接的情況，維持原河道與整治河道下游斷面底高程不變。因此，各斷面底寬b和統一底坡i就是整個河道的整治斷面變量。通過科學評估斷面功能，將河道劃分成9段10個斷面，其決策變量包括統一坡度i和10個斷面底寬b。

2.4 目標函數

河道整治綜合效益為目標函數，結合前文所述公式，代表原斷面和收縮斷面堤頂寬度，設C1為4.50元，C2為17.20元，C3等于C4為25.00元，B1為600.00元。

2.5 結果分析

采用改進后的和傳統的遺傳算法求解目標函數，經多次迭代運算確定坡度為0.000 05時河道整治綜合效益最大為1.42元，效益最大時的優化結果如表1。

表1 河道斷面經濟優化結果

通過對比某方案下河道以及優化設計河道、原河道設計流量下流速、水位、斷面底高程可知，優化后的河道不僅能夠有效降低洪水位，還可以實現河道整治綜合效益最大化。優化后河道岸線有所收縮，在不影響防洪安全的情況下節約了土地，為城市發展提供更好的服務。設計流量下優化方案略低于某方案最高洪水位，斷面流速波動較小，整體比較穩定，最大流速0.80 m3/s，優化方案與某整治方案及原方案更優。

3 結 論

河道是組成城市生態系統的重要部分，綜合治理城市河道對優化城市景觀、維護生態平衡、改善人居環境意義重大。為解決城市河道治理約束條件多、投資規模大的問題，本文充分考慮河道景觀化、人文化、生態化和防洪排澇等多功能要求，從經濟優化的角度上提出斷面設計模型，研究成果可以為城市河道治理工程方案設計提供參考。