生态水利在汾河太原段综合治理三期工程中的应用

（山西省水利建设开发中心 山西太原 030002）

0 引言

传统的河道治理工程主要包括河道堤防加固、河道拓宽、控导工程、河道清淤等，工程任务主要为防洪、排水、引流及航运等。但如今河道治理工程已不仅仅需满足河道的功能性要求，更要满足河道沿线的生态性要求及美观性要求，生态水利就是人类文明发展到“生态文明”时代的水资源利用的一种途径和方式，它以尊重和维护生态环境为主旨，开发水利工程，美化周边环境，发展沿线经济，为建设可持续发展的环境友好型社会指出了一个新方向。

汾河自20世纪70年代以来，已进行了一系列的整治及生态修复，取得一定成就。本文结合汾河太原段综合治理三期工程，浅谈生态水利在河道治理中的重要意义及实际应用。

不当的工程措施如将平面布置上的河流形态直线化、将河道断面几何规则化以及河床材料硬质化等，会改变河道的天然形态、河水流态以及深潭、浅滩相间的格局，对当地生态系统造成破坏，打破原有的生态平衡。例如德国19世纪中叶对莱茵河改造工程的截弯取直及美国在1938年的洛杉矶河道工程中全部采用混凝土衬砌，均严重改变了当地的生态环境。良好的工程措施可以很好地调节水资源，改善水环境，保护生态系统。例如成都沙河、北京转河、上海张家浜河等都取得了良好的效果[1]。水资源的改善也可使生态系统进入良性循环，改善小气候，影响大气候。山西省的汾河河道综合治理工程，各项治理措施使得汾河流域在水资源开发利用、防洪减灾、水力发电及水土保持等方面取得了很大的成就。

1 生态水利在河道治理工程中应用现状

我国对于城市河流在城市生态建设中的作用最早的研究是华东师范大学阉水玉、王祥荣，二人提出城市河流工程要保持河流自然地貌特征、自然水文过程、控制河流水污染等思想[2]。近年来随着城市水生态环境的污染日渐影响了人们的生产、生活，水利部在2004年下发的《关于水生态系统保护与修复的若干意见》中指出:“随着我国人口的快速增长和经济社会的高速发展，生态系统尤其是水生态系统承受越来越大的压力，出现了水源枯竭、水体污染和富营养化等问题，河道断流、湿地萎缩消亡、地下水超采、绿洲退化等现象也在很多地方发生。”水利部水资源司2005年《关于开展水生态系统保护和修复试点工作的指导意见》指出，生态工程和水利工程的结合越来越被人们重视，越来越多的生态水利工程加快建设，张家港建设了98 hm2的人工湖用于增加城市水面面积和景观；绍兴市将环城河道的水生态建设成水文化与河水系统一的城市景观；马鞍山对市区重要的采石河水景观和水环境进行规划，张家界索溪河综合治理工程、山西汾河综合治理工程、山西省综改区潇河生态文化景观带（太原段）水利、生态、景观综合治理工程等等，都有效地改善了城市水生态系统。

2 汾河三期工程概况

20世纪70年代开始，汾河就开始进行河道综合整治，1998年至今太原市对主城区段的汾河河道共进行了一、二、三共三期整治，整体工程北起柴村桥，南至晋祠迎宾路南2 km处，总长约32 km。其中一、二期工程共计20 km，三期工程12 km。汾河三期建设的主要内容包括:新建主槽护岸工程9.8 km，移堤并重建大堤14.1 km，堤防加固10.3 km；滩岸防护工程，二级平台工程24 km，地下防渗墙24 km；新建排污暗涵24 km；新建壅水闸坝、新建船闸2座；入汾口治理；其它配套设施建设等。汾河三期治理工程的建设，在满足太原市百年一遇的防洪要求的同时，兼顾了生态与景观需求，继汾河综合治理一期、二期工程后，汾河景观带又向南延伸了12 km。2019年6月9日，汾河三期景区已正式开放。

3 生态水利在汾河太原段综合治理三期工程中的应用

3.1 生态水利在堤防工程中的应用

汾河三期工程治理段属平原型河段，河道弯曲，水流不稳定，河床形态主要受大洪水影响主槽摆动相对频繁，根据治理段规划、河道演变情况分析，未来河道演变趋势平面上仍受控于两岸堤防，有冲有淤，工程在保证安全防洪的同时，充分体现生态原则，不截弯取直，保持河流的自然形态。汾河三期工程治理段河道断面设计为复式断面，由防洪堤、蓄水主槽和二级平台组成。

在河流水生态系统修复中，生态型护岸构建技术分为适用于缓流水体河道、急流水体河道、水位变化较大的河道、污染严重的河道等生态护岸技术。本工程复式断面属于水位变化较大的河道，由于水位落差大，若全部采用同样的护岸措施不利于生物的繁衍生长及景观的和谐，故复式断面的护岸应结合河道洪水期的行洪功能和枯水期的景观生态要求综合考虑，将河道断面分为主河槽和行洪断面两部分分别构建。汾河三期工程中，工程防洪堤防均为土堤，堤顶宽10 m，根据渗流稳定计算确定临、背水侧坡比均为1∶3；蓄水主槽宽300～338 m，主槽岸墙为格宾石笼墙，其中，南环高速下游至治理段末端现有小主槽右侧岸墙设格宾石笼护脚和干砌石护坡；两岸河滩填土成二级平台，高于河槽蓄水位0.8 m，每侧平台宽35～65 m。蓄水闸坝上游100 m范围内主槽岸坡设格宾石笼防护，坡脚设木桩及干插片石防护；蓄水面上0.5 m以下堤岸设土工石笼袋防护，堤脚设格宾石笼防护。新建大堤采用生态材料进行防护，不采用混凝土等硬质材料护岸，迎水面设生态混凝土和抗冲生物毯护坡，背水面设纤维防护垫或草皮护坡。新建大提护坡结构示意图见图1。

格宾石笼是水利部《2007年水利先进实用技术推广指导目录》[3]所推广的生态材料，汾河二期工程中被大量应用，经过多年运行生态效果较好，有空洞，给微生物的繁殖提供了温床，也为水生动物产卵、越冬及水生植物的生长创造了有利条件。

抗冲生物毯是近年来从国外引进的新型护坡防护材料见图2，由复合纤维织物、反滤土工布、草种草皮、薄纤维层等配套的一体化新型护坡材料，在具备土工布与反滤料控制水力侵蚀、防止土壤流失功能的同时，兼具了草皮护坡的生态、景观特性。根据日本（株）建设技术研究所在2003年10月的研究成果表明，抗冲生物毯的抗冲刷能力强，当流速在1～7 m/s之间时，抗冲生物毯未发生冲刷、吸出及翻卷等破坏。汾河三期工程设计流速为2～3 m/s，符合条件。

图1 新建大堤护坡结构示意图

生态混凝土是指能够适应绿色植物生长、又具有一定的防护功能的混凝土及其制品，具有防止冲刷侵蚀、自然排水透水以及边坡绿化、自然净化水质等特点，可以营造生物的生长与生存环境，外部表面及空隙内部均能为微生物、小动物类及藻类等提供栖息场所，有效地提高水体的自净能力[4]。

纤维防护垫是由三层结构组成的毯状结构:从上至下依次为复合纤维织物的防冲层、保护草种及固土的蓬松状纤维层以及无纺布。防护垫可植草或灌木，生态效果较好。

草皮护坡是直接将草籽播撒在地方土壤内，自然生长，具有很好地生态效果。

汾河三期堤防工程中工程措施和生物措施相结合，极大程度地保证了河道两岸的自然生态，维护了生态的多样性。

图2 抗冲生物毯结构示意图

3.2 生态水利在壅水工程中的应用

汾河三期工程在主槽内设1#、2#两座壅水闸坝，形成两座蓄水池，两座闸坝均由两跨液压坝和一组壅水闸组成。天然河道内设置壅水建筑物要既能满足行洪要求，又能达到蓄水目的，本工程中采用液压坝及壅水闸组合方式，既能底孔冲砂减少淤积，又能快速升降实现快速泄洪。液压坝中间无闸墩，过流能力大，二级平台较宽，景观效果好。通过闸坝工程，既实现了防洪、蓄水、游船通行的水利功能，也完成了两岸的景观建设。

3.3 生态水利在排水工程中的应用

外界环境输入到水体中的污染物超过其环境容量及水体自净能力是造成城市水环境污染的主要原因。汾河三期工程两岸各建设排污箱函12 km，共24 km排污箱涵将景区上游20 km已建成段沿线所有雨污泵站、边山支沟、城市管网内的污水接至三期工程末端，控制城市水环境污染负荷的输入量。为保障汾河两岸生态环境，24 km的箱涵工程将汾河三期工程排水系统的定位从防涝减灾和排污减害逐步转向污水的资源化利用转变，实现城市污水再生、回用及畅通城市水循环的作用，从而恢复健康的水循环和良好的水环境，实现“截污、治污”，维持水资源的可持续利用。

4 展望

汾河三期通过一系列生态水利工程的建设，河道的整治及设坝蓄水，可形成1 450万m3的蓄水量、440万m2的蓄水面积以及180万m2的绿地、可以有效地改善工程沿线的生态环境。人类文明的起源和发展离不开河流，古老的河流源远流长，造就了各方水土各方文明。随着现代社会城市化进程的逐步推进，为满足人民群众日益增长的物质文化需求，希望越来越多的水利工程可以在满足水利功能的同时重视生态的建设，赋予水利工程生态建设、景观建设等划时代的标签。