水力学原理在城市河流保护及修复中的应用

杨 艳

(长江工程职业技术学院 水利工程系，武汉 430212)



水力学原理在城市河流保护及修复中的应用

杨 艳

(长江工程职业技术学院 水利工程系，武汉 430212)

城市河流保护对于城市生态平衡建设有重要意义，开展河流保护与修复需要相关部门优化水利工程方案设计，将保护河流的具体工作落到实处。本文从城市河流保护及修复工作的水力学原理展开讨论，提出几点有利于河流保护工作顺利开展的措施。

水力学；河流保护；修复过程；城市发展

中国是一个水资源缺乏的发展中国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的三分之一，在全世界总排名中占第106位，城市河流保护工作形势严峻，开展河流的保护和修复工作意义重大。我国水资源缺乏现状与城市发展的矛盾越来越大，在全中国600多座城市中，共有超过300个城市属于缺水城市。其中，缺水城市中常年处于严重缺水状态下的城市有108个左右，缺水量大约为1000万吨/天左右。地球上储藏的水仅有2.5%的淡水能够供人类饮用。在城市湖泊、河流、土壤中所容纳的淡水只占淡水总储量的0.33%，也就是说[1]，人类可以利用的地表淡水量仅有100万亿立方米左右。开展水力学技术背景下的水利工程项目设计，还需要广大用户从我做起，开展惜水、爱水、节水的相关水资源保护活动。技术人员可以利用水工水力学、河流水力学和环境水力学的相关知识点，开展水土涵养和保持的相关操作，重点进行河流区域的综合治理和河道修复活动。

一、水力学及河流动力学的河流治理技术相关研究

对于城市河流的生态环境进行考察，开展水利工程的电站水力学工程项目建设活动。技术人员应该从水力过渡过程的影响因素出发，对电站的非核定流和核定流的河流水量进行调研和记录[2]。在水利工程设计的过程中，利用水机系统水力学的知识，进行设计参数的优化。

在生态水力学知识运用的过程中，技术人员应该根据水质污染的情况和水生生物多样性的保护情况，开展城市河道保护中的生态平衡建设和资源利用价值最大化的开发。在流域内水土流失生物防治的过程中，技术人员应该重视在河道内部引进部分有利于水质净化的水草品种，利用生物防治的办法，起到消减水体内富氧物质的作用。在在流域水土流失治理活动中，技术人员应该注意利用河道两岸有利的地形进行固堤、保土施工。在自然型驳岸水域环境治理的活动中，对于斜度较大的坡岸或者是冲蚀较为严重的地段，不仅要加大植被的种植密度，还应做好天然石材、钢筋混凝土和木材的加固措施[3]，从而增强水渠两岸的抗洪能力。在城市河道的地下水力学系统的保护和建设过程中，技术人员需要对地下水的模拟和污染控制进行加强型建设。对于河道区域附近的地下水利用和开发，应该体现出应有的节制，防止地下水的过度开采造成的底层下陷等问题的产生。对于自然原型驳岸的保护，技术人员应该考虑其坡度缓且腹地大的河段特点，考虑水域环境中保持其自然状态的需要，利用喜水植物发达的根系进行堤坝稳定型加固的操作。同时，技术人员可以采用实体物理模型建设的方式，进行水力学模拟的数据采集和堤坝稳定型设计的方案优化。可以采用水力数值模型的计算方法和技术理论，进行水与水工建筑物的相互作用分析。

二、运用水力学原理在城市河流保护及修复中的应用措施

(一)制定完整的河流保护计划，协调好各部门工作

利用水力学原理开展城市河流的保护与修复，需要技术人员根据河床演变的规律，制定出一套完整的河流保护计划。计算单位时间的河流下游冲击区域的泥沙输移最大值，从而确定泥沙清理的时间频率，按照预先计算的河道清理的频次和方法，定期展开河道淤泥的疏浚工作，需要水务局协调好河道工人的工作。相关部门应该开展定期的污水处理活动[4]，可以采用新建污水处理厂的方式，提高区域内的污水处理能力。在城市水利资源处理的基础设施建设活动中，技术人员可以采用修建配套管网的方式，推动更为集中化的城市污水处理活动。除此之外，技术人员还应该保证污水集纳管的铺设覆盖面能够达到预期的建设需求，切实提高城市管网环境中的污水处理率。

除此之外，水域管理人员还应该和当地林业局开展广泛的合作，重点开展对于水域河道附近植被砍伐现象的治理工作，从而保障河流水域两岸的生态环境处于相对平衡的状态中。在网道断面形态设计的过程中，技术人员应该以天然河道抛物线形状的断面为主，判断河道宽深比的变化情况。在水利工程建设活动中，根据河岸基质条件开展针对性较强的施工活动。

(二)开展生态水力学环境治理，强调水体综合治理

在泥质河岸或者大部分被植被覆盖的作业换机中采取不同的植草种树环境保护活动。在河床地质状况分析的过程中，城市河流的底质粒径组成范围一般来说比较广，营养盐及有机质的含量比较低。城市河道栖息环境往往呈现出多样化的特点，并且伴有小型水生植物的生长。从水体综合整治的角度出发，拓宽河道从而做好水流量的控制工作。为了完善水渠河道的自然功能，工作人员还应该做好控源截污工作，强化水渠附近坡道的水源涵养治理，在斜度山坡中种草植树，防止土壤松落和山体滑坡现象的出现。河流保护人员可以在城市沿河树木和植被比较稀少的地方，开展裸露土面的草籽密制工作，最终将裸露地表的河流坡道表面的植被覆盖连成一片。

在环境保护的过程中，技术人员一定要注意城市河道附近的水域污染治理和固体废弃物治理。在水域环境控源截污的治理活动中，在水道的排污集中点设置截污纳管，对水下的大体积污染物进行截留，并且以一月一次的频率对截污纳管进行清理。在面源控制的活动中，设置河道水源质量保护的流动岗，二十四小时对水域内的环境进行保护，尤其要对水域附近村民丢弃死猪、死鸡等现象进行治理，并且对情节严重的污染物丢弃行为以涉嫌治安破坏罪名移交公安机关。加强对于附近居民的水域保护意识的相关教育，防止出现故意污染河道环境的行为。

(三)利用流体力学进行施工控制，开展河流堤岸固化建设

在水利工程施工活动中，技术人员应该考虑到有浅滩、深潭和倒凹堤岸等各种类型的栖息环境对于河岸生物的保护和影响。在水力学原理的河流保护工程设计的过程中，技术人员应该考虑到河岸弯曲处，其河床深浅部分受到水流冲刷的强度。河流的凸岸和凹岸承受的水力冲刷的效果是不同的。凸岸的部分，沉积河床比较浅，凹岸的部分，侵蚀河床比较深。因此，在进行河流岸堤修复的过程中，技术人员应该重点进行凹岸河道的保护，对凹岸的物理作用力支撑面部分加强固化施工。对于凸岸部分受到水力冲刷作用较少，河床泥沙沉积现象比较显著的区域，应该采用针对性较强的河道清淤工作，防止泥沙阻塞河道。在平直河岸处，河床深浅受到地球转动偏向力的影响，西岸为沉积岸，在水力搬运的作用下，大量泥沙将会在西岸逐渐堆积[5]，从而造成西岸河流通道变窄的现象。在开展河流保护和修复的过程中，技术人员应该重点开展此区域内的河道疏浚工作，保证河流通道的畅通无阻。河床的东岸部分为侵蚀岸，受到的河水侵蚀的作用比较明显，会出现较为严重的河岸损毁现象。技术人员在进行河流保护的过程中，应该注意河岸沿边的加固工作，防止水力侵蚀作用的变化引起的河岸垮塌和变形现象。

三、利用水力学原理开展河流保护的相关规划及技术设计

(一)数模实验方面的河流工程保护设计

考虑连续坎和差动坎方案，进行泄洪指标的比较和分析，技术人员可以对实验工况进行数据分析，从而作出有利于河道固化的计划设计。当区域河流试验工况Q=12500 m3/S时，连续坎的尾坎水面高程应该控制在93.5m-94.5m之间。出池 水位落差设计合理范围值控制在4.2m-5.2m之间，最低冲坑深度控制在24.2m-24.5m之间[6]。此时，在河流坡岸水力学参数考量设计过程中，差动坎的尾坎水面高程应该控制在91.1m-91.5m之间。出池水位落差设计合理范围值控制在1.1m-2.1m之间，最低冲坑深度控制在18.0m-18.5.5m之间。

当区域河流试验工况Q=9910m2/S时，连续坎的尾坎水面高程应该控制在90.5m-91.5m之间。出池水位落差设计合理范围值控制在3m-5m之间，最低冲坑深度控制在16.6m-17.5m之间。此时，在河流坡岸水力学参数考量设计过程中，差动坎的尾坎水面高程应该控制在88.1m-91.0m之间。出池水位落差设计合理范围值控制为1.1m，最低冲坑深度控制为15.7m。

当区域河流试验工况Q=9393m3/S时，连续坎的尾坎水面高程应该控制在86.1m-87.0m之间。出池水位落差设计合理范围值控制在1.3m-1.8m之间，最低冲坑深度控制在15.4m-16.5m之间。此时，在河流坡岸水力学参数考量设计过程中，差动坎的尾坎水面高程应该控制在87.5m-88.5m之间。出池水位落差设计合理范围值控制为1.0m，最低冲坑深度控制为14.0m。

当区域河流试验工况Q=8790m3/S时，连续坎的尾坎水面高程应该控制在87.8m-88.5m之间。出池水位落差设计合理范围值控制在1.1m-1.6m之间，最低冲坑深度控制在12.8m-13.5m之间。此时，在河流坡岸水力学参数考量设计过程中，差动坎的尾坎水面高程应该控制在87.0m-87.5m之间。出池水位落差设计合理范围值控制为1.5m，最低冲坑深度控制为9.3m。

(二)针对典型河道环境中的治理因素考虑

对于地形条件比较陡峭的地区，例如我国红水河河段区域，如果此地全年的城市降水量比较多，并且强度比较大，那么此地的水量整体呈现出比较丰富的状态。出现的问题主要有水土流失的相关问题，进行河岸坡治理的活动，需要防止可能出现的滑坡、泥石流灾害现象及其对于城市河流附近居民区域可能带来的伤亡现象。在城市河道处于盆底、丘陵地带的相关区域，例如我国南方城市的西江河段，该城市区域的降水量一般来说偏多，并且强度比较大。在城市河流治理的过程中，技术人员应该考虑到城市河流曲折的现状[7]，采用水力学原理设计方法，避免城市洪涝现象带来的灾害损失问题。在城市河流保护的过程中，还应该考虑到珠江河段这种冲积平原类型的河道修复和河流保护工作。珠江河段具有显著的冲击平原的特征，河道内的泥沙含量比较大，并且地势起伏小，整理较为平坦。此种地形条件下的气候呈现出降水量偏多且降水强度大的特点。此地的河流结构呈现出网状分布的特点，错综密布，并且土壤比较肥沃且区域人口很稠密。此地容易出现的灾害现象为洪涝、台风类气候灾害问题。

结束语：

在河流水利工程建设活动中，技术人员需要根据水工建筑物设计的知识，开展施工中的水力学结构设计运用。强化城市发展过程中河道的管理，需要市政规划人员从活水循环、清水补给、就地处理和旁路处理各种角度采取措施，有效改善水体质量。除此之外，在城市河流水利工程项目建设活动中，技术人员需要特别注意高速水力学知识在项目设计中的具体运用。

[1] 姜跃良,王美敬,李然等.生态水力学原理在城市河流保护及修复中的应用[J].水利学报,2013,(18):175-278.

[2] 王庆国,李嘉,李克锋等.河流生态需水量计算的湿周法拐点斜率取值的改进[J].水利学报,2011,40(25):550-555,563.

[3] 王秀英,王东胜,白音包力皋等.水力学参数在资料缺乏区河流生态保护中的应用[J].水利水电技术,2011,42(10):16-21.[4] 陈兴茹,陈文学,白音包力皋等.高原河流生态保护模式初探——以地震灾后重建“两河”生态保护为例[J].中国水利水电科学研究院学报,2015,13(14):241-247.

[5] 白音包力皋,王秀英.南水北调西线工程对河流生态水文和水力学指标的影响研究--以泥曲为例[C].//中国水利水电科学研究院第十届青年学术交流会论文集.2010:733-740.

[6] 陈欢欢,谢超,闵可宁等.环境立法对城市河流保护的实证研究--以城市内河污染现状的调查报告为中心[J].法制与经济(上半月),2014,(18):48-50.

[7] 周燕,樊磊,赵军.城市河流生态系统服务的CVM估值及其偏差分析[J].安徽农业科学,2013,(25):10372-10373,10379.

(责任编辑 夏侯国论)

Application of Hydraulic Principle in the Protection and Restoration of Urban River

YANGYan

(Department of Hydraulic Engineering,Changjiang Engineering Vocational College, Wuhan 430212, China)

Urban river protection is of great significance to the urban ecological balance. Relevant authorities should help optimizing the design of water conservancy project so as to help protecting the river eventually. This paper carries on a discussion on hydraulic principles for the protection and restoration of urban river. Suggestions are also provided to smooth the protection work.

hydraulics; river protection; restoration process; urban development

2016-06-18

杨 艳，女，长江工程职业技术学院水利工程系副教授。

TV13

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1674-0408(2016)04-0037-04