北方干旱区城市中小河道水生态建设规划设计

张铁楠

(辽宁省阜新市水利勘测设计研究院 辽宁阜新 123000)

1 工程概况

1.1 自然条件

阜新市地处辽西北环渤海经济带,境内河网交织,为阜新建成园林生态城市、提升城市品位、带动城区河道沿岸经济发展、拉动两岸城市房产开发,对城市河道综合整治提出了更高的要求。

高林台河是细河右岸一级支流,位于辽宁西部低山丘陵区,属季节性河流,丰枯水流量相差数百倍,大水多集中在 7、8两月。高林台河主流长18.18km,流域面积86.25km2,河道平均比降6.29‰。其城市段从入细河口至上游哈朋河汇流口,长4.4km。

项目区属北温带半干旱大陆季风气候区,四季变化明显,春季干旱多风,夏季高温多雨,秋季冷凉旱霜,冬季寒冷少雪。多年平均降水量499.9mm,最大年降水量779.7mm,最小年降水量291.6mm,降水多集中在7、8、9三个月,占全年降水总量的68.7%,多年平均气温7.2℃,7月份平均气温最高25.8℃,1月份平均气温 -12.7℃,无霜期150d,结冻时间为11月上旬至翌年4月上旬,多年平均风速2.3m3/s,全年≥6级风日数为39d,最大风速为23m3/s,最大冻土深1.78m,年平均水面蒸发量1786mm(E601),年平均陆面蒸发量391mm。

细河是大凌河下游左侧一级支流,属于多泥沙河流,细河阜新市中心区海州水文站水文特征,地表径流集中,多发生在7～9月份,洪水汇流历时短,多年平均径流量1092万m3,多年平均输沙量11.3万t,汛期输沙量为7.07万t,多年平均输沙率为6.73kg/m3,汛期输沙率为8.68kg/m3,汛期输沙量占全年的62%,汛期含沙量是年平均的1.29倍。

场区地形北高南低,河流由北向南汇入细河。地层岩性为第四系全新统冲洪积及坡积物,地基土自上而下主要为素填土、粉土、砂粒土、基岩等。河床表层为细砂及砾石。第四系覆盖层平均厚度为4.8m。

地下水类型主要为第四系孔隙潜水,河床内地下水位埋深为1.5m左右,主要赋存于砂土中,地下水补给类型主要为大气降水和地表水补给。

1.2 工程现状

高林台河城区段两岸均为土堤,安全泄量只能达到30年一遇的洪峰流量,河道泥沙落淤并兑岸严重,岸坝坍塌,阻碍行洪。堤防无护坡,堤距60～150m不等。

左右岸内堤脚处各有1条截流干管至细河干流左岸截流井。在2+770处有一条重要混凝土自来水管线 (DN1000)斜穿越河道,裸露在河滩,不能移线存在安全隐患。整治段内有跨河建筑物2座,分别为玍海西大桥 (桩号0+370),高林台桥(桩号2+870),并有穿堤建筑物涵洞5座。

2 规划设计目标

确保城市社会经济发展和人居环境的安全、水体景观自然协调、城市品位的提升,并最终实现本区的环境优美、舒适宜人、经济发展、社会进步,水生态系统良性循环的城市动态水域。

1)加固堤防8.8km,防洪标准达到50年一遇。

2)布置5座拦河建筑物,能在中等干旱年份形成溪流水面11.1hm2。

3)水域布置8个重点景观节点,实现健身休闲、亲水娱乐、自然风光三大综合功能。

3 总体布置方案

考虑高林台河比降大等的特点,结合实际情况,对下述两种蓄水方案进行比较。

3.1 全河壅水式河道方案

细河干流上现有6座橡胶坝,均为此方案。结合地形,根据河道纵断比降修建3座橡胶坝,使两桥之间有连续水面,达到水景观的效果。本方案工程布置详见下表。

参照细河已建工程和其它地区类似工程,综述本方案优缺点如下。

3.1.1 优点

①无土方开挖,滩地整平即可;②水面宽阔,视觉感觉较好;③水景观建筑物管理方便,洪水期不影响行洪。

3.1.2 缺点

①不适于河道比降较大地区;②淹没原河道滩地生态林,需水量较大;③与顺河截流干管产生交叉,施工不便;④游人休息娱乐面积较少,不易布置水景观;⑤投资较多。

3.2 溪流阶梯式河道方案

高林台河比降较大,设置人工落差,可以达到增加水体复氧能力及增加景观效果的作用。根据地形恢复蛇形河槽,设置浅滩和深沟。根据现状比降,并考虑保护自来水管线,共需布置5座闸、堰。本方案工程布置详见下表。

本方案对于阜新地区是一种新尝试,结合其它地区已建工程,综述本方案优缺点如下。

3.2.1 优点

①适用于河道比降较大地区;②水景观布置空间较大;③不与与顺河截流干管产生交叉,施工方便;④耗水量较小,无需淹没原河道滩地生态林;⑤投资较少。

3.2.2 缺点

①需人工开挖主槽,土方量较大;②水面面积较少;③洪水过后,水景观破坏较大。

本着因地制宜的方针,选取适宜本区的溪流阶梯式蓄水方案。结合现状河道条件,采用开挖主河槽方式蓄水,滩地游览。为保证在玍海西桥至高林台桥之间形成水面景观,设置5道拦河建筑物,并在上游哈朋河汇流口处,设置一处人工湖调蓄水量,由于高林台河现状河道来水量不足,采用下游污水处理厂的中水作为补充水源。

4 生态环境需水

4.1 设计保证率确定

根据《阜新市城市水系规划》和本地区水资源特点,采用75%(中等干旱年)为设计保证率。

4.2 可利用水量

(1)可利用地表水量,利用海州站的径流计算结果,采用水文比拟法计算,高林台河在75%的保证率下可利用的天然径流量为208万m3。区域耗水量158.2万m3,实际来水量49.8万m3。水量月分配见下表。

(2)中水量,在建的阜蒙县污水处理厂设计日处理能力3万m3,现状污水排放量5000m3～7000m3。近期日处理能力按1万m3考虑,可利用系数0.7,月可供水量21万m3。

(3)人工湖调节水量,人工湖设计库容为3.75万m3。其中可调节水量3万m3。

(4)城区雨洪量,高林台河城区段流域面积10.1km2,根据《阜新市水资源评价》(2006年)细河流域75%频率降水量385.8mm,城区雨洪量390万m3。

4.3 蓄水工程耗水量

(1)水面蒸发量,根据《阜新市水资源评价》(2006年)提供的全市各月平均水面蒸发量月分配表,可得年蒸发量10.94万m3。

(2)水体渗透量,高林台河造床土壤主要为细砂,按中等地质条件考虑,查辽宁省水文手册渗漏强度为0.1m/a～1.0m/a。参照《阜新市城市水系规划》,确定渗漏强度为1m。可得年渗漏量11.10万m3。

(3)维持河道生态水量

比较最小生态用水量和动态需水量,确定高林台河维持河道生态水量61.63万m3。

(4)结论

通过以上计算可得,高林台河城区段水景观年耗水量83.67万m3。耗水量月分配见下表。

表4 高林台河城区段水景观年耗水量月分配表

表5 生态环境需水保障成果表

4.4 生态环境需水保障

水景观年耗水量83.67万m3,在设计保证率情况下,共利用上游来水36.82万m3,其余部分全部由中水保障,中水回用量41.98万m3。成果见表4。

通过计算可得中水回用量最大月发生在5月,回用中水量11.63万m3,平均日需水量 0.38万m3。输水时间取12h,日扩大系数取1.4,可得输水管线最大输水流量为0.12m3/s(440m3/h)。

近期水源的保障方式以地表水为主,中水为主要补充水源。随着远期高林台河沿岸地下水源井的关闭,地下水量将得以恢复,地表径流也会增加。今后的城市排水将采取雨污分流的形式,随着雨洪利用力度的加大,雨洪的利用量极为可观。远期水源的保障方式将以上游来水和城区雨洪为主。

5 技术设计

堤防的迎水坡和背水坡设计边坡比均为1∶2。迎水坡堤顶至设计洪水位和背坡采用草皮护坡;设计洪水位至河底采用连锁砖护坡,厚0.12m。排污涵管规划并入截流干管。

开挖主槽过流能力按高林台河10年一遇洪水标准设计,确定高林台桥至玍海西桥段开挖主槽宽为30～50m 不等,主槽平均深2m,边坡1∶3;高林台桥上游开挖主河槽宽30m,主槽深2m,边坡1∶5。主槽0+200～2+750段采用格宾网箱护脚结合格宾网垫护坡,2+750～3+000段采用仿木桩护岸结合三维立体植草毯护坡,3+000～4+100段采用格宾网箱护脚结合三维立体植草毯护坡。

在河道上游汊口桩号4+120～桩号4+400处扩挖1座具有调节水量作用的人工湖,人工湖边坡1∶3,采用生态格宾网垫护坡,护坡厚度0.3m。

底横轴翻转闸运行情况为闸顶堰流水深0.5m时,即开闸行洪,按薄壁堰考虑,设计最大溢流流量为18.5m3/s,闸门宽度28m,高1.5m。为尽可能的增大泄流能力,减少堰上水头,桩号2+100处设迷宫型溢流堰,宽度36m,展宽比为3,设宫数为6,设堰高1.5m,宫的宽高比为4,防洪标准10年一遇流量135m3/s,堰上溢流水深 0.96m,根据主槽纵比降的设计,设计边墙顶高程高于堰顶高程1m,即可满足槽内10年一遇行洪标准。

在桩号2+700～2+775处有1条斜穿引闹管线露出河滩,需进行防护处理,因高程较高,兼起拦河蓄水作用。此处设计为钢筋混凝土宽顶堰形式,堰宽16m,堰长30m,堰顶与上游渠底做1∶10斜坡面钢筋混凝土铺盖衔接,宽顶堰下游设水平段长度8m的1∶4钢筋混凝土陡坡段与钢筋混凝土消力池相连。为满足人工湖的蓄水要求,在桩号4+100处两侧设钢筋混凝土结构溢流堰,单侧堰长25m,溢流堰为直角梯形折线实用堰,为实现人工湖的调节功能,中间设卧倒式闸门,闸门高2m,宽5m。

6 景观设计

考虑高新区规划对城市的发展定位、高林台河的特点以及各产业区、居住区等的分布状况,随形就势将水域大致划分为三大景观功能区,重点整治区玍海西桥上游段为健身休闲区、高林台桥下游段为亲水娱乐区,高林台桥上游至人工湖段为自然风光区。三大功能区缓和过渡,11hm2的水圈和65hm2的绿圈互相印证,再现自然风韵,给城市注入勃勃生机,景色怡人。

共布置水上游乐场、绿色生态长廊、自然风光怡情休闲带、人工湖、步汀桥、健身休闲带、喷泉音乐休闲广场、河口湿地8大景观节点。

1 阜新市水文局.《阜新市水资源评价》[R].2006

2 阜新市水利勘测设计研究院.《阜新市城市水系规划》[R].2009.11

3 王超,王沛芳.《城市水生态系统建设与管理》[M].科学出版社2004.6

4 SL431-2008城市水系规划导则[S].