復式斷面河道一級護岸平臺高程的確定方法

陳一梅 馬 駿

(東南大學交通學院，南京210096)

在內(nèi)河航道整治中采用不同的斷面型式將對水陸交錯帶的水陸雙重特征和功能產(chǎn)生影響.因此，近天然河道斷面形態(tài)的復式斷面得到廣泛應用，對復式斷面河道一級護岸平臺高程的研究也受到關注.董哲仁等［1］取平灘水位為一級護岸平臺高程，朱三華等［2－3］則取多年平均高潮位或常水位為一級護岸平臺高程;國外Jain 等［4］從河漫灘的角度出發(fā)將一級護岸平臺高程定為5年一遇洪水位，Hemphill 等［5］將夏季平均水位作為一級護岸平臺的高程，Brookes［6］根據(jù)河道的生態(tài)恢復將一級平臺高程設為平灘水位.但是，國內(nèi)外對于復式斷面河道一級護岸高程的確定尚無成熟的理論.本文以復式斷面河道形態(tài)為對象，研究一級護岸平臺高程的確定方法.

1 一級護岸平臺高程確定的影響因素

河流的自然功能包括輸運功能、水源功能、匯水功能、棲息地功能以及天然屏障功能［7］.設計河道斷面形態(tài)和護岸時，除了要考慮經(jīng)濟性與河岸的穩(wěn)定性，還應盡可能保留河流的自然功能.因此，復式斷面河道一級護岸平臺高程的確定需要綜合考慮經(jīng)濟性、生態(tài)性、社會性［8］、河床斷面穩(wěn)定性以及船舶航行等因素.

1.1 經(jīng)濟性因素

這里經(jīng)濟性是指河道護岸的造價.復式斷面河道護岸的經(jīng)濟性與一級護岸和二級護岸的功能分配直接相關.復式斷面河道護岸造價關于一級護岸平臺高程的函數(shù)關系，即費用－高程關系可表示為

式中，C 為復式斷面河道護岸每延米造價;p1為一級護岸每延米單位高度造價;p2為二級護岸每延米單位高度造價;c 為一級護岸平臺每延米造價;h1為護岸基底高程;h2為二級護岸頂高程;h 為一級護岸平臺高程.

1.2 行船因素

船舶航行引起的船行波是對河道邊坡起破壞作用的主要因素之一［9］.船行波對護岸的垂向影響范圍為［h3－Δh，h4+Δh］，其中，h3為最低通航水位;Δh 為船行波波高;h4為最高通航水位.船行波對一級護岸平臺高程的影響主要表現(xiàn)在對第二級護岸結(jié)構(gòu)的選擇，因此對于行船因素的考慮可歸結(jié)為對不同護岸結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的考慮.

1.3 生態(tài)性因素

這里生態(tài)性是指在保證護岸結(jié)構(gòu)強度的同時，使河流最大限度地保留原有生活在其中的各種生物和植物所需的生息環(huán)境.

一級護岸平臺高程處于枯水位與設計高水位之間.這一區(qū)域是水位變化最大的區(qū)域，因其自然空間特征和水陸物質(zhì)能量交流特征成為動植物生存的良好棲息地.因此該高程的確定需要考慮水位變動區(qū)的各級水位歷時對河段動植物生存的影響，據(jù)此可得

式中，Hs為河道護岸的生態(tài)性高程;ht為水位變動區(qū)某一特征水位;Δh1為該區(qū)植物的最大喜水深度或最大耐淹深度(由于兩棲類動物依靠植物生境而居，故Δh1暫不考慮動物因素).

1.4 社會性因素

河道的社會性可歸納為防洪功能、觀賞－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，直接與其過水斷面相關.河道觀賞－文化功能是指河道展示給人們一種舒適、優(yōu)美的環(huán)境.根據(jù)一年中水位變化，綜合考慮洪、枯水期護岸垂向景觀的協(xié)調(diào)性，一級護岸平臺關于觀賞－文化的高程為

式中，Hg為河道護岸最佳觀賞性高程;hc為常水位高程;Δh2為超高.

河道的供水功能是指河道為沿線人民生產(chǎn)、生活提供純凈水源的能力，是其水源功能的集中體現(xiàn).河道的供水效益與護岸一級平臺高程相關，見效益分析.

1.5 河床斷面形態(tài)因素

河床斷面形態(tài)是多年流量過程綜合造床作用的結(jié)果，根據(jù)前人對造床流量的研究，結(jié)合一級護岸平臺高程影響因素分析，本文所研究的復式斷面形態(tài)穩(wěn)定條件下的一級護岸平臺高程可取第二造床流量作用下的邊灘高程，即

式中，h′為河床斷面形態(tài)穩(wěn)定條件下的護岸一級平臺高程;hQn為第二造床流量所對應的水位高程，錢寧等［10］認為第二造床流量可取重現(xiàn)期為1.5年的洪水流量.

2 生態(tài)護岸的效益分析

本文中所指的護岸效益是指修建生態(tài)護岸后河道恢復自然功能產(chǎn)生的效益，即恢復效益.哈弗斯密特［11］利用替代市場法來評價濕地效益，通過公共機構(gòu)為保護濕地而購買濕地所支付的價格推導出對它保護的經(jīng)濟效益，并以此作為濕地的經(jīng)濟效益.這些效益包括生態(tài)效益、觀賞－文化效益、供水效益以及防洪效益等.

1)生態(tài)效益 基于上述思想，通過分析從公共機構(gòu)獲得的3 237 hm2濕地的數(shù)據(jù)，可得出濕地野生生物的價值.把河岸帶看成野生生物生存空間，當其生態(tài)性處于最佳狀態(tài)時，相應的生態(tài)效益記為k1(單位:元/m2).本文認為當一級護岸平臺高程達到Hs時，護岸生態(tài)性處于最佳狀態(tài)，低于或高于這一高程都會降低其生態(tài)效益.因此，護岸的生態(tài)效益可按下式計算:

式中，B1為每延米護岸的生態(tài)效益;為h 對護岸發(fā)揮最佳生態(tài)效益的影響值，當h =Hs時則表示生態(tài)效益的發(fā)揮不受影響，故反應了護岸最佳生態(tài)效益發(fā)揮的程度，若出現(xiàn)負值，則取效益為0;S 為護岸的每延米面積.

2)觀賞－文化效益 通過收集政府購買空地的數(shù)據(jù)，對其進行資本化計算得出濕地觀賞－文化上的價值.本文認為當一級護岸平臺高程達到Hg時，護岸在觀賞－文化上的效益達到最大，記為k2，低于或高于這一高程都會降低其觀賞－文化效益，可表示為

式中，B2為每延米護岸的觀賞－文化效益;為h 對護岸發(fā)揮最佳觀賞－文化效益的影響值，當h=Hg時則表示該效益的發(fā)揮不受影響，故1－反應了護岸最佳觀賞－文化效益發(fā)揮的程度，若出現(xiàn)負值，則取效益為0.

3)供水效益 比較從濕地取水成本與從其他最經(jīng)濟的、可能得到的替代水源取水的成本，以兩者的差值作為供水效益的資本化價值.設護岸的單位供水效益為k3，則

式中，B3為每延米護岸的供水效益.

4)防洪效益 以采用防洪措施后避免的經(jīng)濟損失作為防洪效益.設護岸的單位防洪效益為k4，則

式中，B4為每延米護岸的防洪效益.

對于k1，k2，k3，k4的取值，需要獲知政府或其他公共機構(gòu)為保護濕地而支付的土地價格，這在國內(nèi)尚難做到.因此，本文利用美國學者哈弗斯密特［11］的計算成果按當時匯率換算為國內(nèi)價值，并扣除通貨膨脹率的影響，所得結(jié)果作為確定國內(nèi)河流濕地效益的依據(jù).

3 一級護岸平臺高程確定方法

綜上所述，滿足多目標的一級護岸平臺高程的計算步驟如下:

①利用式(4)計算滿足河床斷面形態(tài)穩(wěn)定性要求的一級護岸平臺高程.

②利用效益－費用模式(B－C，其中B 為收益，C 為成本)，計算最佳效益條件下的一級護岸平臺高程.這里成本按費用－高程關系式(1)來計算，效益按效益－高程關系式(5)～(8)計算.

③當上述2 種方法確定的高程相近時取兩者的算術平均值作為一級護岸平臺高程;當上述2 種方法確定的高程相差較大時，建議視具體河流條件和當?shù)氐慕?jīng)濟情況分析確定一級護岸平臺高程.

4 實例計算

4.1 劉大線航道一級護岸高程的確定

劉大線航道地處鹽城大豐市境內(nèi)，全長55.69 km.全線按四級航道標準進行整治，設計最低通航水位為0.70 m，最高通航水位為2.68 m，常水位為1.0 m.

劉大線航道一級護岸采用直立式杉木樁護岸，二級護岸采用斜坡式三維土工網(wǎng)植物護岸，一級護岸平臺(寬約4 m)種植當?shù)卮竺撞?見圖1).

4.1.1 造價分析

該護岸工程每延米杉木樁護岸單位高度造價為360 元/m，每延米三維土工網(wǎng)植物護岸單位高度造價為45 元/m，種植大米草的單價為3 元/m2.航道設計要求:h1=0.8 m，h2=3.0 m.由式(1)得

圖1 劉大線航道護岸結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

4.1.2 綜合效益

1)生態(tài)效益 劉大線航道所用大米草，植株高為1 m 左右，當植株高度1/3 在水中時，其生長較旺［12］.劉大線航道常水位與枯水位之間水位差為0.3 m，特征水位取常水位，這樣一年中至少有半年時間大米草處于最佳生長狀態(tài)，有利于移栽初期大米草的存活.因此，按式(2)計算得劉大線航道護岸的生態(tài)性高程為

將哈弗斯密特［11］的研究成果折算為國內(nèi)價格得出k1=23 元/m2，根據(jù)式(5)計算劉大線護岸的生態(tài)效益，則每延米護岸的生態(tài)效益為

2)觀賞－文化效益 劉大線航道常年水位變幅較小、水流平穩(wěn)，結(jié)合對附近居民的調(diào)查結(jié)果，這里取Δh2=0.2 m，根據(jù)式(3)可得Hg=1.2 m.

劉大線航道觀賞－文化效益較為顯著，結(jié)合哈弗斯密特［11］的研究成果，這里取k2=89 元/m2.則每延米護岸的觀賞－文化效益為

3)供水效益 劉大線航道沿線多為荒地，臨河企業(yè)很少，航道沿線需水較少.根據(jù)劉大線航道實際情況，結(jié)合哈弗斯密特［11］的研究成果，這里取k3=23.1 元/m2，則每延米護岸的供水效益為

化簡得

4)防洪效益 依據(jù)哈弗斯密特［11］關于濕地防洪效益的研究，并結(jié)合本區(qū)的防洪壓力，這里取k4=6.6 元/m2，則每延米護岸的防洪效益為

化簡得

綜上可得，劉大線航道每延米護岸的綜合效益為

式中，B 為每延米護岸的綜合效益.

4.1.3 一級護岸平臺高程的確定

醫(yī)生落實知情同意制度不到位， 自費項目無“知情同意”。有些醫(yī)生沒有按照醫(yī)保政策執(zhí)行自費項目知情確認制度，全自費的藥品、醫(yī)療材料、檢查、治療項目，沒有跟患者或家屬溝通征得其同意并簽字，沒能確?；颊摺爸橥狻?。究其原因，醫(yī)生專注于疾病本身的診治，對醫(yī)保政策不重視，忽視了費用方面的“知情同意”及“自費告知”，或不了解自費項目內(nèi)容而忽略。導致患者醫(yī)保結(jié)算時對費用不滿，是患者投訴的主要因素。

根據(jù)水文分析，劉大線航道第二造床流量所對應的水位高程為1.1 m，由式(4)得h′ =1.1 m.

利用式(15)繪制出圖2，求得(B－C)max條件下h=0.7 m.

圖2 劉大線航道護岸關于一級平臺高程的費用和綜合效益曲線

綜合考慮效益－費用和河床斷面形態(tài)的穩(wěn)定性，取兩者的平均值0.9 m 作為劉大線航道復式斷面一級護岸平臺高程.

4.2 勞龍虎水道一級護岸高程的確定

勞龍虎水道位于西江流域下游，全長15.5 km，按三級航道標準整治，設計最低通航水位為－0.94 m，最高通航水位為2.81 m，常水位為0.94 m，重現(xiàn)期為1.5年的洪水對應的水位為1.68 m.

勞龍虎水道一級護岸為斜坡式拋石護岸(拋石厚度700 mm，坡比1∶3)，二級護岸采用斜坡式干砌塊石護岸(塊石厚度500 mm，坡比1∶2)，一級護岸平臺(寬約6 m)扦插蘆葦(見圖3).

4.2.1 造價分析

按廣東省物價，工程造價預算每延米拋石護岸單位高度造價為285 元/m，每延米干砌塊石護岸單位高度造價為145 元/m，一級平臺扦插蘆葦費用為3.5 元/m2，即p1=285 元/m，p2=145 元/m，c =21 元/m.勞龍虎水道設計要求:h1=－5.0 m，h2=3.80 m.根據(jù)式(1)有

4.2.2 綜合效益分析

1)生態(tài)效益 蘆葦群落生態(tài)美觀，消波作用明顯，對岸坡起保護作用.當?shù)靥J葦株高約1.5 m，處于0～2/3 株高這一水深能正常生長繁殖，當水深超過2/3 株高時(累計歷時56 d，約占全年15.3%)，蘆葦生長受到抑制，一旦水深減小，蘆葦可迅速復蘇.

根據(jù)式(2)，勞龍虎水道護岸的生態(tài)性高程為

圖3 勞龍虎水道護岸結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

式中，h15.3%為勞龍虎水道保證率15.3%的水位，為2.4 m;h5為蘆葦株高，取1.5 m.故勞龍虎水道護岸的生態(tài)性高程Hs=1.40 m.

勞龍虎水道原生態(tài)性較好，該護岸工程對原生態(tài)影響小，依據(jù)哈弗斯密特［11］的研究成果，經(jīng)計算得k1=11.5 元/m2，則每延米護岸的生態(tài)效益為

2)觀賞－文化效益 勞龍虎水道水面開闊、水流較急，結(jié)合對附近居民的走訪調(diào)查，取Δh2=0.5 m.根據(jù)式(3)可得Hg=1.44 m.

根據(jù)勞龍虎水道的自然景觀，采用哈弗斯密特［11］研究成果的國內(nèi)折算價值，取k2= 44.5元/m2，則每延米護岸的觀賞－文化效益為

3)供水效益 勞龍虎水道沿線多為魚塘與苗圃，供水效益明顯.采用哈弗斯密特［11］研究成果的國內(nèi)折算價值，取k3=46.1 元/m2，則根據(jù)式(7)每延米護岸的供水效益為

化簡得

4)防洪效益 勞龍虎水道護岸防洪壓力較大，防洪效益較好.采用哈弗斯密特［11］關于濕地防洪效益的國內(nèi)折算價值，取k4=13.2 元/m2，則根據(jù)式(8)每延米護岸的防洪效益為

化簡得

綜上可得，勞龍虎水道每延米護岸的綜合效益為

4.2.3 一級護岸平臺高程確定

根據(jù)水文分析，勞龍虎水道第二造床流量所對應的水位高程為1.68 m，由式(4)得h′ =1.68 m.

利用式(22)繪制出圖4，求得(B－C)max條件下h=1.44 m.

圖4 勞龍虎水道護岸關于一級平臺高程的費用和綜合效益曲線

綜合考慮效益－費用和河床斷面形態(tài)穩(wěn)定性，取兩者的平均值1.56 m 作為勞龍虎水道復式斷面一級護岸平臺高程.

5 結(jié)語

本文建立的關于一級護岸平臺高程的效益－費用模型，可計算護岸最大絕對效益條件下的一級平臺高程.根據(jù)河床斷面形態(tài)理論，第二造床流量下的邊灘高程可用作河床斷面形態(tài)穩(wěn)定要求下的一級護岸平臺高程.綜合運用效益－費用法以及河床斷面形態(tài)法，最終確定復式斷面河道一級護岸平臺高程.運用該方法分別計算了劉大線航道、勞龍虎水道的一級護岸平臺高程，結(jié)果表明該方法較好地考慮了平原河網(wǎng)地區(qū)通航河流多目標的需求，具有可操作性和實用價值.

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