韓城市澽水河治理及生態護岸設計研究

范增睿，王 健

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊陵 712100)

1 研究背景

近年來，我國為構建新時期良好的人居環境，大力開展中小河道治理工作，生態環境有所改善。對河道生態治理，學者們從理論基礎、制度管理、技術創新等方面進行研究，取得了一定的成果，但仍存在許多問題。為進一步探求黃河流域生態治理與修復的有效措施，實現河流生態的可持續發展，對韓城市澽水河生態治理及生態護岸設計進行了分析研究。

澽水河是韓城市境內最大的河流，屬于黃河右岸一級支流，流域面積1083km2，河道總長85.4km，比降6.7‰。上中游大部分為梢林覆蓋的土石山區；下游為川源地區，兩岸塬面平緩，梁、溝發育縱橫。根據牛心水文站和薛峰水庫管理處共48年水文資料分析，多年平均徑流量為5854萬m3，7—9月徑流量占全年55.5%以上，11月—次年3月徑流量僅占12.9%，最大年徑流量2.134億m3，最小年徑流量0.06503億m3，相差32.8倍，徑流量年際變化大；實測最大洪峰流量836.6m3/s，最小流量1.4m3/s，相差598倍，洪枯流量懸殊。

2 水生態環境問題

2.1 水土流失

韓城市境內500m以上的干、支、毛溝有1300多條，水土流失面積達1337km2，占總面積的82.5%，屬于黃河中游水土流失重點縣之一。西、北深山林地輕度流失區受人為毀林開荒與巖石風化，河畔客土雨季易侵蝕，滑坡、坍塌常有發生；粗放式開采礦產資源使地表大面積擾動，人為破壞植被加劇水土流失。

2.2 河道行洪能力

隨著城鎮化建設加快，道路下墊面硬化加大，多暴雨型洪水水量集中流速大、沖刷破壞力強、挾帶土石泥沙，經地表漫流與管網、河道匯流形成的洪峰對城鎮管網與河道破壞嚴重[1]。澽水河的多年平均輸沙量為6.78萬m3，泥沙搬運沉積到下游川源地帶，引起河床抬高[2]，各個支流匯入段淤積堵塞現象嚴重。

2.3 水資源開發利用

韓城市人河爭水矛盾日益突出，其人均水資源量為323m3，屬于極度缺水地區。依據《韓城市“十四五”水利發展規劃》，2018年市水資源開發利用率達42.3%，地下水供水量4486萬m3，占地下水資源可開采量的74%，地下水位線連年下降；澽水河作為境內重要的生活飲用和農田灌溉水源，灌溉水利用系數為0.56；韓城市實際供水能力9800萬m3，雖能滿足基本用水，但受制于氣候降雨、水利工程調蓄和水資源過量開發等因素，經濟發展受限嚴重。

2.4 河流生態治理

河流沿岸耕地殘留的化肥、農藥等和金城、新城市區污水為主要污染源，檢測出主要超標因子為NH3-N、總磷和總氮，監測結果見表1。生態環境用水得不到保障，水體流動性差，自凈能力低，部分河段硬質化程度高，水質問題長期影響河流生態良性循環。在澽水河生態治理中要全面考慮黃河上下游、干支流、左右岸的生態環境建設和保護問題，從防治水污染到治理水土流失，從黃河水體本身到與之相聯系的山水林田湖草，注重生態建設和保護的整體性和全局觀[3]。

表1 澽水河南橋下游的橡皮壩至城固橋河段水質監測結果表 單位：mg/L

3 河道治理及效果

河道治理和生態建設既是城鎮基礎建設的重要組成部分，也是優化城鎮生態環境、提高城鎮形象品質的重要手段[4]。結合已建河道生態工程和水利工作，分河段分類別分析構建河道水生態體系的重要性。

3.1 治理情況

針對澽水河功能特點將澽水河分為3段治理：

(1)薛峰水庫上游段37.1km(水功能區)。為確保水質安全，進行澽水河流域水功能區的確界立牌工作，在保護區內安裝警示標志、界樁和圍網，取締水上樂園設施、農家樂餐飲活動，關閉區域內所有排污口，封山育林育草。

(2)薛峰至韓城市區段25.3km(工農業用水區)。嚴格對農村生活垃圾、糞便集中管理，農藥化肥統一實施，大力開展植樹造林、坡改梯田、農村澇池生態修復。完成有五四村段、板橋鎮段、土門口至108國道橋段防洪工程建設項目，建成小迷川水庫和侯家峪水庫抗旱應急水源工程。建設有7個污水處理廠，總污水量處理達11900m3/d。

(3)韓城市區至入黃口段23.0km(城市過渡區)。開展金城辦段、芝川鎮段、入黃口段防洪工程建設項目，并完成11.6km綠色生態長廊的河道治理項目。建設處理能力4000m3/d污水處理廠1座，用以解決金城污水排放。

在河流全流域大力開展水土保持建設，組織各相關職能部門開展河湖“清四亂”“攜手清四亂，保護母親河”、入河排污口專項整治以及河岸綠化等工作。

3.2 實施效果

從源頭到入黃口，通過生態空間一體化保護和環境污染協同治理，形成了上游“水塔”逐漸穩固，中下游生態宜居的生態安全格局[4]。治理保證了澽水河中下游20年一遇行洪安全及沿岸村鎮、農田和司馬遷祠景區的安全，提升了韓城市應對極端氣候情況下的供水、水量調控、分配以及抗御自然災害能力。林草植被覆蓋率、人均基本農田、土地利用率、農民人均純收入較前都有很大提高，河湖生態環境得到較大改觀。通過開展水活動和宣傳水知識等，喚起公眾節水意識，帶動全社會節約用水，人們的居住條件和生活水平進一步提高，充分體現出水生態體系在現代化生態文明城市建設的重要性。

4 工程案例分析

防洪工程是構建水生態體系的重要保障[5]，選取澽水河下游土門口至108國道橋段進行分析。該河段治理長度3.4km，河道蜿蜒平緩，岸線開闊，屬于典型的城鄉交接河段。原河道兩岸建有堤防，堤身為漿砌石結構且內測無填筑物，寬度、高度不一，部分河段堤基沖刷外露。

本著“以人為本、人與自然和諧相處”的治理理念，結合現有治理技術，針對該河段設計安全、經濟、適宜的生態護岸，并選取典型河段進行斷面設計優化和穩定性計算分析，實現河流生態的健康發展，構建一個風景優美新異、結構安全穩定、人與自然和諧共存的生態河道。工程位置如圖1所示。

圖1 工程地理位置圖

4.1 設計難點和整體布局

4.1.1設計難點

(1)工程區位于城鄉結合段，耕地與住宅錯綜分布，城鄉規劃、土地、用水及水質等問題突出，人們的生活生產生態用水需求持續擴大，設計需滿足長遠發展目標。

(2)河流受季節天氣影響較大，河床寬窄起伏多變，原有河道破損較為嚴重，河道各段問題不一，有岸坡坍塌、侵蝕懸空、滲透變形、河床破壞等，既要具體問題具體分析，又要滿足河流整體流態安全。

(3)河道要包含防洪排澇、農業灌溉、生態綠化、美觀宜居等方面的功能，還要展現自然氣息與現代人文的高端形象，以達到整體社會效益、經濟效益與生態效益的三者統一。

4.1.2整體布局

河道大體分兩段，前半段河道岸線長直開闊，兩岸村莊和耕地分布密集，鋪設連鎖式生態磚護岸加固岸坡，作漿砌石擋墻基礎與鉛絲籠石坡腳防止水流侵蝕滲透，并修建下河踏步、枯水平臺、溢流跌水等親水設施，既保證河道行洪安全，也滿足平時親水性的需求。河道后半段處于近城區，城建規劃影響較大，修建墻式護岸或漿砌石擋墻。在橋梁區、河道凹岸等地形受限段作矩形斷面設計，保障防洪排澇。兩岸鋪設瀝青道路，以滿足防汛巡查和人們出行游玩需求；在必要位置鋪設涵管控制雨水排放和農田用水灌溉。

選用連鎖式生態磚護岸擁有較強的抗沖刷能力和類似自然護岸的生態功能，且施工方便快捷，價格適中，后期維修費用低，技術手段較為成熟[6-7]，可用于斜坡式護岸和拐點較多的河段；直立式擋墻護岸適用于地形受限、安全要求較高的河段，可進行種植綠化來提升生態景觀。

4.2 設計優化

4.2.1護岸設計

在河道規劃范圍內設計河道斷面，既考慮河道平面蜿蜒性[8]，還要保證河道結構穩定性、景觀適宜性、生態健康性和經濟合理性等多方面要求，采用連鎖式生態磚護岸對工程區前半段進行設計。結合水文資料，用水文比擬法計算得到，工程區20年一遇治理標準下洪峰流量為625m3/s，作為設計流量；選取南澗村與廣場村交界段為設計斷面，樁號為Z1+260～Z1+510、Y1+170～Y1+420，每隔50m取一斷面。樁號Z1+352.50河道斷面設計如圖2所示。

圖2 河道斷面設計圖

依據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》，設計護岸坡比為1∶2.5，上接瀝青防汛路，下連枯水平臺[9]，河道底部修建漿砌石基礎。河道平面布置如圖3所示。

圖3 河道平面布置圖

4.2.2優化計算

通過具體化河道斷面形式，概化約束條件和目標函數，構建斷面經濟優化設計模型[10]，用水力計算對優化模型求解，優先考慮河道安全穩定，再滿足收益較大化，從而確定較優方案。約束條件考慮河道形態、斷面形式、水體流態、生態環境、土地規劃等方面。目標函數如下：

(1)河道治理成本C

(1)

式中，j—斷面；S1—挖方量，m3；C1—單位體積挖方成本，元；S2—填方量，m3；C2—單位體積填方成本，元；C3—每米岸堤與地基基礎修建成本，元；S4—斷面間邊坡面積，m2；C4—單位面積的邊坡修建成本，元；Lj—斷面間距離，m。

(2)節約土地效益B

(2)

式中，B1—單位面積土地效益；Wj—河岸收縮距離。

(3)綜合收益Y

Y=B-C

(3)

4.2.3結果分析

結合文獻資料、專家經驗及《水利工程概算定額》，取C1=5、C2=18、C3=1000、C4=144[7-10]，參照當地農村土地價值標準取B1=300。在設計流量為625m3/s恒定流情況下優化計算，得到較優收益：每50m工程河道效益22.6萬元，工程總收益1536.8萬元，優化結果見表2。

表2 優化結果

優化后河道岸線收縮，斷面規格較一致便于工程施工，且滿足設計流量下水深；河道主槽和邊灘水深、流速有明顯降低，滿足河床和護岸不沖流速。在不影響防洪安全條件下，岸線收縮帶來的長期土地效益能彌補工程投資缺口，促進經濟良性發展。河道優化前后的底高程、水深和流速對比如圖4所示。

圖4 結果對比

4.3 穩定性計算分析

河道穩定性包括滲透、抗滑、沉降和抗沖刷4個方面，河道地質特征直接影響河道安全穩定，對地基土進行常規物理力學性質實驗、密度及滲水等實驗，實驗結果見表3。

表3 堤基土物理力學指標表

4.3.1滲透穩定

以達西定律為依據，查閱現有規范計算水力坡降，采用下式計算實際水力比降J實：

(4)

式中，J實—實際水力坡降；H1、H2—堤迎、背水坡水位高程，m；T—相對隔水層深度，m；b—堤基寬度，m。

因河道斷面寬窄多變，以斷面設計和平面布置圖為標準計算，設計洪水位為2.5m，相對隔水層深度大于17.5m，堤基寬度1.7m，經計算J實=0.1

4.3.2抗沖刷穩定

河道上游山區多有暴雨區，匯水面積大，雨水集中，洪水季節水流側蝕強烈，護岸局部沖刷深度按下式計算：

(5)

(6)

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處的水深，m；Ucp—近岸垂直平均流速，m/s；Uc—泥沙啟動流速，m/s；n—與防護岸坡在平面上的形狀有關，取1/4～1/6；η—水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡夾角α查表采用。

計算結果：在設計洪水位下沖刷水深取2.5m，河道平均流速2.25m/s，η=1.65(岸坡夾角36°)，泥沙啟動流速Uc=0.8m/s[11]，得Ucp=2.8m/s，hs=0.71m。護岸會產生沖刷破損，需做防護措施。主槽流速(v=1.016m/s)<河床卵礫石層不沖刷流速(v不沖=1.2～1.5m/s)，河床相對穩定。

4.3.3抗滑穩定

采用改良圓弧法計算設計堤坡穩定安全系數，公式如下：

(7)

S=Wtanφ+cL

(8)

式中，W—土體有效重量，kN；c、φ—軟弱土層的凝聚力和內摩擦角，kN、(°)；Pa、Pn—滑動力和抗滑力，kN。

結合堤基土實驗數據結果和岸坡橫斷面圖，取c=8，φ=23，L=9，計算得：S=91.9，K=3.39>K允。岸坡為砂質壤土，在干燥、無水流沖刷狀態下穩定，遇水沖刷時極易坍塌，在坡腳作鉛絲籠石加固處理。兩岸河床均修建漿砌石基礎，且置于河流最大沖刷深度以下，滿足地基抗滑穩定要求。岸坡橫斷面如圖5所示。

圖5 岸坡橫斷面圖

4.3.4沉降穩定

依據GB 50286—2013，堤基的最終沉降量可按下式計算：

(9)

式中，S—最終沉降量，mm；n—壓縮層范圍的土層數；e1i—第i土層在平均自重應力作用下的孔隙比；e2i—第i土層在平均自重應力和平均附加應力共同作用下的孔隙比；hi—第i土層厚度，mm；m—修正系數，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.6。

岸坡整體處于一級階地壤土層上，土層數n=1，根據實驗結果：e1i=0.89，e2i=0.747，土層厚度取2～2.5m，最終沉降量S為151～189mm，有輕微沉降，需對堤基進行夯實填充處理。

5 結論

(1)本文對韓城市澽水河治理情況進行分析，統籌規劃，分段分類治理措施在生態環境修復、產業結構調整和抗災提防建設等方面取得良好效果，為相似中小河流治理提供借鑒。

(2)結合實際河道工程，選取典型斷面構建經濟優化設計模型，從河道生態護岸設計、典型斷面優化以及河道穩定性分析得出，從理論基礎與技術應用相結合的角度保障流域內水安全，帶動社會、經濟、生態健康發展的方式是可行的，但優化模型受適應范圍限制，應用推廣有待論證。