洪水期行洪能力恢复与堤线退让的综合优化模型

洪水带来的灾害影响愈发频繁而剧烈，行洪安全已成为流域治理中的核心议题。在河道淤积加重、沿岸开发密集的背景下，行洪空间被持续压缩，导致行洪能力下降与风险增高。堤线作为河流防御体系的关键构造，其布局和退让策略直接关系到洪水调控效果与下游安全水平。因此，需在保障防洪标准的基础上，重新审视堤线布置与空间管控的互动机制，寻求行洪能力恢复与土地利用之间的动态平衡。

一、洪水期行洪能力影响因素分析与现状评估

（一）洪水期行洪能力下降的关键成因

洪水期河道行洪能力的下降主要受到断面形态变化、堤防布置压缩行洪宽度以及河床淤积等综合因素的影响。河道长期受淤积影响，特别是在河流交汇、弯曲处易形成泥沙堆积，显著减少有效过水断面 [1]。实测数据显示，黄河下游某典型河段近 20 年断面缩减率超过 18% 。与此同时，大量耕地、养殖设施、非规划建筑侵占原洪泛区，增大通道糙率（n 值），降低水流速度与行洪效率。此外，极端气候导致洪峰强度增加，传统堤线布置难以适应快速变化的水文条件，加剧了“高水位、低过流”的现象。

（二）河道现有行洪能力评估方法

目前行洪能力的评估主要采用水动力数值模型模拟洪水行为，广泛使用的一维模型如 HEC-RAS 适用于纵向水位计算与断面分析，二维模型如 MIKE 21 则可模拟面域漫溢、滞洪过程。模拟需基于高精度DEM 数据、实测断面、设计流量序列等，设置边界条件与糙率参数（常取 n=0.025-0.035 ），输出指标包括水深、水位、流速与流量分布。结合 GIS 分析，可进行洪泛图绘制与通洪等级分区，便于识别瓶颈区域与高风险段落。此外，遥感数据可用于监测地貌演变和堤内开发情况，为现状评估提供动态支持。

（三）堤线设置与历史变迁分析

堤线的布局演变体现出不同时期对洪水风险的认知与治理策略的转变 [2]。早期堤线多根据历史高水位和经验布置，缺乏科学论证，导致部分堤线贴近主槽布置甚至压缩行洪通道。在华北平原和长江中下游部分区域，堤线距主槽不足 200 米的现象普遍存在，使得洪水调蓄功能丧失。例如某江特大洪水中，多处堤线因刚性布置和缺乏退让缓冲区而溃决，反映出传统布防方式的局限性。随着土地价值提升，沿河开发密集，堤线后移空间逐渐被占用，形成“堤内化”的开发格局，严重削弱了行洪安全保障体系。

二、堤线退让策略设计与综合优化模型构建

（一）堤线退让的多目标权衡

堤线退让策略需在防洪安全、土地经济价值与生态保护之间实现动态平衡。一方面，退让应确保洪水通道满足 100 年一遇设计标准，对下游重点城镇或交通设施提供安全保障；另一方面，应尽量控制征地拆迁成本与土地功能损失，避免退让面积过大造成财政负担；此外，还需考虑生态恢复需求，如湿地复建、河岸带植被修复等，增强洪泛区调蓄与净化功能。上述三个目标之间存在强约束性与相互冲突，构建多目标优化模型有助于科学量化与权衡各类退让路径下的综合收益。

（二）综合优化模型的构建逻辑

本模型采用多目标非线性规划框架，以空间单元为基本决策单位。目标函数包括最小化退让带征拆成本、最小化洪水风险价值与最大化生态恢复效益。其中，征拆成本根据土地类型、单位面积赔偿标准（C₁i）与退让面积（Si）乘积计算，洪水风险以流速、水深与下垫面价值加权确定，生态效益则通过生境修复指数与生态敏感度量化。模型约束包括最小通洪断面（ A⩾Q/(n⋅R²/³⋅S¹/²) ）、土地利用控制线约束（禁止占用生态红线与永久基本农田）以及空间连通性约束（退让带需形成连续通道）。模型以空间向量栅格叠加方式构建变量输入矩阵，为求解器提供完整参数集合。

（三）数据支持与参数设定

模型运行所需数据主要包括 1m 精度 DEM 地形、土地利用分类图（CLass 10 制）、多年设计洪水流量（如 Q₁₀₀=2850m³/s ）、堤防断面测量数据以及区块征地补偿标准（均价约 800 元 /m² ）。为增强生态评估准确性，采用中国生态系统服务价值当量表修正不同土地类型的恢复系数。参数化过程中，退让宽度分层设定为每侧 100-500m 区间，划分为五档，对应不同政策响应等级；生态效益以恢复后的净初级生产力提升值（单位 gC/m² ·年）量化，为生态函数赋予具体响应机制。

（四）模型求解方法

模型采用 NSGA-II 遗传算法求解，该方法具备处理多目标问题的非劣解分布能力，适合空间复杂、多变量耦合的问题结构。种群初始化基于编码后的退让带宽度组合，交叉率设为 0.8，变异率 0.2，最大迭代次数为 500 代。每代评估个体解的三维目标函数值，利用拥挤度距离与帕累托排序构建选择机制。在 MATLAB 平台运行主模型并与 ArcGIS 耦合实现可视化输出，最终形成帕累托前沿集，供规划部门依据偏好选择最优或次优解方案。

三、案例研究与模型应用分析

（一）研究区概况与数据来源

研究区选取华东某典型平原河段，总长约 35km ，平均河宽 180m ，处于多条支流汇入区段，历史洪灾频发。区域土地开发密度高，堤内以水田、蔬菜基地为主，堤外为工业园与湿地残存带。数据来源包括2020年无人机航测DEM（ 0.2m 精度）、自然资源部第二次土地利用普查成果、地方水文站 1950–2020 年洪水序列与地方统计局征地拆迁补偿基准数据。

（二）不同堤线退让方案的模拟与评估

设置三种典型退让方案进行建模分析：方案 A 为均匀退让 200m ；方案B根据土地利用强度与断面过水能力进行分区弹性退让（ 100-500m 不等）；方案 C 为保守退让仅控制在 100m 内。模拟结果显示，方案B 在 100 年一遇洪水条件下平均降低水位 0.37m ，通洪断面平均提升16% ，生态生境连通指数提升 32.5%; ；其单位投资对应生态恢复效率为2.2倍高于方案 A，表现出综合优化优势。方案 C 虽造价最低，但仅满足最小过水要求，缺乏生态与安全缓冲空间，风险外溢严重。

（三）结果对比与优化策略确定

通过多目标比较发现，方案 B 在三目标体系中实现相对均衡，在风险降低、生态提升与成本控制方面形成协调配置。进一步采用敏感性分析表明，生态价值系数权重变化对最优退让带分布影响显著，提示规划策略应根据实际生态敏感性与社会容忍度动态调整。最终建议采用“分区退让 + 高风险强退 + 生态敏感优退”策略，实现空间治理精细化。

（四）政策建议与推广价值

建议将堤线退让成果纳入国土空间用途分区调整，在国土空间规划中划定“潜在退让带”，并建立堤线后移补偿基金机制，为未来洪水预留调控空间 [3]。同时建议建立基于模型输出的“风险图 + 政策图 + 生态图”三图合一机制，指导城市边界控制与土地审批。该模型在其他大中型平原河段具有良好的适应性与推广前景。

总结：

本文从洪水期行洪能力受限的现实问题出发，构建了融合防洪、生态与土地效益的堤线退让综合优化模型，并在典型河段开展了应用验证。结果表明，科学设定退让策略可显著提升通洪能力、降低风险并改善生态功能。通过引入多目标算法与空间参数化方法，实现了复杂目标之间的协调优化。该研究为流域洪水治理提供了量化支撑，具有良好的实际推广价值。

参考文献

[1] 张顺. 信丰县中小流域河道行洪能力及洪水风险区划研究[D].南昌大学 ,2023.003224.

[2] 耿延博 . 爱河行洪能力及“2021·07”暴雨洪水分析 [J]. 东北水利水电 ,2022,40(01):50-53.

[3]许全喜,朱玲玲,袁晶,等.长江中下游河道造床流量研究[M].中国水利水电出版社 :202112:242.