生態(tài)水利規(guī)劃對水環(huán)境產生的積極影響

張連剛，謝 宇

(浙江清源工程技術有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

生態(tài)水利科學規(guī)劃是生態(tài)水利工程活動得以正常開展的重要前提，也是生態(tài)水利工程各項功能得以有效發(fā)揮的基本保障。在生態(tài)水利規(guī)劃中，需考慮到現(xiàn)場水文資源條件，采取技術優(yōu)化措施，竭力減小水利工程建設對水文環(huán)境的破壞，展現(xiàn)出生態(tài)水利規(guī)劃的生態(tài)環(huán)境效益和經濟效益。

1 生態(tài)水利規(guī)劃的重要性

社會經濟持續(xù)發(fā)展，居民收入提高，生活水平得以改善，與此同時對生活質量有更高的要求。從自然環(huán)境的角度來看，水資源屬于自然環(huán)境的重要部分，與居民的日常生活息息相關，為居民提供高品質的供水服務以及改善水環(huán)境均極為重要。即便我國水資源儲量豐富，但人均水資源有限，存在水資源供應短缺的問題，準確認清現(xiàn)狀并積極探索提高水資源利用水平、保障水資源品質的措施勢在必行。在業(yè)內人士的持續(xù)探索下，相繼在河流海域建成水利工程，能夠有效優(yōu)化水資源、提高開發(fā)水平。在肯定現(xiàn)有水利工程應用效果的同時，也需認識到水利工程存在的各類問題，其中生態(tài)水利規(guī)劃缺乏科學性則頗為明顯，此狀況下水利工程的經濟效益難以得到有效的提升，甚至破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，不利于生態(tài)環(huán)境、社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。由此可見，在水利工程開展過程中妥善做好生態(tài)水利規(guī)劃設計工作極具重要性，例如根據(jù)工程所在地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和水文條件進行針對性的規(guī)劃設計，發(fā)揮出水資源的利用價值以及實現(xiàn)對水環(huán)境的全面防護。

2 生態(tài)水利規(guī)劃的基本原則

2.1 生態(tài)系統(tǒng)自我恢復原則

生態(tài)系統(tǒng)具有自組織功能的特點，其機理在于自然選擇物種，以保證物種與所在區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)呈協(xié)調關系，其在面對自然選擇時能夠主動找尋適應于自身發(fā)展需求的環(huán)境，以保證健康地發(fā)展。優(yōu)質的生態(tài)環(huán)境能夠為種群繁殖提供支持，為其提供能源條件和自然環(huán)境。自組織功能原理與達爾文進化論有相似性，主要區(qū)別在于兩者的研究尺度不同。其中，地球生物圈的種群屬于進化論研究的重點考慮對象，而生態(tài)系統(tǒng)種群間產生自組織功能，在自組織的作用下，自然界能夠以適應性的要求進行物種的挑選，選擇適宜在特定區(qū)域生態(tài)環(huán)境中生存的物種。

2.2 整體性和生態(tài)性原則

生態(tài)水利規(guī)劃需考慮到水利系統(tǒng)整體性的原則，其中水利系統(tǒng)要依托科學的規(guī)劃設計手段有效實現(xiàn)工程蓄水、發(fā)電、灌溉等功能，生態(tài)性則考慮的是河流生態(tài)系統(tǒng)的結構需要足夠完善，同時具備在特殊生態(tài)環(huán)境中的自我修復能力。為進一步強調生態(tài)性，還需加強對水位、流量等多方面的觀察與調節(jié)。

2.3 景觀性原則

生態(tài)水利規(guī)劃在保證生態(tài)功能正常實現(xiàn)的同時還需考慮到景觀特色的打造，即遵循景觀性原則，以優(yōu)質的生態(tài)水利系統(tǒng)為載體，開發(fā)具有地方特色的旅游項目，拓寬生態(tài)水利工程的創(chuàng)收途徑[1]。

3 工程實例

某地護城河總長13.07km，深度5.0～14.4m，河底寬度14.7～21.1m，上口寬度29.4～46.2m，橫斷面呈梯形，兼具排水泄洪、蓄積雨水的功能。由于城市的發(fā)展，基礎設施建設、工業(yè)生產等活動均在不同程度上對護城河生態(tài)環(huán)境造成污染。出于對環(huán)境品質的考慮，該市自2021年開始推進護城河改造工程，經不懈努力后在水質改善、景觀塑造等方面均取得優(yōu)異的成果，但仍有諸多問題有待解決，例如岸坡植被稀疏、河道硬化力度過大、親水平臺缺乏親水性。鑒于此，本文立足該護城河現(xiàn)狀，以生態(tài)環(huán)保的基本理念為引導，提出河道柵格結構改造方案，具體做如下分析。

3.1 生態(tài)河道柵格結構規(guī)劃設計

3.1.1護岸結構設計

河道護岸改進為綠濱墊型護岸，垂直防護高度3.66m，護岸迎水面岸坡坡度1∶2，坡長7.7m，坡腳用固濱籠護砌。護岸頂部壓頂寬度0.6m，栽種榆葉梅、垂柳等適應于當?shù)刈匀画h(huán)境同時具有景觀價值的樹木，借助護岸頂部空間綠化的設計手法提升綜合設計效果。樹木間距按1.5m控制，樹高穩(wěn)定在2.0～2.5m，視樹木生長狀態(tài)定期修剪至該高度控制區(qū)間內。在綠濱墊塊石上平鋪30cm厚的生態(tài)袋，為予以固定，用石籠網兜住。生態(tài)袋中有草籽，在布設到位后的一段時間開始生長，起到固土和綠化的作用。綠濱墊下方依次規(guī)劃砂礫墊層、無紡土工布。護岸存在回填作業(yè)要求，采取逐層回填、夯實的方法，使回填部位穩(wěn)定可靠。格賓石籠的填充物采用抗壓強度、天然密度等指標均合理的塊石，具體要求如見表1?；谇笆鏊悸?，確定“綠濱墊+固濱籠”的綜合型河道護岸結構設計方案，具有提升護岸防洪性能的作用。

表1 格賓石籠填充物的性能要求

3.1.2網箱擋土墻設計

河道的岸坡坡度>1∶1.5時宜設置擋土墻，根據(jù)結構形式的不同分為多種類型，常見的是網箱擋土墻、背墻擋土墻等。在本工程的河道柵格結構中，采用的是網箱擋土墻。

在距護城河上游邊界3.0m處和距護城河下游5.5m處分別設置網箱擋土墻的上游扶壁、下游扶壁，伸入河岸部分至少達到4.0m。網箱擋土墻的基礎埋深視護城河的水位變化特點而定，需滿足基礎部分位于最大沖刷深度以下的要求。河水對護城河彎曲段的沖刷作用較強，出于安全防護考慮，在網箱擋土墻設計中增設網墊護坦。精心挑選網箱擋土墻的填料，以期利用優(yōu)質的填料建設擋土性能和透水性能均良好的網箱擋土墻。經分析，認為粒徑為10～30cm的碎石和2～3cm的細砂是網箱擋土墻的可行填料[2]。

網箱擋土墻設計充分考慮到土壓力(K)，此指標的計算方法如下：

(1)

式中，q—地表均勻荷載，KN/m2；γ—填土重量，kg；H—擋土墻高度，m；α—墻背與水平面的夾角(°)；β—填土表面與水平面的夾角(°)。網箱擋土墻在受力性能不足時有失穩(wěn)、受損的可能，為保證網箱擋土墻的穩(wěn)定性，要求其能夠承受的土壓力超過使用過程中的實際壓力。

3.1.3生態(tài)格網設計

(1)設計2種規(guī)格的生態(tài)格網，即以直徑2.5～3.0mm的鋼絲為原材料組成網孔60mm×100mm的生態(tài)格網和以直徑3.5～4.0mm的鋼絲為原材料組成網孔100mm×150mm的生態(tài)格網。鋼絲繞芯軸纏繞5圈，用尖針刮擦鍍層，以免出現(xiàn)生態(tài)格網脫落、開裂的問題。

(2)填石選材方面，要求粒徑小于網目的石料不超過總量的10%，石料填筑到位后，向產生的縫隙間填入砂礫。所有填料均布置到位后，要求外露的石料保持平整。

(3)精心設計濾層的土工布，選材方面，考慮的是易滲透、耐沖磨的無紡土工織物。

(4)沿垂直方向以40cm的間距依次設水平拉筋，布設后從外部開始張拉，逐步轉向內部，使拉筋保持張緊的狀態(tài)，確保在河水沖刷作用下內部的土石料仍維持穩(wěn)定[3]。

3.1.4清淤河段設計

護城河部分河段的河底淤泥堆積明顯，水流平緩，洪水排泄難度大，為此組織清淤拓寬設計。為保證清淤拓寬效果，將清淤寬度設計為100～280m。經過清淤拓寬后，改善河水流速偏慢的現(xiàn)狀，借助相對較快流速的水流沖刷河底泥沙，減少河底淤積量。清淤河段設計遵循資源利用價值最大化的原則，將開挖產生的土方用于護岸砌筑，多余部分轉至周邊的坑塘，發(fā)揮出此類土方保護岸灘的作用。

4 生態(tài)河道柵格設計對水環(huán)境產生的積極影響

4.1 溢水堰結構設計產生的影響

改造前，護城河采用的是梯形型式的溢水堰，高、低水位的落差超過2m。旱季雨水偏少，水經由溢水堰底部排水孔流出；遇降雨且尤其是連續(xù)強降雨時，水流漫過溢水堰。既有梯形型式溢水堰的水位可控向差，不利于堰壩頂部植被的生長。針對該狀況，不再采用梯形直立的溢水堰，經優(yōu)化設計后改進為斜面柵格形式，同時填充砂石和生態(tài)袋。雨季來臨前，河流水漫過溢水堰的斜面，對水生植物的生長有益，同時還展現(xiàn)出良好的景觀綠化價值；得益于斜面柵格蓄水能力較強的特點，即便在旱季也依然可滿足水生植物的生長需要。因此，該溢水堰改造方式兼具生態(tài)效益和景觀效益。改造后的結構斷面，如圖1所示。

圖1 河道堰壩縱向斷面示意圖

4.2 親水平臺和堤岸結構設計產生的影響

護城河的原親水平臺采用直接臨水設計，為直立式砌墻結構，缺乏建筑美學價值，在視覺上給人以生硬感和突兀感。對原直立式砌墻結構加以改造，采用的是斜面柵格結構，在近水面以上、人行道以外的區(qū)域均勻分布斜面柵格，發(fā)揮出此結構的空間聯(lián)動作用，實現(xiàn)河面、河道及沿河步行道在空間上的連接。柵格內填充生態(tài)袋，種植草本植物或灌木，利用植物進行蓄水保土、綠化河岸。親水平臺的柵格結構設計兼顧周邊環(huán)境，例如與岸邊深層土質相聯(lián)系，此設計方式有如下效果：旱季降雨量少，親水植物從深層土壤吸收水分，避免因水分供應不足而出現(xiàn)異常生長的情況；進入雨季，降雨量增加，河流水經由格柵進入深層土層，作為地下水的水源補給。在采用斜面格柵式的親水平臺設計方式后，消除原結構的生硬感，營造良好的河岸景觀，同時也能夠保證親水植物的良好生長。河道堤岸橫斷面，如圖2所示(親水平臺以下的部分)。

圖2 親水平臺以下河道堤岸橫斷面示意圖

護城河堤岸的磚砌結構具有疏導水流的作用，但此類結構嚴重影響堤岸的景觀。在對現(xiàn)有護城河堤岸進行生態(tài)規(guī)劃時，充分考慮到功能適用性、生態(tài)效益、觀賞價值多方面的要求。在該思路下，采取的是小孔徑空隙柵格化的設計方法，思路是用鉆機在堤岸坡面鉆孔徑2cm、孔深1.0～1.2m、孔距30cm、排距50cm的孔，形成一系列均勻分布的孔；向孔內填入草籽，使其生長，或根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境種植合適類型的花卉。經過對現(xiàn)有護城河堤岸的改造后，堤岸對旱季低水位、雨季高水位的適應性均較好，結構形式更加合理，綠化水平得以提高，兼具生態(tài)效益和觀賞價值。

4.3 河道結構設計產生的影響

護城河的原河道采用矩形隔水凹槽式結構，施工材料以混凝土為主，由于此類材料的防滲性能較好，產生分隔作用，從而獨立河道的內、外部環(huán)境，在此空間分隔狀態(tài)下，河道屬于獨立的儲水系統(tǒng)。從可行性的角度來看，原設計方案的不足在于易引起河道底部淤積問題，同時在一定程度上破壞河流水生態(tài)的穩(wěn)定性，最為直觀的表現(xiàn)則是河道的水質變差。鑒于矩形隔水凹槽結構的不適性，在生態(tài)水利規(guī)劃時針對既有的矩形隔水凹槽式結構進行改造設計，要點如下：

為河道設計柵格結構的箱狀構筑物，修筑位置規(guī)劃在河床的底部、臨近兩岸親水平臺的位置。以河道兩岸為中心，向外延伸布置，直至所處位置到達擋土墻為止。規(guī)劃的構筑物在高度上存在差異，通過高差的設計手法形成錯落分布的視覺觀感，同時也能夠清晰地對箱狀空間進行分隔，形成多個深淺不一的細分箱狀空間。在該結構設計方法的基礎上，于規(guī)劃出的箱狀空間內填筑砂石，同時考慮各部位的水位高度，種植適宜的水生植物。例如，距堤岸較遠的深水區(qū)，以金魚藻、黑藻等沉水植物為主；距離堤岸較近的淺水區(qū)，以菖蒲、荷花等挺水植物為主。通過多種水生植物的聯(lián)合種植，一方面美化河道，利用植物增強景觀價值；另一方面提供可滿足水生動物棲息的場所，從而保證水生動物的良好生存，對改善河道生態(tài)系統(tǒng)有一定的作用[4]。規(guī)劃設計后的生態(tài)河道，如圖3所示。

圖3 生態(tài)河道平面示意圖

對于硬質河床，以生態(tài)理念為指導進行改造，不再采用原硬質河床的結構形式，取而代之的是柵格結構形式。為提高硬質河床的改造效果，在設計柵格結構的基礎上還充分考慮到現(xiàn)場環(huán)境特點，例如河水的水質、河水流速等因素，據(jù)此靈活優(yōu)化柵格的規(guī)格。之所以注重柵格規(guī)格的針對性設計，原因在于合適規(guī)格的柵格能夠起到阻水作用，但禁止出現(xiàn)盲目增加柵格規(guī)格的行為，否則將由于柵格的不合理設置而放慢護城河的水流速度，又因水流速度較慢而使水中泥沙無法被水流帶走，隨著時間的推移，引起愈發(fā)明顯的河道沉積現(xiàn)象，最終的改造效果偏離預期。經過周全的考慮后，將河道兩側柵格的規(guī)格設計為2m，具體可根據(jù)實際條件適當調整。按前述提及的思路設計河道柵格后，能夠取得良好的阻水效果

5 結語

綜上所述，隨著近年來人們對環(huán)境保護的重視，生態(tài)化水利規(guī)劃已經成為水利工程建設的重要因素。積極有效的生態(tài)水利規(guī)劃，對水文環(huán)境有著重要的影響作用。經過本文的分析，提出生態(tài)水利規(guī)劃的具體策略，明確生態(tài)水利規(guī)劃對水環(huán)境產生的積極影響，認為生態(tài)水利規(guī)劃是現(xiàn)代水利工程中必須妥善落實到位的一項工作。同時，建議相關人員高度重視生態(tài)水利規(guī)劃，結合現(xiàn)有水環(huán)境做針對性的規(guī)劃設計，以提高生態(tài)水利規(guī)劃水平，降低生態(tài)水利規(guī)劃對水文環(huán)境的破壞以及水域周圍生態(tài)環(huán)境的影響，對生態(tài)水利工程的建設有著一定的積極意義。