老海壩河段拋石護岸工程對河道演變的影響評價

王茂枚， 高云云， 曾 瑞， 魯程鵬， 趙 鋼

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017； 2.安吉縣水利局， 浙江 湖州 313300；3.長江水利委員會長江下游水文水資源勘測局， 江蘇 南京 210011； 4.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

長江中下游河段受其自然特性及上游水沙條件的影響，河床和洲灘擺動性較大，岸線沖淤變化也較為頻繁，崩岸現(xiàn)象時常發(fā)生[1]。據(jù)有關(guān)資料，自20世紀90年代以來，長江中下游河道已發(fā)生數(shù)百起崩岸現(xiàn)象，最嚴重時一年內(nèi)發(fā)生數(shù)十起，崩岸段岸線長度占比達35.7%。在1998年大洪水的警示作用下，長江下游實施了大量河道整治工程，大大減少了崩岸現(xiàn)象的發(fā)生，大幅度提高了江岸的抗洪能力，但部分河段仍時常發(fā)生[2]。崩岸現(xiàn)象的危害難以估量，岸線的整治和維護對河勢的穩(wěn)定起著重大作用。此外，長江下游地區(qū)屬長三角經(jīng)濟帶，為全國重要的經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，飛速發(fā)展的經(jīng)濟對防洪、航運等提出了更高的要求，因此長江下游的岸線穩(wěn)定和河勢控制勢在必行。

目前，適應(yīng)性強、費用低、施工難度低及可多次分批施工的水下拋石護岸工程，在長江下游護岸和河道整治工程中得到大量的應(yīng)用[3]。但拋石護岸工程一般工程量和投資額較大，且用于拋石護岸的塊石極易流失甚至崩塌。隨著多波束探測技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取難度降低，這為研究河床沖淤提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，許多學(xué)者以此對研究區(qū)進行了沖淤演變分析，為河道的治理提供了理論依據(jù)[4-5]。此外，三維水沙數(shù)值模擬發(fā)展至今，在精度、效率等方面均得到大幅度提高，具有廣泛的應(yīng)用價值[6-7]。姜果等根據(jù)河段內(nèi)水文資料及河道地形資料，通過建立二維水沙數(shù)值模型分析了拋石前后水動力特性的變化，為研究拋石護岸工程的效果提供了新的思路[8]。本文基于水沙三維數(shù)值模型，篩選拋石護岸工程對河道演變的影響因素，通過建立相應(yīng)的綜合評價指標體系，計算指標權(quán)重并分析評價不同工程對河道演變的影響程度，結(jié)合具體工程進行河道演變的影響成因分析。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究河段位于長江三角洲城市群，處于長江潮流界變動區(qū)內(nèi)，每日兩漲兩落。其徑流泥沙資料參考大通站實測資料，近年來年平均輸水量為7 930×108m3，年均輸沙量為1×108t。該河段江面寬闊，寬度達10 km，河段內(nèi)洲灘暗沙居多，使得河床對水流約束的邊界條件較寬，水流動蕩，岸線沖淤反復(fù)。近年來該河段在節(jié)點綜合整治工程下，河勢的變化基本得到控制，但如皋中汊分流比長期在30%左右，落潮流頂沖瀏海沙水道九龍港一帶，導(dǎo)致河段河底高程達-65 m，嚴重威脅著岸線的穩(wěn)定。為此，對瀏海沙水道老海壩河段一干河—九龍港—十一圩河段進行拋石加固，目前工程已完工(位置如圖1所示)，該工程的實施緩解了水流的頂沖作用，對岸線的穩(wěn)定起著重要的作用。

圖1 拋石區(qū)位置示意圖

1.2 三維水沙數(shù)值模型的建立

根據(jù)張家港市水利局提供的水位泥沙資料，采用MIKE 3對澄通河段江陰鵝鼻嘴至常熟徐六涇建立水沙數(shù)值模型，選取2014年7月26日至8月2日(工程前)和2015年8月11日至8月17日(工程后)這2個時段對模型參數(shù)進行率定及驗證，其中模型的網(wǎng)格劃分、邊界控制條件、涉水工程概化方法、參數(shù)率定和驗證參考相關(guān)規(guī)程并嚴格按照標準進行模型的建立和驗證[9]。工程實施前和實施后的模型驗證結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)程，因此工程前的數(shù)值模型可將拋石護岸工程進行概化，從而提取拋石護岸工程實施前后水流和泥沙特性的變化并進行分析。

1.3 河道演變影響綜合評價模型

1.3.1 基本理論

河道演變影響評價可以簡單理解為一些涉河工程對河流及河勢演變的影響進行定量評價。目前，大江大河上有各種工程，包括跨河大橋、圍堤、采砂、拋石等，許多學(xué)者針對某一工程對河勢或河床的影響進行詳細評價，但普遍缺乏對河道演變的影響進行綜合評價[10-11]。影響河道演變的主要因素可概括為進口邊界條件、河床周界條件、出口邊界條件。這3個因素有主有次且互相制約、相互聯(lián)系，但上游來水來沙條件是最主要的條件，因為其集中反映了河流作為輸水輸沙通道而存在的必要條件，而且其影響了另外2個條件的連鎖變化。盡管影響河道演變的原因有很多，但從根本上來講河段內(nèi)輸沙不平衡是引起河道演變的根本原因。綜上所述，確定河勢演變影響評價主要包括水動力特性、泥沙特性和河床沖淤變化。

1.3.2 評價指標體系

根據(jù)研究區(qū)實際情況以及數(shù)據(jù)的可獲取性，本著與代表性與全面性相結(jié)合，可操作性，現(xiàn)狀與趨勢相結(jié)合的原則，以河道演變規(guī)律為理論基礎(chǔ)，將老海壩河段拋石工程對河道演變的影響作為主要評價內(nèi)容，提取水位、流速、懸移質(zhì)泥沙含量、沖淤變化等指標建立河道演變影響綜合評價指標體系，見圖2。

圖2 評價指標體系

1.3.3 綜合評價模型

根據(jù)已確定的河道演變影響綜合評價指標體系，從已建立的三維水沙數(shù)值模型中提取各個指標并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一化處理。由于主成分分析法在為多個指標和變量確定權(quán)重方面具有廣泛的應(yīng)用性[12]，因此運用SPSS軟件的主成分分析法確定各個指標的權(quán)重。最后，通過引入河道演變影響綜合評價系數(shù)建立河道演變影響綜合評價模型[13]。其模型公式如下：

(1)

式中：i=1，2，……，6，代表第1至第6個評價指標；Pi為第i個評價指標歸一化后的值；Wi為第i個評價指標的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 工程方案設(shè)計

為分析不同工程對河道演變的影響程度，需要將拋石護岸工程的特性概化入模型中。但由于數(shù)值模型的局限性，工程的全部特性不可能全部概化，需根據(jù)實際情況選擇既能反映工程的實際施工效果又能在模型中得以體現(xiàn)的因素進行概化。在實際施工過程中，往往是一些河勢急劇的河段，拋入水下的石頭不可能完全按照預(yù)先設(shè)計的路徑在設(shè)計的位置落下，存在著各種各樣的不確定性，拋石增厚值呈正態(tài)分布[14]。此外，不同河段不同河勢下的設(shè)計拋石增厚值也不盡相同。這2個因素在MIKE 3數(shù)值模型中均可進行概化，因此可根據(jù)增厚值的隨機分布情況及拋石增厚值來進行工程方案的設(shè)計。其中，拋石增厚值的隨機分布情況采用空間分布不均勻度指數(shù)進行區(qū)分，指數(shù)越大意味著增厚值的分布越不規(guī)則[15]。工程方案1～6的具體情況見表1。

表1 施工區(qū)模擬地形方案

2.2 評價因子權(quán)重的確定

將表1中拋石護岸工程方案在MIKE 3數(shù)值模型中分別進行概化，并提取各工程方案的指標值。為使不同工程方案的評價指標處于同一尺度和標準下，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，并運用主成分分析法確定各個指標的權(quán)重，如表2所示。

由表2可知，沖淤變化(X5)在所有因素中所占權(quán)重最小，平均權(quán)重僅11.6%；表層流速(X4)的平均權(quán)重在所有因素中最大，為22.6%；中層流速(X3)的平均權(quán)重處于次要位置的原因為方案4中該指標值較小，拉低了整體的平均值。除方案4外，中層流速(X3)和表層流速(X4)的指標權(quán)重均占據(jù)最重要或者次重要位置，其平均權(quán)重值也較大，因此這兩個指標對最終結(jié)果的影響較大，是進行河道演變影響評價的重要因素。水位(X1)和懸沙濃度(X4)的平均權(quán)重的大小處于中間位置，在各個方案中的權(quán)重也較大，因此水位和懸沙濃度是進行河道演變影響評價的次要因素。底層流速(X2)和沖淤變化(X6)在各個方案中所占的權(quán)重和平均權(quán)重較小，對河道演變影響評價的結(jié)果影響較小。根據(jù)河道演變的基本理論，上游來水來沙條件是影響河道演變的主要因素，據(jù)此推斷流速和懸沙濃度對河道演變的影響較大，和上述權(quán)重分析結(jié)果保持一致，因此各個方案的權(quán)重計算結(jié)果可信度較高，可用于河道演變影響評價。

表2 方案1～6中河道演變影響綜合評價指標權(quán)重系數(shù)

2.3 河道演變影響成因分析

2.3.1 影響分析

根據(jù)表2可計算不同工程方案下，不同位置的河道演變影響綜合評價系數(shù)見圖3。其中，河道演變影響綜合評價系數(shù)愈大，意味著其對該區(qū)域的水動力泥沙特性的影響愈大?？梢钥闯?，不同工程方案下的河道演變影響程度和分布狀況呈現(xiàn)較大的差異，部分工程方案的影響程度及范圍較小，而其他工程方案的影響程度大且范圍廣，這些都與不同的工程實施方案有關(guān)。工程方案1的影響主要集中在工程區(qū)；工程方案2中，工程區(qū)附近的指數(shù)值較小，反而離工程區(qū)較遠的通州沙水道、如皋左汊指數(shù)值較大；工程方案3的影響分布大小、范圍和工程方案2一致；工程方案4中，其影響分布在整個模擬區(qū)域且影響偏??；工程方案5和方案6的影響分布較為均勻且方案6的影響大于方案5。工程方案1～4的指數(shù)分布較不均勻，方案5～6的影響則分布均勻；工程方案1～4中，工程區(qū)附近的指數(shù)分布均勻程度和其施工后的增厚值的不均勻度呈明顯的相關(guān)關(guān)系。

2.3.2 成因分析

為綜合分析工程方案對河道演變的影響，將模擬區(qū)域分為幾個不同的區(qū)域并詳細分析，區(qū)域的劃分如圖4所示。工程方案1～6中各個分區(qū)的綜合評價系數(shù)分布箱式圖如圖5所示。由圖可知：工程區(qū)的系數(shù)值隨拋石區(qū)不均勻度指數(shù)呈明顯的減小趨勢，隨拋石增厚值的增加而增加；其他3個區(qū)域的系數(shù)值隨不均勻度指數(shù)的減小而呈先增加后減小的明顯變化，隨拋石增厚值的增加而增加，其中如皋左汊的變化最為明顯；當不均勻度指數(shù)處于一定范圍內(nèi)，工程對如皋左汊的影響遠大于對其他區(qū)域的影響。從以上分析可知，拋石增厚值的分布愈均勻，其對工程區(qū)的影響愈小，拋石厚度越大則對河道演變的影響也越大。

3 結(jié) 論

長江下游老海壩河段岸線整治工程對長江下游河勢和岸線的穩(wěn)定起著重要的作用。本文依托三維水沙數(shù)學(xué)模型建立了河道演變影響綜合評價模型，分析不同工程設(shè)計方案對河道演變產(chǎn)生的影響并進行成因分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過主成分分析法對反映河道演變的因子進行分析，得到了影響河道演變評價的主要因素(中層流速、表層流速)和次要因素(水位、懸沙濃度)以及可忽略因素(底層流速、沖淤變化)。

圖3 工程方案1-6河道演變影響綜合評價系數(shù)分布

圖4 工程區(qū)域的劃分

圖5 方案1～6中不同分區(qū)評價系數(shù)箱式圖

(2)當設(shè)計工程方案中拋石區(qū)增厚值分布不均勻時，其對工程區(qū)的影響隨不均勻度的減小而減小，對如皋左汊、瀏海沙水道、如皋中汊的影響呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中如皋左汊最為顯著；而當設(shè)計工程方案的增厚值為固定值時，對河道演變的影響分布在整個模擬區(qū)域，且隨著增厚值的增大而增大。因此，增厚值分布的不均勻度和厚度是影響河道演變的重要因素。