基于海城河河道治理断面的优化设计研究

2023-09-06高立新

水利科学与寒区工程 2023年8期

高立新

(岫岩满族自治县水利事务中心，辽宁岫岩 114300)

1 河道断面优化设计模型

1.1 经济优化方法

从空间上，可以利用河道空间位置的函数反映河道治理变化，即横、纵、垂向利用函数Ω=F(X，Y，Z)来描述，从河道底坡、横断面和纵向中心线进行河道整治。河道治理的目的主要是维持其自然属性，故一般不修改中心线。因此，可以选用包含断面与坡度的函数代表河道治理成本和收益，以实现最大化收益为条件搭建模型如式(1)：

(1)

式中：X为决策变量；φm、im-1为m断面变量及其与m-1断面间的坡度；C(X)、B(X)、Y(X)为河道治理成本、效益和收益；P(X)、L(X)、E(X)、H(X)为用地规划、景观、生态和水力指标函数；Pr、Lr、Er、Hr为用地规划、景观、生态和水力约束集。

1.2 断面概化设计

通过实际具体规划解决模型约束条件和变量较多的问题，优化设计流程如下：评估河道断面功能→分河段确定符合功能要求的断面型式→明确断面变量→考虑功能需求及规划明确变量约束→创建经济优化模型→确定优化设计数据→结合实际情况适当调整→复核计算结果。

1.2.1 断面类型概化

实际工程中，一般选用复式断面满足城市河道的生态性、景观性和亲水性的要求。复式断面能够满足枯水位、常水位、洪水位等波动变化的亲水性要求，有效消除景观视觉欣赏受不同水位变化的影响作用。复式断面设置的多层亲水平台既能够满足亲水性、防洪排涝和航运等多功能要求，还可以在枯水期提供一定的景观水面，特别是对四季水位变化明显的北方城市河流是一种合适的理想断面型式，在此基础上也就确定了其决策变量。

1.2.2 约束条件概化

河道设计应考虑现行规范和有关研究成果简化结构型式，明确并细化变量区间。由流速和断面型式控制生态景观约束条件，确定断面型式也就符合了断面自身约束条件，规划用地、河道加高扩宽收缩扩深、底坡与堤岸衔接约束由断面特征高程和特征宽度确定。为了更好地满足底坡衔接约束，可结合实践经验设定统一坡降或坡降范围。各断面水位、流速必须符合堤顶超高且不漫过路面要求和允许不冲刷流速要求[1]。

1.2.3 目标函数概化

对于受断面变化影响的成本和效益应作为优化模型计算的重点。其中，成本主要考虑河道挖方成本、填方成本、建堤成本和边坡整治成本，采用C表示；效益主要指河道滩地收缩产生的土地效益，不考虑河道整治后周边地产增值效益、生态环境效益和周边直接经营性收益等，单位面积土地效益、土地节约出来的总效益和河道整治综合效益可利用B1、B、Y表示。经整合，成本与效益表达式如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

Y=B-C

(4)

2 实例分析

2.1 河道断面概况

海城河哈大公路桥至铁路桥段河道治理工程位于海城河城区河段，该段左岸无堤防，防洪标准仅为20 a一遇，无任何护岸防护措施，荒草丛生，居民乱扔垃圾现象严重，每年洪水一过，水刷痕迹纵横，垃圾飘散，既不利于水土保持，又严重影响城市环境，不满足城市总体规划要求。为美化城市环境，提高城市品位，左岸河道治理建设必不可少[2-3]。

充分考虑河道通航、景观、防洪排涝等功能要求，研究选用多级复式断面如图1。根据该断面型式明确其决策变量φm=φ(b，d，e，f，z，z1，z2，m1，m2)，其中b、d、e、f代表断面底宽、一级平台宽度、一二级平台垂直距离和二级平台宽度；z、z1、z2代表断面底高程、一级平台高程和断面顶高程；m1、m2代表断面上、下坡段坡度。

考虑到海城河常水位、洪水位和洪水位高差较大的具体情况，为创造较好的亲水环境设计多级复式断面。在枯水位和常水位上部设置亲水平台，考虑通航要求及常水位、景观用地和绿化需求设定一级平台高程z1、平台宽度d及f。根据景观墙和用地局促等特殊造要求利用直立型挡墙连接两平台，并结合巷道要求水深设定挡墙间距，按照景观布置与用地约束条件设定边坡坡度。由此以来，在确定m1、m2、z1、d、f、e的情况下，断面只取决于z、z2和b参数值。本工程m1、m2、z1、d、f、e的取值分别为4.0 m、3.0 m、3.5 m、1.5 m、2.0 m和3.0 m。

2.2 约束条件

根据以下几方面确定约束条件：其一，河道可以扩宽和收缩范围依据规划用地需求确定，由b控制；其二，由每个断面的z1、z2确定河道加高扩宽收缩扩深约束和底坡与堤岸衔接约束；其三，为达到底坡衔接要求，河道整治后的底坡范围由经验设定，本工程设定成统一底坡i，其变化范围为0.000 02～0.0002。在确定河道坡降的情况下，各断面底高程主要取决于下游断面情况；其四，各断面水位、流速必须符合堤顶超高且不漫过路面要求及允许不冲刷流速要求。

2.3 决策流量

在确定断面底高程z、水位、过流流量及底宽b的情况下，可确定水力半径、两断面水力坡度和过流面积等参数值。在设计流量588 m3/s恒定流和底坡i确定的条件下，考虑到河道下游闸控利用逐段试算法就可以求出各断面水位。设堤顶高程z2等于安全超高与水位之和，经计算设定安全超高1.2 m，在此基础上即可确定堤顶高程。本工程使用统一坡降，则所有决策变量包括最下游断面的底高程z、各断面底宽b以及底坡i，鉴于下游与河道相连接的情况，维持原河道与整治河道下游断面底高程不变。因此，各断面底宽b和统一底坡i就是整个河道的整治断面变量。通过科学评估断面功能，将河道划分成9段10个断面，其决策变量包括统一坡度i和10个断面底宽b。

2.4 目标函数

河道整治综合效益为目标函数，结合前文所述公式，代表原断面和收缩断面堤顶宽度，设C1为4.50元，C2为17.20元，C3等于C4为25.00元，B1为600.00元。

2.5 结果分析

采用改进后的和传统的遗传算法求解目标函数，经多次迭代运算确定坡度为0.000 05时河道整治综合效益最大为1.42元，效益最大时的优化结果如表1。

表1 河道断面经济优化结果

通过对比某方案下河道以及优化设计河道、原河道设计流量下流速、水位、断面底高程可知，优化后的河道不仅能够有效降低洪水位，还可以实现河道整治综合效益最大化。优化后河道岸线有所收缩，在不影响防洪安全的情况下节约了土地，为城市发展提供更好的服务。设计流量下优化方案略低于某方案最高洪水位，断面流速波动较小，整体比较稳定，最大流速0.80 m3/s，优化方案与某整治方案及原方案更优。