孔德華

（江蘇省金湖縣河湖管理所，江蘇 淮安 211600）

河道堤防護坡工程建設是改善城市水環(huán)境、打造濱水宜居城市的重要手段。護坡同時也是堤防安全保障的重要元素，是堤防除險加固工程建設內容的重要組成部分。目前，人們對水環(huán)境的要求逐漸提高，河道不僅需要具備泄洪、排澇、蓄水的基本功能，還需符合景觀美學，兼具環(huán)境與生態(tài)效益。

在以往河道堤防護坡方案的選擇上，考慮較多的因素是防洪功能、工程的造價或耐久性等，受主觀經驗影響較大，對工程綜合效益的把控不夠全面。本研究以工程實例為基礎，提出不同的河道堤防護坡方案，引入投影尋蹤分類模型，建立包括基本功能（防洪、引水、排澇、蓄水、航運）、施工難度、工程造價、施工進度、工程耐久性、景觀美學、環(huán)境協(xié)調性、政府與群眾支持力度在內的指標結構，優(yōu)選綜合效益最佳的河道堤防護坡方案，以期為今后堤防護坡工程的建設提供有益參考。

1 工程概況

研究以外秦淮河清涼門—定淮門橋段堤防護坡工程為實例。秦淮河的干流總長為34 km，流域面積2631 km2，流經鎮(zhèn)江和南京兩市，在江寧區(qū)定河橋部分存在兩條支流，西支的人工河被稱為秦淮新河，東支流經南京城區(qū)，習慣上稱為外秦淮河。

近年來，南京城市發(fā)展迅速，受水體污染、河床淤積、生態(tài)環(huán)境破壞等因素影響，使得外秦淮河承受了巨大壓力，原堤防護坡工程有待重建或改造。采用何種護坡方案，才能獲得最優(yōu)綜合效益，成為外秦淮河清涼門—定淮門橋段堤防護坡工程設計階段的關鍵問題。

2 方案比較

根據工程的實際規(guī)模與需要，設計了5 種不同的河道堤防護坡方案，并對這5 種方案的優(yōu)缺點進行了深入挖掘。

方案一：現(xiàn)澆混凝土面板護坡?，F(xiàn)澆混凝土面板護坡方案已有較為成熟的設計規(guī)范與施工標準，可操作性強。然而，其在實際應用過程中，往往會存在一些問題：混凝土面板采用現(xiàn)澆的形式，質量難以得到保障；現(xiàn)澆面板尺寸較大，澆筑和安裝存在一定難度；堤防出現(xiàn)不均勻沉降或凍脹作用時，易出現(xiàn)裂縫或隆起現(xiàn)象，導致局部或較大面積的破壞；對于河道走勢的適應性較差。

方案二：植被型生態(tài)混凝土加栽植護坡。植被型生態(tài)混凝土加栽植護坡方案屬于新型護坡形式，符合景觀美學要求，具備較好的親水性，施工工藝簡單，技術合理，實用性好。其缺點是：會出現(xiàn)栽植成活率低、草籽被沖走等問題；栽種過程中需要一定的人工成本；在長期浸水地段的應用存在局限性。

方案三：漿砌石護坡。漿砌石護坡方案的優(yōu)點是：造價低廉、施工簡單、強度和耐久性較好。其缺點是：在高速水流淘刷的作用下，漿砌石護坡會受到不同程度的破壞；坡中的沙性土、輕粉質壤土易被水流帶走，使得石料滑動或坍塌；需要較大量的石料。

方案四：鉸接式連鎖磚護坡。與混凝土面板護坡不同，鉸接式連鎖磚護坡方案能夠很好地適應河道走勢及地形的變化，對于砌塊抗凍、抗?jié)B、耐久性等性能的要求能夠通過選擇不同的原材料來實現(xiàn)，批量化生產難度較低，鉸接式連鎖磚護坡的生態(tài)性能好，其鉸接處存在的間隙便于河流水滲入地下，也利于地下水上行補給。其缺點在于：后期的維護較為困難。

方案五：混凝土模袋護坡?；炷聊４o坡方案能適應地形變化與河道走勢，整體性好；施工工藝成熟、機械化程度高，可節(jié)省較大的人力成本；后期維護簡單，維護成本低廉。其缺點在于：模袋的耐久性較差，長時間使用后易破損，且修補難度大；灌注過程中易出現(xiàn)灌注不飽滿的現(xiàn)象。

3 不同河道堤防方案的投影尋蹤分類模型

3.1 指標結構

本研究選取基本功能、施工難度、工程造價、施工進度、工程耐久性、景觀美學、環(huán)境協(xié)調性、政府與群眾支持力度9 項指標作為河道堤防方案的評價指標，其中，基本功能包括防洪、引水、排澇、蓄水、航運5 個方面，如圖1 所示。對基本功能、施工難度、施工進度、工程耐久性4 項指標的獲取采用了專家打分制的方法，由3 位水利工程領域專家打分并取其均值；工程造價根據實際情況計算獲得；景觀美學、環(huán)境協(xié)調性2 項指標由水環(huán)境領域專家打分獲得；政府支持力度由工程所在地河道管理職能部門負責人打分獲得；群眾支持力度由工程所在地各區(qū)群眾代表打分獲得。打分標準為：＜60，較差；60～80，一般；80～90，良好；＞90，較優(yōu)。

3.2 模型建立

投影尋蹤分類模型是處理“多目標、多指標”高維數據的有效手段，在工程方案的優(yōu)選中已有一些應用［1-2］。其實質是利用計算機技術將高維數據通過某種方式投射到低維子空間，在低維子空間研究高維數據的結構與特征，從而達到處理高維數據的目的［3］。其建模方法如下［4-5］：

圖1 指標結構圖

表1 無量綱化后的指標及指標值

（1）建立堤防護坡方案的評價矩陣。假設n 為堤防護坡方案個數，p 為評價指標個數，xij*指第i 種堤防護坡方案下的第j 個評價指標值，本試驗中n=5，p=9，則堤防護坡方案評價矩陣X*為：

（2）矩陣X*無量綱化處理。本研究中，堤防護坡方案的評價指標分為兩類：施工難度、工程造價和施工進度3 項指標為“損失性”指標，即指標值越低，該項指標越優(yōu)；其余6 項指標為“收益性”指標，即指標值越高，該項指標越優(yōu)。

對于“收益性”指標：

對于“損失性”指標：

經過無量綱化處理，矩陣X*可轉化為X：

式中：

max（xj*）—第j 個指標的最大值；

min（xj*）—第j 個指標的最小值。

本研究中，無量綱化處理后的指標及指標值如表1 所示。

（3）線性投影。線性投影的實質是將高維數據降維，即通過某種方式將高維數據投射到低維子空間。本研究中，假設單位向量a 為一維線性投影方向，那么矩陣X 投影到a 上的一維投影特征值zi為：

（4）構造投影目標函數。一般來說，投影值的空間分布以密集的投影點最佳，凝聚成點團效果更好。而從點團的情況來看，其分布應盡可能分散。即在投影目標函數構造過程中，應考慮使得多元數據分布的類間距離和類內密度同時達到最大。則投影目標函數可以表示為：

式中：

Q（a）—投影目標函數；

SZ—投影特征值zi的標準差，即類間距離；

DZ—投影特征值zi的局部密度，即類內密度。

式中：

E（z）—序列zi的均值。

式中：

R—局部密度的窗口半徑。

i，k=1，2，3，…，n，表示樣本容量。

（5）優(yōu)化投影目標函數。通常情況下，對于給定的樣本集指標值，投影指標函數Q（a）會隨著投影方向a的不同而發(fā)生變化，能夠在最大程度上反映高維數據結構特征的投影方向為最佳的投影方向。為了優(yōu)化投影目標函數，可采用目標函數最大化的方法：

（6）評價。最佳投影方向a*的取值反映指標貢獻程度（即傳統(tǒng)評價模型中的權重）。按照投影值z（i）*取值大小排列，可以得到不同河道堤防護坡方案綜合效益的優(yōu)劣排序。

3.3 模型求解

采用matlab7.1 對表1 中的指標建立投影尋蹤分類模型。在RAGA（遺傳算法）優(yōu)化過程中選定父代初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.8，優(yōu)秀個體數目為20 個，α=0.05，加速20 次，得出最大投影指標值為0.6590，最佳投影方向a（j）*=（0.3017，0.2122，0.1302，0.4831，0.1787，0.4278，0.2863，0.5060，0.2465），5 種堤防護坡方案的投影值依次為0.7913）。依據“投影值越大，河道堤防護坡方案綜合效益越優(yōu)”的準則，方案四（鉸接式連鎖磚護坡）為綜合效益最優(yōu)的方案，投影值達到2.1140；方案二（植被型生態(tài)混凝土+栽植護坡）次之，投影值為2.1033；方案五綜合效益最差，投影值僅為0.7913。

4 結論

通過上述分析可知，投影尋蹤分類模型克服了單獨使用主觀權重造成的片面性，計算過程遵循原始數據規(guī)律，原理更為科學。借助投影尋蹤分類模型優(yōu)選綜合效益最佳的河道堤防護坡方案，可靠性和可行性強，具備廣闊的應用前景和推廣價值。

值得注意的是，在使用投影尋蹤分類模型計算過程中，指標和方案數目越多，其計算精確度越高。即指標體系越龐大，應用效果越好。在后續(xù)研究中，也可考慮建立標準化的河道堤防護坡方案的綜合評價體系，將其應用于特定工程中時，只需適當增添和刪減指標即可，可使得計算更為簡便。

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［4］Hou M.M.，Shao X.H.，Chen L.H.，Chang T.T.，Wang W.N.，Wang Y.F.Study on fertilizer N leaching，accumulation，and balance in tobacco fields with N-15 tracing technique［J］.J Food Agric Environ，2012，10（2）：1284-1289.

［5］方崇，黃偉軍.南寧市內河水質的投影尋蹤回歸分析［J］.人民長江，2010（08）：43-46.