長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及應(yīng)用

李 強(qiáng)，王 乃 茹，曹 雙，陳 槐，羅 紅 雨，范 紅 霞

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210011； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

長(zhǎng)江中下游干流河道為沖積平原河流，河岸邊界在水流長(zhǎng)期的沖刷作用下，崩岸現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。河岸崩退不僅危及河勢(shì)穩(wěn)定，還可能嚴(yán)重影響防洪、航運(yùn)、涉水建筑物安全及岸線保護(hù)利用。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，“清水下泄”引起壩下河段沖刷加劇，局部河段崩岸頻率和強(qiáng)度明顯增大[1]，2013年以來(lái)長(zhǎng)江中下游干流河道累計(jì)發(fā)生崩岸900多處，岸線長(zhǎng)達(dá)700 km[2]。在崩岸發(fā)生前對(duì)岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析和綜合評(píng)估十分必要。

影響岸灘穩(wěn)定性的因素眾多，各因素相互作用下崩岸形成的機(jī)理也十分復(fù)雜[3]。為此，許多學(xué)者就岸灘穩(wěn)定性計(jì)算分析、崩岸機(jī)理及過程和影響因素方面開展了大量研究[4-7]，但在岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面進(jìn)行的研究相對(duì)較少。隨著數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，學(xué)者們開始注重對(duì)岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，比較常用的評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法[8]、模糊綜合評(píng)判法[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法[10]、專家評(píng)分法[11]等，采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要隸屬于地質(zhì)邊界條件、水動(dòng)力條件、人類活動(dòng)等方面。學(xué)者們往往從中選取一至兩類因素，借助評(píng)價(jià)模型對(duì)岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。如李鵬岳等[12]選取地形、地層巖性等地質(zhì)因素指標(biāo)，構(gòu)建了基于改進(jìn)層次分析法與可拓理論相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。王延貴等[13]從岸坡形態(tài)、土壤特性和水流條件出發(fā)，建立了河流岸灘崩塌影響因子的層次結(jié)構(gòu)模型，并基于模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)造岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)洪水期和枯水期岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但未給出河岸穩(wěn)定性判別的臨界值。王坤[14]綜合考慮水力學(xué)、土力學(xué)因素對(duì)崩岸的共同作用，應(yīng)用模糊決策理論形成的模糊一致矩陣對(duì)長(zhǎng)江石首河段崩岸危險(xiǎn)程度進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，以綜合決策優(yōu)度值的形式表征了河段崩岸的危險(xiǎn)程度。除地質(zhì)、水動(dòng)力等自然因素外，俎全磊等[15]進(jìn)一步考慮了堤防工程、采砂等人為因素的影響，通過對(duì)宜都市長(zhǎng)江與清江岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)指出，影響土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性的最重要因素為堤防工程，但該項(xiàng)研究?jī)H停留在定性分析，評(píng)價(jià)結(jié)果精度不高?？梢园l(fā)現(xiàn)，已有成果多停留在各因素相對(duì)孤立的狀態(tài)，較少考慮并量化各因素之間的相互作用，綜合各影響因素的定量評(píng)估成果及實(shí)例應(yīng)用尚不多見。

針對(duì)以上情況，在分析長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，建立長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以揚(yáng)中河段太平洲環(huán)島岸線為例，利用層次分析法與該體系進(jìn)行綜合賦分評(píng)價(jià)。具體實(shí)施步驟為：首先構(gòu)建岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)模型，并建立判斷矩陣推求各指標(biāo)的影響權(quán)重；進(jìn)而給出指標(biāo)的分級(jí)閾值與賦分標(biāo)準(zhǔn)；依據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算岸灘穩(wěn)定性綜合得分與分級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)島不同河段岸灘穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)。該方法可以幫助崩岸管理部門更全面、準(zhǔn)確地掌握岸灘穩(wěn)定性真實(shí)狀況，為崩岸預(yù)警提供有效的定量分析工具。

1 長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

影響長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定，導(dǎo)致崩岸的因素主要分為自然因素和人為因素兩大類，其中自然因素主要包括河岸邊界條件、河流水動(dòng)力條件、河勢(shì)條件3方面；人為因素主要指河道整治工程、采砂、植被破壞等人類活動(dòng)。許多學(xué)者認(rèn)為，沖刷是造成崩岸的主要外因，其他因素都是通過改變河岸邊界條件和水流動(dòng)力條件間接影響岸灘穩(wěn)定性[16-17]。

1.1 岸灘穩(wěn)定性影響因素分析

1.1.1河岸邊界條件

河岸邊界條件是崩岸形成的主要內(nèi)在因素，包括邊界地質(zhì)與地形因素。岸坡土體結(jié)構(gòu)決定著崩岸的發(fā)生、速率和分布，岸坡形態(tài)通過影響岸坡土體受力狀態(tài)進(jìn)而影響崩岸的發(fā)生[18]。長(zhǎng)江中下游多處崩岸段岸坡具有二元土體結(jié)構(gòu)[4]，上層以河漫灘相的粉粒居多，下層為河床相的細(xì)中砂，厚度可達(dá)50～60 m，抗沖性差，坡腳易受水流沖刷形成陡岸高坡。崩岸段往往為高大陡坡，如長(zhǎng)江中游荊江段黃水套[18]、長(zhǎng)江下游揚(yáng)中段二墩港等處的岸坡坡比在1∶1.5～1∶2.0之間，坡高在10～20 m之間[19]，由粒徑0.2 mm左右細(xì)砂組成的岸坡極限穩(wěn)定坡比僅為1∶1.8左右，上述岸坡極易失穩(wěn)形成崩岸。

1.1.2河流動(dòng)力條件

河流動(dòng)力條件是影響岸灘穩(wěn)定性最重要的外因，主要包括近岸水動(dòng)力條件、河道水位變化和副流作用[18]。深泓貼岸處近岸單寬流量大，易造成局部沖刷，當(dāng)近岸流速超過坡腳土體泥沙臨界抗沖流速，則可能出現(xiàn)侵蝕，導(dǎo)致局部深槽鍥入、岸坡水下坡度變陡，坡比和坡高超過穩(wěn)定極限值后岸坡崩塌[16]。河道水位變化會(huì)通過滲流過程引起岸坡土體內(nèi)部水位變化，導(dǎo)致岸坡土體力學(xué)特性改變，從而影響岸坡穩(wěn)定性[20]。河道縱向水流形成的貼岸頂沖、環(huán)流、回流等副流作用使近岸水流切應(yīng)力增大，導(dǎo)致對(duì)坡腳淘刷作用增強(qiáng)，降低了岸坡穩(wěn)定性。

1.1.3河勢(shì)條件

河勢(shì)條件包括河勢(shì)形態(tài)與河勢(shì)演變特性，前者代表河段所處的宏觀河勢(shì)環(huán)境，后者可用來(lái)判斷影響岸灘穩(wěn)定性的外在環(huán)境是否轉(zhuǎn)好、轉(zhuǎn)壞或保持相對(duì)平衡。河勢(shì)形態(tài)決定了岸坡沖淤的性質(zhì)，一般順直或微彎的單一或雙分汊岸線比較穩(wěn)定，而河流彎道凹岸、汊道分流和匯流處主流易貼岸形成強(qiáng)烈沖刷，長(zhǎng)江中下游大多數(shù)崩岸均發(fā)生在此類岸段上[18]。局部河段河勢(shì)的演變可改變上、下游河段深泓走向，水流頂沖點(diǎn)上提或下移、水流頂沖位置的改變等將導(dǎo)致原有護(hù)岸薄弱段發(fā)生崩岸險(xiǎn)情。

1.1.4人類活動(dòng)

人類活動(dòng)主要通過影響河岸邊界條件和河流動(dòng)力條件來(lái)間接影響岸灘穩(wěn)定性[21]，主要包括涉水工程、采砂和植被破壞等。其中護(hù)岸工程及良好的岸坡植被是提高土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性的重要因素，護(hù)岸工程使被保護(hù)岸段減少或免受暴雨洪水、水位漲落等自然力對(duì)土質(zhì)岸坡的侵蝕破壞，良好的岸坡植被可提高土壤的抗剪強(qiáng)度，并使土壤產(chǎn)生一定的抗拉強(qiáng)度，岸坡上的樹木會(huì)對(duì)岸坡的穩(wěn)定起促進(jìn)作用[18]。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

對(duì)岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的目標(biāo)在于掌握岸灘穩(wěn)定性真實(shí)現(xiàn)狀，因此將岸灘穩(wěn)定性作為目標(biāo)層。崩岸是水流動(dòng)力條件、河岸邊界條件、河勢(shì)條件和人類活動(dòng)等多因素共同作用下形成的，故將河岸邊界條件、河流動(dòng)力條件、河勢(shì)條件、人類活動(dòng)4大類作為準(zhǔn)則層要素。河岸邊界條件包括地質(zhì)因素和地形因素，主要的影響因子有岸坡土體結(jié)構(gòu)、坡比、坡高、坡腳侵蝕度。河流動(dòng)力條件包括主流貼岸距離、近岸流速、水位變化和河岸浸泡時(shí)間4個(gè)影響因子。河勢(shì)條件以河型、河道寬深比2個(gè)因子反映河床的抗侵蝕和淤積能力，用深泓線平面擺幅、岸線平面擺幅、近岸深槽平面位移和刷深4個(gè)因子表現(xiàn)河床實(shí)際的侵蝕、淤積或穩(wěn)定狀況。人為實(shí)施的護(hù)岸工程及良好的植被是提高土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性最重要的因素[21]，對(duì)崩岸發(fā)生起到一定的抑制作用，因此在建立指標(biāo)體系時(shí)人類活動(dòng)主要考慮護(hù)岸工程和植被的作用，分別以護(hù)岸工程措施保障率和河岸帶植被覆蓋度來(lái)表征。以上16個(gè)指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層要素，由此建立長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

表1 長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of beach stability for the middle and lower reaches of Yangtze River

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的應(yīng)用

2.1 基于層次分析法的岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過程

本文利用長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局收集的揚(yáng)中河段實(shí)測(cè)資料，以揚(yáng)中河段太平洲環(huán)島岸線為研究對(duì)象，從長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)中篩選出適宜太平洲環(huán)島的若干指標(biāo)，采用層次分析法對(duì)環(huán)島岸線的岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行賦分評(píng)價(jià)，具體流程如圖1所示。為了將評(píng)價(jià)結(jié)果與已列入揚(yáng)中市崩岸預(yù)警險(xiǎn)工段名錄的岸段分布情況[19]進(jìn)行對(duì)比，沿環(huán)島選取5個(gè)省廳重點(diǎn)險(xiǎn)工段、6個(gè)市轄險(xiǎn)工段和5個(gè)非預(yù)警段3類不同預(yù)警級(jí)別的岸段作為評(píng)估河段。每個(gè)評(píng)估河段按0.5～2.0 km左右不等的長(zhǎng)度劃分為若干監(jiān)測(cè)河段，每個(gè)監(jiān)測(cè)河段內(nèi)以200～400 m 不等的間隔設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，提取各指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 基于層次分析法的太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性綜 合評(píng)價(jià)流程Fig.1 Evaluatim process of Taipingzhou roundabout beach stability based on AHP

2.1.1構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

長(zhǎng)江中下游岸線較長(zhǎng)，河岸邊界條件與水流動(dòng)力條件因地而異，針對(duì)具體河段，影響岸灘穩(wěn)定性造成崩岸的因素會(huì)有所不同，因此對(duì)揚(yáng)中河段太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，可結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，必要時(shí)對(duì)前文所建長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)仍以岸灘穩(wěn)定性作為目標(biāo)，列為目標(biāo)層。2017年11月太平洲指南村二墩港下游發(fā)生了近期長(zhǎng)江下游最大的一次崩岸險(xiǎn)情，主要誘因?yàn)閇22-23]：① 河岸土體為二元結(jié)構(gòu)，下層弱抗沖層厚度遠(yuǎn)大于上部抗沖層厚度，底部掏刷導(dǎo)致上部懸空崩塌；② 局部河勢(shì)調(diào)整，嘶馬彎道頂沖點(diǎn)下移、過渡主流直接頂沖崩岸段，導(dǎo)致近岸深槽持續(xù)沖刷；③ 局部無(wú)護(hù)岸工程；④ 頂沖主流大流量級(jí)天數(shù)增多，大水小沙對(duì)河道造床作用明顯?？梢姶舜伪腊兑彩呛影哆吔鐥l件、河勢(shì)條件、河流動(dòng)力條件和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，因此初步擬定由這4類因素構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)則層。

考慮到一般情況下人類活動(dòng)往往通過引起河道邊界或近岸水流條件變化進(jìn)而對(duì)岸灘穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可根據(jù)具體河段情況，將人類活動(dòng)影響歸并為河岸邊界或水動(dòng)力條件準(zhǔn)則層中[21]。針對(duì)揚(yáng)中河段，受野外監(jiān)測(cè)技術(shù)手段限制，岸坡植被目前暫無(wú)相關(guān)實(shí)測(cè)資料，獲得詳實(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍有較大難度，因此人類活動(dòng)層面只考慮護(hù)岸工程的影響，但這會(huì)導(dǎo)致護(hù)岸工程因素所占權(quán)重較實(shí)際情況偏大。另外，環(huán)島岸坡基本為上粉下砂的二元土體結(jié)構(gòu)，且不同河段沿岸地層分布差異較小，岸坡土體結(jié)構(gòu)對(duì)河岸邊界條件的指示作用并不明顯，河岸邊界條件判斷主要依據(jù)護(hù)岸工程的實(shí)施情況。鑒于以上實(shí)際情況，將人類活動(dòng)影響歸并至河岸邊界條件屬性，即將護(hù)岸工程因素的影響歸入到河岸邊界條件層面，最終由河岸邊界條件、河勢(shì)條件、河流動(dòng)力條件構(gòu)成太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層要素。

河岸邊界條件包括岸坡土體結(jié)構(gòu)、坡比、坡高、坡腳侵蝕度、護(hù)岸措施保障率5個(gè)因子。長(zhǎng)江大通站以下干流區(qū)間入江流量?jī)H占大通站流量的3%左右，因此大通站流量、泥沙特征基本可代表長(zhǎng)江下游來(lái)水來(lái)沙特征?？紤]到太平洲環(huán)島來(lái)水、來(lái)沙特征值均參考大通站水沙資料，不同河段水位變化和河岸浸泡時(shí)間對(duì)河流動(dòng)力條件的指示作用不大，故河流動(dòng)力條件只保留主流貼岸距離、近岸流速2個(gè)因子。河勢(shì)條件采用的指標(biāo)無(wú)變化，即河型、河道寬深比、深泓平面擺幅等6個(gè)主要因子。經(jīng)調(diào)整，從長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中選取了13項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)成太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系指標(biāo)層，從而建立太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型(見圖2)。

圖2 太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hierarchical framework model for the Taipingzhou roundabout beach stability evaluation

2.1.2指標(biāo)權(quán)重的確定

由于各因素對(duì)岸灘穩(wěn)定性所起作用的大小和重要性不同，采用層次分析法對(duì)岸灘穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。將層次結(jié)構(gòu)模型各層次中諸因素重要性進(jìn)行兩兩比較，結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，通過專家咨詢對(duì)各因素之間的相對(duì)重要性做出排序，結(jié)果見表2。

表2 岸灘穩(wěn)定性影響因素重要性排序原則Tab.2 Principles of weightiness ordering of factors affecting beach stability

為使評(píng)估因素的相對(duì)重要性定量化，采用1～9倒數(shù)標(biāo)度法[24]列出各層次的判斷矩陣(見表3～6)，計(jì)算各判斷矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)的特征向量，并檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。特征向量經(jīng)歸一化處理后的向量即為各層次、各指標(biāo)的權(quán)重向量，相應(yīng)也就得到不同層次、不同指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，鑒于篇幅限制，具體計(jì)算過程省略。各層次權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3～6。

表3 A-B層判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果Tab.3 Judgment matrix A-B and its calculation results

表4 B1-C層判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果Tab.4 Judgment matrix B1-C and its calculation results

表5 B2-C層判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果Tab.5 Judgment matrix B2-C and its calculation results

表6 B3-C層判斷矩陣及其計(jì)算結(jié)果Tab.6 Judgment matrix B3-C and its calculation results

根據(jù)組合權(quán)重的計(jì)算方法[24]，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行綜合求得層次總排序權(quán)重，即指標(biāo)層C對(duì)目標(biāo)層A的權(quán)重值(見表7)，并進(jìn)行總排序一致性檢驗(yàn)。經(jīng)一致性檢驗(yàn)，A-B層判斷矩陣單排序隨機(jī)一致性指標(biāo)CR為0.033 2，B1-C和B2-C層判斷矩陣(B3-C層判斷矩陣無(wú)需檢驗(yàn))單排序隨機(jī)一致性指標(biāo)CR分別為0.038 0和0.019 7，層次總排序隨機(jī)一致性指標(biāo)CR為

表7 岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值Tab.7 Weight of beach stability evaluation indexes

0.026 7，均滿足一致性要求(CR<0.1)，說(shuō)明層次分析排序結(jié)果可靠，權(quán)系數(shù)分配合理。

2.1.3指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和類似岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究成果，結(jié)合實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，同時(shí)參考專家咨詢建議，確定太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)閾值和賦分標(biāo)準(zhǔn)(見表8)。對(duì)于河岸土體結(jié)構(gòu)、坡比、坡高、坡腳侵蝕程度等指標(biāo)，參考《河流健康評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》[25]《航道工程手冊(cè)》[26]《揚(yáng)中市環(huán)島水下地形監(jiān)測(cè)及預(yù)警分析報(bào)告》[19]等確定；對(duì)近岸流速、主流貼岸距離、寬深比、護(hù)岸工程措施保障率，由于目前無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)的指標(biāo)，則參考類似研究成果和相關(guān)數(shù)據(jù)；對(duì)于近岸深槽位移、深泓線擺幅等無(wú)參考系統(tǒng)的指標(biāo)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法并結(jié)合專家咨詢法確定。將各指標(biāo)劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定5級(jí)岸灘穩(wěn)定性級(jí)別，對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)為100～0，每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為25分，分值越大表明對(duì)于岸灘穩(wěn)定越有利。

2.1.4岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)賦分方法

在建立了岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型和確定了模型底層各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)后，就可以依據(jù)各指標(biāo)實(shí)測(cè)值，根據(jù)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦分，對(duì)單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)分值加權(quán)計(jì)算可得到岸灘穩(wěn)定性綜合分值。本文主要對(duì)岸灘穩(wěn)定目標(biāo)層在斷面尺度與河段尺度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，監(jiān)測(cè)斷面的岸灘穩(wěn)定性得分為指標(biāo)層各指標(biāo)得分的加權(quán)平均，即先獲取監(jiān)測(cè)斷面各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，然后根據(jù)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)為指標(biāo)賦分，再由各指標(biāo)

得分及其權(quán)重按式(1) 計(jì)算岸灘穩(wěn)定性得分：

(1)

式中：H為監(jiān)測(cè)斷面的岸灘穩(wěn)定性得分；Fi和Wi分別為指標(biāo)層各指標(biāo)得分及其權(quán)重；n為指標(biāo)層指標(biāo)的數(shù)量。

監(jiān)測(cè)河段的岸灘穩(wěn)定性得分為該河段內(nèi)各監(jiān)測(cè)斷面岸灘穩(wěn)定性得分的算數(shù)平均值：

(2)

式中：HI為監(jiān)測(cè)河段的岸灘穩(wěn)定性得分；Hi為監(jiān)測(cè)斷面i的岸灘穩(wěn)定性得分；m為監(jiān)測(cè)斷面的數(shù)量。

由于評(píng)估河段由一系列長(zhǎng)度不等的監(jiān)測(cè)河段組成，因此評(píng)估河段的岸灘穩(wěn)定性得分為該河段內(nèi)各監(jiān)測(cè)河段得分按其長(zhǎng)度比例進(jìn)行加權(quán)求和，具體計(jì)算公式如下：

(3)

式中：LHI為評(píng)估河段的岸灘穩(wěn)定性得分；HIi為監(jiān)測(cè)河段i的岸灘穩(wěn)定性得分；Li為監(jiān)測(cè)河段i的長(zhǎng)度；L為評(píng)估河段的長(zhǎng)度；N為監(jiān)測(cè)河段的數(shù)量。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

參考《評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》及類似研究成果，結(jié)合專家咨詢建議，將評(píng)估區(qū)岸線分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定共5級(jí)(見表9)，80～100為穩(wěn)定岸線，60～80為基本穩(wěn)定岸線，40～60為較不穩(wěn)定岸線，20～40為不穩(wěn)定岸線，得分小于20則為極不穩(wěn)定岸線。

表8 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)Tab.8 Marking criteria of assessment indexes

表9 太平洲環(huán)島岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.9 Grading criteria of beach stability evaluation for the Taipingzhou roundabout

2.2.2評(píng)價(jià)結(jié)果分析

研究區(qū)環(huán)島評(píng)估岸線總長(zhǎng)48.53 km，所選16個(gè)評(píng)估河段中，省廳重點(diǎn)險(xiǎn)工段岸線長(zhǎng)26.15 km，市轄險(xiǎn)工段岸線長(zhǎng)11.58 km，非預(yù)警段岸線長(zhǎng)10.80 km。根據(jù)前文所述原理與計(jì)算步驟，采用13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)太平洲環(huán)島16個(gè)評(píng)估河段的岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果見圖3和表10。

圖3 研究區(qū)評(píng)估河段劃分與岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation segment division of the beach and bank stability assessment results

從圖3可看出：研究區(qū)岸線總體上以基本穩(wěn)定為主，無(wú)不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定的岸線。其中穩(wěn)定岸線長(zhǎng)3.90 km，占評(píng)估岸線總長(zhǎng)的8.0%；基本穩(wěn)定岸線長(zhǎng)32.49 km，占評(píng)估岸線總長(zhǎng)的67.0%；較不穩(wěn)定岸線長(zhǎng)12.14 km，占評(píng)估岸線總長(zhǎng)的25.0%。穩(wěn)定岸線主要集中于洲頭左緣唐家港上、右岸石橋-太平河、洲尾右緣小泡子-揚(yáng)中二橋等崩岸風(fēng)險(xiǎn)較低的非預(yù)警河段范圍內(nèi)，這些區(qū)域非迎流頂沖岸段且近岸流速較小，岸坡形態(tài)較平緩、完整，近岸河床無(wú)明顯沖刷，加上實(shí)施了較為完善的護(hù)岸工程，從而降低了崩岸發(fā)生的可能性。較不穩(wěn)定岸線大部分位于崩岸風(fēng)險(xiǎn)較高的省廳重點(diǎn)險(xiǎn)工段范圍內(nèi)，比如左岸的豐樂橋、永勤港-三躍港、大決港-小決港一帶，與2020年9月和11月分別發(fā)生在豐樂橋、永勤港附近的崩岸事實(shí)基本相符[19](見圖3)，這部分岸段近岸坡陡流急、坡高大，主流貼岸且近岸防護(hù)相對(duì)薄弱，因此岸灘穩(wěn)定性相對(duì)差一些；右岸興隆港、洲頭右緣新寧村-華威村一帶，由于處于江心洲頭、汊道分流口、彎道或彎頂位置，河床斷面窄深，主流易貼岸形成強(qiáng)烈沖刷，這些因素對(duì)岸灘穩(wěn)定不利，加上目前這部分岸段并未實(shí)施護(hù)岸工程，因此岸灘穩(wěn)定性較差。

表10 太平洲環(huán)島各評(píng)估河段岸灘穩(wěn)定性得分與排序Tab.10 Evaluation scores of beach stability of each segment of the Taipingzhou roundabout

由表10可見：非預(yù)警岸段、市轄岸段和省廳重點(diǎn)岸段的岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得分分別介于58.61～83.26、63.35～70.41和56.97～73.28之間，平均得分別為68.68、67.20和64.93，表明總體上非預(yù)警岸段最安全，市轄岸段次之，省廳重點(diǎn)岸段最不安全。按已確立的崩岸預(yù)警級(jí)別，所選3類評(píng)估河段的崩岸危險(xiǎn)程度由高至低的排序依次為省廳重點(diǎn)岸段>市轄岸段>非預(yù)警岸段，可見評(píng)價(jià)結(jié)果與3類評(píng)估河段實(shí)際的崩岸危險(xiǎn)程度排序具有較好的吻合度。

崩岸危險(xiǎn)程度最低的非預(yù)警岸段總體以基本穩(wěn)定為主，該類評(píng)估河段總長(zhǎng)40.7%左右的區(qū)域?yàn)榛痉€(wěn)定岸線，穩(wěn)定岸線、較不穩(wěn)定岸線分別占31.5%，27.8%，穩(wěn)定岸線占比在3類評(píng)估河段中最高。其中，非預(yù)警第4岸段(太平洲右岸石橋-太平河)是所有評(píng)估河段中最穩(wěn)定的區(qū)域，岸灘穩(wěn)定性平均得分83.26，為穩(wěn)定岸線。但非預(yù)警河段中也有一些局部區(qū)域的岸灘穩(wěn)定性較差，如非預(yù)警第2岸段(洲頭右緣新寧村～華威村)在所有評(píng)估河段中岸灘穩(wěn)定性排倒數(shù)第二，穩(wěn)定性得分僅為58.61，為較不穩(wěn)定岸線，2020年11月在洲頭右緣附近也確實(shí)發(fā)生了崩岸險(xiǎn)情[19](見圖3)，因此建議將該岸段劃入揚(yáng)中市崩岸預(yù)警險(xiǎn)工段名錄以加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

盡管崩岸危險(xiǎn)程度最高的省廳重點(diǎn)險(xiǎn)工岸段總體也以基本穩(wěn)定為主(基本穩(wěn)定岸線占比為65.4%)，但該類評(píng)估河段中較不穩(wěn)定岸線長(zhǎng)度占比在3類評(píng)估河段中卻是最高的(占比為32.7%)。其中，省廳第7岸段(左岸豐樂橋附近)在所有評(píng)估河段中穩(wěn)定性最差，岸灘穩(wěn)定性得分僅為56.97，依據(jù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表9)屬于較不穩(wěn)定岸線。根據(jù)資料[19]，深水航道治理時(shí)，在該河段上游實(shí)施了魚骨壩、護(hù)底、護(hù)岸等工程，導(dǎo)致二道淺壩下游豐樂橋一帶水流湍急紊亂，近岸河床沖刷劇烈，TPZL-CS3+950斷面(即豐樂橋崩岸中心位置)往下300 m范圍內(nèi)沖刷厚度達(dá)到10 m量級(jí)。雖經(jīng)過護(hù)岸治理，但近岸深槽仍向下游及近岸發(fā)展擴(kuò)大，加上近岸坡陡、河床斷面窄深，這些不利因素使該岸段的岸灘穩(wěn)定性大大降低，從而造成豐樂橋一帶發(fā)生崩岸(見圖3)。省廳第8岸段(左岸二墩港-新韓通船廠)在所有評(píng)估河段中岸灘穩(wěn)定性排倒數(shù)第三，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得分為62.36，該區(qū)域內(nèi)永勤港附近于2020年11月也發(fā)生了條崩險(xiǎn)情[19]。省廳重點(diǎn)岸段也有部分區(qū)域的岸灘穩(wěn)定性較好，如省廳第11岸段(太平洲右岸興隆彎道)岸灘穩(wěn)定性平均得分為73.28，為基本穩(wěn)定岸線，該區(qū)域上游段岸坡形態(tài)平緩，近岸流速小，近岸河床無(wú)明顯沖刷，特別是實(shí)施了岸灘灘面硬質(zhì)化處理工程且有碼頭工程作為掩護(hù)，這些有利因素從整體上拉高了該岸段的岸灘穩(wěn)定性分值。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明：受岸灘實(shí)測(cè)資料限制，上述指標(biāo)體系在揚(yáng)中河段的應(yīng)用雖未考慮岸坡植被、河道水位變化對(duì)岸灘穩(wěn)定性的影響，但該指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法仍基本能夠反映出該河段的岸灘穩(wěn)定性狀況，對(duì)于岸坡植被或水位對(duì)岸灘穩(wěn)定有加大影響的河段，在進(jìn)行岸灘穩(wěn)定性評(píng)估計(jì)算時(shí)，需考慮這方面的權(quán)重與賦分。因此，針對(duì)長(zhǎng)江中下游其他河段的岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，需根據(jù)所評(píng)估河段河岸邊界、河勢(shì)、河流動(dòng)力等因素的具體情況，適當(dāng)調(diào)整評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與賦分標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

在分析長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性主要影響因素的基礎(chǔ)上，建立了長(zhǎng)江中下游岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以揚(yáng)中河段太平洲環(huán)島為例，利用層次分析法和該指標(biāo)體系對(duì)3類不同崩岸預(yù)警級(jí)別的岸段岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行了賦分評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論。

(1) 研究區(qū)岸灘總體上以基本穩(wěn)定為主，基本穩(wěn)定岸線長(zhǎng)度占評(píng)估區(qū)岸線總長(zhǎng)的67%，穩(wěn)定和較不穩(wěn)定岸線分別占8%和25%，無(wú)不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定情形。

(2) 3類評(píng)估河段岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果與其崩岸預(yù)警級(jí)別吻合度較好，即非預(yù)警岸段的岸灘穩(wěn)定性排第一，市轄岸段次之，省廳重點(diǎn)岸段的岸灘穩(wěn)定性最差，且穩(wěn)定岸線集中于崩岸風(fēng)險(xiǎn)較低的非預(yù)警岸段范圍內(nèi)，而較不穩(wěn)定岸線主要分布于崩岸風(fēng)險(xiǎn)較高的省廳重點(diǎn)險(xiǎn)工段范圍內(nèi)。

(3) 太平洲環(huán)島左岸豐樂橋、二墩港-新韓通船廠及洲頭右緣新寧村-華威村岸灘穩(wěn)定性得分最低的3個(gè)河段內(nèi)均發(fā)生過崩岸，按已確立的崩岸預(yù)警級(jí)別，洲頭右緣新寧村-華威村一帶仍屬于非預(yù)警岸段，因此建議將該岸段也列入揚(yáng)中市崩岸預(yù)警險(xiǎn)工段名錄以進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

本文建立的涵蓋河岸邊界、河流動(dòng)力、河勢(shì)、人類活動(dòng)等16個(gè)因素的岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，經(jīng)長(zhǎng)江下游揚(yáng)中河段太平洲環(huán)島岸線驗(yàn)證，能較好地反映該段岸灘的穩(wěn)定性狀況。根據(jù)目標(biāo)河段河勢(shì)條件，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整指標(biāo)權(quán)重和賦分標(biāo)準(zhǔn)，該指標(biāo)體系可廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)江中下游不同河段的岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作。