生态防洪背景下的河流缓冲带柔性堤岸断面设计

肖晓博

(东莞市水利勘测设计院有限公司，广东 东莞 523115)

1 河流缓冲带柔性堤岸断面设计

1.1 计算草本群落特征值

河流缓冲带附近，一定会存在植被，所以此次设计河流缓冲带柔性堤岸断面，考虑该区域内的草本群落特征值，通过分析河流缓冲带内草本群落特征，重新规定堤岸宽度、断面层数以及弧度等基本参数。

已知草本群落的特征，是衡量群落结构、堤岸防护效果的关键因素之一，计算草本群落生物多样性指标方法，如式(1)所示：

(1)

式中：F为生物多样性指数；s为样本总数；Zi为i个样本区域中，各种植物的相对重要值，该值的计算如式(2)[1-2]所示：

(2)

式中：Wi为某一植被的重要值；W为所有植被的重要值之和。再计算草本群落的生态优势度指数，用该指数分析植被种群数量变化时，对河流缓冲带防护效果的影响，该指标的计算如式(3)所示：

(3)

式中：Y为草本群落的生态优势度。已知草本群落的物种类型，会直接影响河流缓冲的设计宽度和断面层数，计算物种丰富度指数的方法，如式(4)[3]所示：

(4)

式中：M为草本群落的物种类型总数量；S为河流缓冲区域周围草本群落的总占地面积。最后再计算草本群落的均匀度指数，为设计断面的断层位置提供事实依据，计算如式(5)[4]所示：

(5)

式中：EF是在公式(1)和公式(2)计算下，得到的弹性值；J为群落均匀度。通过上述公式，计算河流缓冲带内草本群落特征值，为设计柔性堤岸断面，提供更加精准的影响参数。

1.2 设计河流缓冲带位置和宽度

根据上述获得的草本群落特征，设计河流缓冲带位置和宽度。通常情况下，缓冲带位于水域和陆地的边界处，因此对堤岸断面具有交叉性的影响效果。而确定河流缓冲带位置的先决条件，就是发挥缓冲带对洪水的防护作用。如图1所示，此次研究以生态防洪背景为研究方向，选择河流缓冲带布设位置[5]。

图1 缓冲带示意

根据现有的河流缓冲带周围的地形可知，缓冲带的位置，一般利用等高线，布设在与地表径流方向相互垂直的下坡位，从而实现对水流流速的削减，让地表上的水流，可以更加平缓地通过缓冲带，防护周边的城市与村落安全。按照上述分析设计河流缓冲带位置后，再设计河流缓冲带宽度。截止2018年年末，对于缓冲带的宽度设计，还没有一个明确的量化标准。现阶段的研究认为，河流缓冲带的宽度与河流等级息息相关，河流越宽，所设计的河流缓冲带宽度越大，只有这样才能实现对洪水的防护作用[6]。在充分考虑各地自然环境条件、人文环境条件以及河流缓冲带设计作用的基础上，对于设计河流缓冲带宽度，做出了如下要求：第一，考虑能够投入建设的资金。第二，明确所建地区土地的物理性质，如土质类型、区域坡度稳定性等。第三，考虑建设区域的水文情况和周边建筑用地性质。第四，明确河流缓冲带的作用，要求其防护功能更强还是过滤功能更强。第五，考量城市主管部门的一些其他用地行为[7]。综合考虑上述五个因素，并结合当地草本群落特征，设计河流缓冲带宽度。

根据草本群落特征值计算结果，当草本群落覆盖密度大时，可适当缩减缓冲带宽度；当草本群落覆盖密度相对较小时，要增加缓冲带宽度。而历史调查显示河流破坏严重的地区，设计的缓冲带宽度需要大一些，可以对缓冲带宽度进行适量的增加：首先在地表径流量较大、沉积物较多、富营养物质较为丰富的污染物集中区域，扩大缓冲带宽度；其次对于河流两侧相邻用地面积较大、区域坡度较大的位置，适当增加缓冲带宽度；再次对人类活动频繁区域，如城市生活区、工厂区、农田灌溉区域，要适当增加河流缓冲宽度[8]。

1.3 设置堤岸断面层数和弧度

设计完河流缓冲带位置和宽度后，构建一个河流缓冲带堤岸模型，设置堤岸断面层数和弧度。已知现阶段功效最好的堤岸，共由3个断面组成，分别为外部区域层、中间区域层以及河岸区域层。此次设计以上述的传统堤岸断面为基础，在外部区域和河岸区域内，分别加设一个缓冲区，形成一个5层的堤岸断面，加强对洪水的控制。根据构建的模型高度，以建设地区的历史洪水最大峰值为研究依据，计算洪水水波高度，然后根据洪水在峰值阶段的水波高度，设置堤岸断面各个层之间的弧度[9-10]，该值的计算如式(6)[11]所示：

(6)

式中：H1为洪水峰值时，水波的最大高度，m；H2为洪水峰值时，水波的最小高度,m；P为峰值节点；ft为t时刻时，水波在模型中的动态变量。而断面弧度即坡度，假设模型构建的空间平面g=(x,y)，含有一个等值线簇h(x,y)=μ，设d为等高线。对于模型曲面上的任意一点P，沿P的梯度反方向计算h(x,y)的下降最快值，该值就是堤岸断面需要设置的坡度。对于函数h(x,y)，P点梯度的计算方法如式(7)所示：

gardh(x,y)=hxi+hyj

(7)

式中：参数i和参数j为单位矢量；hxi和hyi分别为x和y的偏导数。该计算结果的模，就是需要设置的坡度，结果如式(8)[12]所示：

(8)

式中：所得结果θ，即为堤岸断面坡度的计算结果。利用上述计算过程，确定每一个断面的布设弧度，以此根据模型基本结构，设计河流缓冲带柔性堤岸断面的完整结构。至此在考虑生态防洪背景下，实现对河流缓冲带柔性堤岸断面的优化设计。

2 试验研究2.1 试验准备

提出对比测试，将两种传统设计下的堤岸作为不同的对照组，将此次提出方法设计的堤岸作为试验组，比较三个测试组的防洪能力及对污染物的过滤效果。选择一个有较大径流量的城市D，作为试验测试基本背景。已知途经D城市的河流，全长约1400 km，流域面积超过了22万km2。D城市四季分明、温差较大、年均降水量充足，湿润系数在0.75～1.00，为典型的温带大陆气候区。该城市植被类型和土壤类型，如表1所示。

根据表1可知，D城市的土壤土质较软，且植被类型相对丰富。经调查得知，该城市在雨水充沛的季节，曾经出现过特大洪水灾害，因此以该城市的基本环境为基础，选择一个相对开阔的区域，并将其进行划分，分别利用三种方法在该区域建立三个柔性堤岸。为了加快研究速度，研究团队分为三组同时进行设计任务，图2为三个测试组的堤岸设计结果。

表1 测试环境基本条件 %

图2 设计的堤岸实拍

根据图2可知，试验组设计的堤岸，共设置了5层断面；对照A组设计的堤岸，共设置了3层断面；对照B组设计的堤岸，只设置了1层断面。在三个区域内均架设人工降雨模拟器，模拟降水过程；利用水泵向地表引水，模拟洪水涌入；再利用高压水枪加强水流速度。

将三个设备均安装到图2所示的三个区域中，开闸放水，模拟强降水和洪水效果。

2.2 防护能力测试

为了让试验测试效果更加明显，试验测试共进行5 h，第4 h过后，逐渐控制各个放水工具的水量，直至第5 h，停止放水，查看各个区域堤岸对水流的防护效果，图3为三个测试组的防护能力实景拍摄。

图3 堤岸防护能力实拍

根据图3可知，试验组设计的堤岸，在多重断面的保护下，将水流都集中汇聚在了中心地带，且没有大量的污染物流入岸边；对照A组虽然在一定程度上，控制了流动性强、流域面积广的水流，但其过滤效果较为一般根据图3(b)可知，试验结束后，岸边出现了大量的污染物与废弃物，而对照B组相较于前两个测试组来说，其防护效果最差。根据图3(c)可知，非缓冲地带已经被水流淹没，且对其淹没区域进行杂物捞取时，又得到了与对照A组类似的杂质，可见对照B组防水效果不理想，同时不具备过滤功能。

2.3 过滤能力测试

根据《水和废水监测分析法》中的规定，采用定量分析法，分析不同河流缓冲带柔性堤岸断面设计，对污染物、废弃物以及杂质的过滤效果。将综合污染物去除率作为过滤效果的评价指标，该指标的计算如式(9)所示：

(9)

式中：Pc为放水量为c时，污染物质量浓度去除率，%；N0为入流污染物质量浓度，mg/L；Nm为m个采样点的污染物质量浓度，mg/L。测试堤岸过滤效果时，共选择10个采样点，按照顺序进行编号，三个测试组的污染物过滤效果见图4。

图4 不同断面堤岸对污染物的过滤效果

根据图4可以明显看出，试验组的污染物质量浓度去除率，均在90%以上，而两个对照组的过滤结果，均在75%～85%。计算10个采样节点的所有数据，结果如表2所示。

表2 污染物过滤效果统计 %

根据表2可知，试验组的污染物平均去除率为92.86%，对照A组和对照B组的污染物平均去除率分别为81.68%和78.22%。相比之下，试验组的污染物过滤效果，比对照A组高了11.18%，比对照B组高出了14.64%。

3 结 语

此次在充分考虑生态防洪的背景下，所设计的缓冲带柔性堤岸，有更好的防护与过滤效果。但根据试验测试结果可知，虽然此次设计的堤岸，可以过滤大多数污染物，但对于部分淤泥、砂石，还没有更有效的制约手段，因此在今后的研究中，可以在堤岸两端添加隔离带或防护网，加强堤岸对泥沙的过滤，为梅雨季节的防洪任务，提供更安全的保护措施。