高立新

(岫巖滿族自治縣水利事務(wù)中心，遼寧 岫巖 114300)

1 河道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

1.1 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方法

從空間上，可以利用河道空間位置的函數(shù)反映河道治理變化，即橫、縱、垂向利用函數(shù)Ω=F(X，Y，Z)來描述，從河道底坡、橫斷面和縱向中心線進(jìn)行河道整治。河道治理的目的主要是維持其自然屬性，故一般不修改中心線。因此，可以選用包含斷面與坡度的函數(shù)代表河道治理成本和收益，以實(shí)現(xiàn)最大化收益為條件搭建模型如式(1)：

(1)

式中：X為決策變量；φm、im-1為m斷面變量及其與m-1斷面間的坡度；C(X)、B(X)、Y(X)為河道治理成本、效益和收益；P(X)、L(X)、E(X)、H(X)為用地規(guī)劃、景觀、生態(tài)和水力指標(biāo)函數(shù)；Pr、Lr、Er、Hr為用地規(guī)劃、景觀、生態(tài)和水力約束集。

1.2 斷面概化設(shè)計(jì)

通過實(shí)際具體規(guī)劃解決模型約束條件和變量較多的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如下：評(píng)估河道斷面功能→分河段確定符合功能要求的斷面型式→明確斷面變量→考慮功能需求及規(guī)劃明確變量約束→創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型→確定優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)→結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整→復(fù)核計(jì)算結(jié)果。

1.2.1 斷面類型概化

實(shí)際工程中，一般選用復(fù)式斷面滿足城市河道的生態(tài)性、景觀性和親水性的要求。復(fù)式斷面能夠滿足枯水位、常水位、洪水位等波動(dòng)變化的親水性要求，有效消除景觀視覺欣賞受不同水位變化的影響作用。復(fù)式斷面設(shè)置的多層親水平臺(tái)既能夠滿足親水性、防洪排澇和航運(yùn)等多功能要求，還可以在枯水期提供一定的景觀水面，特別是對(duì)四季水位變化明顯的北方城市河流是一種合適的理想斷面型式，在此基礎(chǔ)上也就確定了其決策變量。

1.2.2 約束條件概化

河道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮現(xiàn)行規(guī)范和有關(guān)研究成果簡化結(jié)構(gòu)型式，明確并細(xì)化變量區(qū)間。由流速和斷面型式控制生態(tài)景觀約束條件，確定斷面型式也就符合了斷面自身約束條件，規(guī)劃用地、河道加高擴(kuò)寬收縮擴(kuò)深、底坡與堤岸銜接約束由斷面特征高程和特征寬度確定。為了更好地滿足底坡銜接約束，可結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)定統(tǒng)一坡降或坡降范圍。各斷面水位、流速必須符合堤頂超高且不漫過路面要求和允許不沖刷流速要求[1]。

1.2.3 目標(biāo)函數(shù)概化

對(duì)于受斷面變化影響的成本和效益應(yīng)作為優(yōu)化模型計(jì)算的重點(diǎn)。其中，成本主要考慮河道挖方成本、填方成本、建堤成本和邊坡整治成本，采用C表示；效益主要指河道灘地收縮產(chǎn)生的土地效益，不考慮河道整治后周邊地產(chǎn)增值效益、生態(tài)環(huán)境效益和周邊直接經(jīng)營性收益等，單位面積土地效益、土地節(jié)約出來的總效益和河道整治綜合效益可利用B1、B、Y表示。經(jīng)整合，成本與效益表達(dá)式如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

Y=B-C

(4)

2 實(shí)例分析

2.1 河道斷面概況

海城河哈大公路橋至鐵路橋段河道治理工程位于海城河城區(qū)河段，該段左岸無堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)僅為20 a一遇，無任何護(hù)岸防護(hù)措施，荒草叢生，居民亂扔垃圾現(xiàn)象嚴(yán)重，每年洪水一過，水刷痕跡縱橫，垃圾飄散，既不利于水土保持，又嚴(yán)重影響城市環(huán)境，不滿足城市總體規(guī)劃要求。為美化城市環(huán)境，提高城市品位，左岸河道治理建設(shè)必不可少[2-3]。

充分考慮河道通航、景觀、防洪排澇等功能要求，研究選用多級(jí)復(fù)式斷面如圖1。根據(jù)該斷面型式明確其決策變量φm=φ(b，d，e，f，z，z1，z2，m1，m2)，其中b、d、e、f代表斷面底寬、一級(jí)平臺(tái)寬度、一二級(jí)平臺(tái)垂直距離和二級(jí)平臺(tái)寬度；z、z1、z2代表斷面底高程、一級(jí)平臺(tái)高程和斷面頂高程；m1、m2代表斷面上、下坡段坡度。

考慮到海城河常水位、洪水位和洪水位高差較大的具體情況，為創(chuàng)造較好的親水環(huán)境設(shè)計(jì)多級(jí)復(fù)式斷面。在枯水位和常水位上部設(shè)置親水平臺(tái)，考慮通航要求及常水位、景觀用地和綠化需求設(shè)定一級(jí)平臺(tái)高程z1、平臺(tái)寬度d及f。根據(jù)景觀墻和用地局促等特殊造要求利用直立型擋墻連接兩平臺(tái)，并結(jié)合巷道要求水深設(shè)定擋墻間距，按照景觀布置與用地約束條件設(shè)定邊坡坡度。由此以來，在確定m1、m2、z1、d、f、e的情況下，斷面只取決于z、z2和b參數(shù)值。本工程m1、m2、z1、d、f、e的取值分別為4.0 m、3.0 m、3.5 m、1.5 m、2.0 m和3.0 m。

2.2 約束條件

根據(jù)以下幾方面確定約束條件：其一，河道可以擴(kuò)寬和收縮范圍依據(jù)規(guī)劃用地需求確定，由b控制；其二，由每個(gè)斷面的z1、z2確定河道加高擴(kuò)寬收縮擴(kuò)深約束和底坡與堤岸銜接約束；其三，為達(dá)到底坡銜接要求，河道整治后的底坡范圍由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，本工程設(shè)定成統(tǒng)一底坡i，其變化范圍為0.000 02～0.0002。在確定河道坡降的情況下，各斷面底高程主要取決于下游斷面情況；其四，各斷面水位、流速必須符合堤頂超高且不漫過路面要求及允許不沖刷流速要求。

2.3 決策流量

在確定斷面底高程z、水位、過流流量及底寬b的情況下，可確定水力半徑、兩斷面水力坡度和過流面積等參數(shù)值。在設(shè)計(jì)流量588 m3/s恒定流和底坡i確定的條件下，考慮到河道下游閘控利用逐段試算法就可以求出各斷面水位。設(shè)堤頂高程z2等于安全超高與水位之和，經(jīng)計(jì)算設(shè)定安全超高1.2 m，在此基礎(chǔ)上即可確定堤頂高程。本工程使用統(tǒng)一坡降，則所有決策變量包括最下游斷面的底高程z、各斷面底寬b以及底坡i，鑒于下游與河道相連接的情況，維持原河道與整治河道下游斷面底高程不變。因此，各斷面底寬b和統(tǒng)一底坡i就是整個(gè)河道的整治斷面變量。通過科學(xué)評(píng)估斷面功能，將河道劃分成9段10個(gè)斷面，其決策變量包括統(tǒng)一坡度i和10個(gè)斷面底寬b。

2.4 目標(biāo)函數(shù)

河道整治綜合效益為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合前文所述公式，代表原斷面和收縮斷面堤頂寬度，設(shè)C1為4.50元，C2為17.20元，C3等于C4為25.00元，B1為600.00元。

2.5 結(jié)果分析

采用改進(jìn)后的和傳統(tǒng)的遺傳算法求解目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)多次迭代運(yùn)算確定坡度為0.000 05時(shí)河道整治綜合效益最大為1.42元，效益最大時(shí)的優(yōu)化結(jié)果如表1。

表1 河道斷面經(jīng)濟(jì)優(yōu)化結(jié)果

通過對(duì)比某方案下河道以及優(yōu)化設(shè)計(jì)河道、原河道設(shè)計(jì)流量下流速、水位、斷面底高程可知，優(yōu)化后的河道不僅能夠有效降低洪水位，還可以實(shí)現(xiàn)河道整治綜合效益最大化。優(yōu)化后河道岸線有所收縮，在不影響防洪安全的情況下節(jié)約了土地，為城市發(fā)展提供更好的服務(wù)。設(shè)計(jì)流量下優(yōu)化方案略低于某方案最高洪水位，斷面流速波動(dòng)較小，整體比較穩(wěn)定，最大流速0.80 m3/s，優(yōu)化方案與某整治方案及原方案更優(yōu)。

3 結(jié) 論

河道是組成城市生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，綜合治理城市河道對(duì)優(yōu)化城市景觀、維護(hù)生態(tài)平衡、改善人居環(huán)境意義重大。為解決城市河道治理約束條件多、投資規(guī)模大的問題，本文充分考慮河道景觀化、人文化、生態(tài)化和防洪排澇等多功能要求，從經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的角度上提出斷面設(shè)計(jì)模型，研究成果可以為城市河道治理工程方案設(shè)計(jì)提供參考。