北方寒冷缺水地区河流的治理

张家松

（山东省临沂市水利勘测设计院，山东临沂276000）

乌兰察布市地处内蒙古自治区中部，总面积5.4万km2。乌兰察布市东部与河北省接壤，东北部与内蒙古锡林郭勒盟相邻，南部与山西省相连，西南部与自治区首府呼和浩特毗连，西北部与包头市相接，北部与蒙古国交界。

霸王河为内陆河，是黄旗海水系中流域面积第二大的河流，发源于乌兰察布市察右中旗草垛山北山顶。该河流经市区，于板伸梁村南汇入黄旗海。流域面积899km2，全长93.1km，河道平均比降0.517%。

1 霸王河现状分析

1.1 自然气候条件

乌兰察布市多年平均气温4.5 ℃，历年极端最高气温37.2 ℃，历年极端最低气温-33.7 ℃。多年平均降水量368.8mm，降水量年际变化较大，降水量年内分配极不均匀。多年平均蒸发量1983.6mm（20cm口径蒸发皿），蒸发是降水的5.4倍。

该地区风多且大，历年最大风速33.0m/s，汛期6～9月多年平均最大风速18.0m/s，多年平均年最大风速23.4m/s。多年平均大风日数48d，最多达92d。多年平均无霜期133d，多年平均日照时数为2920h，≥10 ℃积温2170 ℃。历年最大冻土深度1.91m。

总之，从现状分析来看，其自然气候条件主要特点有：①自然气候条件不佳，施工期短，冻土深度大；②降水量少，蒸发量大，水资源极为匮乏；③河道比降较陡，洪峰高历时短，行洪时水流湍急；④洪水含沙量大；⑤河道渗漏量大，需要防渗处理。

1.2 地质条件

拟建场区为丘陵间河谷地貌类型，坝址下伏基岩埋深较小，地貌单一，地层结构较简单，地基土层层位较稳定，分布较均匀，在坝址及其附近无活动性断裂通过。地史上相对稳定，适宜建筑。

2 治理工程总体规划

霸王河河道治理工程南起110国道北至霸王河水库大坝，河道治理2.3km。本治理段共规划3片景观区，分别是霸王河水库大坝两侧水体景观区、武家村下游水体景观区和110国道两侧水体景观区。

2.1 霸王河水库大坝两侧水体景观区

为保证大坝两侧有宽广的水面，在大坝下游600m处设液压钢坝闸1座，正常蓄水位受大坝泄洪闸、溢洪道及大坝坝脚的限制确定1341.5m，坝高2.0m，回水面积9.3万m2，库容12万m3，水面最宽处250m。

2.2 武家村下游水体景观区

本区域河道长度650m，现状河道生态破坏较轻，树木生长茂盛、树干直径较粗、树龄较长，根据生态治理的原则，保留成片的树林，打造生态岛，形成水绕林、林映水的效果。

为了实现河道水面相接，需在第1座坝的下游650处再设1座坝。坝的正常蓄水位1339.2m，坝高1.5m，回水面积11.0万m2，库容7.8万m3。

2.3 110国道两侧水体景观区

为保证110国道两侧有宽广的水域空间，在110国道以下350m左右设橡胶坝1座，由于受110国道大桥梁底高程的限制，只能在条件允许的范围内尽可能地抬高坝高，增加蓄水量，坝高5m，正常蓄水位1338.0m，回水面积22.1万m2，库容45.3万m3，回水长度1.7km。另外，根据现状地形条件，保留河中的树林，形成若干生态小岛。

3 治理工程设计

3.1 护岸工程

护岸工程布置在霸王河两岸岸坡上，起防冲、防渗及美化岸坡的功能。护岸主要采用格宾网填鹅卵石护岸，其具有抗冲刷能力强、自然、生态、适应变形能力强等优点，特别适合于北方寒冷地区。

3.1.1 平面设计

护岸岸线布置力求平顺、圆滑，富有曲线美，并尽量沿原岸线布置。

3.1.2 护岸纵向设计

（1）当正常蓄水位高于设计洪水位时，护岸顶高程为正常蓄水位加0.7m超高。

（2）正常蓄水位低于设计洪水位时，护岸顶高程为设计洪水位加0.3m超高。

3.1.3 护岸岸坡设计

（1）尽量结合现状岸坡。

（2）要保证护岸的亲水性和安全性，最终确定护岸的设计坡度为1∶5～1∶8，个别河段空间不够时设计坡度可变为1∶3。

3.1.4 护岸结构设计

护岸自上而下为：格宾网填鹅卵石护坡厚400mm、级配碎石厚100mm、反滤土工布1层、砂粒料回填厚1400mm、防渗土工膜1层、中粗砂保护层厚100mm。

3.2 河道分区工程

为合理解决拦蓄与泄洪、冲砂与拦蓄的矛盾并且充分利用水资源，本工程将河道蓄水区用分隔堤沿纵向分为两部分，一侧作为冲砂泄洪主渠道，另一侧作为封闭式的汪塘蓄水区。在正常水位情况下分隔堤被淹没，蓄水区与泄洪区形成一体水面；在夏季行洪期，泄洪区河道行洪，蓄水区的水由分隔堤拦堵，不被完全泄掉。如遇特大洪水，蓄水塘与泄洪主渠道同时过流，保证防洪安全。冲砂泄洪道按设计比降对河道进行开挖整理，汪塘蓄水区按设计底高程进行整理，形成水平底，以保证水量缺乏时也可形成大面积的水面。

分隔堤采用梯形断面，顶宽3.0m，边坡1∶3.0，表层用格宾网填块石防护，中间采用砂砾石料填筑。为保证分隔堤的防渗功能，在其中间设防渗土工膜。分隔堤顶高程一般低于正常蓄水位0.5～1.0m，保证分隔堤在正常蓄水情况下不外露。

3.3 河底防渗及防护

根据水资源紧缺、河道渗漏量大等工程特点，为保证工程安全及充分利用水资源，需对河底进行防渗及防护设计。

3.3.1 钢筋混凝土护底+防渗土工膜方案

防渗防冲效果好，但具有施工困难、施工速度慢，冻胀问题难以解决，造价高，生态效果差等缺点。

3.3.2 格宾网填块石护底+1.4m厚覆土+防渗土工膜方案

能适应变形解决冻胀问题，防渗防冲效果较好，施工简单，生态效果好，缺点是土工膜损坏可能形成渗漏通道，石方量大，人工量大。

3.3.3 1.9m厚覆土＋防渗土工膜方案

无冻胀问题，施工速度快、施工简单，生态效果好，缺点是抗冲刷能力较差，土工膜损坏可能形成渗漏通道。

考虑施工难度、工期要求及河道生态效果，综合比较采用格宾网填块石护底+1.4m厚覆土+防渗土工膜或1.9m厚覆土＋防渗土工膜。冲砂泄洪道区域内采用格宾网填块石护底+1.4m厚覆土+防渗土工膜方案，以防止河道冲刷；汪塘蓄水区内采用钢筋混凝土护底+防渗土工膜方案，以保证生态效果。

3.4 水循环系统

在拦河建筑物的下游设水循环泵站，将水抽至上游，水再通过跌水坝流到下游，形成水循环系统。水循环系统的建立很好地解决了水质恶化的问题，并且形成了多级跌水，增加了河道的景观效果。

3.5 抗冰冻

本工程区多年平均气温4.5 ℃，历年极端最高气温37.2 ℃，历年极端最低气温-33.7 ℃，历年最大冻土深度1.91m，需要对工程进行相应的防冰冻设计。

防冰冻处理措施有：2m冻土深度范围内进行换填，换填材料可根据地下水位高低情况分别采用素混凝土或非冻胀砂砾料；结构尺寸适当加厚；利用水保温；采用变形能力强的格宾网填块石结构；设排水管，以降低水位；对混凝土材料有严格的抗冻要求，混凝土抗冻标号采用F300。

通过采取以上抗冻措施，有效地解决了北方寒冷地区的冻胀问题。

4 北方寒冷及缺水地区河流的治理

4.1 北方寒冷及缺水地区河流的特征

（1）植被条件差，生态恶化严重；

（2）冻土深度深，冻胀问题严重；

（3）水资源极其紧缺；

（4）洪水急涨急落，含沙量大，冲刷力大；

（5）无补充水源，水质容易恶化；

（6）河道渗漏严重。

对北方寒冷缺水地区的河流，按照普通的河道治理模式进行规划设计会存在诸多问题，例如泄洪与拦蓄的矛盾，冲砂与拦蓄的矛盾，水质恶化与拦蓄的矛盾，生态修复与防冲的矛盾，防渗与生态修复的矛盾等等。如何合理解决上述矛盾并且充分利用水资源是北方寒冷缺水地区的河流规划设计成败的关键。

4.2 规划设计思路

（1）以生态治理为原则，从生态护岸、生态防渗等多方位入手，修复河道生态。

（2）根据地质情况，采取行之有效的水平或垂直防渗措施，在最大程度拦蓄的同时，保证河道的生态效果。

（3）深入研究解决存在冻胀问题的工程，从埋置深度、结构尺寸、结构型式、排水降水、开挖换填等多方位抗冻措施入手，保证工程的安全性。格宾网填块石结构具有生态、抗冲、适应变形能力强等特点，应广泛应用。

（4）对于水资源匮乏的区域，将水资源充分利用作为工程设计的重点：①中水利用。通过管道系统将污水处理厂的中水输送到河道内并将其拦蓄。②洪水利用。一是拦河闸坝可在汛期适当降低水位运行，不必完全敞泄；二是将河道分区，以解决泄洪与拦蓄的矛盾，冲砂与拦蓄的矛盾。③水库水利用。制定合理的水库运用调度方案，保证水库水对其下游河道的有效补充。

（5）考虑洪水对河道冲刷的危害性，采取必要的工程措施对河道进行防护。

（6）对河道造成淤积问题，拦河建筑物设计应具有冲砂排砂能力。

（7）考虑水体不流动带来的水质恶化问题，建立水循环系统等工程措施，形成多级跌水，增加了河道的景观效果。

5 结语

对于北方寒冷缺水地区存在的诸多问题，从治理生态、地质情况、污水处理利用、合理地调度水库利用、河道防护及淤积问题，对于不流动的河流水体，增加河道景观等，提出了合理的设计思路，以供同行参考借鉴。

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