复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法

陈一梅 马 骏

(东南大学交通学院，南京210096)

在内河航道整治中采用不同的断面型式将对水陆交错带的水陆双重特征和功能产生影响.因此，近天然河道断面形态的复式断面得到广泛应用，对复式断面河道一级护岸平台高程的研究也受到关注.董哲仁等［1］取平滩水位为一级护岸平台高程，朱三华等［2－3］则取多年平均高潮位或常水位为一级护岸平台高程;国外Jain 等［4］从河漫滩的角度出发将一级护岸平台高程定为5年一遇洪水位，Hemphill 等［5］将夏季平均水位作为一级护岸平台的高程，Brookes［6］根据河道的生态恢复将一级平台高程设为平滩水位.但是，国内外对于复式断面河道一级护岸高程的确定尚无成熟的理论.本文以复式断面河道形态为对象，研究一级护岸平台高程的确定方法.

1 一级护岸平台高程确定的影响因素

河流的自然功能包括输运功能、水源功能、汇水功能、栖息地功能以及天然屏障功能［7］.设计河道断面形态和护岸时，除了要考虑经济性与河岸的稳定性，还应尽可能保留河流的自然功能.因此，复式断面河道一级护岸平台高程的确定需要综合考虑经济性、生态性、社会性［8］、河床断面稳定性以及船舶航行等因素.

1.1 经济性因素

这里经济性是指河道护岸的造价.复式断面河道护岸的经济性与一级护岸和二级护岸的功能分配直接相关.复式断面河道护岸造价关于一级护岸平台高程的函数关系，即费用－高程关系可表示为

式中，C 为复式断面河道护岸每延米造价;p1为一级护岸每延米单位高度造价;p2为二级护岸每延米单位高度造价;c 为一级护岸平台每延米造价;h1为护岸基底高程;h2为二级护岸顶高程;h 为一级护岸平台高程.

1.2 行船因素

船舶航行引起的船行波是对河道边坡起破坏作用的主要因素之一［9］.船行波对护岸的垂向影响范围为［h3－Δh，h4+Δh］，其中，h3为最低通航水位;Δh 为船行波波高;h4为最高通航水位.船行波对一级护岸平台高程的影响主要表现在对第二级护岸结构的选择，因此对于行船因素的考虑可归结为对不同护岸结构经济性的考虑.

1.3 生态性因素

这里生态性是指在保证护岸结构强度的同时，使河流最大限度地保留原有生活在其中的各种生物和植物所需的生息环境.

一级护岸平台高程处于枯水位与设计高水位之间.这一区域是水位变化最大的区域，因其自然空间特征和水陆物质能量交流特征成为动植物生存的良好栖息地.因此该高程的确定需要考虑水位变动区的各级水位历时对河段动植物生存的影响，据此可得

式中，Hs为河道护岸的生态性高程;ht为水位变动区某一特征水位;Δh1为该区植物的最大喜水深度或最大耐淹深度(由于两栖类动物依靠植物生境而居，故Δh1暂不考虑动物因素).

1.4 社会性因素

河道的社会性可归纳为防洪功能、观赏－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，直接与其过水断面相关.河道观赏－文化功能是指河道展示给人们一种舒适、优美的环境.根据一年中水位变化，综合考虑洪、枯水期护岸垂向景观的协调性，一级护岸平台关于观赏－文化的高程为

式中，Hg为河道护岸最佳观赏性高程;hc为常水位高程;Δh2为超高.

河道的供水功能是指河道为沿线人民生产、生活提供纯净水源的能力，是其水源功能的集中体现.河道的供水效益与护岸一级平台高程相关，见效益分析.

1.5 河床断面形态因素

河床断面形态是多年流量过程综合造床作用的结果，根据前人对造床流量的研究，结合一级护岸平台高程影响因素分析，本文所研究的复式断面形态稳定条件下的一级护岸平台高程可取第二造床流量作用下的边滩高程，即

式中，h′为河床断面形态稳定条件下的护岸一级平台高程;hQn为第二造床流量所对应的水位高程，钱宁等［10］认为第二造床流量可取重现期为1.5年的洪水流量.

2 生态护岸的效益分析

本文中所指的护岸效益是指修建生态护岸后河道恢复自然功能产生的效益，即恢复效益.哈弗斯密特［11］利用替代市场法来评价湿地效益，通过公共机构为保护湿地而购买湿地所支付的价格推导出对它保护的经济效益，并以此作为湿地的经济效益.这些效益包括生态效益、观赏－文化效益、供水效益以及防洪效益等.

1)生态效益 基于上述思想，通过分析从公共机构获得的3 237 hm2湿地的数据，可得出湿地野生生物的价值.把河岸带看成野生生物生存空间，当其生态性处于最佳状态时，相应的生态效益记为k1(单位:元/m2).本文认为当一级护岸平台高程达到Hs时，护岸生态性处于最佳状态，低于或高于这一高程都会降低其生态效益.因此，护岸的生态效益可按下式计算:

式中，B1为每延米护岸的生态效益;为h 对护岸发挥最佳生态效益的影响值，当h =Hs时则表示生态效益的发挥不受影响，故反应了护岸最佳生态效益发挥的程度，若出现负值，则取效益为0;S 为护岸的每延米面积.

2)观赏－文化效益 通过收集政府购买空地的数据，对其进行资本化计算得出湿地观赏－文化上的价值.本文认为当一级护岸平台高程达到Hg时，护岸在观赏－文化上的效益达到最大，记为k2，低于或高于这一高程都会降低其观赏－文化效益，可表示为

式中，B2为每延米护岸的观赏－文化效益;为h 对护岸发挥最佳观赏－文化效益的影响值，当h=Hg时则表示该效益的发挥不受影响，故1－反应了护岸最佳观赏－文化效益发挥的程度，若出现负值，则取效益为0.

3)供水效益 比较从湿地取水成本与从其他最经济的、可能得到的替代水源取水的成本，以两者的差值作为供水效益的资本化价值.设护岸的单位供水效益为k3，则

式中，B3为每延米护岸的供水效益.

4)防洪效益 以采用防洪措施后避免的经济损失作为防洪效益.设护岸的单位防洪效益为k4，则

式中，B4为每延米护岸的防洪效益.

对于k1，k2，k3，k4的取值，需要获知政府或其他公共机构为保护湿地而支付的土地价格，这在国内尚难做到.因此，本文利用美国学者哈弗斯密特［11］的计算成果按当时汇率换算为国内价值，并扣除通货膨胀率的影响，所得结果作为确定国内河流湿地效益的依据.

3 一级护岸平台高程确定方法

综上所述，满足多目标的一级护岸平台高程的计算步骤如下:

①利用式(4)计算满足河床断面形态稳定性要求的一级护岸平台高程.

②利用效益－费用模式(B－C，其中B 为收益，C 为成本)，计算最佳效益条件下的一级护岸平台高程.这里成本按费用－高程关系式(1)来计算，效益按效益－高程关系式(5)～(8)计算.

③当上述2 种方法确定的高程相近时取两者的算术平均值作为一级护岸平台高程;当上述2 种方法确定的高程相差较大时，建议视具体河流条件和当地的经济情况分析确定一级护岸平台高程.

4 实例计算

4.1 刘大线航道一级护岸高程的确定

刘大线航道地处盐城大丰市境内，全长55.69 km.全线按四级航道标准进行整治，设计最低通航水位为0.70 m，最高通航水位为2.68 m，常水位为1.0 m.

刘大线航道一级护岸采用直立式杉木桩护岸，二级护岸采用斜坡式三维土工网植物护岸，一级护岸平台(宽约4 m)种植当地大米草(见图1).

4.1.1 造价分析

该护岸工程每延米杉木桩护岸单位高度造价为360 元/m，每延米三维土工网植物护岸单位高度造价为45 元/m，种植大米草的单价为3 元/m2.航道设计要求:h1=0.8 m，h2=3.0 m.由式(1)得

图1 刘大线航道护岸结构图(单位:m)

4.1.2 综合效益

1)生态效益 刘大线航道所用大米草，植株高为1 m 左右，当植株高度1/3 在水中时，其生长较旺［12］.刘大线航道常水位与枯水位之间水位差为0.3 m，特征水位取常水位，这样一年中至少有半年时间大米草处于最佳生长状态，有利于移栽初期大米草的存活.因此，按式(2)计算得刘大线航道护岸的生态性高程为

将哈弗斯密特［11］的研究成果折算为国内价格得出k1=23 元/m2，根据式(5)计算刘大线护岸的生态效益，则每延米护岸的生态效益为

2)观赏－文化效益 刘大线航道常年水位变幅较小、水流平稳，结合对附近居民的调查结果，这里取Δh2=0.2 m，根据式(3)可得Hg=1.2 m.

刘大线航道观赏－文化效益较为显著，结合哈弗斯密特［11］的研究成果，这里取k2=89 元/m2.则每延米护岸的观赏－文化效益为

3)供水效益 刘大线航道沿线多为荒地，临河企业很少，航道沿线需水较少.根据刘大线航道实际情况，结合哈弗斯密特［11］的研究成果，这里取k3=23.1 元/m2，则每延米护岸的供水效益为

化简得

4)防洪效益 依据哈弗斯密特［11］关于湿地防洪效益的研究，并结合本区的防洪压力，这里取k4=6.6 元/m2，则每延米护岸的防洪效益为

化简得

综上可得，刘大线航道每延米护岸的综合效益为

式中，B 为每延米护岸的综合效益.

4.1.3 一级护岸平台高程的确定

医生落实知情同意制度不到位， 自费项目无“知情同意”。有些医生没有按照医保政策执行自费项目知情确认制度，全自费的药品、医疗材料、检查、治疗项目，没有跟患者或家属沟通征得其同意并签字，没能确保患者“知情同意”。究其原因，医生专注于疾病本身的诊治，对医保政策不重视，忽视了费用方面的“知情同意”及“自费告知”，或不了解自费项目内容而忽略。导致患者医保结算时对费用不满，是患者投诉的主要因素。

根据水文分析，刘大线航道第二造床流量所对应的水位高程为1.1 m，由式(4)得h′ =1.1 m.

利用式(15)绘制出图2，求得(B－C)max条件下h=0.7 m.

图2 刘大线航道护岸关于一级平台高程的费用和综合效益曲线

综合考虑效益－费用和河床断面形态的稳定性，取两者的平均值0.9 m 作为刘大线航道复式断面一级护岸平台高程.

4.2 劳龙虎水道一级护岸高程的确定

劳龙虎水道位于西江流域下游，全长15.5 km，按三级航道标准整治，设计最低通航水位为－0.94 m，最高通航水位为2.81 m，常水位为0.94 m，重现期为1.5年的洪水对应的水位为1.68 m.

劳龙虎水道一级护岸为斜坡式抛石护岸(抛石厚度700 mm，坡比1∶3)，二级护岸采用斜坡式干砌块石护岸(块石厚度500 mm，坡比1∶2)，一级护岸平台(宽约6 m)扦插芦苇(见图3).

4.2.1 造价分析

按广东省物价，工程造价预算每延米抛石护岸单位高度造价为285 元/m，每延米干砌块石护岸单位高度造价为145 元/m，一级平台扦插芦苇费用为3.5 元/m2，即p1=285 元/m，p2=145 元/m，c =21 元/m.劳龙虎水道设计要求:h1=－5.0 m，h2=3.80 m.根据式(1)有

4.2.2 综合效益分析

1)生态效益 芦苇群落生态美观，消波作用明显，对岸坡起保护作用.当地芦苇株高约1.5 m，处于0～2/3 株高这一水深能正常生长繁殖，当水深超过2/3 株高时(累计历时56 d，约占全年15.3%)，芦苇生长受到抑制，一旦水深减小，芦苇可迅速复苏.

根据式(2)，劳龙虎水道护岸的生态性高程为

图3 劳龙虎水道护岸结构图(单位:m)

式中，h15.3%为劳龙虎水道保证率15.3%的水位，为2.4 m;h5为芦苇株高，取1.5 m.故劳龙虎水道护岸的生态性高程Hs=1.40 m.

劳龙虎水道原生态性较好，该护岸工程对原生态影响小，依据哈弗斯密特［11］的研究成果，经计算得k1=11.5 元/m2，则每延米护岸的生态效益为

2)观赏－文化效益 劳龙虎水道水面开阔、水流较急，结合对附近居民的走访调查，取Δh2=0.5 m.根据式(3)可得Hg=1.44 m.

根据劳龙虎水道的自然景观，采用哈弗斯密特［11］研究成果的国内折算价值，取k2= 44.5元/m2，则每延米护岸的观赏－文化效益为

3)供水效益 劳龙虎水道沿线多为鱼塘与苗圃，供水效益明显.采用哈弗斯密特［11］研究成果的国内折算价值，取k3=46.1 元/m2，则根据式(7)每延米护岸的供水效益为

化简得

4)防洪效益 劳龙虎水道护岸防洪压力较大，防洪效益较好.采用哈弗斯密特［11］关于湿地防洪效益的国内折算价值，取k4=13.2 元/m2，则根据式(8)每延米护岸的防洪效益为

化简得

综上可得，劳龙虎水道每延米护岸的综合效益为

4.2.3 一级护岸平台高程确定

根据水文分析，劳龙虎水道第二造床流量所对应的水位高程为1.68 m，由式(4)得h′ =1.68 m.

利用式(22)绘制出图4，求得(B－C)max条件下h=1.44 m.

图4 劳龙虎水道护岸关于一级平台高程的费用和综合效益曲线

综合考虑效益－费用和河床断面形态稳定性，取两者的平均值1.56 m 作为劳龙虎水道复式断面一级护岸平台高程.

5 结语

本文建立的关于一级护岸平台高程的效益－费用模型，可计算护岸最大绝对效益条件下的一级平台高程.根据河床断面形态理论，第二造床流量下的边滩高程可用作河床断面形态稳定要求下的一级护岸平台高程.综合运用效益－费用法以及河床断面形态法，最终确定复式断面河道一级护岸平台高程.运用该方法分别计算了刘大线航道、劳龙虎水道的一级护岸平台高程，结果表明该方法较好地考虑了平原河网地区通航河流多目标的需求，具有可操作性和实用价值.

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