王莉 劉長林 秦夫鋒 王慕春 晏清洪
摘 要:以前的平原水庫設(shè)計(jì)中注重水利功效、忽視生態(tài)設(shè)計(jì),水庫建成后造成巨大的生態(tài)環(huán)境破壞。隨著科技水平的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,亟須在平原水庫設(shè)計(jì)階段植入生態(tài)設(shè)計(jì)。在調(diào)研黃河三角洲七座平原水庫的基礎(chǔ)上,查找原有設(shè)計(jì)思路下產(chǎn)生的生態(tài)問題,并針對問題研討形成了庫中濕地替代隔壩、采用曲狀庫底、庫水環(huán)流、充分利用當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料杜絕土工膜、生態(tài)護(hù)坡等生態(tài)設(shè)計(jì)對策。研討結(jié)果可為平原水庫生態(tài)設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞:平原水庫;設(shè)計(jì);生態(tài)理念;應(yīng)用
中圖分類號(hào):TV697.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? 文章編號(hào):1003-5168(2021)27-0098-04
Abstract: The former plain reservoir design paid attention to the water conservancy efficiency and ignored the ecological design, which caused huge ecological environment damage after the completion of the reservoir. With the progress of science and technology and the rapid development of economy, it is urgent to implant ecological concept in the design stage of plain reservoir. Based on the investigation of seven plain reservoirs in the Yellow River Delta, this paper finds out the ecological problems under the original design ideas, and discusses and forms the corresponding ecological design countermeasures, such as borrowing the wetland in the reservoir to replace the dam, adopting the curved reservoir bottom, the circulation of reservoir water , making full use of local natural anti-seepage materials, so as to eliminate geomembrane, building ecological slope protection, etc. The research results can provide reference for ecological design of plain reservoir.
Keywords:plain reservoir; design; ecological concept; application
水利工程不僅充分發(fā)揮水資源開發(fā)、利用、配置功能,也能充分發(fā)揮生態(tài)保護(hù)作用。當(dāng)前,我國水利事業(yè)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代,治水主要矛盾已發(fā)生深刻變化,從人民群眾對除水害興水利的需求與水利工程能力不足之間的矛盾,轉(zhuǎn)化為人民群眾對水資源水生態(tài)水環(huán)境的需求與水利行業(yè)監(jiān)管能力不足之間的矛盾。按照“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的總基調(diào),把研究生態(tài)水利工程及相關(guān)工作的開展作為水利部的重點(diǎn)工作之一,是落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)的客觀要求,是水利行業(yè)貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記治水重要論述及全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)精神的務(wù)實(shí)舉措,是新時(shí)期落實(shí)水利改革發(fā)展總基調(diào)的有力支撐。
平原水庫是指為供水、灌溉等目的,在平原地區(qū),利用局部低洼地圈筑圍堤進(jìn)行蓄水的工程設(shè)施。平原水庫一般位于大江、大河下游沖擊平原地區(qū),如我國黃河三角洲平原。平原水庫在一定程度上解決了北方河流枯水期農(nóng)業(yè)灌溉引水不足的問題,作為補(bǔ)充水源,為農(nóng)業(yè)抗旱和灌溉提供用水,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增收。為城、鄉(xiāng)生活用水提供了豐足的水源,解決了多年來沿黃平原區(qū)人民飲用咸水、含氟水等劣質(zhì)水的歷史難題,提高了人民生活質(zhì)量,保障了人民的健康。為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了可靠的水源,緩解了工農(nóng)業(yè)爭水的矛盾。平原水庫的建設(shè),大大減少了平原地區(qū)的地下水開采,有效地遏制了地下水漏斗區(qū)的擴(kuò)展,防止了地面沉降、水質(zhì)惡化的地質(zhì)、環(huán)境災(zāi)害的發(fā)生。
工程設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的先導(dǎo)、靈魂和關(guān)鍵,是提高建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益、保障工程質(zhì)量安全的重要保證。傳統(tǒng)平原水庫設(shè)計(jì)過程中缺少生態(tài)理念。生態(tài)理念以尊重和維護(hù)自然為前提,以人與人、人與自然、人與社會(huì)和諧共生為宗旨,建立可持續(xù)的生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式為內(nèi)涵,以引導(dǎo)人們走上持續(xù)、和諧的發(fā)展道路為著眼點(diǎn)。對于水利工程設(shè)計(jì),生態(tài)理念更多地是指通過特定設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用,減少水利工程建設(shè)過程對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響,促進(jìn)水利工程與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)流程等方面的影響,水利工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中依舊存在著諸多方面的缺陷與不足,制約著整體設(shè)計(jì)效果與質(zhì)量的優(yōu)化提升。受以前經(jīng)濟(jì)水平限制,一般設(shè)計(jì)者生態(tài)意識(shí)不強(qiáng),單純重視水庫的水利功效,從工程選址到設(shè)計(jì),忽視自然生態(tài)系統(tǒng)之間聯(lián)系,設(shè)計(jì)思路落后,破壞了水庫庫區(qū)及周邊的生態(tài)穩(wěn)定性,沒有做到與自然和諧發(fā)展。因此,要強(qiáng)化生態(tài)理念在水利工程設(shè)計(jì)過程中的運(yùn)用,摒棄傳統(tǒng)陳舊的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)理念,真正將生態(tài)理念融入水利工程設(shè)計(jì)全過程。
1 當(dāng)前平原水庫設(shè)計(jì)存在的問題
平原水庫的特點(diǎn)主要有圍壩軸線較長,地質(zhì)條件較差,筑壩土料較差,蓄水深度較淺,水面積大,蒸發(fā)量較大等。在水庫設(shè)計(jì)階段植入生態(tài)設(shè)計(jì)理念,可以最大程度避免生態(tài)破壞,保護(hù)水庫及周邊生態(tài)環(huán)境,達(dá)到與自然和諧相處的前提下開發(fā)利用。
1.1 管理制度方面的問題
1.1.1 未充分獲取和應(yīng)用水文、生態(tài)資料。充分研究水文和生態(tài)資料是進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提,目前普遍存在設(shè)計(jì)中水文資料不全、生態(tài)資料缺失等共性問題,制約著生態(tài)設(shè)計(jì)的發(fā)展和提升[1]。
1.1.2 缺乏生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)規(guī)范。在平原水庫設(shè)計(jì)中,融入生態(tài)理念的生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)范,是設(shè)計(jì)方案必要的方向性引導(dǎo)。實(shí)踐中,當(dāng)前水利工程設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)規(guī)范嚴(yán)重缺失,不得不依舊沿襲傳統(tǒng)陳舊的設(shè)計(jì)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新形勢下平原水庫設(shè)計(jì)在生態(tài)環(huán)境方面的強(qiáng)烈需求[2]。
1.2 技術(shù)方面的問題
1.2.1 水平庫底帶來的生態(tài)影響。平原水庫受地質(zhì)限制少,所以設(shè)計(jì)中容易采用單一的“平庫底+圍壩”的基本思路。并且一般采用庫底全鋪土工膜水平防滲的平原水庫,蓄水初期,往往產(chǎn)生土工膜局部隆起的氣脹現(xiàn)象[3];不利于圍壩壩內(nèi)坡穩(wěn)定,考慮應(yīng)力平衡,還要搞壓重平臺(tái)類的措施會(huì)占用有效庫容,并且過多的工程建設(shè)產(chǎn)生生態(tài)影響巨大;應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害如地震時(shí)產(chǎn)生的變形能力差;水平庫底造成庫水深度單一,不適合于多種水生物生長。[2]
1.2.2 庫中隔壩的生態(tài)影響。由于平原水庫水域面寬廣或者狹長,許多平原水庫中設(shè)計(jì)隔壩(例如,德州市陵城區(qū)的仙人湖建有長1.51 km的隔壩)為了縮短風(fēng)吹程,減小波浪爬高和波浪壓力,最終可以降低壩高而節(jié)省不少的壩體填筑方量[4]。但是庫中隔壩同時(shí)帶來多種生態(tài)問題。
①隔壩從穩(wěn)定性和安全性出發(fā)必須按土石壩標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),所以不得不增加隔壩的建設(shè)投資和長期的運(yùn)行管費(fèi)用,土石壩的體積過大,一是侵占過多有效庫容,二是巨大的土石壩建設(shè)產(chǎn)生巨大的生態(tài)環(huán)境破壞,進(jìn)而影響水庫的總體生態(tài)效益。
②隔壩造成水庫水生態(tài)整體性的隔斷和水生物巡游環(huán)境的阻礙。以東營市的廣南水庫為例,廣南水庫浮游動(dòng)物的優(yōu)勢種輪蟲,隨著浮游動(dòng)物的生物量高峰趨勢由小區(qū)域向大區(qū)域的位置變化,說明在深水水域浮游動(dòng)物的捕食壓力較小,因此能長成較大的個(gè)體。同時(shí),從一庫到二庫水體深度是逐漸增加的,受風(fēng)浪影響越小,浮游動(dòng)物也容易長成較大個(gè)體[2]。
③隔壩作為水利風(fēng)景區(qū)的長廊,管理人員和游人在隔壩上工作、游玩等活動(dòng)對水庫水質(zhì)造成直接污染,進(jìn)而影響到水庫生態(tài)。廣南水庫在隔壩沿線生物量明顯少于深水庫區(qū),輪蟲個(gè)體也顯著小于深水庫區(qū)[2]。
1.2.3 水庫底流靜水狀態(tài)的生態(tài)影響。一是導(dǎo)致庫水含氧量降低,從而影響水生動(dòng)植物的生活生長。二是靜水滋生大量水草,黃河三角洲諸水庫和辛安水庫,水草滋生現(xiàn)象普遍,但水草的大量發(fā)生沒有對水質(zhì)改善產(chǎn)生積極意義。大量滋生的水草在水生動(dòng)物旺盛生長的季節(jié)大量占用營養(yǎng)鹽,影響了水體中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),降低整個(gè)水系統(tǒng)中動(dòng)物的生產(chǎn)量[1]。
1.2.4 剛性防滲和復(fù)合土工膜防滲的生態(tài)影響??梢赃_(dá)到很好的防滲效果,但從生態(tài)角度來看,絕對的防滲把水庫變成了“銅幫鐵底”的“大游泳池”,阻斷了水體與土壤的物質(zhì)交換,隔斷了水庫生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系。另外,20世紀(jì)80年代以來廣泛采用的復(fù)合土工膜,生態(tài)效果受到質(zhì)疑[5]。
1.2.5 圍壩采用混凝土護(hù)砌的生態(tài)影響。在傳統(tǒng)的水庫壩坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)中,一般會(huì)采取硬化護(hù)砌措施,常用材料包括石材、混凝土等。硬化護(hù)砌結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢在于自身的穩(wěn)定性較強(qiáng),可以持續(xù)使用多年,但不利于生態(tài)環(huán)境建設(shè),其不僅會(huì)破壞原有的水環(huán)境景觀和諧性,更會(huì)對水環(huán)境生物群種的發(fā)展和造成一定的影響[6]。
2 生態(tài)理念在平原水庫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用建議
2.1 管理制度方面措施
2.1.1 堅(jiān)持生態(tài)設(shè)計(jì)理念貫穿水庫設(shè)計(jì)工作全過程。牢固樹立人與自然和諧的生態(tài)工程理念,堅(jiān)持科學(xué)的發(fā)展觀,嚴(yán)格遵守自然經(jīng)濟(jì)規(guī)律,將生態(tài)理念融入工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及管理的全過程,保證工程在取得經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí),減少環(huán)境污染和生態(tài)破壞,維護(hù)生態(tài)平衡[7]。隨著時(shí)代的進(jìn)步,國家對水利工程的要求也在逐步提高。多項(xiàng)關(guān)于生態(tài)保護(hù)法律出臺(tái)也把生態(tài)文明建設(shè)上升到更加突出的位置。將綠色生態(tài)的理念滲透到各個(gè)環(huán)節(jié),特別是堅(jiān)持用生態(tài)文明的理念抓好前期與勘察設(shè)計(jì)工作更是能夠發(fā)揮出事半功倍的生態(tài)效益[8]。
2.1.2 加強(qiáng)設(shè)計(jì)技術(shù)人員生態(tài)理念培訓(xùn)。平原水庫的生態(tài)設(shè)計(jì)要用到水利、環(huán)境、生物科學(xué)、力學(xué)、生態(tài)學(xué)等多種學(xué)科的原理和知識(shí)[5]。這就對新時(shí)代的設(shè)計(jì)技術(shù)人員提出了更高的要求,對此,制訂系統(tǒng)性的培訓(xùn)與學(xué)習(xí)計(jì)劃,定期對設(shè)計(jì)人員進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)與指導(dǎo),使其學(xué)習(xí)水庫設(shè)計(jì)新理念,強(qiáng)化生態(tài)理念在設(shè)計(jì)過程中的運(yùn)用,摒棄傳統(tǒng)陳舊的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)理念,真正將生態(tài)理念融入水庫工程設(shè)計(jì)全方位[1]。
2.2 技術(shù)措施
2.2.1 壩址選擇。平原水庫通常選址在低洼地區(qū),應(yīng)該遵循生態(tài)環(huán)境最終以生物多樣性判斷的根本原則,在圍壩及庫盆布置時(shí),應(yīng)考慮盡可能多地保留保護(hù)當(dāng)?shù)匾延械纳镂锓N資源,對有可能在水庫蓄水后發(fā)揮自身修復(fù)生態(tài)能力的生物鏈,在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮加以保護(hù),并在設(shè)計(jì)中列出專項(xiàng)保護(hù)措施,使得新建的水庫環(huán)境有利于生物多樣性的發(fā)展。充分利用原有地貌如沼澤,本身就是不漏水的區(qū)域,簡單粗暴地鏟除,再原地做防滲,更是百害無一利。同時(shí),考慮盡量減少甚至避免庫區(qū)移民,避免人類搬遷造成的生態(tài)破壞[9]。
2.2.2 以庫中濕地替代隔壩。借鑒農(nóng)業(yè)防風(fēng)林帶的防風(fēng)浪思路,考慮利用高稈植物減小吹程及風(fēng)浪影響和降低壩高的,設(shè)計(jì)成潛流濕地,種植高桿蘆葦?shù)劝胨?dāng)?shù)刂参?,?dāng)?shù)刂参锷L具有適合本土環(huán)境、側(cè)根系、根總數(shù)多、粗壯且分布均勻及板根發(fā)達(dá)的特點(diǎn),從而防風(fēng)和抗風(fēng)能力最優(yōu)[10],減小波浪爬高的效果更有效,既能避免波浪對隔壩的蕩蝕,并且當(dāng)?shù)刂参锔谥車锓N的生活,從而更利于生態(tài)整體性修復(fù)[11-13]。所以,盡量利用原庫區(qū)的地形、地貌和已有的生物資源,將需要設(shè)置隔壩的地方修整為庫內(nèi)濕地。
2.2.3 采用曲狀庫底。平原水庫一方面考慮應(yīng)盡量做深,以減少滲漏,減少蒸發(fā)。更應(yīng)全方面考慮庫底形狀對水庫生態(tài)的綜合影響。曲狀庫底壩坡逐漸變緩有利于壩坡自身穩(wěn)定而節(jié)省護(hù)砌,還有利于生物鏈的生態(tài)多樣性可持續(xù)。提高的自身修復(fù)能力反過來有利于水庫壩坡的穩(wěn)定而節(jié)省維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;庫底漸變的水深還要有利于生物多樣性[2];不允許施工擾動(dòng)改成濕地部分的土層,還有利于減少水庫的滲漏;濕地植物的生長還有利于保水和減少蒸發(fā)損失。綜合形成能起到減弱風(fēng)浪對圍壩影響的隔壩作用,還能減少對生物及環(huán)境的擾動(dòng),避免人工填筑生態(tài)島的巨大工程生態(tài)破壞。
2.2.4 設(shè)計(jì)庫水環(huán)流,讓水庫靜水變流水。庫中替代隔壩的局部濕地與圍壩之間設(shè)計(jì)成順圍壩方向的庫水環(huán)流。既能起到自然凈化水質(zhì)的作用,還能盡量減少人為干擾對生態(tài)濕地的影響。當(dāng)然還要注意在保證工程安全運(yùn)行的前提下,可以采用一些有利于提高水生態(tài)環(huán)境自身修復(fù)能力的新技術(shù),創(chuàng)造有利于形成生物循環(huán)的條件,促進(jìn)生物多樣性[8]。比如圍壩迎水面死水位附近的堆石體(注意設(shè)置反濾墊層),既可以穩(wěn)定壩坡、防止沖刷,又作為壩面護(hù)坡的基腳,還為岸邊魚類提供了魚窩,有利于生物多樣性的保護(hù)和發(fā)展。綜合起來生態(tài)效果比較好。
2.2.5 以天然防滲取代剛性防滲和土工膜防滲。水庫的防滲層,盡最大限度利用庫盆的天然相對隔水層,輔以當(dāng)?shù)鼐哂蟹罎B性能的填料(包括黏性土、人工摻和礫石料,甚至淤泥料在水下都有較好的防滲和自彌合性能),對于外來材料,即使采用膨潤土類材料,也比復(fù)合土工塑料膜更便于施工,便于檢查,便于修復(fù),不會(huì)污染生態(tài),有利于生物鏈的形成,提高自身修復(fù)能力,提高生物多樣性[5]。不但有利于防滲,造價(jià)還比較低。所以,應(yīng)以圍壩壩體下游不產(chǎn)生浸沒區(qū)為原則。因?yàn)橛嘘P(guān)壩體滲透計(jì)算,特別是有限深透水地基的滲透計(jì)算,壩體的和壩基的計(jì)算是先分別計(jì)算的。滲透穩(wěn)定分析不是簡單地把壩體和壩基的滲漏量加起來,而是還要搞清楚壩體滲透與壩基滲透之間的關(guān)系及其對工程的影響,才能具體布置好整體的工程防滲體系,才能合理地確定豎直防滲措施的深度和平向防滲鋪蓋的長度。既然地球上沒有絕對不透水的壩工,就應(yīng)該順應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境,在防止?jié)B透變形的前提下,同時(shí)兼顧環(huán)境的生態(tài)需水的要求。
2.2.6 采用生態(tài)護(hù)坡。生態(tài)護(hù)坡是水利工程建設(shè)中的一種新型護(hù)坡措施,其不僅具備傳統(tǒng)的固岸效果和水土流失防治效果,同時(shí)能夠有效控制污染源,與整個(gè)水環(huán)境共同構(gòu)成關(guān)系和諧的生態(tài)系統(tǒng)。采用生態(tài)護(hù)坡同時(shí)考慮在圍壩迎水面常年位于水下的護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮人工魚窩的等設(shè)置。生態(tài)護(hù)坡常用措施主要有生態(tài)混凝土護(hù)坡、自嵌式擋土墻、生態(tài)連鎖式護(hù)坡、生態(tài)格網(wǎng)護(hù)坡等,各具特點(diǎn),生態(tài)設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合工程需求、水文氣象、工程地質(zhì)條件等綜合考慮,確定適合的生態(tài)護(hù)坡措施[10]。
3 結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,會(huì)有更多更好的生態(tài)設(shè)計(jì)方法涌現(xiàn),例如利用現(xiàn)代電子信息化的科技手段,選取水庫特征點(diǎn)設(shè)計(jì)布置生態(tài)監(jiān)測點(diǎn),進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,累積基礎(chǔ)資料,目的是用科學(xué)手段調(diào)控修復(fù)生態(tài),真正達(dá)到尊重自然,取之有度的生態(tài)設(shè)計(jì);期待制定出臺(tái)相關(guān)的平原水庫生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)范,讓生態(tài)環(huán)境得到技術(shù)支持和制度保障。同時(shí),生態(tài)設(shè)計(jì)又是一項(xiàng)任重道遠(yuǎn)、需要持之以恒的工作。只有深入研究如何因地制宜地讓水和環(huán)境生態(tài)完美融合,真正達(dá)到人與自然和諧統(tǒng)一,才是我們不斷探索和追尋的最終目標(biāo)。
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