寒區(qū)中小河流治理工程的生態(tài)設(shè)計(jì)模式

劉宇航，鞏憲春，范寶山，金 賢

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)院究院，吉林 長春 130021）

寒區(qū)中小河流治理工程的生態(tài)設(shè)計(jì)模式

劉宇航，鞏憲春，范寶山，金 賢

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)院究院，吉林 長春 130021）

基于河道治理規(guī)劃的洪水、中水、枯水3個不同的情況，在確保河道行洪安全的前提下，提出大中型河流治理的重點(diǎn)是穩(wěn)定河勢，其關(guān)鍵是控制與穩(wěn)定中水河槽；而小型河流治理的重點(diǎn)是水生態(tài)景觀的構(gòu)造與建設(shè)，其關(guān)鍵是控制與穩(wěn)定枯水河槽。文章分析給出了小型河流的綜合治理的4個特點(diǎn)：防洪與景觀并重、防洪與生態(tài)建設(shè)并重、河流縱向節(jié)點(diǎn)可調(diào)（實(shí)現(xiàn)洪水不出槽）、穩(wěn)定枯水河槽。最后從生態(tài)水利的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，給出了流經(jīng)長春蓮花山生態(tài)旅游度假區(qū)趙家崗子河綜合整治工程方案。

生態(tài)建設(shè)；河道整治；寒區(qū)中小河流

0　引　　言

我國近十年來，河流生態(tài)治理技術(shù)得到了較快的發(fā)展。特別是最近幾年，我國中小河流治理全面推進(jìn)，積累了一些河流生態(tài)治理的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。但是，現(xiàn)有河流的治理都是對河流的分段治理，缺乏對中小河流整體治理的理論和技術(shù)體系。

成果以趙家崗子河綜合治理為實(shí)例，從河流的源頭治理開始，以始于歐洲“階梯-水潭系統(tǒng)（step-poolsystem）”的河流穩(wěn)定性理論出發(fā)，結(jié)合我國東北地區(qū)的氣象和地貌條件，提出了寒區(qū)中小河流治理的生態(tài)模式。

趙家崗子河是流經(jīng)長春蓮花山生態(tài)旅游度假區(qū)的一條季節(jié)性河流，流域面積為4.21km2，設(shè)計(jì)治理河道長3.91km，地面高程在226～255m之間，平均比降約0.63%；兩岸無堤，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10年，存在河道淤積嚴(yán)重、人為侵占河道問題。為滿足蓮花山生態(tài)旅游度假區(qū)的對城市防洪、生態(tài)、景觀等方面的要求，需要對趙家崗子河進(jìn)行綜合治理。

1　工程區(qū)基本情況

趙家崗子河屬溫帶大陸性氣候區(qū)，多年平均降水量595.3mm，多年平均水面蒸發(fā)量（E-601）為935.1mm。氣候特點(diǎn)為春季干燥多風(fēng)，多年平均風(fēng)速4.4m/s，最大風(fēng)速達(dá)31m/s。夏季炎熱多雨，6—9月份年平均降水量466mm，占多年平均年降水總量78%；多年平均氣溫5.1℃，7月份最熱，月平均氣溫22.9℃，極端最高氣溫達(dá)38℃。秋季晴朗溫差大，夏秋氣旋、臺風(fēng)活動頻繁，易造成流域大暴雨，一次暴雨量主要集中在1d內(nèi)，最大1d雨量占最大3d雨量近80%。冬季嚴(yán)寒漫長，從11月到翌年3月，受西伯利亞冷氣團(tuán)控制，低溫、干燥少雨，冰期長達(dá)5個月之久，一般11月上、中旬開始封凍，3月底或4月初開河；1月份最冷，月平均氣溫為-16.1℃，極端最低氣溫達(dá)-36.5℃，歷年最大凍土深度達(dá)1.69m。

流域?yàn)闊o資料地區(qū)，水文計(jì)算采用羅氏法，設(shè)計(jì)洪水頻率2%，5%，20%，33%，50%的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果分別為25.38，17.82，8.59，5.95，4.06m3/s；河道無泥沙觀測資料，多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為100t/（a·km2），推移質(zhì)輸沙量按占懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)，計(jì)算的趙家崗子河道多年平均輸沙量505.2t/a。

工程區(qū)構(gòu)造位于新華夏系一級構(gòu)造單元的第二隆起帶和第二沉降帶的過渡區(qū)，含水層主要為河床松散粗砂孔隙潛水含水層，局部具微承壓特點(diǎn)，地震及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，地震基本烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度0.1g。地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積地層和燕山早期全風(fēng)化花崗巖，主要由表部耕植土、低液限粘土、高液限粘土、粉土質(zhì)砂組成。

河谷兩岸為低矮山丘，坡度較緩，頂部渾圓；階地呈條帶狀不均勻分布在河谷兩側(cè)，寬度一般100～200m，階地高出河道一般3～4m，岸坡多較平緩，個別段較陡，局部呈近直立。河道只占谷底一小部分，河流蜿蜒曲折，主槽寬度3～50m，河水深0.3～1.0m。

2　小型河流的綜合治理特點(diǎn)

2.1防洪與景觀并重

小型河流與大型河流一樣，防洪會作為河道綜合治理的首要任務(wù)提出來。但小型河流的景觀要求，往往會對河道治理方案產(chǎn)生較大的影響。防洪與景觀并重是小型河流治理的特點(diǎn)之一。

洪水河槽治理是在防洪設(shè)計(jì)洪水位條件下實(shí)現(xiàn)河道治理的各項(xiàng)目標(biāo)。洪水河槽治理的設(shè)計(jì)流量是指某一頻率或重現(xiàn)期的洪峰流量，它與防洪保護(hù)地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，該流量也稱河道安全泄量或允許泄量。與設(shè)計(jì)流量相對應(yīng)的水位稱為設(shè)計(jì)水位，它是堤防工程設(shè)計(jì)中確定堤頂高程的依據(jù)，此水位又稱防汛保證水位。

從河勢控制和河流泄洪角度講，關(guān)鍵是確定中水河槽的設(shè)計(jì)流量與整治水位，該水位與整治工程建筑物如丁壩壩頭高程大致齊平。中水河槽治理的設(shè)計(jì)流量常采用造床流量。造床流量是指造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當(dāng)?shù)牧髁?，這種流量對塑造河床形態(tài)所起的作用最大。在實(shí)際工作中，常取平灘流量即與河漫灘水位相應(yīng)的流量作為造床流量。

枯水治理主要是滿足人們對通航、引水和河道水生態(tài)景觀的需求?；谕ê?、引水目的的枯水治理是依據(jù)設(shè)計(jì)保證率確定相應(yīng)的整治水位；而基于建設(shè)河道水生態(tài)景觀目的的河道治理多見于中小河流，通過建設(shè)攔河蓄水建筑物抬高河道水位，使河道的最小水深維持在0.5～1.0m以上，從而改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境和形成親水景觀。

對于小型河流，一般沒有通航和供水的需求。在枯水期人們所需要的景觀水位，成為確定枯水治理的整治水位。依據(jù)設(shè)計(jì)保證率，確定實(shí)現(xiàn)景觀水位相應(yīng)的水資源保證措施。

景觀水位一般視周邊環(huán)境而定，依據(jù)人水和諧的理念，景觀水位通常較親水平臺低0.5～1.0 m。但是，當(dāng)親水平臺與防洪堤等高時，如果將景觀水位視為正常高，則往往不滿足堤防建設(shè)安全超高的要求。所以，為了不與現(xiàn)有規(guī)范相矛盾，景觀水位不能看作河道運(yùn)行管理的正常蓄水位。

目前，小型河流的水資源保障措施：1）上游修建水庫（湖泊）或者進(jìn)行河湖水系聯(lián)通建設(shè)（修建旁側(cè)水庫），增加河道納蓄洪水的能力，在枯水季節(jié)回補(bǔ)河流；2）適當(dāng)進(jìn)行河道防滲，減少河道的水量損失；3）適量利用中水，由于中水有一定的氣味，最好經(jīng)過濕地處理后再進(jìn)入河道，中水利用量不宜過大，與河道損失量相當(dāng)即可；4）跨流域調(diào)水或干流回補(bǔ)支流，小型河流的跨流域調(diào)水較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，如果小型河流所匯入的較大河流水量豐富，也可以引大河水進(jìn)入小河。

通過防洪堤兩側(cè)綠地建設(shè)和景觀打造，使堤防修建與周邊景觀相協(xié)調(diào)，通過地形坡度的變化與樹木、灌木和花草地的藝術(shù)搭配等措施，改善防洪堤的視覺效果，實(shí)現(xiàn)“有堤不見堤”。

2.2防洪與生態(tài)建設(shè)并重

為了穩(wěn)定河勢或改變河流現(xiàn)狀，通常在河岸修建防護(hù)工程，所以河岸孔隙率、透水性等均發(fā)生了變化，影響河流與河岸帶之間的物質(zhì)、能量以及信息的傳遞，對河岸帶生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，且不同護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式的影響程度不同。目前，主要護(hù)岸型式有植被草皮、格賓網(wǎng)箱、干砌石、漿砌石、混凝土板以及膜袋混凝土等，分為生態(tài)型和非生態(tài)型兩類，且有水上和水下部分的區(qū)別，生態(tài)型工程的水上部分用植被覆蓋度來衡量，水下部分用孔隙率評價。若修建工程后植被覆蓋度不小于原植被覆蓋度，認(rèn)為是生態(tài)型工程；工程修建后水下部分孔隙率與天然河道河岸組成孔隙率做比較，前者不小于后者75%時，認(rèn)為是生態(tài)型工程。

對于小型河流，在流域上游進(jìn)行濕地建設(shè)、控制水土流失、改善水質(zhì)、納蓄洪水，是河流綜合治理重點(diǎn)工作之一。

趙家崗子河綜合治理特別強(qiáng)調(diào)防洪措施的生態(tài)性，基本放棄了硬性防護(hù)的工程措施。為此，將河道岸坡設(shè)計(jì)成1∶4～1∶6的大緩坡形式，以便于形成草皮護(hù)坡。

為了保障趙家崗子河行洪安全，將河道拓寬，減小河道比降，使河道流速降低到河床的允沖流速0.7m/s以下，僅采用植物護(hù)坡形式就可以滿足河道坡腳的抗沖要求，從而避免了在河道上設(shè)置硬性防護(hù)。在河道兩岸周邊設(shè)30m的景觀綠化帶，作為水、陸生態(tài)的過渡緩沖區(qū)域。

2.3縱向控制節(jié)點(diǎn)可調(diào)

小型河流一般比降較大，下游河道的侵蝕節(jié)點(diǎn)尚未形成，河道在汛期沖刷下切。充分利用小型河流的這個特點(diǎn)，合理挖深河道，通過設(shè)置跌水、攔河閘壩等，設(shè)置河道新的縱向控制節(jié)點(diǎn)，調(diào)整河道比降，可以有效降低河道的洪水水位。

趙家崗子河綜合治理工程通過調(diào)整河道縱向節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了河道洪水不出槽，使河道的防洪治理與生態(tài)景觀建設(shè)有機(jī)地統(tǒng)一起來。在整個河道治理范圍內(nèi)，對于景觀河段修建5座滾水壩，作為整治后的侵蝕節(jié)點(diǎn)，同時疏浚挖深河道，使河道的水深在枯水季節(jié)不小于1m，打造水生態(tài)景觀；在景觀河段的上游開挖一個景觀湖泊，水流經(jīng)過湖泊的凈化進(jìn)入下游河道，防止景觀河段淤積和提高水質(zhì)；對于景觀湖泊上游2km范圍內(nèi)的非景觀河道，通過修建5個跌水形成河道新的河流侵蝕節(jié)點(diǎn)（縱向節(jié)點(diǎn)），將河道比降由0.63%調(diào)整到0.3%，使河道泥沙絕大部分落于在此范圍內(nèi)。通過河道的疏浚開挖，此2km河段可承接泥沙淤積量是河道多年平均輸沙量的10倍以上。由于是季節(jié)性河流，此河段淤積的泥沙可以在旱季河道無水期間直接挖除。

設(shè)定河道泥沙淤積區(qū)域，使河道505.2t/a的多年平均輸沙量淤積在景觀河段的上游，便于及時清理，確保河道治理后的長效性。

2.4控制與穩(wěn)定枯水河槽

控制與穩(wěn)定枯水河槽是小型河流綜合治理的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

河道治理規(guī)劃分洪水、中水、枯水3個不同的情況。洪水治理的目的是防御江河洪水泛濫，確保沿河人民生命財產(chǎn)安全；中水治理對穩(wěn)定河床、控制河勢具有決定性意義；枯水治理的主要目的是保障通航和引水需要，近年來，水生態(tài)景觀建設(shè)也成為河道枯水治理的重要內(nèi)容。

控制河勢使其向人們期望的方向發(fā)展是規(guī)劃整治河流的目標(biāo)。確定河流治導(dǎo)線，并根據(jù)河流治導(dǎo)線布設(shè)防護(hù)工程是控制河勢的方法。河流治導(dǎo)線是河道整治后在設(shè)計(jì)流量下的平面輪廓線，分布于河岸的兩側(cè)。根據(jù)規(guī)劃整治河流具體目標(biāo)的差異，河流治導(dǎo)線可分為三類：即洪水河槽整治線、中水河槽整治線和枯水河槽整治線。其中，中水河槽整治線對基本河槽的河勢格局起控制性作用，因此通常成為河道治理規(guī)劃的重點(diǎn)，因此，在沒有特別說明時，河流治導(dǎo)線就是河流的中水整治線。

對于小型河流，治理的難點(diǎn)是要同時滿足防洪、生態(tài)、景觀等多方面的綜合需求。在確保河道行洪安全的前提下，大中型河流治理的重點(diǎn)是穩(wěn)定河勢，其關(guān)鍵是控制與穩(wěn)定中水河槽；而小型河流治理的重點(diǎn)是水生態(tài)景觀的構(gòu)造與建設(shè)，其關(guān)鍵是控制與穩(wěn)定枯水河槽。

3　綜合治理方案

3.1綜合整治原則

1）堤線布置順應(yīng)河道自然形態(tài)，岸線平順、流暢；2）河道宜寬則寬，宜窄則窄，宜彎則彎；3）人工湖依據(jù)景觀設(shè)計(jì)布置；4）堤岸盡量不進(jìn)行硬性防護(hù)，采用大緩坡植被生態(tài)防護(hù)，做到有堤不見堤；5）通過設(shè)置河道垂向控制節(jié)點(diǎn)（梯級跌水和滾水壩）減緩河道比降；6）滾水壩兼做生態(tài)蓄水壩，壩前盡量加大水面寬度，兩岸綠化帶寬度盡可能達(dá)到30m。

3.2總體方案

綜合整治范圍為趙家崗子河?xùn)|吉林大路涵洞至河口，河道總長3.91km。河道走向基本維持原河道走勢，河道走向基本遵循自然河道走勢，宜寬則寬，宜窄則窄，宜彎則彎，充分考慮現(xiàn)狀河道上口寬度變化，保留豐富多彩的外形；個別部分考慮到岸邊土地的整理利用，依據(jù)蓮花山整體規(guī)劃用地需求和景觀要求調(diào)整河道位置，為使過流順暢，對岸線進(jìn)行必要的光滑處理。

兩岸設(shè)計(jì)堤線總長8.18km，其中左岸4.17 km，右岸4.01km。從上游至下游整治措施為：5座梯級跌水，1座人工湖，5座滾水壩和10個補(bǔ)水風(fēng)車。

3.3縱剖面設(shè)計(jì)

原河道比降較大，但河道的抗沖能力較低。為了使整治后河道的流速不超過允沖流速0.7m/s，確定河道的設(shè)計(jì)比降0.3%，為此修建5座跌水和5座滾水壩工程作為河道的縱向控制節(jié)點(diǎn)。

3.3.1跌水工程

由于工程河段屬于山區(qū)性河流，洪水過程陡漲陡落，洪水時河道沖刷劇烈，如果不采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，大量泥沙將淤積在人工湖中，給工程的運(yùn)行帶來威脅。所以本工程在人工湖上游設(shè)置5座跌水，其設(shè)計(jì)落差見表1。各跌水作為河道的侵蝕節(jié)點(diǎn)，一方面可以控制整治段河道河床的沖刷下切；另一方面由于整治后的河道比降相對天然河道大大變緩，流域上游的來沙多數(shù)會落淤在人工湖上游的跌水段，平均只需要10余年清淤一次，只有少量泥沙進(jìn)入人工湖，使人工湖的定期清淤工作大大減少。由于河道屬于季節(jié)性河流，落淤在跌水段河道的泥沙可通過旱地施工及時清淤恢復(fù)，大大降低了運(yùn)行管理費(fèi)用。在汛期常水位時，水流在跌水表面均勻流過，在河道上形成小型瀑布景觀。

表1　5座跌水的設(shè)計(jì)落差

3.3.2人工湖工程

在蓮花山旅游度假區(qū)管委會正南修建1座人工湖，用于美化環(huán)境。人工湖占地面積為2.13×104m2，其中湖面水域面積為1.77×104m2，湖面設(shè)計(jì)正常水位為240.00m，平均深度為2.5m，局部最大深度可達(dá)4.13m。

3.3.3滾水壩工程

趙家崗子河整治有城市防洪與城市美化的雙重任務(wù)，在保證防洪功能的前提下，布置5座滾水壩，見表2，形成景觀水面。

表2　5座滾水壩的設(shè)計(jì)高度

3.4橫斷面設(shè)計(jì)

堤防（河岸）設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，橫斷面設(shè)計(jì)需滿足河道行洪的要求，同時考慮景觀水面要求。河道拓寬疏浚后，現(xiàn)狀地面高程基本滿足由洪水位+超高確定的岸頂高程，局部河段需要加高培厚。根據(jù)長春蓮花山生態(tài)旅游度假區(qū)總體規(guī)劃（2011-2020）說明書中“景觀風(fēng)貌規(guī)劃”要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛埠驮试S不沖流速，河道設(shè)計(jì)斷面底寬在5～35m之間，河岸坡度多為1∶6至原地面，局部河段為1∶2。霧開河大街以上河道水面寬度約為30m，按河道流速不超過1.5m/s控制；霧開河大街以下河道水面寬度在50～110m之間，按河道流速不超過0.4m/s控制，但受地形限制，也有局部地方的河道流速可以達(dá)到0.65m/s，仍滿足河道流速小于0.7m/s要求。

3.5堤防設(shè)計(jì)

兩岸設(shè)計(jì)堤線總長8.18km，其中左岸4.17 km，右岸4.01km。堤頂高程為250.75～227.88m，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，堤頂寬3.0m。迎水坡坡比1∶6，背水坡采用平坡或1∶20的緩坡堤外相接。1∶6迎水坡為草皮護(hù)坡；河寬較小處，迎水坡采用坡比1∶2的混凝土臺階護(hù)坡，兼做親水步道。

3.6景觀水面保障措施

趙家崗子河綜合治理工程為滿足生態(tài)、景觀等方面的要求，設(shè)計(jì)風(fēng)車10套布置在5座滾水壩兩岸，利用風(fēng)能給河道補(bǔ)水，不僅可補(bǔ)充上游河段水量損失，還可以改善滾水壩溢流景觀，改善河道水質(zhì)。風(fēng)能為潔凈的可再生能源，風(fēng)能補(bǔ)水設(shè)備主要由風(fēng)車、水泵及輸水管組成。部分輸水管路兼作放空排水管。

4　結(jié)語

小型河流的綜合治理特點(diǎn)為防洪與景觀并［參考文獻(xiàn)］

重、防洪與生態(tài)建設(shè)并重、河流縱向節(jié)點(diǎn)可調(diào)（實(shí)現(xiàn)洪水不出槽）。趙家崗子河綜合治理工程與周邊的景觀和生境向協(xié)調(diào)，結(jié)合植物綠化，綜合集成國內(nèi)外的生態(tài)河流治理的理論和經(jīng)驗(yàn)，提出了中小河流生態(tài)治理工程的關(guān)鍵技術(shù)：“堤防大緩坡、河道大寬度、水面小比降，河床大糙率，水體低流速，汛期小水深，洪水不出槽；水陸緩沖帶，自然景觀區(qū)，河湖水系連，有堤不見堤”，整合了當(dāng)前中小河流治理工程技術(shù)、河流生態(tài)修復(fù)與建設(shè)技術(shù)、河流水生態(tài)景觀打造與美化技術(shù)等領(lǐng)域的研究成果，提出了中小河流生態(tài)治理模式。

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