长江中下游岸滩稳定性评价指标体系构建及应用

2022-09-06李强，王乃茹，曹双，陈槐，罗红雨，范红霞

人民长江 2022年8期

李强，王乃茹，曹双，陈槐，罗红雨，范红霞

(1.长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011； 2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

0 引言

长江中下游干流河道为冲积平原河流，河岸边界在水流长期的冲刷作用下，崩岸现象时有发生。河岸崩退不仅危及河势稳定，还可能严重影响防洪、航运、涉水建筑物安全及岸线保护利用。三峡水库蓄水运用后，“清水下泄”引起坝下河段冲刷加剧，局部河段崩岸频率和强度明显增大[1]，2013年以来长江中下游干流河道累计发生崩岸900多处，岸线长达700 km[2]。在崩岸发生前对岸滩稳定性进行监测分析和综合评估十分必要。

影响岸滩稳定性的因素众多，各因素相互作用下崩岸形成的机理也十分复杂[3]。为此，许多学者就岸滩稳定性计算分析、崩岸机理及过程和影响因素方面开展了大量研究[4-7]，但在岸滩稳定性评价方面进行的研究相对较少。随着数学理论的发展，学者们开始注重对岸滩稳定性进行量化评价，比较常用的评价方法主要有层次分析法[8]、模糊综合评判法[9]、神经网络模型方法[10]、专家评分法[11]等，采用的评价指标主要隶属于地质边界条件、水动力条件、人类活动等方面。学者们往往从中选取一至两类因素，借助评价模型对岸滩稳定性进行评价分析。如李鹏岳等[12]选取地形、地层岩性等地质因素指标，构建了基于改进层次分析法与可拓理论相结合的评价模型确定评价指标权重。王延贵等[13]从岸坡形态、土壤特性和水流条件出发，建立了河流岸滩崩塌影响因子的层次结构模型，并基于模糊数学方法构造岸滩稳定综合评价函数，对洪水期和枯水期岸滩稳定性进行了评价，但未给出河岸稳定性判别的临界值。王坤[14]综合考虑水力学、土力学因素对崩岸的共同作用，应用模糊决策理论形成的模糊一致矩阵对长江石首河段崩岸危险程度进行了量化评价，以综合决策优度值的形式表征了河段崩岸的危险程度。除地质、水动力等自然因素外，俎全磊等[15]进一步考虑了堤防工程、采砂等人为因素的影响，通过对宜都市长江与清江岸坡稳定性进行评价指出，影响土质岸坡稳定性的最重要因素为堤防工程，但该项研究仅停留在定性分析，评价结果精度不高。可以发现，已有成果多停留在各因素相对孤立的状态，较少考虑并量化各因素之间的相互作用，综合各影响因素的定量评估成果及实例应用尚不多见。

针对以上情况，在分析长江中下游岸滩稳定性影响因素的基础上，建立长江中下游岸滩稳定性评价指标体系，并以扬中河段太平洲环岛岸线为例，利用层次分析法与该体系进行综合赋分评价。具体实施步骤为：首先构建岸滩稳定性评价的层次结构模型，并建立判断矩阵推求各指标的影响权重；进而给出指标的分级阈值与赋分标准；依据实测资料计算岸滩稳定性综合得分与分级，从而实现对环岛不同河段岸滩稳定性的定量评价。该方法可以帮助崩岸管理部门更全面、准确地掌握岸滩稳定性真实状况，为崩岸预警提供有效的定量分析工具。

1 长江中下游岸滩稳定性评价指标体系

影响长江中下游岸滩稳定，导致崩岸的因素主要分为自然因素和人为因素两大类，其中自然因素主要包括河岸边界条件、河流水动力条件、河势条件3方面；人为因素主要指河道整治工程、采砂、植被破坏等人类活动。许多学者认为，冲刷是造成崩岸的主要外因，其他因素都是通过改变河岸边界条件和水流动力条件间接影响岸滩稳定性[16-17]。

1.1 岸滩稳定性影响因素分析

1.1.1河岸边界条件

河岸边界条件是崩岸形成的主要内在因素，包括边界地质与地形因素。岸坡土体结构决定着崩岸的发生、速率和分布，岸坡形态通过影响岸坡土体受力状态进而影响崩岸的发生[18]。长江中下游多处崩岸段岸坡具有二元土体结构[4]，上层以河漫滩相的粉粒居多，下层为河床相的细中砂，厚度可达50～60 m，抗冲性差，坡脚易受水流冲刷形成陡岸高坡。崩岸段往往为高大陡坡，如长江中游荆江段黄水套[18]、长江下游扬中段二墩港等处的岸坡坡比在1∶1.5～1∶2.0之间，坡高在10～20 m之间[19]，由粒径0.2 mm左右细砂组成的岸坡极限稳定坡比仅为1∶1.8左右，上述岸坡极易失稳形成崩岸。

1.1.2河流动力条件

河流动力条件是影响岸滩稳定性最重要的外因，主要包括近岸水动力条件、河道水位变化和副流作用[18]。深泓贴岸处近岸单宽流量大，易造成局部冲刷，当近岸流速超过坡脚土体泥沙临界抗冲流速，则可能出现侵蚀，导致局部深槽锲入、岸坡水下坡度变陡，坡比和坡高超过稳定极限值后岸坡崩塌[16]。河道水位变化会通过渗流过程引起岸坡土体内部水位变化，导致岸坡土体力学特性改变，从而影响岸坡稳定性[20]。河道纵向水流形成的贴岸顶冲、环流、回流等副流作用使近岸水流切应力增大，导致对坡脚淘刷作用增强，降低了岸坡稳定性。

1.1.3河势条件

河势条件包括河势形态与河势演变特性，前者代表河段所处的宏观河势环境，后者可用来判断影响岸滩稳定性的外在环境是否转好、转坏或保持相对平衡。河势形态决定了岸坡冲淤的性质，一般顺直或微弯的单一或双分汊岸线比较稳定，而河流弯道凹岸、汊道分流和汇流处主流易贴岸形成强烈冲刷，长江中下游大多数崩岸均发生在此类岸段上[18]。局部河段河势的演变可改变上、下游河段深泓走向，水流顶冲点上提或下移、水流顶冲位置的改变等将导致原有护岸薄弱段发生崩岸险情。

1.1.4人类活动

人类活动主要通过影响河岸边界条件和河流动力条件来间接影响岸滩稳定性[21]，主要包括涉水工程、采砂和植被破坏等。其中护岸工程及良好的岸坡植被是提高土质岸坡稳定性的重要因素，护岸工程使被保护岸段减少或免受暴雨洪水、水位涨落等自然力对土质岸坡的侵蚀破坏，良好的岸坡植被可提高土壤的抗剪强度，并使土壤产生一定的抗拉强度，岸坡上的树木会对岸坡的稳定起促进作用[18]。

1.2 评价指标体系的建立

对岸滩稳定性进行综合评价的目标在于掌握岸滩稳定性真实现状，因此将岸滩稳定性作为目标层。崩岸是水流动力条件、河岸边界条件、河势条件和人类活动等多因素共同作用下形成的，故将河岸边界条件、河流动力条件、河势条件、人类活动4大类作为准则层要素。河岸边界条件包括地质因素和地形因素，主要的影响因子有岸坡土体结构、坡比、坡高、坡脚侵蚀度。河流动力条件包括主流贴岸距离、近岸流速、水位变化和河岸浸泡时间4个影响因子。河势条件以河型、河道宽深比2个因子反映河床的抗侵蚀和淤积能力，用深泓线平面摆幅、岸线平面摆幅、近岸深槽平面位移和刷深4个因子表现河床实际的侵蚀、淤积或稳定状况。人为实施的护岸工程及良好的植被是提高土质岸坡稳定性最重要的因素[21]，对崩岸发生起到一定的抑制作用，因此在建立指标体系时人类活动主要考虑护岸工程和植被的作用，分别以护岸工程措施保障率和河岸带植被覆盖度来表征。以上16个指标构成指标层要素，由此建立长江中下游岸滩稳定性评价指标体系(见表1)。

表1 长江中下游岸滩稳定性评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of beach stability for the middle and lower reaches of Yangtze River

2 评价指标体系的应用

2.1 基于层次分析法的岸滩稳定性评价过程

本文利用长江下游水文水资源勘测局收集的扬中河段实测资料，以扬中河段太平洲环岛岸线为研究对象，从长江中下游岸滩稳定性评价指标体系(见表1)中筛选出适宜太平洲环岛的若干指标，采用层次分析法对环岛岸线的岸滩稳定性进行赋分评价，具体流程如图1所示。为了将评价结果与已列入扬中市崩岸预警险工段名录的岸段分布情况[19]进行对比，沿环岛选取5个省厅重点险工段、6个市辖险工段和5个非预警段3类不同预警级别的岸段作为评估河段。每个评估河段按0.5～2.0 km左右不等的长度划分为若干监测河段，每个监测河段内以200～400 m 不等的间隔设置监测断面，提取各指标的实测数据。

图1 基于层次分析法的太平洲环岛岸滩稳定性综合评价流程Fig.1 Evaluatim process of Taipingzhou roundabout beach stability based on AHP

2.1.1构建层次结构模型

长江中下游岸线较长，河岸边界条件与水流动力条件因地而异，针对具体河段，影响岸滩稳定性造成崩岸的因素会有所不同，因此对扬中河段太平洲环岛岸滩稳定性进行综合评价时，可结合研究区实际情况，必要时对前文所建长江中下游岸滩稳定性评价指标体系进行适当调整。

太平洲环岛岸滩稳定性综合评价仍以岸滩稳定性作为目标，列为目标层。2017年11月太平洲指南村二墩港下游发生了近期长江下游最大的一次崩岸险情，主要诱因为[22-23]：① 河岸土体为二元结构，下层弱抗冲层厚度远大于上部抗冲层厚度，底部掏刷导致上部悬空崩塌；② 局部河势调整，嘶马弯道顶冲点下移、过渡主流直接顶冲崩岸段，导致近岸深槽持续冲刷；③ 局部无护岸工程；④ 顶冲主流大流量级天数增多，大水小沙对河道造床作用明显。可见此次崩岸也是河岸边界条件、河势条件、河流动力条件和人类活动共同作用的结果，因此初步拟定由这4类因素构成层次结构模型的准则层。

考虑到一般情况下人类活动往往通过引起河道边界或近岸水流条件变化进而对岸滩稳定性产生影响，可根据具体河段情况，将人类活动影响归并为河岸边界或水动力条件准则层中[21]。针对扬中河段，受野外监测技术手段限制，岸坡植被目前暂无相关实测资料，获得详实的实测数据仍有较大难度，因此人类活动层面只考虑护岸工程的影响，但这会导致护岸工程因素所占权重较实际情况偏大。另外，环岛岸坡基本为上粉下砂的二元土体结构，且不同河段沿岸地层分布差异较小，岸坡土体结构对河岸边界条件的指示作用并不明显，河岸边界条件判断主要依据护岸工程的实施情况。鉴于以上实际情况，将人类活动影响归并至河岸边界条件属性，即将护岸工程因素的影响归入到河岸边界条件层面，最终由河岸边界条件、河势条件、河流动力条件构成太平洲环岛岸滩稳定性评价准则层要素。

河岸边界条件包括岸坡土体结构、坡比、坡高、坡脚侵蚀度、护岸措施保障率5个因子。长江大通站以下干流区间入江流量仅占大通站流量的3%左右，因此大通站流量、泥沙特征基本可代表长江下游来水来沙特征。考虑到太平洲环岛来水、来沙特征值均参考大通站水沙资料，不同河段水位变化和河岸浸泡时间对河流动力条件的指示作用不大，故河流动力条件只保留主流贴岸距离、近岸流速2个因子。河势条件采用的指标无变化，即河型、河道宽深比、深泓平面摆幅等6个主要因子。经调整，从长江中下游岸滩稳定评价指标体系中选取了13项指标，构成太平洲环岛岸滩稳定性评价体系指标层，从而建立太平洲环岛岸滩稳定性评价层次结构模型(见图2)。

图2 太平洲环岛岸滩稳定性评价层次结构模型Fig.2 Hierarchical framework model for the Taipingzhou roundabout beach stability evaluation

2.1.2指标权重的确定

由于各因素对岸滩稳定性所起作用的大小和重要性不同，采用层次分析法对岸滩稳定性影响因素进行分析并确定评价指标权重。将层次结构模型各层次中诸因素重要性进行两两比较，结合研究区特点，通过专家咨询对各因素之间的相对重要性做出排序，结果见表2。

表2 岸滩稳定性影响因素重要性排序原则Tab.2 Principles of weightiness ordering of factors affecting beach stability

为使评估因素的相对重要性定量化，采用1～9倒数标度法[24]列出各层次的判断矩阵(见表3～6)，计算各判断矩阵的最大特征根及对应的特征向量，并检验判断矩阵的一致性。特征向量经归一化处理后的向量即为各层次、各指标的权重向量，相应也就得到不同层次、不同指标的权重系数，鉴于篇幅限制，具体计算过程省略。各层次权重计算结果见表3～6。

表3 A-B层判断矩阵及其计算结果Tab.3 Judgment matrix A-B and its calculation results

表4 B1-C层判断矩阵及其计算结果Tab.4 Judgment matrix B1-C and its calculation results

表5 B2-C层判断矩阵及其计算结果Tab.5 Judgment matrix B2-C and its calculation results

表6 B3-C层判断矩阵及其计算结果Tab.6 Judgment matrix B3-C and its calculation results

根据组合权重的计算方法[24]，对判断矩阵进行综合求得层次总排序权重，即指标层C对目标层A的权重值(见表7)，并进行总排序一致性检验。经一致性检验，A-B层判断矩阵单排序随机一致性指标CR为0.033 2，B1-C和B2-C层判断矩阵(B3-C层判断矩阵无需检验)单排序随机一致性指标CR分别为0.038 0和0.019 7，层次总排序随机一致性指标CR为

表7 岸滩稳定性评价指标权重值Tab.7 Weight of beach stability evaluation indexes

0.026 7，均满足一致性要求(CR<0.1)，说明层次分析排序结果可靠，权系数分配合理。

2.1.3指标赋分标准

依据相关行业标准和类似岸滩稳定性评价的研究成果，结合实际调查数据，同时参考专家咨询建议，确定太平洲环岛岸滩稳定性评价指标的分级阈值和赋分标准(见表8)。对于河岸土体结构、坡比、坡高、坡脚侵蚀程度等指标，参考《河流健康评估技术导则》[25]《航道工程手册》[26]《扬中市环岛水下地形监测及预警分析报告》[19]等确定；对近岸流速、主流贴岸距离、宽深比、护岸工程措施保障率，由于目前无行业标准作为依据的指标，则参考类似研究成果和相关数据；对于近岸深槽位移、深泓线摆幅等无参考系统的指标，采用数理统计方法并结合专家咨询法确定。将各指标划分为稳定、基本稳定、较不稳定、不稳定、极不稳定5级岸滩稳定性级别，对应分数为100～0，每级标准为25分，分值越大表明对于岸滩稳定越有利。

2.1.4岸滩稳定性评价赋分方法

在建立了岸滩稳定性评价层次结构模型和确定了模型底层各指标的权重系数后，就可以依据各指标实测值，根据指标赋分标准对各指标进行赋分，对单个指标评价分值加权计算可得到岸滩稳定性综合分值。本文主要对岸滩稳定目标层在断面尺度与河段尺度进行综合评价，监测断面的岸滩稳定性得分为指标层各指标得分的加权平均，即先获取监测断面各指标的原始数据，然后根据指标赋分标准为指标赋分，再由各指标

得分及其权重按式(1) 计算岸滩稳定性得分：

(1)

式中：H为监测断面的岸滩稳定性得分；Fi和Wi分别为指标层各指标得分及其权重；n为指标层指标的数量。

监测河段的岸滩稳定性得分为该河段内各监测断面岸滩稳定性得分的算数平均值：

(2)

式中：HI为监测河段的岸滩稳定性得分；Hi为监测断面i的岸滩稳定性得分；m为监测断面的数量。

由于评估河段由一系列长度不等的监测河段组成，因此评估河段的岸滩稳定性得分为该河段内各监测河段得分按其长度比例进行加权求和，具体计算公式如下：

(3)

式中：LHI为评估河段的岸滩稳定性得分；HIi为监测河段i的岸滩稳定性得分；Li为监测河段i的长度；L为评估河段的长度；N为监测河段的数量。

2.2 评价结果

2.2.1评价等级划分

参考《评估技术导则》及类似研究成果，结合专家咨询建议，将评估区岸线分为稳定、基本稳定、较不稳定、不稳定和极不稳定共5级(见表9)，80～100为稳定岸线，60～80为基本稳定岸线，40～60为较不稳定岸线，20～40为不稳定岸线，得分小于20则为极不稳定岸线。

表8 评价指标赋分标准Tab.8 Marking criteria of assessment indexes

表9 太平洲环岛岸滩稳定性评价分级标准Tab.9 Grading criteria of beach stability evaluation for the Taipingzhou roundabout

2.2.2评价结果分析

研究区环岛评估岸线总长48.53 km，所选16个评估河段中，省厅重点险工段岸线长26.15 km，市辖险工段岸线长11.58 km，非预警段岸线长10.80 km。根据前文所述原理与计算步骤，采用13个评价指标对太平洲环岛16个评估河段的岸滩稳定性进行综合评价，其结果见图3和表10。

图3 研究区评估河段划分与岸滩稳定性评价结果Fig.3 Evaluation segment division of the beach and bank stability assessment results

从图3可看出：研究区岸线总体上以基本稳定为主，无不稳定和极不稳定的岸线。其中稳定岸线长3.90 km，占评估岸线总长的8.0%；基本稳定岸线长32.49 km，占评估岸线总长的67.0%；较不稳定岸线长12.14 km，占评估岸线总长的25.0%。稳定岸线主要集中于洲头左缘唐家港上、右岸石桥-太平河、洲尾右缘小泡子-扬中二桥等崩岸风险较低的非预警河段范围内，这些区域非迎流顶冲岸段且近岸流速较小，岸坡形态较平缓、完整，近岸河床无明显冲刷，加上实施了较为完善的护岸工程，从而降低了崩岸发生的可能性。较不稳定岸线大部分位于崩岸风险较高的省厅重点险工段范围内，比如左岸的丰乐桥、永勤港-三跃港、大决港-小决港一带，与2020年9月和11月分别发生在丰乐桥、永勤港附近的崩岸事实基本相符[19](见图3)，这部分岸段近岸坡陡流急、坡高大，主流贴岸且近岸防护相对薄弱，因此岸滩稳定性相对差一些；右岸兴隆港、洲头右缘新宁村-华威村一带，由于处于江心洲头、汊道分流口、弯道或弯顶位置，河床断面窄深，主流易贴岸形成强烈冲刷，这些因素对岸滩稳定不利，加上目前这部分岸段并未实施护岸工程，因此岸滩稳定性较差。

表10 太平洲环岛各评估河段岸滩稳定性得分与排序Tab.10 Evaluation scores of beach stability of each segment of the Taipingzhou roundabout

由表10可见：非预警岸段、市辖岸段和省厅重点岸段的岸滩稳定性评价得分分别介于58.61～83.26、63.35～70.41和56.97～73.28之间，平均得分别为68.68、67.20和64.93，表明总体上非预警岸段最安全，市辖岸段次之，省厅重点岸段最不安全。按已确立的崩岸预警级别，所选3类评估河段的崩岸危险程度由高至低的排序依次为省厅重点岸段>市辖岸段>非预警岸段，可见评价结果与3类评估河段实际的崩岸危险程度排序具有较好的吻合度。

崩岸危险程度最低的非预警岸段总体以基本稳定为主，该类评估河段总长40.7%左右的区域为基本稳定岸线，稳定岸线、较不稳定岸线分别占31.5%，27.8%，稳定岸线占比在3类评估河段中最高。其中，非预警第4岸段(太平洲右岸石桥-太平河)是所有评估河段中最稳定的区域，岸滩稳定性平均得分83.26，为稳定岸线。但非预警河段中也有一些局部区域的岸滩稳定性较差，如非预警第2岸段(洲头右缘新宁村～华威村)在所有评估河段中岸滩稳定性排倒数第二，稳定性得分仅为58.61，为较不稳定岸线，2020年11月在洲头右缘附近也确实发生了崩岸险情[19](见图3)，因此建议将该岸段划入扬中市崩岸预警险工段名录以加强监测。

尽管崩岸危险程度最高的省厅重点险工岸段总体也以基本稳定为主(基本稳定岸线占比为65.4%)，但该类评估河段中较不稳定岸线长度占比在3类评估河段中却是最高的(占比为32.7%)。其中，省厅第7岸段(左岸丰乐桥附近)在所有评估河段中稳定性最差，岸滩稳定性得分仅为56.97，依据评价分级标准(见表9)属于较不稳定岸线。根据资料[19]，深水航道治理时，在该河段上游实施了鱼骨坝、护底、护岸等工程，导致二道浅坝下游丰乐桥一带水流湍急紊乱，近岸河床冲刷剧烈，TPZL-CS3+950断面(即丰乐桥崩岸中心位置)往下300 m范围内冲刷厚度达到10 m量级。虽经过护岸治理，但近岸深槽仍向下游及近岸发展扩大，加上近岸坡陡、河床断面窄深，这些不利因素使该岸段的岸滩稳定性大大降低，从而造成丰乐桥一带发生崩岸(见图3)。省厅第8岸段(左岸二墩港-新韩通船厂)在所有评估河段中岸滩稳定性排倒数第三，稳定性评价得分为62.36，该区域内永勤港附近于2020年11月也发生了条崩险情[19]。省厅重点岸段也有部分区域的岸滩稳定性较好，如省厅第11岸段(太平洲右岸兴隆弯道)岸滩稳定性平均得分为73.28，为基本稳定岸线，该区域上游段岸坡形态平缓，近岸流速小，近岸河床无明显冲刷，特别是实施了岸滩滩面硬质化处理工程且有码头工程作为掩护，这些有利因素从整体上拉高了该岸段的岸滩稳定性分值。

评价结果表明：受岸滩实测资料限制，上述指标体系在扬中河段的应用虽未考虑岸坡植被、河道水位变化对岸滩稳定性的影响，但该指标体系及评价方法仍基本能够反映出该河段的岸滩稳定性状况，对于岸坡植被或水位对岸滩稳定有加大影响的河段，在进行岸滩稳定性评估计算时，需考虑这方面的权重与赋分。因此，针对长江中下游其他河段的岸滩稳定性评价，需根据所评估河段河岸边界、河势、河流动力等因素的具体情况，适当调整评价指标的权重与赋分标准。