城市渠道工程設計與生態系統構建研究

劉 標，姜家良，趙 芳，肖 敏，謝如意，付 雄，孔繁星，馮振鵬，艾慶華

（1.中冶南方城市建設工程技術有限公司，湖北 武漢 430077；2.中國中冶海綿城市技術研究院，湖北 武漢 430077）

0 引 言

城市渠道是城市空間和城市生態系統的重要組成部分[1]，承擔著防洪排澇、景觀、文化等各類功能，滿足人類生產生活的需要，具有非常重要的經濟和社會價值。隨著城市的迅速發展，城市渠道被無序地開發和改造，同時，渠道的設計多采用傳統的硬質護岸的建設思路，這種渠道能夠耐受較高的流速和沖刷，從一定程度上保證了渠道的穩定和安全[2]。但是，從生態文明建設的角度來看，傳統的渠道設計形式基本隔絕了水域和陸域的聯絡通道，破壞了城市渠道的自然連通性和生態多樣性，造成水體自凈能力下降與生態系統退化，渠道親水設施缺乏，景觀效果和濱水體驗較差。在城市渠道治理過程中，除了要考慮渠道的防洪功能，還需要將生態治理的理念融入到渠道工程的設計中，生態系統的構建應成為渠道工程設計的重要內容，以更好地發揮渠道的生態效益。如何貫徹落實生態文明建設的發展理念[3]、發揮渠道水生態效益、保障水生態空間，是當前急需解決的重要問題。現以武漢市九峰明渠流域為例，對渠道現狀及生態環境進行分析，并針對性地提出渠道工程設計與生態系統構建方法，以生態化的理念推動渠道建設，優化城市渠道空間。

1 工程概況

九峰明渠位于武漢市，起于高新大道，沿光谷三路西側蜿蜒北行，橫穿珞喻東路后往北排入東湖，渠道全長約5.4 km，現狀渠道寬15～20 m，渠道水深約1～2 m。本次實例工程項目的范圍為九峰明渠高新區段，起于珞喻東路過街箱涵，止于東湖高新區區界線（武大鐵路），全長約1.35 km。現狀九峰明渠局部段受周邊山體及用地的限制，且存在底泥淤積問題，排澇通道狹窄，渠道過水能力不足。另外，渠道存在著一定程度的水環境惡化問題，渠道水生態系統退化嚴重。九峰明渠現狀排水設施如圖1 所示。

圖1 九峰明渠現狀排水設施圖示

2 渠道工程設計

通過該項渠道工程設計，使九峰明渠排澇能力滿足城市排澇安全，有效應對50 a 一遇暴雨。規劃整治九峰明渠（珞喻東路—行政區邊界）匯水面積為2 114.80 hm2，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252—2017）中條款3.0.1 規定[4]，九峰明渠工程等別為Ⅳ級，渠道上節制閘為永久水工建筑物，劃分為重要建筑物其級別為3 級。明渠設計流量依據區域排澇設計流量確定，雨水設計流量為110.5 m3/s。

2.1 渠道平面設計

渠道線路應結合地形、地質、施工等條件，通過技術經濟比較選定。該項工程為現狀渠道整治工程，定線時結合現狀情況，在滿足渠道水力銜接順暢的條件下，渠道規劃中線與現狀中線盡量靠近，以節省工程投資，提高可操作性。

渠道起點樁號K0+000 位于珞喻東路北側，終點樁號K1+350 位于行政區界處武大鐵路線附近，渠道全長1 350 m。渠道沿線共設置6 個彎道，其中最小轉彎半徑為40 m，最大轉彎半徑為150 m。最小轉彎半徑出現在規劃排水走廊轉折處，受渠道現狀岸線、左側黃梅山本體線及右側基本農田的限制，確定采用40 m 的轉彎半徑，對該處彎道的左側岸線采取一定的保護措施，避免水力沖刷影響岸坡穩定。九峰明渠彎道統計表如表1 所列。

表1 九峰明渠彎道統計表

九峰明渠東側5 條現狀支渠分別位于樁號K0+180、K0+540、K0+640、K0+940、K1+340 處，該工程按現狀支渠斷面予以銜接。

2.2 渠道縱斷面設計

2.2.1 計算方法

設計水位計算采用天然渠道水面線計算程序推求，計算原理為伯努利方程，即能量方程，如下式所示。

式中：Z1、V1為斷面1 的水位和流速；Z2、V2為斷面2 的水位和流速；hw為斷面1 到斷面2 之間的水頭損失。

2.2.2 水位計算

節制閘上游段規劃渠底標高19.09～19.01 m，規劃常水位為19.85 m，節制閘下游渠道規劃常水位為19.15 m，控制最高水位為20.74～21.59 m，渠道底高程為17.74～19.09 m。渠道水深計算表如表2所列。

表2 渠道水深計算表

2.3 渠道橫斷面設計

根據上位規劃資料，九峰明渠排水走廊控制寬度為60 m，底寬為22 m，現狀斷面與規劃斷面相比，需要整體拓寬。拓寬之后斷面形式采用緩坡形式處理，過水斷面采用生態護坡，岸坡比采用1∶2。

渠道橫斷面設計方案共分為三段：珞喻東路—新建節制閘段（樁號范圍k0+000～k0+060）、新建節制閘—基本農田段（樁號范圍k0+060～k0+180）、基本農田—終點段（樁號范圍k0+620～K1+350）。其中珞喻東路—新建節制閘段的設計排水廊道寬度60 m，該段渠道底寬為22 m，水深2.0 m，邊坡系數m=2，粗糙系數n=0.025，坡度i=0.000 65，水面寬度為30 m，上開口寬度為36 m（包含兩側濱水步道）。在渠道工程設計的同時，還綜合考慮了項目整體的景觀效果。以水景環境小品、精致的鋪裝地面為表現對象，以各種特色植被綠化為主，輔以流線形的組合造型，形成多種組合的形式各異的植物空間，在打造渠道濱水景觀的同時，構建雨水濕地和雨水滯留設施等海綿元素，營造出色彩鮮明、清新自然的風格。沿線兩岸種植灌木及花草類植物，成自然條帶式布置，形成親水綠化帶，設計水位以上設置綠地及2 m 濱水步道，并適當布置游憩設施，為市民休閑、運動及娛樂提供綠色場所。珞喻東路—新建節制閘段渠道設計橫斷面圖如圖2 所示。

圖2 九峰明渠珞喻東路—新建節制閘段標準橫斷面圖

新建節制閘—基本農田段、基本農田—終點段標準橫斷面根據地形條件有所差別，標準橫斷面圖分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 九峰明渠新建節制閘—基本農田段標準橫斷面圖

圖4 九峰明渠基本農田—終點段標準橫斷面圖

2.4 渠道邊坡設計

根據九峰明渠所在區域地質條件、渠道功能、渠道形狀、邊坡坡度等具體情況，在選擇護坡類型時，應綜合考慮結構安全性、美觀和生態性的要求，并同時具有良好透水性、生態和環境親和性，能實現植生綠化，而且還有一定抗水流沖刷能力。

渠道邊坡的設計方式根據常水位線來確定，常水位線+300 mm 以上至濱水步道護坡采用蜂巢格室+栽種挺水固土植被形式，常水位線+300 mm 以下護坡則采用預制混凝土連鎖制品+ 沉水植物形式，既能保證渠道行洪、排澇功能，又能保證邊坡的穩定和安全。

在連鎖混凝土制品以及土基之間布置碎石墊層及透水土工布，允許地下水滲出，從而防止了土體細顆粒被沖刷帶走形成管涌的現象，保護邊坡穩定性。

渠道護砌結構圖如圖5 所示。

圖5 九峰明渠渠道護砌結構圖

3 生態系統構建

該項目通過實施內源治理、截污納管、初期雨水控制、增加王家店污水處理廠處理能力等一系列工程措施來消除九峰明渠內源和截斷外源污染物。在消除各類污染源后，在項目建設范圍內通過實施海綿城市設施建設、生態多樣性構建、水生態系統修復等多種措施來提升渠道污染物削減和水體自凈能力。

為了進一步控制城市面源污染對河道水質的影響，結合渠道周圍的地形地貌，建設了下沉式綠地、植草溝、雨水花園、雨水濕地等海綿城市設施，充分利用渠道邊坡的空間，進行生態化改造和生態多樣性的構建，充分利用海綿城市設施中的植物、微生物等的作用實現污染物的削減和凈化，保證了渠道良好的水質環境。

建立水生態系統的主要作用是提高水體水質凈化能力，增加水體和底泥的溶解氧，改善氧化還原環境，促進水體中懸浮物的沉降，提高透明度，具有重要的生態效益和景觀價值。水生態系統實施的控制點主要是在邊坡以及渠底、水面，其中以常水位線作為劃分線，水線以上種植親水性植物，淺水與水陸交接處點綴種植挺水植物為主。

生態修復工程實施過程中，在渠道22 m 底寬范圍內全線種植沉水植物。由于九峰明渠水體現狀透明度較低，沉水植物難以存活，因此該工程選取的是生態懸浮網工藝進行沉水植物的種植。該工藝可以根據水體情況，合理控制水生植物種植深度；避免藥劑投放，無需改善透明度；無需調節渠道水位；可有效抵抗流水沖擊；生態懸浮網工藝采用無結網作為附著基，通過前期在附著基上噴涂的固化酶，后期附著基上著生的藻類、原生動物、輪蟲及多種微生物形成的復雜生物膜，能有效降低水體營養鹽濃度。根據目前九峰明渠的狀況，采用此工藝能大幅度提升水生植物存活率。生態懸浮網工藝設計圖及實物圖如圖6、圖7 所示。

圖6 生態懸浮網工藝設計圖

圖7 生態懸浮網實物圖

挺水植物的種植采用蜂巢格室+ 栽種挺水固土植被形式，保證渠道護坡的生態及景觀功能，蜂巢約束系統護坡是先進高分子合金技術生產的聚合物寬帶，經超聲波焊接而成的蜂巢式三維網狀物，與泥土、植被、沙石或混凝土等材料有機結合構成具有強大側向限制和剛度的結構。沉水植物的種植采用預制混凝土連鎖制品+ 沉水植物形式，在多孔結構上種植固土沉水植被，在兼具生態性能的同時可以有效避免水流沖刷。挺水植物和沉水植物的種植方式可以滿足渠道的行洪要求，而且可以較好地實現防沖刷，保證邊坡穩定，為水生植物提供了穩定的生長環境，有利于發揮渠道的生態價值。

由于渠道水位受雨水的影響而經常變化，不適宜在渠道邊緣種植沉水植物，所以我們選擇幾種挺水植物搭配種植：蘆葦、香蒲、再力花、千屈菜、水生美人蕉等。

渠道內種植的水生植物種類及數量見表3 所列。

表3 九峰明渠水生植物種類及數量一覽表

其中，竹葉眼子菜、輪葉黑藻、苦草這三種沉水植物的生長速度較快，在合理密植的情況下，其年吸收總氮的總量分別為1.8、1.15、0.95 kg/m2。按照設計的種植面積與密度，在種植存活后兩個月左右時間內可以達到水質設計目標。

4 結 語

城市渠道為城市提供了防洪通道，保護了人民生命財產安全，同時也為城市居民提供了優美的生態環境和休憩空間。在生態文明建設的背景下，城市渠道設計應在滿足防洪需求后，搭配植物生態修復技術實現渠道綜合治理的目標。通過生態系統的恢復與構建，持續去除水體污染物，保持渠道水體水質，改善生態環境，提高景觀效果，塑造多樣化的渠道生態空間，實現城市渠道的可持續發展。