北京市中小河流治理技术探讨

2014-01-31 16:07廖平安
中国水土保持 2014年1期
关键词:连通性护岸河床

廖平安

(北京市水务局,北京 100038)

传统的河流治理方式多以防洪、排涝为主要目的,往往忽视河流生态系统的健康,常导致自然河流处于人工渠道化和非连续性的河内湖状态。随着社会、经济、观念和意识的不断发展,生态、自然河流建设进入了人们的视线。1938年德国的Seifert首先提出了亲自然河溪治理的概念,20世纪50年代,德国正式创立了“近自然河道治理工程理论”,之后世界上许多国家对破坏河流生态环境的河道整治工程进行反思,并逐渐对河流进行回归自然的改造和建设[1]。

北京市从1998年开始以建设“水清、流畅、岸绿、通航”的现代化水系为目标,对城市水系进行了大规模的综合整治,还以“绿色奥运”为契机,开始了生态型河道的建设[2]。通过对长河、清河、北土城沟、凉水河、北护城河、马草河、转河、怀九河等河流的生态治理,使河流水环境得到了明显改善。北京市境内流域面积大于10 km2的河流总数为425条,目前全市尚有5 063 km中小河流有待治理,部分中小河流存在防洪标准低、堤防设计形式单一、污染严重等突出问题,因此有必要探讨中小河流治理技术,促进北京市中小河流生态建设。

1 中小河流治理存在的问题

(1)防洪标准低,受灾损失大。北京市中小河流治理比较滞后,防洪标准偏低。随着城市建设的迅猛发展,城市硬质地面增多以及配套雨洪利用设施的缺少,导致城市地表径流量有较大幅度增长,河道行洪能力相对降低。另外河道占地、砂石盗采、私搭乱建等使部分河道内淤积严重,河道断面不能满足行洪标准,局部河段易发生河水漫溢形成灾害。

(2)堤防设计形式单一,河道硬化、渠道化[3]。河流治理过程中的裁弯取直、修建规则化断面,使水流速度加快,加剧了水流对河床的冲刷。石砌的护岸使河道景观遭到破坏,亲水性降低。另外,渠化、硬化后的河道,切断了河流水体与陆地的生态交流,阻碍了鱼类的洄游,破坏了河道的自然生态,使生物多样性大大降低。

(3)河流污染严重,水质严重恶化。目前,北京市区污水处理率为95%,而郊区污水处理率仅为53%,部分未经处理的污水直接排入河中,导致河水污染,水质恶化。另外,随着北京郊区工业的迅速发展,越来越多的工业废水直接排入河道,污染更加严重,水质难以自然净化,河流自我调节和演替功能退化。

2 中小河流治理技术

北京的中小河流遍布于城市和郊区,依据社会功能,可将中小河流划分为城市型和乡村型两种类型,依据治理原则,结合现有的治理技术,不同类型中小河流治理模式各不相同。

2.1 治理原则

(1)河流平面的多形态化。在满足防洪排涝的要求下,应尽量保持原有河道平面的多形态化,随弯就势,顺其自然。

(2)河道断面的多样化、自然化。合理利用河道空间,在治理中根据各河段的具体情况分别改造成单一断面、复式断面或不规则、不对称断面,以满足城市居民对水体的共享性愿望,满足人们的休闲、亲水、亲近自然的需求。

(3)河道护岸的生态化、景观化。应尽量避免使用单纯硬质护岸,因地制宜选择生态型护岸,兼顾安全、生态、景观的需求。

(4)河道水岸的特色性。河流各河段的自然风貌、两岸的用地性质、历史文化等均不相同。考虑生态环境要求,重点河岸要创造出有特色的秀美宜人的河流环境。

2.2 治理技术

2.2.1 平面形态修复

河流平面形态修复一般在确定了河道宽度之后,利用经验公式确定河道蜿蜒模式及相关参数。与直线化河道相比,河道的蜿蜒化降低了河道坡降,从而减小了水流流速以及泥沙输移能力。在河流平面形态修复中,通过河道蜿蜒化的恢复可以增加栖息地的质量和数量,使河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境。

河道蜿蜒性修复可通过两种技术将直线河流蛇行化。其一是以小空间尺度为对象进行的修复,主要通过人工堆石、设置构造物、在河流横断面上设置倒流木等措施,恢复水流的蜿蜒特性;其二是在河流的某段区间或更大尺度上的修复,即将已被直线化的河道,改变其河道的平面形状而再蛇行化。如果蜿蜒河道满足不了防洪要求,可以采取开挖分洪道等辅助工程措施。

2.2.2 断面形态修复

河槽在断面形态上主要表现为横断面和纵断面。横断面修复依据平面形态确定的河宽等参数,考虑各河段功能、河漫滩状况、适宜枯水面宽度等因素,确定河道横断面类型,通过横向连通性修复、两侧河岸修复等技术,保持自然河流中不对称性的横断面;纵断面修复包含深潭-浅滩构建、急流陡坡构建、纵向连通性修复等技术[4]。

(1)连通性修复。具有地理地貌上的连通性是实现河流流动性的保障。对于横向连通性修复,一方面是结合防洪工程建设扩宽河流两岸堤防间距,为恢复河流与滩地、水塘、死水区或两岸湿地的连通性创造条件;另一方面可通过改造硬质护岸、河堤恢复横向连通性。河流纵向连通性修复一方面通过拆除或降低阻碍水网的横向拦水建筑物,如闸门、截流坝、浆砌谷坊坝、跌水等,改善河流的纵向连通性;另一方面对阻碍水系连通的河段开展生态疏浚,保持河床纵向连通。

(2)深潭-浅滩构建。深潭-浅滩序列是中等坡度混合砂砾石河床典型的自然地貌特征。在河流整治工程中,深潭多位于弯曲段的顶点,占到河流栖息地的50%以上,在水深大于0.3 m的所有流量条件下,比相关联的浅滩断面窄25%,在枯水流量条件下,与出露的砂砾石沙洲或边滩相关联;浅滩与深潭相一致,一般位于河流蜿蜒段,占到河流栖息地的30%~40%,在各种流量条件下,比相关联的深潭断面宽25%,位于两个弯曲段之间的过渡段,间距为3~10倍的河宽,浅滩高出河床的高度不应大于0.3~0.5 m,顶高程的连线坡度应与河道坡降一致。

(3)急流陡坡构建。急流陡坡构建技术的主要作用是降低河水流速、防止河床淘刷和稳定河床等。具体可分为混凝土铺石固床技术、阶梯式固床技术和石梁式固床技术。

混凝土铺石固床。该技术适合堆积层河床且河床质Φ<20 cm的河段,不适合泥石流易发区。使用该技术时,应采用混凝土铺垫以抵抗高流速形成的冲刷,护岸结构的混凝土基座可考虑和阶梯潭的混凝土垫层相连接。完工后铺石表面景观效果良好。河宽较大时,应保留供常流水流动的深槽。

阶梯式固床。该技术适用于河床淘刷、流心不稳定的河槽。采用嵌石阶梯设计,对水流有消能效果,可保护下游河床结构,并调整河床坡降,自然景观效果好并可与两岸亲水设施相配合。设计时,每一块石需嵌入其高度的2/3,踏步台可连接两岸作为亲水设施,阶梯式的下游面平均坡度以缓于13%(约1 ∶8)为原则,阶梯间的高差以不超过30 cm为宜,阶梯的外缘可镶嵌较大块石,并应高于内侧,使每阶间有足够的水深,以利于鱼类起跳。

石梁式固床。该技术适用于常流水、河床坡度较缓并且较稳定的河段,以大型天然石块构筑于河中形成横向构筑物,设计时应注意:①避免全断面阻水,应留有高度较低的水路,以利于水生动物在上下游的迁移;②石梁与护岸连接处应嵌入护岸,以抵抗水流冲击力;③在坡度较陡处可连续设置,形成阶梯式落差,使上游流速降低,增加泥沙沉降,具备拦沙及稳定河床的功能;④河床宽以小于12 m为原则。

2.2.3 岸坡防护技术

岸坡防护包含堤岸防护、护脚工程和护坡工程三类,常用的现代护岸形式有浆砌、干砌护坡、丁坝护岸、抛石护岸、土工编织布沙袋护岸、混凝土预制块护坡等。新型护岸技术涉及预制混凝土透水框架群、土工织物、生态型护岸等。目前,生态型护岸能较好地满足护岸工程的结构和环境要求,在国内外已有广泛应用,国内应用的生态护岸有石笼结构生态型护岸、土工网复合植被技术、网格反滤生物工程、植被型生态混凝土、水泥生态种植基、多孔质护岸及多自然型护岸等[5]。

(1)石笼结构生态型护岸。石笼是由块石、铁丝做成的长方形笼状结构,铺设在岸坡上抵抗水流冲刷,其厚度通常为20~40 cm,石笼垫底面设置碎石或土工布反滤层,上面插种活的植物枝条,并可敷土后撒播草种。

(2)土工网复合植被技术。该类技术也可简称为草皮加筋技术,其中用于种植复合植被的土工材料包含土工网垫固土种植基、土工格栅固土种植基和土工单元固土种植基等类型,土工网垫固土种植基主要由聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成的网垫和种植土、草籽等组成。固土网垫是由多层非拉伸网和双向拉伸平面网组成,在多层网的交接点经热熔后连接,形成稳定的空间网垫。植物的根系可以穿过网孔均衡生长,长成后的草皮可使网垫、草皮、泥土表层牢固地结合在一起。固土网垫一般可由人工铺设,植物种植一般采用草籽加水力喷草技术完成。

(3)植被型生态混凝土。植被型生态混凝土是日本近年在河道护坡方面做出的研究成果,主要由多孔混凝土、保水材料、难溶性肥料和表层土组成。多孔混凝土由粗骨料、混有高炉炉渣和硅灰的水泥、适量的细料组成,是植被型生态混凝土的骨架。保水材料常用无机人工土壤、吸水性高分子材料、苔泥炭及其混合物。表层铺设的多孔混凝土提供植被发芽空间,同时提供植被发芽初期的养分。在城市河道护坡或护岸结构中可以利用生态混凝土预制块做成砌体结构挡土墙,或直接作为护坡结构。

(4)多自然型护岸。目前,在国内外治理实践中,对于流路短、冲刷不太严重的河流,护岸趋向于以自然的植被、原石、木材等材料来替代混凝土,尽量创造多自然型的河道。该类型护岸工程分为以下三种:①只采用植被保护河岸,保持自然河岸特性,这种护岸抵抗洪水的能力较差;②不但种植植被,还采用石材、木材等天然材料,增强护岸抗洪能力;③在以上护岸的基础上再巧妙地使用混凝土、钢筋混凝土等材料,既维持自然特征,又确保了护岸的抗洪能力。

3 中小河流治理实例分析

3.1 城市型河流实例分析

城市型河流位于城市的中心地段,受人为干扰较明显。该类型河道承担了防洪与生态修复的双重任务,既要科学合理地打造出沿河防洪保安生命线,也要采取工程和生态措施抑制岸线水土流失并积极开展生态环境修复,营造出集防洪、生态、亲水、景观、休闲等功能于一体的城市河道工程体系。下面以北护城河生态治理为例,阐明北京城市河流的生态治理效果。

北护城河全长5.96 km,起自海淀区新街口豁口暗沟出口,终点为东城区东直门闸。治理前由于修建环线地铁,缩窄了河道宽度,多为直立的混凝土岸墙,两侧岸墙时有局部坍塌、裂缝等现象。设计从生物多样性恢复、自然景观、水文化和防洪等多目标出发,提出了双层河道的设计方法,下层走排水,上层作为景观水面,即该段河道下层埋有排水管道,用来排泄上游的雨水,并埋设循环管道,可将下游河水抽至上游,形成“凸泉”景点。同时在规划建设范围内,把原来单一的断面形式改变为复式断面或缓坡,岸坡绿化或设置亲水平台和台阶[6]。

3.2 乡村型河流案例分析

乡村型河流多位于郊区,河岸两侧空间相对开阔。该类型河流近年来频受人为干扰,防洪空间不断束窄,如何维护乡村河流自然形态,保障防洪安全也成为该类型河流治理的首要目标。近年来,遵循近自然理念,北京市开展了大量乡村型河流生态恢复,也取得了显著成果。下面以怀柔区怀九河生态修复工程为例阐述乡村河流的生态治理效果。

怀九河属潮白河水系,发源于延庆大庄科乡,经西水峪,进入怀柔境内,穿越北宅小流域汇入怀柔水库后入怀河,全长68.9 km,其中在怀柔境内长52.0 km,流经北宅小流域长4.8 km,开展生态治理河段1.3 km。生态修复设计统筹考虑防洪、改善水质、提高生态环境质量、提供休闲娱乐功能多方面目标,通过拓展防洪空间、进行截污和垃圾清理、提高河道水文形态等级、恢复河流纵横断面的连续性、构建亲水平台等措施,实现了河流生态恢复。

[参考文献]

[1] 张振兴.北方中小河流生态修复方法及案例研究[D].长春:东北师范大学,2012.

[2] 田硕.对北京城市河流生态治理的理论与方法初探[D].北京:北京林业大学,2008.

[3] 魏恒文.北京市中小河流治理模式探讨[J].中国水利,2010(4):34-36.

[4] 王越,丁艳荣,徐建华.中小河流治理技术研究及生态修复探讨[J].中国水利,2012(6):42-44.

[5] 许士国,高永敏,刘盈斐.现代河道规划设计与治理:建设人与自然相和谐的水边环境[M]. 北京:中国水利水电出版社,2006.

[6] 邓卓治,冯雁.北护城河的生态修复[J]. 水文水资源,2007(6):14-16.

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