水力學(xué)原理在城市河流保護(hù)及修復(fù)中的應(yīng)用

楊 艷

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，武漢 430212)

?

水力學(xué)原理在城市河流保護(hù)及修復(fù)中的應(yīng)用

楊 艷

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，武漢 430212)

城市河流保護(hù)對(duì)于城市生態(tài)平衡建設(shè)有重要意義，開(kāi)展河流保護(hù)與修復(fù)需要相關(guān)部門(mén)優(yōu)化水利工程方案設(shè)計(jì)，將保護(hù)河流的具體工作落到實(shí)處。本文從城市河流保護(hù)及修復(fù)工作的水力學(xué)原理展開(kāi)討論，提出幾點(diǎn)有利于河流保護(hù)工作順利開(kāi)展的措施。

水力學(xué)；河流保護(hù)；修復(fù)過(guò)程；城市發(fā)展

中國(guó)是一個(gè)水資源缺乏的發(fā)展中國(guó)家，人均水資源占有量?jī)H為世界人均占有量的三分之一，在全世界總排名中占第106位，城市河流保護(hù)工作形勢(shì)嚴(yán)峻，開(kāi)展河流的保護(hù)和修復(fù)工作意義重大。我國(guó)水資源缺乏現(xiàn)狀與城市發(fā)展的矛盾越來(lái)越大，在全中國(guó)600多座城市中，共有超過(guò)300個(gè)城市屬于缺水城市。其中，缺水城市中常年處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)下的城市有108個(gè)左右，缺水量大約為1000萬(wàn)噸/天左右。地球上儲(chǔ)藏的水僅有2.5%的淡水能夠供人類(lèi)飲用。在城市湖泊、河流、土壤中所容納的淡水只占淡水總儲(chǔ)量的0.33%，也就是說(shuō)[1]，人類(lèi)可以利用的地表淡水量?jī)H有100萬(wàn)億立方米左右。開(kāi)展水力學(xué)技術(shù)背景下的水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，還需要廣大用戶從我做起，開(kāi)展惜水、愛(ài)水、節(jié)水的相關(guān)水資源保護(hù)活動(dòng)。技術(shù)人員可以利用水工水力學(xué)、河流水力學(xué)和環(huán)境水力學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)展水土涵養(yǎng)和保持的相關(guān)操作，重點(diǎn)進(jìn)行河流區(qū)域的綜合治理和河道修復(fù)活動(dòng)。

一、水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)的河流治理技術(shù)相關(guān)研究

對(duì)于城市河流的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行考察，開(kāi)展水利工程的電站水力學(xué)工程項(xiàng)目建設(shè)活動(dòng)。技術(shù)人員應(yīng)該從水力過(guò)渡過(guò)程的影響因素出發(fā)，對(duì)電站的非核定流和核定流的河流水量進(jìn)行調(diào)研和記錄[2]。在水利工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，利用水機(jī)系統(tǒng)水力學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。

在生態(tài)水力學(xué)知識(shí)運(yùn)用的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)水質(zhì)污染的情況和水生生物多樣性的保護(hù)情況，開(kāi)展城市河道保護(hù)中的生態(tài)平衡建設(shè)和資源利用價(jià)值最大化的開(kāi)發(fā)。在流域內(nèi)水土流失生物防治的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該重視在河道內(nèi)部引進(jìn)部分有利于水質(zhì)凈化的水草品種，利用生物防治的辦法，起到消減水體內(nèi)富氧物質(zhì)的作用。在在流域水土流失治理活動(dòng)中，技術(shù)人員應(yīng)該注意利用河道兩岸有利的地形進(jìn)行固堤、保土施工。在自然型駁岸水域環(huán)境治理的活動(dòng)中，對(duì)于斜度較大的坡岸或者是沖蝕較為嚴(yán)重的地段，不僅要加大植被的種植密度，還應(yīng)做好天然石材、鋼筋混凝土和木材的加固措施[3]，從而增強(qiáng)水渠兩岸的抗洪能力。在城市河道的地下水力學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)和建設(shè)過(guò)程中，技術(shù)人員需要對(duì)地下水的模擬和污染控制進(jìn)行加強(qiáng)型建設(shè)。對(duì)于河道區(qū)域附近的地下水利用和開(kāi)發(fā)，應(yīng)該體現(xiàn)出應(yīng)有的節(jié)制，防止地下水的過(guò)度開(kāi)采造成的底層下陷等問(wèn)題的產(chǎn)生。對(duì)于自然原型駁岸的保護(hù)，技術(shù)人員應(yīng)該考慮其坡度緩且腹地大的河段特點(diǎn)，考慮水域環(huán)境中保持其自然狀態(tài)的需要，利用喜水植物發(fā)達(dá)的根系進(jìn)行堤壩穩(wěn)定型加固的操作。同時(shí)，技術(shù)人員可以采用實(shí)體物理模型建設(shè)的方式，進(jìn)行水力學(xué)模擬的數(shù)據(jù)采集和堤壩穩(wěn)定型設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化。可以采用水力數(shù)值模型的計(jì)算方法和技術(shù)理論，進(jìn)行水與水工建筑物的相互作用分析。

二、運(yùn)用水力學(xué)原理在城市河流保護(hù)及修復(fù)中的應(yīng)用措施

(一)制定完整的河流保護(hù)計(jì)劃，協(xié)調(diào)好各部門(mén)工作

利用水力學(xué)原理開(kāi)展城市河流的保護(hù)與修復(fù)，需要技術(shù)人員根據(jù)河床演變的規(guī)律，制定出一套完整的河流保護(hù)計(jì)劃。計(jì)算單位時(shí)間的河流下游沖擊區(qū)域的泥沙輸移最大值，從而確定泥沙清理的時(shí)間頻率，按照預(yù)先計(jì)算的河道清理的頻次和方法，定期展開(kāi)河道淤泥的疏浚工作，需要水務(wù)局協(xié)調(diào)好河道工人的工作。相關(guān)部門(mén)應(yīng)該開(kāi)展定期的污水處理活動(dòng)[4]，可以采用新建污水處理廠的方式，提高區(qū)域內(nèi)的污水處理能力。在城市水利資源處理的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)中，技術(shù)人員可以采用修建配套管網(wǎng)的方式，推動(dòng)更為集中化的城市污水處理活動(dòng)。除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)該保證污水集納管的鋪設(shè)覆蓋面能夠達(dá)到預(yù)期的建設(shè)需求，切實(shí)提高城市管網(wǎng)環(huán)境中的污水處理率。

除此之外，水域管理人員還應(yīng)該和當(dāng)?shù)亓謽I(yè)局開(kāi)展廣泛的合作，重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)于水域河道附近植被砍伐現(xiàn)象的治理工作，從而保障河流水域兩岸的生態(tài)環(huán)境處于相對(duì)平衡的狀態(tài)中。在網(wǎng)道斷面形態(tài)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該以天然河道拋物線形狀的斷面為主，判斷河道寬深比的變化情況。在水利工程建設(shè)活動(dòng)中，根據(jù)河岸基質(zhì)條件開(kāi)展針對(duì)性較強(qiáng)的施工活動(dòng)。

(二)開(kāi)展生態(tài)水力學(xué)環(huán)境治理，強(qiáng)調(diào)水體綜合治理

在泥質(zhì)河岸或者大部分被植被覆蓋的作業(yè)換機(jī)中采取不同的植草種樹(shù)環(huán)境保護(hù)活動(dòng)。在河床地質(zhì)狀況分析的過(guò)程中，城市河流的底質(zhì)粒徑組成范圍一般來(lái)說(shuō)比較廣，營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)質(zhì)的含量比較低。城市河道棲息環(huán)境往往呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)，并且伴有小型水生植物的生長(zhǎng)。從水體綜合整治的角度出發(fā)，拓寬河道從而做好水流量的控制工作。為了完善水渠河道的自然功能，工作人員還應(yīng)該做好控源截污工作，強(qiáng)化水渠附近坡道的水源涵養(yǎng)治理，在斜度山坡中種草植樹(shù)，防止土壤松落和山體滑坡現(xiàn)象的出現(xiàn)。河流保護(hù)人員可以在城市沿河樹(shù)木和植被比較稀少的地方，開(kāi)展裸露土面的草籽密制工作，最終將裸露地表的河流坡道表面的植被覆蓋連成一片。

在環(huán)境保護(hù)的過(guò)程中，技術(shù)人員一定要注意城市河道附近的水域污染治理和固體廢棄物治理。在水域環(huán)境控源截污的治理活動(dòng)中，在水道的排污集中點(diǎn)設(shè)置截污納管，對(duì)水下的大體積污染物進(jìn)行截留，并且以一月一次的頻率對(duì)截污納管進(jìn)行清理。在面源控制的活動(dòng)中，設(shè)置河道水源質(zhì)量保護(hù)的流動(dòng)崗，二十四小時(shí)對(duì)水域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，尤其要對(duì)水域附近村民丟棄死豬、死雞等現(xiàn)象進(jìn)行治理，并且對(duì)情節(jié)嚴(yán)重的污染物丟棄行為以涉嫌治安破壞罪名移交公安機(jī)關(guān)。加強(qiáng)對(duì)于附近居民的水域保護(hù)意識(shí)的相關(guān)教育，防止出現(xiàn)故意污染河道環(huán)境的行為。

(三)利用流體力學(xué)進(jìn)行施工控制，開(kāi)展河流堤岸固化建設(shè)

在水利工程施工活動(dòng)中，技術(shù)人員應(yīng)該考慮到有淺灘、深潭和倒凹堤岸等各種類(lèi)型的棲息環(huán)境對(duì)于河岸生物的保護(hù)和影響。在水力學(xué)原理的河流保護(hù)工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該考慮到河岸彎曲處，其河床深淺部分受到水流沖刷的強(qiáng)度。河流的凸岸和凹岸承受的水力沖刷的效果是不同的。凸岸的部分，沉積河床比較淺，凹岸的部分，侵蝕河床比較深。因此，在進(jìn)行河流岸堤修復(fù)的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行凹岸河道的保護(hù)，對(duì)凹岸的物理作用力支撐面部分加強(qiáng)固化施工。對(duì)于凸岸部分受到水力沖刷作用較少，河床泥沙沉積現(xiàn)象比較顯著的區(qū)域，應(yīng)該采用針對(duì)性較強(qiáng)的河道清淤工作，防止泥沙阻塞河道。在平直河岸處，河床深淺受到地球轉(zhuǎn)動(dòng)偏向力的影響，西岸為沉積岸，在水力搬運(yùn)的作用下，大量泥沙將會(huì)在西岸逐漸堆積[5]，從而造成西岸河流通道變窄的現(xiàn)象。在開(kāi)展河流保護(hù)和修復(fù)的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該重點(diǎn)開(kāi)展此區(qū)域內(nèi)的河道疏浚工作，保證河流通道的暢通無(wú)阻。河床的東岸部分為侵蝕岸，受到的河水侵蝕的作用比較明顯，會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的河岸損毀現(xiàn)象。技術(shù)人員在進(jìn)行河流保護(hù)的過(guò)程中，應(yīng)該注意河岸沿邊的加固工作，防止水力侵蝕作用的變化引起的河岸垮塌和變形現(xiàn)象。

三、利用水力學(xué)原理開(kāi)展河流保護(hù)的相關(guān)規(guī)劃及技術(shù)設(shè)計(jì)

(一)數(shù)模實(shí)驗(yàn)方面的河流工程保護(hù)設(shè)計(jì)

考慮連續(xù)坎和差動(dòng)坎方案，進(jìn)行泄洪指標(biāo)的比較和分析，技術(shù)人員可以對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而作出有利于河道固化的計(jì)劃設(shè)計(jì)。當(dāng)區(qū)域河流試驗(yàn)工況Q=12500 m3/S時(shí)，連續(xù)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在93.5m-94.5m之間。出池 水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制在4.2m-5.2m之間，最低沖坑深度控制在24.2m-24.5m之間[6]。此時(shí)，在河流坡岸水力學(xué)參數(shù)考量設(shè)計(jì)過(guò)程中，差動(dòng)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在91.1m-91.5m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制在1.1m-2.1m之間，最低沖坑深度控制在18.0m-18.5.5m之間。

當(dāng)區(qū)域河流試驗(yàn)工況Q=9910m2/S時(shí)，連續(xù)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在90.5m-91.5m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制在3m-5m之間，最低沖坑深度控制在16.6m-17.5m之間。此時(shí)，在河流坡岸水力學(xué)參數(shù)考量設(shè)計(jì)過(guò)程中，差動(dòng)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在88.1m-91.0m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制為1.1m，最低沖坑深度控制為15.7m。

當(dāng)區(qū)域河流試驗(yàn)工況Q=9393m3/S時(shí)，連續(xù)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在86.1m-87.0m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制在1.3m-1.8m之間，最低沖坑深度控制在15.4m-16.5m之間。此時(shí)，在河流坡岸水力學(xué)參數(shù)考量設(shè)計(jì)過(guò)程中，差動(dòng)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在87.5m-88.5m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制為1.0m，最低沖坑深度控制為14.0m。

當(dāng)區(qū)域河流試驗(yàn)工況Q=8790m3/S時(shí)，連續(xù)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在87.8m-88.5m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制在1.1m-1.6m之間，最低沖坑深度控制在12.8m-13.5m之間。此時(shí)，在河流坡岸水力學(xué)參數(shù)考量設(shè)計(jì)過(guò)程中，差動(dòng)坎的尾坎水面高程應(yīng)該控制在87.0m-87.5m之間。出池水位落差設(shè)計(jì)合理范圍值控制為1.5m，最低沖坑深度控制為9.3m。

(二)針對(duì)典型河道環(huán)境中的治理因素考慮

對(duì)于地形條件比較陡峭的地區(qū)，例如我國(guó)紅水河河段區(qū)域，如果此地全年的城市降水量比較多，并且強(qiáng)度比較大，那么此地的水量整體呈現(xiàn)出比較豐富的狀態(tài)。出現(xiàn)的問(wèn)題主要有水土流失的相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)行河岸坡治理的活動(dòng)，需要防止可能出現(xiàn)的滑坡、泥石流災(zāi)害現(xiàn)象及其對(duì)于城市河流附近居民區(qū)域可能帶來(lái)的傷亡現(xiàn)象。在城市河道處于盆底、丘陵地帶的相關(guān)區(qū)域，例如我國(guó)南方城市的西江河段，該城市區(qū)域的降水量一般來(lái)說(shuō)偏多，并且強(qiáng)度比較大。在城市河流治理的過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)該考慮到城市河流曲折的現(xiàn)狀[7]，采用水力學(xué)原理設(shè)計(jì)方法，避免城市洪澇現(xiàn)象帶來(lái)的災(zāi)害損失問(wèn)題。在城市河流保護(hù)的過(guò)程中，還應(yīng)該考慮到珠江河段這種沖積平原類(lèi)型的河道修復(fù)和河流保護(hù)工作。珠江河段具有顯著的沖擊平原的特征，河道內(nèi)的泥沙含量比較大，并且地勢(shì)起伏小，整理較為平坦。此種地形條件下的氣候呈現(xiàn)出降水量偏多且降水強(qiáng)度大的特點(diǎn)。此地的河流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出網(wǎng)狀分布的特點(diǎn)，錯(cuò)綜密布，并且土壤比較肥沃且區(qū)域人口很稠密。此地容易出現(xiàn)的災(zāi)害現(xiàn)象為洪澇、臺(tái)風(fēng)類(lèi)氣候?yàn)?zāi)害問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)：

在河流水利工程建設(shè)活動(dòng)中，技術(shù)人員需要根據(jù)水工建筑物設(shè)計(jì)的知識(shí)，開(kāi)展施工中的水力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)用。強(qiáng)化城市發(fā)展過(guò)程中河道的管理，需要市政規(guī)劃人員從活水循環(huán)、清水補(bǔ)給、就地處理和旁路處理各種角度采取措施，有效改善水體質(zhì)量。除此之外，在城市河流水利工程項(xiàng)目建設(shè)活動(dòng)中，技術(shù)人員需要特別注意高速水力學(xué)知識(shí)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的具體運(yùn)用。

[1] 姜躍良,王美敬,李然等.生態(tài)水力學(xué)原理在城市河流保護(hù)及修復(fù)中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2013,(18):175-278.

[2] 王慶國(guó),李嘉,李克鋒等.河流生態(tài)需水量計(jì)算的濕周法拐點(diǎn)斜率取值的改進(jìn)[J].水利學(xué)報(bào),2011,40(25):550-555,563.

[3] 王秀英,王東勝,白音包力皋等.水力學(xué)參數(shù)在資料缺乏區(qū)河流生態(tài)保護(hù)中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),2011,42(10):16-21.[4] 陳興茹,陳文學(xué),白音包力皋等.高原河流生態(tài)保護(hù)模式初探——以地震災(zāi)后重建“兩河”生態(tài)保護(hù)為例[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2015,13(14):241-247.

[5] 白音包力皋,王秀英.南水北調(diào)西線工程對(duì)河流生態(tài)水文和水力學(xué)指標(biāo)的影響研究--以泥曲為例[C].//中國(guó)水利水電科學(xué)研究院第十屆青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2010:733-740.

[6] 陳歡歡,謝超,閔可寧等.環(huán)境立法對(duì)城市河流保護(hù)的實(shí)證研究--以城市內(nèi)河污染現(xiàn)狀的調(diào)查報(bào)告為中心[J].法制與經(jīng)濟(jì)(上半月),2014,(18):48-50.

[7] 周燕,樊磊,趙軍.城市河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的CVM估值及其偏差分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,(25):10372-10373,10379.

(責(zé)任編輯 夏侯國(guó)論)

Application of Hydraulic Principle in the Protection and Restoration of Urban River

YANGYan

(Department of Hydraulic Engineering,Changjiang Engineering Vocational College, Wuhan 430212, China)

Urban river protection is of great significance to the urban ecological balance. Relevant authorities should help optimizing the design of water conservancy project so as to help protecting the river eventually. This paper carries on a discussion on hydraulic principles for the protection and restoration of urban river. Suggestions are also provided to smooth the protection work.

hydraulics; river protection; restoration process; urban development

2016-06-18

楊 艷，女，長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程系副教授。

TV13

A

1674-0408(2016)04-0037-04