566 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 42 卷级平台高程设为平滩水位. 但是, 国内外对于复式断面河道一级护岸高程的确定尚无成熟的理论. 本文以复式断面河道形态为对象, 研究一级护岸平台高程的确定方法. 1 一级护岸平台高程确定的影响因素河流的自然功能包括输运功能水源功能汇水功能栖

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泱收罗
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1 第 42 卷第 3 期 2012 年 5 月东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol.42 No.3 May2012 doi: /j.isn 复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法陈一梅马骏 ( 东南大学交通学院, 南京 ) 摘要 : 基于河流动力学生态学和工程经济学的有关理论, 分析得出断面形态稳定性生态性社会性工程经济性和船舶航行是影响一级护岸平台高程确定的主要因素. 在理论分析基础上, 构建了复式断面河道护岸费用高程模型效益高程模型, 确定了最大绝对效益条件下的一级护岸平台高程. 根据河床断面形态理论, 取第二造床流量作用下的边滩高程作为复式断面河床稳定条件下的一级护岸平台高程. 综合运用效益费用法以及河床结构形态法, 分别计算了刘大线航道劳龙虎水道一级护岸平台高程. 计算结果表明, 所提出的复式断面河道一级护岸高程计算方法很好地考虑了护岸的多功能特性, 具有可操作性与实用性. 关键词 : 护岸高程 ; 复式断面 ; 护岸效益 ; 生态性中图分类号 :TV91;TV861 文献标志码 :A 文章编号 : (2012) Determinationofrevetmentplatform elevation ofcompoundcros sectionwaterway ChenYimei MaJun (SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Basedonthetheoriesofriverdynamics,ecologyandengineeringeconomics,themain factorstodeterminetherevetmentplatform elevationofcompoundcros sectionwaterwayareana lyzed.thesefactorsincludethestabilityofcros sectionform,ecology,sociality,engineering economyandshipsailing.basedonthetheoreticalanalysis,thecost elevationmodelandtheefi ciency elevationmodelofcompoundcros sectionwaterwayrevetmentarebuilt.therevetmentplat form elevationundertheconditionsofmaximum absolutebenefitisdetermined.accordingtothe theoryofriverbedcros sectionmorphology,theriverbankelevationunderthesecondbed forming dischargecanbechosenastherevetmentplatform elevationofcompoundcros sectionwaterwayin theriverbedstabilityconditions.byusingthebenefitandcostanalysisandriverbedstructuremor phologycomprehensively,therevetmentplatform elevationofliudaxianchannelandlaolonghu waterwayarecalculated,respectively.theresultsshow thatthemulti functionalcharacteristicsof revetmentarewelconsideredbytheproposedcalculationmethodoftherevetmentplatform eleva tion,whichisoperableandpractical. Keywords:revetmentelevation;compoundcros section;revetmentbenefits;ecology 在内河航道整治中采用不同的断面型式将对水陆交错带的水陆双重特征和功能产生影响. 因此, 近天然河道断面形态的复式断面得到广泛应用, 对复式断面河道一级护岸平台高程的研究也受 [1] 到关注. 董哲仁等取平滩水位为一级护岸平台 [23] 高程, 朱三华等则取多年平均高潮位或常水位 [4] 为一级护岸平台高程 ; 国外 Jain 等从河漫滩的角度出发将一级护岸平台高程定为 5 年一遇洪水 [5] 位,Hemphil 等将夏季平均水位作为一级护岸平台的高程,Brookes [6] 根据河道的生态恢复将一收稿日期 : 作者简介 : 陈一梅 (1961 ), 女, 博士, 教授,chenyimei@seu.edu.cn. 引文格式 : 陈一梅, 马骏. 复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,2012,42(3): [doi: /j.isn ]

2 566 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 42 卷级平台高程设为平滩水位. 但是, 国内外对于复式断面河道一级护岸高程的确定尚无成熟的理论. 本文以复式断面河道形态为对象, 研究一级护岸平台高程的确定方法. 1 一级护岸平台高程确定的影响因素河流的自然功能包括输运功能水源功能汇水功能栖息地功能以及天然屏障功能 [7]. 设计河道断面形态和护岸时, 除了要考虑经济性与河岸的稳定性, 还应尽可能保留河流的自然功能. 因此, 复式断面河道一级护岸平台高程的确定需要综合考虑经济性生态性社会性 [8] 河床断面稳定性以及船舶航行等因素. 1.1 经济性因素这里经济性是指河道护岸的造价. 复式断面河道护岸的经济性与一级护岸和二级护岸的功能分配直接相关. 复式断面河道护岸造价关于一级护岸平台高程的函数关系, 即费用高程关系可表示为 C=(h-h 1 )p 1 +(h 2 -h)p 2 +c (1) 式中,C 为复式断面河道护岸每延米造价 ;p 1 为一级护岸每延米单位高度造价 ;p 2 为二级护岸每延米单位高度造价 ;c 为一级护岸平台每延米造价 ; h 1 为护岸基底高程 ;h 2 为二级护岸顶高程 ;h 为一级护岸平台高程. 1.2 行船因素船舶航行引起的船行波是对河道边坡起破坏作用的主要因素之一 [9]. 船行波对护岸的垂向影响范围为 [h 3 -Δh,h 4 +Δh], 其中,h 3 为最低通航水位 ;Δh 为船行波波高 ;h 4 为最高通航水位. 船行波对一级护岸平台高程的影响主要表现在对第二级护岸结构的选择, 因此对于行船因素的考虑可归结为对不同护岸结构经济性的考虑. 1.3 生态性因素这里生态性是指在保证护岸结构强度的同时, 使河流最大限度地保留原有生活在其中的各种生物和植物所需的生息环境. 一级护岸平台高程处于枯水位与设计高水位之间. 这一区域是水位变化最大的区域, 因其自然空间特征和水陆物质能量交流特征成为动植物生存的良好栖息地. 因此该高程的确定需要考虑水位变动区的各级水位历时对河段动植物生存的影响, 据此可得 H s =h t ±Δh 1 (2) 式中,H s 为河道护岸的生态性高程 ;h t 为水位变动区某一特征水位 ;Δh 1 为该区植物的最大喜水深度或最大耐淹深度 ( 由于两栖类动物依靠植物生境而居, 故 Δh 1 暂不考虑动物因素 ). 1.4 社会性因素河道的社会性可归纳为防洪功能观赏文化功能供水功能等, 其中, 河道的防洪功能指河道的泄洪能力, 直接与其过水断面相关. 河道观赏文化功能是指河道展示给人们一种舒适优美的环境. 根据一年中水位变化, 综合考虑洪枯水期护岸垂向景观的协调性, 一级护岸平台关于观赏文化的高程为 H g =h c +Δh 2 (3) 式中,H g 为河道护岸最佳观赏性高程 ;h c 为常水位高程 ;Δh 2 为超高. 河道的供水功能是指河道为沿线人民生产生活提供纯净水源的能力, 是其水源功能的集中体现. 河道的供水效益与护岸一级平台高程相关, 见效益分析. 1.5 河床断面形态因素河床断面形态是多年流量过程综合造床作用的结果, 根据前人对造床流量的研究, 结合一级护岸平台高程影响因素分析, 本文所研究的复式断面形态稳定条件下的一级护岸平台高程可取第二造床流量作用下的边滩高程, 即 h =h Qn (4) 式中,h 为河床断面形态稳定条件下的护岸一级平台高程 ;h Qn 为第二造床流量所对应的水位高程, 钱 [10] 宁等认为第二造床流量可取重现期为 1.5 年的洪水流量. 2 生态护岸的效益分析本文中所指的护岸效益是指修建生态护岸后河道恢复自然功能产生的效益, 即恢复效益. 哈弗斯密特利用替代市场法来评价湿地效益, 通过公共机构为保护湿地而购买湿地所支付的价格推导出对它保护的经济效益, 并以此作为湿地的经济效益. 这些效益包括生态效益观赏文化效益供水效益以及防洪效益等. 1) 生态效益基于上述思想, 通过分析从公共机构获得的 3237hm 2 湿地的数据, 可得出湿地野生生物的价值. 把河岸带看成野生生物生存空间, 当其生态性处于最佳状态时, 相应的生态效益记为 k 1 ( 单位 : 元 /m 2 ). 本文认为当一级护岸平台高程达到 H s 时, 护岸生态性处于最佳状态, 低于或高于这一高程都会降低其生态效益. 因此, 护岸的生态效益可按下式计算 :

3 第 3 期 ( ) B 1 =k 1 1- h-h s H s -h 陈一梅, 等 : 复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法 1 S (5) 式中,B 1 为每延米护岸的生态效益 ; h-h s 为 h 对 H s -h 1 护岸发挥最佳生态效益的影响值, 当 h=h s 时则表 567 他公共机构为保护湿地而支付的土地价格, 这在国内尚难做到. 因此, 本文利用美国学者哈弗斯密特的计算成果按当时汇率换算为国内价值, 并扣除通货膨胀率的影响, 所得结果作为确定国内河流湿地效益的依据. 示生态效益的发挥不受影响, 故 1- h-h s 反应了 H s -h 1 护岸最佳生态效益发挥的程度, 若出现负值, 则取效益为 0;S 为护岸的每延米面积. 2) 观赏文化效益通过收集政府购买空地的数据, 对其进行资本化计算得出湿地观赏文化上的价值. 本文认为当一级护岸平台高程达到 H g 时, 护岸在观赏文化上的效益达到最大, 记为 k 2, 低于或高于这一高程都会降低其观赏文化效益, 可表示为 ( ) B 2 =k 2 1- h-h g H g -h 1 S (6) 式中,B 2 为每延米护岸的观赏文化效益 ; h-h g H g -h 1 为 h 对护岸发挥最佳观赏文化效益的影响值, 当 h=h g 时则表示该效益的发挥不受影响, 故 1- h-h g 反应了护岸最佳观赏文化效益发挥的程 H g -h 1 度, 若出现负值, 则取效益为 0. 3) 供水效益比较从湿地取水成本与从其他最经济的可能得到的替代水源取水的成本, 以两者的差值作为供水效益的资本化价值. 设护岸的单位供水效益为 k 3, 则 B 3 =k 3 S (7) 式中,B 3 为每延米护岸的供水效益. 4) 防洪效益以采用防洪措施后避免的经济损失作为防洪效益. 设护岸的单位防洪效益为 k 4, 则 B 4 =k 4 S (8) 式中,B 4 为每延米护岸的防洪效益. 对于 k 1,k 2,k 3,k 4 的取值, 需要获知政府或其 3 一级护岸平台高程确定方法综上所述, 满足多目标的一级护岸平台高程的计算步骤如下 : 1 利用式 (4) 计算满足河床断面形态稳定性要求的一级护岸平台高程. 2 利用效益费用模式 (B C, 其中 B 为收益,C 为成本 ), 计算最佳效益条件下的一级护岸平台高程. 这里成本按费用高程关系式 (1) 来计算, 效益按效益高程关系式 (5)~(8) 计算. 3 当上述 2 种方法确定的高程相近时取两者的算术平均值作为一级护岸平台高程 ; 当上述 2 种方法确定的高程相差较大时, 建议视具体河流条件和当地的经济情况分析确定一级护岸平台高程. 4 实例计算 4.1 刘大线航道一级护岸高程的确定刘大线航道地处盐城大丰市境内, 全长 km. 全线按四级航道标准进行整治, 设计最低通航水位为 0.70m, 最高通航水位为 2.68m, 常水位为 1.0m. 刘大线航道一级护岸采用直立式杉木桩护岸, 二级护岸采用斜坡式三维土工网植物护岸, 一级护岸平台 ( 宽约 4m) 种植当地大米草 ( 见图 1) 造价分析该护岸工程每延米杉木桩护岸单位高度造价为 360 元 /m, 每延米三维土工网植物护岸单位高度造价为 45 元 /m, 种植大米草的单价为 3 元 /m 2. 航道设计要求 :h 1 =0.8m,h 2 =3.0m. 由式 (1) 得 C=315h+435 (9) 图 1 刘大线航道护岸结构图 ( 单位 :m)

4 568 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 42 卷综合效益 1) 生态效益刘大线航道所用大米草, 植株高为 1m 左右, 当植株高度 1/3 在水中时, 其生长较旺 [12]. 刘大线航道常水位与枯水位之间水位差为 0.3m, 特征水位取常水位, 这样一年中至少有半年时间大米草处于最佳生长状态, 有利于移栽初期大米草的存活. 因此, 按式 (2) 计算得刘大线航道护岸的生态性高程为一级护岸平台高程的确定根据水文分析, 刘大线航道第二造床流量所对应的水位高程为 1.1m, 由式 (4) 得 h =1.1m. 利用式 (15) 绘制出图 2, 求得 (B-C) max 条件下 h=0.7m. H s = =0.7m (10) 3 将哈弗斯密特的研究成果折算为国内价格得出 k 1 =23 元 /m 2, 根据式 (5) 计算刘大线护岸的生态效益, 则每延米护岸的生态效益为 B 1 = -34.3h h h 0.7 { 34.3h h h 3. 0 (11) 2) 观赏文化效益刘大线航道常年水位变幅较小水流平稳, 结合对附近居民的调查结果, 这里取 Δh 2 =0.2m, 根据式 (3) 可得 H g =1.2m. 刘大线航道观赏文化效益较为显著, 结合哈弗斯密特的研究成果, 这里取 k 2 =89 元 /m 2. 则每延米护岸的观赏文化效益为 B 2 = -99.7h h h 1.2 { 99.7h 2-796h h 3. 8 (12) 3) 供水效益刘大线航道沿线多为荒地, 临河企业很少, 航道沿线需水较少. 根据刘大线航道实际情况, 结合哈弗斯密特的研究成果, 这里取 k 3 =23.1 元 /m 2, 则每延米护岸的供水效益为 B 3 =23.1 [ (3.0-h)] B 3 = h (13) 4) 防洪效益依据哈弗斯密特关于湿地防洪效益的研究, 并结合本区的防洪压力, 这里取 k 4 =6.6 元 /m 2, 则每延米护岸的防洪效益为 B 4 =6.6 [ (3.0-h)] B 4 = h (14) 综上可得, 刘大线航道每延米护岸的综合效益为 { -134h h h 0.7 B= -65.4h h h h h h 3. 0 式中,B 为每延米护岸的综合效益. (15) 图 2 刘大线航道护岸关于一级平台高程的费用和综合效益曲线综合考虑效益费用和河床断面形态的稳定性, 取两者的平均值 0.9m 作为刘大线航道复式断面一级护岸平台高程. 4.2 劳龙虎水道一级护岸高程的确定劳龙虎水道位于西江流域下游, 全长 15.5 km, 按三级航道标准整治, 设计最低通航水位为 -0.94m, 最高通航水位为 2.81m, 常水位为 0.94 m, 重现期为 1.5 年的洪水对应的水位为 1.68m. 劳龙虎水道一级护岸为斜坡式抛石护岸 ( 抛石厚度 700mm, 坡比 1 3), 二级护岸采用斜坡式干砌块石护岸 ( 块石厚度 500mm, 坡比 1 2), 一级护岸平台 ( 宽约 6m) 扦插芦苇 ( 见图 3) 造价分析按广东省物价, 工程造价预算每延米抛石护岸单位高度造价为 285 元 /m, 每延米干砌块石护岸单位高度造价为 145 元 /m, 一级平台扦插芦苇费用为 3.5 元 /m 2, 即 p 1 =285 元 /m,p 2 =145 元 /m, c=21 元 /m. 劳龙虎水道设计要求 :h 1 =-5.0m, h 2 =3.80m. 根据式 (1) 有 C=140h+1991 (16) 综合效益分析 1) 生态效益芦苇群落生态美观, 消波作用明显, 对岸坡起保护作用. 当地芦苇株高约 1.5m, 处于 0~2/3 株高这一水深能正常生长繁殖, 当水深超过 2/3 株高时 ( 累计历时 56d, 约占全年 15.3%), 芦苇生长受到抑制, 一旦水深减小, 芦苇可迅速复苏. 根据式 (2), 劳龙虎水道护岸的生态性高程为

5 第 3 期陈一梅, 等 : 复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法 569 图 3 劳龙虎水道护岸结构图 ( 单位 :m) H s =h 15.3% h 5 (17) 式中,h 15.3% 为劳龙虎水道保证率 15.3% 的水位, 为 2.4m;h 5 为芦苇株高, 取 1.5m. 故劳龙虎水道护岸的生态性高程 H s =1.40m. 劳龙虎水道原生态性较好, 该护岸工程对原生态影响小, 依据哈弗斯密特的研究成果, 经计算得 k 1 =11.5 元 /m 2, 则每延米护岸的生态效益为 B 1 = 1.7h h h 1.4 { -1.7h h h 3. 8 (18) 2) 观赏文化效益劳龙虎水道水面开阔水流较急, 结合对附近居民的走访调查, 取 Δh 2 =0.5 m. 根据式 (3) 可得 H g =1.44m. 根据劳龙虎水道的自然景观, 采用哈弗斯密特研究成果的国内折算价值, 取 k 2 =44.5 元 /m 2, 则每延米护岸的观赏文化效益为 B 2 = 6.4h h h 1.44 { -6.4h h h 3. 8 (19) 3) 供水效益劳龙虎水道沿线多为鱼塘与苗圃, 供水效益明显. 采用哈弗斯密特研究成果的国内折算价值, 取 k 3 =46.1 元 /m 2, 则根据式 (7) 每延米护岸的供水效益为 B 3 =46.1 [3.16 (h+5) (3.8-h)] B 3 =42.4h (20) 4) 防洪效益劳龙虎水道护岸防洪压力较大, 防洪效益较好. 采用哈弗斯密特关于湿地防洪效益的国内折算价值, 取 k 4 =13.2 元 /m 2, 则根据式 (8) 每延米护岸的防洪效益为 B 4 =13.2 [3.16 (h+5) (3.8-h)] B 4 =12.1h (21) 综上可得, 劳龙虎水道每延米护岸的综合效益为 { 8.1h h h 1.4 B= 4.7h h h h h h 3. 8 (22) 一级护岸平台高程确定根据水文分析, 劳龙虎水道第二造床流量所对应的水位高程为 1.68m, 由式 (4) 得 h =1.68m. 利用式 (22) 绘制出图 4, 求得 (B-C) max 条件下 h=1.44m. 图 4 劳龙虎水道护岸关于一级平台高程的费用和综合效益曲线综合考虑效益费用和河床断面形态稳定性, 取两者的平均值 1.56m 作为劳龙虎水道复式断面一级护岸平台高程. 5 结语本文建立的关于一级护岸平台高程的效益费用模型, 可计算护岸最大绝对效益条件下的一级平台高程. 根据河床断面形态理论, 第二造床流量下的边滩高程可用作河床断面形态稳定要求下的一级护岸平台高程. 综合运用效益费用法以及河床

6 570 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 42 卷断面形态法, 最终确定复式断面河道一级护岸平台高程. 运用该方法分别计算了刘大线航道劳龙虎水道的一级护岸平台高程, 结果表明该方法较好地考虑了平原河网地区通航河流多目标的需求, 具有可操作性和实用价值. 参考文献 (References) [1] 赵进勇, 孙东亚, 董哲仁. 河流地貌多样性修复方法 [J]. 水利水电技术,2007,38(2): ZhaoJinyong,SunDongya,DongZheren.Techniques fortherestorationofrivergeomorphologydiversity[j]. WaterResourcesandHydropowerEngineering,2007, 38(2):78 83.(inChinese) [2] 朱三华, 黎开志, 刘飞. 生态堤防设计 [J]. 中国农村水利水电,2005(6): ZhuSanhua,LiKaizhi,LiuFei.Thedesignofecology embankment[j].chinaruralwaterandhydropower, 2005(6):76 77.(inChinese) [3] 路毅, 董艳桐, 李庆军. 园林水景生态型护岸设计研究 [J]. 北方园艺,2008(5): LuYi,DongYantong,LiQingjun.Thedesignand studyofthelandscapewaterscapeecotypicretainingwal [J].NorthernHorticulture,2008(5): (in Chinese) [4] JainV,TandonSK.Conceptualasesmentof(dis) connectivityanditsapplicationtothegangariverdis persalsystem[j].geomorphology,2010,118(3/4): [5]HemphilRW,BramleyM E. 河渠护岸工程 : 方案选择及设计导则 [M]. 蔡雯, 等译. 北京 : 中国水利水电出版社,2000:84. [6]BrookesA.Riverchannelrestoration:theoryandprac tice[c]//changingriverchannels.chichester,uk: JohnWileyandSons,1995: [7] 邵学军, 王光谦. 黄河上游水能开发对下游水量及河道演变影响初析 [J]. 水力发电学报,2002(1): ShaoXuejun,WangGuangqian.Theimpactofupper Yelow Riverhydropowerdevelopmentondownstream fluvialproceses[j].journalofhydroelectricengi neering,2002(1): (inChinese) [8] ShiRuihua,XuShiguo,LiXuguang.Asesmentand prioritizationofeco revetmentprojectsinurbanrivers [J].RiverResApplic,2009,25(8): [9] 余广明. 运河中的船行波 [J]. 水利学报,1963(6): YuGuangming.Shipwaveinthecanal[J].Journalof HydraulicEngineering,1963(6):20.(inChinese) [10] 钱宁, 张仁, 周志德. 河床演变学 [M]. 北京 : 科学出版社,1987:345. 哈弗斯密特. 环境自然系统和发展 [M]. 过孝民, 等译. 北京 : 烃加工出版社,1988: [12] 李红丽, 智颖飙, 雷光春, 等. 不同水位梯度下克隆植物大米草的生长繁殖特性和生物量分配格局 [J]. 生态学报,2009,29(7): LiHongli,ZhiYingbiao,LeiGuangchun,etal.Plant growth,reproductioncharactersandbiomasalocation inresponsetowaterlevelgradientintheclonalplant Spartinaanglica[J].ActaEcologicaSinica,2009,29 (7): (inChinese)