北方寒冷缺水地區(qū)河流的治理

張家松

（山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東臨沂276000）

烏蘭察布市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，總面積5.4萬(wàn)km2。烏蘭察布市東部與河北省接壤，東北部與內(nèi)蒙古錫林郭勒盟相鄰，南部與山西省相連，西南部與自治區(qū)首府呼和浩特毗連，西北部與包頭市相接，北部與蒙古國(guó)交界。

霸王河為內(nèi)陸河，是黃旗海水系中流域面積第二大的河流，發(fā)源于烏蘭察布市察右中旗草垛山北山頂。該河流經(jīng)市區(qū)，于板伸梁村南匯入黃旗海。流域面積899km2，全長(zhǎng)93.1km，河道平均比降0.517%。

1 霸王河現(xiàn)狀分析

1.1 自然氣候條件

烏蘭察布市多年平均氣溫4.5 ℃，歷年極端最高氣溫37.2 ℃，歷年極端最低氣溫-33.7 ℃。多年平均降水量368.8mm，降水量年際變化較大，降水量年內(nèi)分配極不均勻。多年平均蒸發(fā)量1983.6mm（20cm口徑蒸發(fā)皿），蒸發(fā)是降水的5.4倍。

該地區(qū)風(fēng)多且大，歷年最大風(fēng)速33.0m/s，汛期6～9月多年平均最大風(fēng)速18.0m/s，多年平均年最大風(fēng)速23.4m/s。多年平均大風(fēng)日數(shù)48d，最多達(dá)92d。多年平均無(wú)霜期133d，多年平均日照時(shí)數(shù)為2920h，≥10 ℃積溫2170 ℃。歷年最大凍土深度1.91m。

總之，從現(xiàn)狀分析來(lái)看，其自然氣候條件主要特點(diǎn)有：①自然氣候條件不佳，施工期短，凍土深度大；②降水量少，蒸發(fā)量大，水資源極為匱乏；③河道比降較陡，洪峰高歷時(shí)短，行洪時(shí)水流湍急；④洪水含沙量大；⑤河道滲漏量大，需要防滲處理。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)區(qū)為丘陵間河谷地貌類(lèi)型，壩址下伏基巖埋深較小，地貌單一，地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，地基土層層位較穩(wěn)定，分布較均勻，在壩址及其附近無(wú)活動(dòng)性斷裂通過(guò)。地史上相對(duì)穩(wěn)定，適宜建筑。

2 治理工程總體規(guī)劃

霸王河河道治理工程南起110國(guó)道北至霸王河水庫(kù)大壩，河道治理2.3km。本治理段共規(guī)劃3片景觀區(qū)，分別是霸王河水庫(kù)大壩兩側(cè)水體景觀區(qū)、武家村下游水體景觀區(qū)和110國(guó)道兩側(cè)水體景觀區(qū)。

2.1 霸王河水庫(kù)大壩兩側(cè)水體景觀區(qū)

為保證大壩兩側(cè)有寬廣的水面，在大壩下游600m處設(shè)液壓鋼壩閘1座，正常蓄水位受大壩泄洪閘、溢洪道及大壩壩腳的限制確定1341.5m，壩高2.0m，回水面積9.3萬(wàn)m2，庫(kù)容12萬(wàn)m3，水面最寬處250m。

2.2 武家村下游水體景觀區(qū)

本區(qū)域河道長(zhǎng)度650m，現(xiàn)狀河道生態(tài)破壞較輕，樹(shù)木生長(zhǎng)茂盛、樹(shù)干直徑較粗、樹(shù)齡較長(zhǎng)，根據(jù)生態(tài)治理的原則，保留成片的樹(shù)林，打造生態(tài)島，形成水繞林、林映水的效果。

為了實(shí)現(xiàn)河道水面相接，需在第1座壩的下游650處再設(shè)1座壩。壩的正常蓄水位1339.2m，壩高1.5m，回水面積11.0萬(wàn)m2，庫(kù)容7.8萬(wàn)m3。

2.3 110國(guó)道兩側(cè)水體景觀區(qū)

為保證110國(guó)道兩側(cè)有寬廣的水域空間，在110國(guó)道以下350m左右設(shè)橡膠壩1座，由于受110國(guó)道大橋梁底高程的限制，只能在條件允許的范圍內(nèi)盡可能地抬高壩高，增加蓄水量，壩高5m，正常蓄水位1338.0m，回水面積22.1萬(wàn)m2，庫(kù)容45.3萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度1.7km。另外，根據(jù)現(xiàn)狀地形條件，保留河中的樹(shù)林，形成若干生態(tài)小島。

3 治理工程設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)岸工程

護(hù)岸工程布置在霸王河兩岸岸坡上，起防沖、防滲及美化岸坡的功能。護(hù)岸主要采用格賓網(wǎng)填鵝卵石護(hù)岸，其具有抗沖刷能力強(qiáng)、自然、生態(tài)、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于北方寒冷地區(qū)。

3.1.1 平面設(shè)計(jì)

護(hù)岸岸線布置力求平順、圓滑，富有曲線美，并盡量沿原岸線布置。

3.1.2 護(hù)岸縱向設(shè)計(jì)

（1）當(dāng)正常蓄水位高于設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，護(hù)岸頂高程為正常蓄水位加0.7m超高。

（2）正常蓄水位低于設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，護(hù)岸頂高程為設(shè)計(jì)洪水位加0.3m超高。

3.1.3 護(hù)岸岸坡設(shè)計(jì)

（1）盡量結(jié)合現(xiàn)狀岸坡。

（2）要保證護(hù)岸的親水性和安全性，最終確定護(hù)岸的設(shè)計(jì)坡度為1∶5～1∶8，個(gè)別河段空間不夠時(shí)設(shè)計(jì)坡度可變?yōu)?∶3。

3.1.4 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)岸自上而下為：格賓網(wǎng)填鵝卵石護(hù)坡厚400mm、級(jí)配碎石厚100mm、反濾土工布1層、砂粒料回填厚1400mm、防滲土工膜1層、中粗砂保護(hù)層厚100mm。

3.2 河道分區(qū)工程

為合理解決攔蓄與泄洪、沖砂與攔蓄的矛盾并且充分利用水資源，本工程將河道蓄水區(qū)用分隔堤沿縱向分為兩部分，一側(cè)作為沖砂泄洪主渠道，另一側(cè)作為封閉式的汪塘蓄水區(qū)。在正常水位情況下分隔堤被淹沒(méi)，蓄水區(qū)與泄洪區(qū)形成一體水面；在夏季行洪期，泄洪區(qū)河道行洪，蓄水區(qū)的水由分隔堤攔堵，不被完全泄掉。如遇特大洪水，蓄水塘與泄洪主渠道同時(shí)過(guò)流，保證防洪安全。沖砂泄洪道按設(shè)計(jì)比降對(duì)河道進(jìn)行開(kāi)挖整理，汪塘蓄水區(qū)按設(shè)計(jì)底高程進(jìn)行整理，形成水平底，以保證水量缺乏時(shí)也可形成大面積的水面。

分隔堤采用梯形斷面，頂寬3.0m，邊坡1∶3.0，表層用格賓網(wǎng)填塊石防護(hù)，中間采用砂礫石料填筑。為保證分隔堤的防滲功能，在其中間設(shè)防滲土工膜。分隔堤頂高程一般低于正常蓄水位0.5～1.0m，保證分隔堤在正常蓄水情況下不外露。

3.3 河底防滲及防護(hù)

根據(jù)水資源緊缺、河道滲漏量大等工程特點(diǎn)，為保證工程安全及充分利用水資源，需對(duì)河底進(jìn)行防滲及防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.3.1 鋼筋混凝土護(hù)底+防滲土工膜方案

防滲防沖效果好，但具有施工困難、施工速度慢，凍脹問(wèn)題難以解決，造價(jià)高，生態(tài)效果差等缺點(diǎn)。

3.3.2 格賓網(wǎng)填塊石護(hù)底+1.4m厚覆土+防滲土工膜方案

能適應(yīng)變形解決凍脹問(wèn)題，防滲防沖效果較好，施工簡(jiǎn)單，生態(tài)效果好，缺點(diǎn)是土工膜損壞可能形成滲漏通道，石方量大，人工量大。

3.3.3 1.9m厚覆土＋防滲土工膜方案

無(wú)凍脹問(wèn)題，施工速度快、施工簡(jiǎn)單，生態(tài)效果好，缺點(diǎn)是抗沖刷能力較差，土工膜損壞可能形成滲漏通道。

考慮施工難度、工期要求及河道生態(tài)效果，綜合比較采用格賓網(wǎng)填塊石護(hù)底+1.4m厚覆土+防滲土工膜或1.9m厚覆土＋防滲土工膜。沖砂泄洪道區(qū)域內(nèi)采用格賓網(wǎng)填塊石護(hù)底+1.4m厚覆土+防滲土工膜方案，以防止河道沖刷；汪塘蓄水區(qū)內(nèi)采用鋼筋混凝土護(hù)底+防滲土工膜方案，以保證生態(tài)效果。

3.4 水循環(huán)系統(tǒng)

在攔河建筑物的下游設(shè)水循環(huán)泵站，將水抽至上游，水再通過(guò)跌水壩流到下游，形成水循環(huán)系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)的建立很好地解決了水質(zhì)惡化的問(wèn)題，并且形成了多級(jí)跌水，增加了河道的景觀效果。

3.5 抗冰凍

本工程區(qū)多年平均氣溫4.5 ℃，歷年極端最高氣溫37.2 ℃，歷年極端最低氣溫-33.7 ℃，歷年最大凍土深度1.91m，需要對(duì)工程進(jìn)行相應(yīng)的防冰凍設(shè)計(jì)。

防冰凍處理措施有：2m凍土深度范圍內(nèi)進(jìn)行換填，換填材料可根據(jù)地下水位高低情況分別采用素混凝土或非凍脹砂礫料；結(jié)構(gòu)尺寸適當(dāng)加厚；利用水保溫；采用變形能力強(qiáng)的格賓網(wǎng)填塊石結(jié)構(gòu)；設(shè)排水管，以降低水位；對(duì)混凝土材料有嚴(yán)格的抗凍要求，混凝土抗凍標(biāo)號(hào)采用F300。

通過(guò)采取以上抗凍措施，有效地解決了北方寒冷地區(qū)的凍脹問(wèn)題。

4 北方寒冷及缺水地區(qū)河流的治理

4.1 北方寒冷及缺水地區(qū)河流的特征

（1）植被條件差，生態(tài)惡化嚴(yán)重；

（2）凍土深度深，凍脹問(wèn)題嚴(yán)重；

（3）水資源極其緊缺；

（4）洪水急漲急落，含沙量大，沖刷力大；

（5）無(wú)補(bǔ)充水源，水質(zhì)容易惡化；

（6）河道滲漏嚴(yán)重。

對(duì)北方寒冷缺水地區(qū)的河流，按照普通的河道治理模式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)會(huì)存在諸多問(wèn)題，例如泄洪與攔蓄的矛盾，沖砂與攔蓄的矛盾，水質(zhì)惡化與攔蓄的矛盾，生態(tài)修復(fù)與防沖的矛盾，防滲與生態(tài)修復(fù)的矛盾等等。如何合理解決上述矛盾并且充分利用水資源是北方寒冷缺水地區(qū)的河流規(guī)劃設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

4.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)思路

（1）以生態(tài)治理為原則，從生態(tài)護(hù)岸、生態(tài)防滲等多方位入手，修復(fù)河道生態(tài)。

（2）根據(jù)地質(zhì)情況，采取行之有效的水平或垂直防滲措施，在最大程度攔蓄的同時(shí)，保證河道的生態(tài)效果。

（3）深入研究解決存在凍脹問(wèn)題的工程，從埋置深度、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)型式、排水降水、開(kāi)挖換填等多方位抗凍措施入手，保證工程的安全性。格賓網(wǎng)填塊石結(jié)構(gòu)具有生態(tài)、抗沖、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)廣泛應(yīng)用。

（4）對(duì)于水資源匱乏的區(qū)域，將水資源充分利用作為工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)：①中水利用。通過(guò)管道系統(tǒng)將污水處理廠的中水輸送到河道內(nèi)并將其攔蓄。②洪水利用。一是攔河閘壩可在汛期適當(dāng)降低水位運(yùn)行，不必完全敞泄；二是將河道分區(qū)，以解決泄洪與攔蓄的矛盾，沖砂與攔蓄的矛盾。③水庫(kù)水利用。制定合理的水庫(kù)運(yùn)用調(diào)度方案，保證水庫(kù)水對(duì)其下游河道的有效補(bǔ)充。

（5）考慮洪水對(duì)河道沖刷的危害性，采取必要的工程措施對(duì)河道進(jìn)行防護(hù)。

（6）對(duì)河道造成淤積問(wèn)題，攔河建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)具有沖砂排砂能力。

（7）考慮水體不流動(dòng)帶來(lái)的水質(zhì)惡化問(wèn)題，建立水循環(huán)系統(tǒng)等工程措施，形成多級(jí)跌水，增加了河道的景觀效果。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于北方寒冷缺水地區(qū)存在的諸多問(wèn)題，從治理生態(tài)、地質(zhì)情況、污水處理利用、合理地調(diào)度水庫(kù)利用、河道防護(hù)及淤積問(wèn)題，對(duì)于不流動(dòng)的河流水體，增加河道景觀等，提出了合理的設(shè)計(jì)思路，以供同行參考借鑒。

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