肖曉博

(東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523115)

1 河流緩沖帶柔性堤岸斷面設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算草本群落特征值

河流緩沖帶附近，一定會(huì)存在植被，所以此次設(shè)計(jì)河流緩沖帶柔性堤岸斷面，考慮該區(qū)域內(nèi)的草本群落特征值，通過(guò)分析河流緩沖帶內(nèi)草本群落特征，重新規(guī)定堤岸寬度、斷面層數(shù)以及弧度等基本參數(shù)。

已知草本群落的特征，是衡量群落結(jié)構(gòu)、堤岸防護(hù)效果的關(guān)鍵因素之一，計(jì)算草本群落生物多樣性指標(biāo)方法，如式(1)所示：

(1)

式中：F為生物多樣性指數(shù)；s為樣本總數(shù)；Zi為i個(gè)樣本區(qū)域中，各種植物的相對(duì)重要值，該值的計(jì)算如式(2)[1-2]所示：

(2)

式中：Wi為某一植被的重要值；W為所有植被的重要值之和。再計(jì)算草本群落的生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，用該指數(shù)分析植被種群數(shù)量變化時(shí)，對(duì)河流緩沖帶防護(hù)效果的影響，該指標(biāo)的計(jì)算如式(3)所示：

(3)

式中：Y為草本群落的生態(tài)優(yōu)勢(shì)度。已知草本群落的物種類型，會(huì)直接影響河流緩沖的設(shè)計(jì)寬度和斷面層數(shù)，計(jì)算物種豐富度指數(shù)的方法，如式(4)[3]所示：

(4)

式中：M為草本群落的物種類型總數(shù)量；S為河流緩沖區(qū)域周圍草本群落的總占地面積。最后再計(jì)算草本群落的均勻度指數(shù)，為設(shè)計(jì)斷面的斷層位置提供事實(shí)依據(jù)，計(jì)算如式(5)[4]所示：

(5)

式中：EF是在公式(1)和公式(2)計(jì)算下，得到的彈性值；J為群落均勻度。通過(guò)上述公式，計(jì)算河流緩沖帶內(nèi)草本群落特征值，為設(shè)計(jì)柔性堤岸斷面，提供更加精準(zhǔn)的影響參數(shù)。

1.2 設(shè)計(jì)河流緩沖帶位置和寬度

根據(jù)上述獲得的草本群落特征，設(shè)計(jì)河流緩沖帶位置和寬度。通常情況下，緩沖帶位于水域和陸地的邊界處，因此對(duì)堤岸斷面具有交叉性的影響效果。而確定河流緩沖帶位置的先決條件，就是發(fā)揮緩沖帶對(duì)洪水的防護(hù)作用。如圖1所示，此次研究以生態(tài)防洪背景為研究方向，選擇河流緩沖帶布設(shè)位置[5]。

圖1 緩沖帶示意

根據(jù)現(xiàn)有的河流緩沖帶周圍的地形可知，緩沖帶的位置，一般利用等高線，布設(shè)在與地表徑流方向相互垂直的下坡位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水流流速的削減，讓地表上的水流，可以更加平緩地通過(guò)緩沖帶，防護(hù)周邊的城市與村落安全。按照上述分析設(shè)計(jì)河流緩沖帶位置后，再設(shè)計(jì)河流緩沖帶寬度。截止2018年年末，對(duì)于緩沖帶的寬度設(shè)計(jì)，還沒(méi)有一個(gè)明確的量化標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段的研究認(rèn)為，河流緩沖帶的寬度與河流等級(jí)息息相關(guān)，河流越寬，所設(shè)計(jì)的河流緩沖帶寬度越大，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水的防護(hù)作用[6]。在充分考慮各地自然環(huán)境條件、人文環(huán)境條件以及河流緩沖帶設(shè)計(jì)作用的基礎(chǔ)上，對(duì)于設(shè)計(jì)河流緩沖帶寬度，做出了如下要求：第一，考慮能夠投入建設(shè)的資金。第二，明確所建地區(qū)土地的物理性質(zhì)，如土質(zhì)類型、區(qū)域坡度穩(wěn)定性等。第三，考慮建設(shè)區(qū)域的水文情況和周邊建筑用地性質(zhì)。第四，明確河流緩沖帶的作用，要求其防護(hù)功能更強(qiáng)還是過(guò)濾功能更強(qiáng)。第五，考量城市主管部門的一些其他用地行為[7]。綜合考慮上述五個(gè)因素，并結(jié)合當(dāng)?shù)夭荼救郝涮卣?，設(shè)計(jì)河流緩沖帶寬度。

根據(jù)草本群落特征值計(jì)算結(jié)果，當(dāng)草本群落覆蓋密度大時(shí)，可適當(dāng)縮減緩沖帶寬度；當(dāng)草本群落覆蓋密度相對(duì)較小時(shí)，要增加緩沖帶寬度。而歷史調(diào)查顯示河流破壞嚴(yán)重的地區(qū)，設(shè)計(jì)的緩沖帶寬度需要大一些，可以對(duì)緩沖帶寬度進(jìn)行適量的增加：首先在地表徑流量較大、沉積物較多、富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較為豐富的污染物集中區(qū)域，擴(kuò)大緩沖帶寬度；其次對(duì)于河流兩側(cè)相鄰用地面積較大、區(qū)域坡度較大的位置，適當(dāng)增加緩沖帶寬度；再次對(duì)人類活動(dòng)頻繁區(qū)域，如城市生活區(qū)、工廠區(qū)、農(nóng)田灌溉區(qū)域，要適當(dāng)增加河流緩沖寬度[8]。

1.3 設(shè)置堤岸斷面層數(shù)和弧度

設(shè)計(jì)完河流緩沖帶位置和寬度后，構(gòu)建一個(gè)河流緩沖帶堤岸模型，設(shè)置堤岸斷面層數(shù)和弧度。已知現(xiàn)階段功效最好的堤岸，共由3個(gè)斷面組成，分別為外部區(qū)域?qū)?、中間區(qū)域?qū)右约昂影秴^(qū)域?qū)?。此次設(shè)計(jì)以上述的傳統(tǒng)堤岸斷面為基礎(chǔ)，在外部區(qū)域和河岸區(qū)域內(nèi)，分別加設(shè)一個(gè)緩沖區(qū)，形成一個(gè)5層的堤岸斷面，加強(qiáng)對(duì)洪水的控制。根據(jù)構(gòu)建的模型高度，以建設(shè)地區(qū)的歷史洪水最大峰值為研究依據(jù)，計(jì)算洪水水波高度，然后根據(jù)洪水在峰值階段的水波高度，設(shè)置堤岸斷面各個(gè)層之間的弧度[9-10]，該值的計(jì)算如式(6)[11]所示：

(6)

式中：H1為洪水峰值時(shí)，水波的最大高度，m；H2為洪水峰值時(shí)，水波的最小高度,m；P為峰值節(jié)點(diǎn)；ft為t時(shí)刻時(shí)，水波在模型中的動(dòng)態(tài)變量。而斷面弧度即坡度，假設(shè)模型構(gòu)建的空間平面g=(x,y)，含有一個(gè)等值線簇h(x,y)=μ，設(shè)d為等高線。對(duì)于模型曲面上的任意一點(diǎn)P，沿P的梯度反方向計(jì)算h(x,y)的下降最快值，該值就是堤岸斷面需要設(shè)置的坡度。對(duì)于函數(shù)h(x,y)，P點(diǎn)梯度的計(jì)算方法如式(7)所示：

gardh(x,y)=hxi+hyj

(7)

式中：參數(shù)i和參數(shù)j為單位矢量；hxi和hyi分別為x和y的偏導(dǎo)數(shù)。該計(jì)算結(jié)果的模，就是需要設(shè)置的坡度，結(jié)果如式(8)[12]所示：

(8)

式中：所得結(jié)果θ，即為堤岸斷面坡度的計(jì)算結(jié)果。利用上述計(jì)算過(guò)程，確定每一個(gè)斷面的布設(shè)弧度，以此根據(jù)模型基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)河流緩沖帶柔性堤岸斷面的完整結(jié)構(gòu)。至此在考慮生態(tài)防洪背景下，實(shí)現(xiàn)對(duì)河流緩沖帶柔性堤岸斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)研究2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

提出對(duì)比測(cè)試，將兩種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的堤岸作為不同的對(duì)照組，將此次提出方法設(shè)計(jì)的堤岸作為試驗(yàn)組，比較三個(gè)測(cè)試組的防洪能力及對(duì)污染物的過(guò)濾效果。選擇一個(gè)有較大徑流量的城市D，作為試驗(yàn)測(cè)試基本背景。已知途經(jīng)D城市的河流，全長(zhǎng)約1400 km，流域面積超過(guò)了22萬(wàn)km2。D城市四季分明、溫差較大、年均降水量充足，濕潤(rùn)系數(shù)在0.75～1.00，為典型的溫帶大陸氣候區(qū)。該城市植被類型和土壤類型，如表1所示。

根據(jù)表1可知，D城市的土壤土質(zhì)較軟，且植被類型相對(duì)豐富。經(jīng)調(diào)查得知，該城市在雨水充沛的季節(jié)，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)特大洪水災(zāi)害，因此以該城市的基本環(huán)境為基礎(chǔ)，選擇一個(gè)相對(duì)開(kāi)闊的區(qū)域，并將其進(jìn)行劃分，分別利用三種方法在該區(qū)域建立三個(gè)柔性堤岸。為了加快研究速度，研究團(tuán)隊(duì)分為三組同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)，圖2為三個(gè)測(cè)試組的堤岸設(shè)計(jì)結(jié)果。

表1 測(cè)試環(huán)境基本條件 %

圖2 設(shè)計(jì)的堤岸實(shí)拍

根據(jù)圖2可知，試驗(yàn)組設(shè)計(jì)的堤岸，共設(shè)置了5層斷面；對(duì)照A組設(shè)計(jì)的堤岸，共設(shè)置了3層斷面；對(duì)照B組設(shè)計(jì)的堤岸，只設(shè)置了1層斷面。在三個(gè)區(qū)域內(nèi)均架設(shè)人工降雨模擬器，模擬降水過(guò)程；利用水泵向地表引水，模擬洪水涌入；再利用高壓水槍加強(qiáng)水流速度。

將三個(gè)設(shè)備均安裝到圖2所示的三個(gè)區(qū)域中，開(kāi)閘放水，模擬強(qiáng)降水和洪水效果。

2.2 防護(hù)能力測(cè)試

為了讓試驗(yàn)測(cè)試效果更加明顯，試驗(yàn)測(cè)試共進(jìn)行5 h，第4 h過(guò)后，逐漸控制各個(gè)放水工具的水量，直至第5 h，停止放水，查看各個(gè)區(qū)域堤岸對(duì)水流的防護(hù)效果，圖3為三個(gè)測(cè)試組的防護(hù)能力實(shí)景拍攝。

圖3 堤岸防護(hù)能力實(shí)拍

根據(jù)圖3可知，試驗(yàn)組設(shè)計(jì)的堤岸，在多重?cái)嗝娴谋Ｗo(hù)下，將水流都集中匯聚在了中心地帶，且沒(méi)有大量的污染物流入岸邊；對(duì)照A組雖然在一定程度上，控制了流動(dòng)性強(qiáng)、流域面積廣的水流，但其過(guò)濾效果較為一般根據(jù)圖3(b)可知，試驗(yàn)結(jié)束后，岸邊出現(xiàn)了大量的污染物與廢棄物，而對(duì)照B組相較于前兩個(gè)測(cè)試組來(lái)說(shuō)，其防護(hù)效果最差。根據(jù)圖3(c)可知，非緩沖地帶已經(jīng)被水流淹沒(méi)，且對(duì)其淹沒(méi)區(qū)域進(jìn)行雜物撈取時(shí)，又得到了與對(duì)照A組類似的雜質(zhì)，可見(jiàn)對(duì)照B組防水效果不理想，同時(shí)不具備過(guò)濾功能。

2.3 過(guò)濾能力測(cè)試

根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析法》中的規(guī)定，采用定量分析法，分析不同河流緩沖帶柔性堤岸斷面設(shè)計(jì)，對(duì)污染物、廢棄物以及雜質(zhì)的過(guò)濾效果。將綜合污染物去除率作為過(guò)濾效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)的計(jì)算如式(9)所示：

(9)

式中：Pc為放水量為c時(shí)，污染物質(zhì)量濃度去除率，%；N0為入流污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Nm為m個(gè)采樣點(diǎn)的污染物質(zhì)量濃度，mg/L。測(cè)試堤岸過(guò)濾效果時(shí)，共選擇10個(gè)采樣點(diǎn)，按照順序進(jìn)行編號(hào)，三個(gè)測(cè)試組的污染物過(guò)濾效果見(jiàn)圖4。

圖4 不同斷面堤岸對(duì)污染物的過(guò)濾效果

根據(jù)圖4可以明顯看出，試驗(yàn)組的污染物質(zhì)量濃度去除率，均在90%以上，而兩個(gè)對(duì)照組的過(guò)濾結(jié)果，均在75%～85%。計(jì)算10個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2 污染物過(guò)濾效果統(tǒng)計(jì) %

根據(jù)表2可知，試驗(yàn)組的污染物平均去除率為92.86%，對(duì)照A組和對(duì)照B組的污染物平均去除率分別為81.68%和78.22%。相比之下，試驗(yàn)組的污染物過(guò)濾效果，比對(duì)照A組高了11.18%，比對(duì)照B組高出了14.64%。

3 結(jié) 語(yǔ)

此次在充分考慮生態(tài)防洪的背景下，所設(shè)計(jì)的緩沖帶柔性堤岸，有更好的防護(hù)與過(guò)濾效果。但根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，雖然此次設(shè)計(jì)的堤岸，可以過(guò)濾大多數(shù)污染物，但對(duì)于部分淤泥、砂石，還沒(méi)有更有效的制約手段，因此在今后的研究中，可以在堤岸兩端添加隔離帶或防護(hù)網(wǎng)，加強(qiáng)堤岸對(duì)泥沙的過(guò)濾，為梅雨季節(jié)的防洪任務(wù)，提供更安全的保護(hù)措施。