水利工程生态设计在坪山河综合整治中的应用

王英丽

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 广东广州 510000）

引言

随着我国经济的快速发展及人口数量的急剧增加，水环境遭受破坏，产生包括水环境污染、水生态退化、水资源短缺等问题。国家“十三五”规划纲要和 《水污染防治行动计划》 提出了全面改善水环境质量的要求，使得水环境综合整治成为新的国家需求和研究热点。

水利工程生态设计[1]是指水利工程在为社会提供防洪（潮）、治涝、供水、灌溉、航运、发电等安全保障与社会服务的同时，兼顾维护河湖生态系统健康，发挥水利工程的生态功能，落实生态理念以及统筹水文化水景观构建的需求。水利工程生态设计在水环境综合整治中的应用已引起人们重视[2]，本文以深圳坪山河水环境综合整治工程为例，分析水利工程生态设计在水环境综合整治中的作用，为水利工程生态设计在水环境综合整治中的科学应用提供参考。

1 项目概况

坪山河属东江流域淡水河水系，发源于深圳市坪山区，流经惠州市后汇入东江一级支流西枝江，最后汇入东江。随着深圳市经济的飞速发展和人口的急剧增加，污水收集处理系统建设严重滞后，大量污废水排入坪山河，造成流域水质严重恶化。坪山河水质治理目标为出境交接断面（上洋断面）水质2020 年重金属指标达到Ⅲ类，其他指标优于Ⅳ类。

坪山河流域水环境综合整治工程是以出境交接断面（上洋断面）水质达标为目标，统筹治污、防洪、生态修复和城市建设的综合整治工程。经过综合整治，坪山河上洋交接断面水质稳定优于IV 类及以上标准，实现了黑臭消除、交界断面水质达标的目标。

2 水利工程生态设计在坪山河水环境综合整治中的应用

2.1 改善河道内生物栖息地

河道内栖息地是指具有生物个体和种群赖以生存的物理化学特征的河流区域，按空间尺度可大致分为宏观栖息地、中观栖息地和微观栖息地[3]。本文介绍的河道内生物栖息地主要指中观和微观生物栖息地。通过在河道内设置大型抛石、丁坝、生物岛等[4]，改变水流，依靠水流塑造近自然的多样化生境条件，达到改善河道内生物栖息地的目的。

图1 坪山河干流河道内生物栖息地修复现场照片及构造示意

坪山河水环境综合整治工程中采用松木桩围堰，大卵石护脚，在围堰内填充碎石、底泥等作为底质，表面种植水生植物以构筑人工生物岛。人工生物岛内部底质主要为有机质丰富的淤泥，有利于喜好淤泥生境的软体动物和部分收集者水生昆虫生存；生物岛上生长有水生植物，可为鱼类等水生生物提供遮阴环境及躲避捕食者和高速水流的避难所，同时也可吸引众多水鸟在此栖息。人工生物岛的构建改善了坪山河河道内生物栖息环境，使生境多样化，满足不同生物种群的需求，对丰富河道生物多样性具有重要作用。

2.2 生态护坡

河湖护坡的目的是防止水流对岸坡的冲刷和侵蚀，保持岸坡的稳定性。生态护坡是在传统护坡技术基础上采用活体植物和生态材料作为护坡材料，不但能够满足护坡的需求，而且能为鱼类产卵提供良好的栖息地条件，还有利于维持地下水地表水交换，改善生态环境。生态护坡材料[4]要包含石笼、土工合成材料、植物材料、生态型挡土墙、植物纤维垫、生态袋、干砌石、生态混凝土等。

坪山河干流护坡主要采用了石笼、六棱体中空生态砌体、渗滤砌块、竹篾等生态材料组合。主要结构形式为坡脚处采用钢筋石笼和大块石护脚，为上部护坡砌块提供承重基础；在两年一遇洪水位以下采用六棱体中空生态砌体+水生植物和渗滤砌块+湿生植物，底部铺设可降解的竹篾作为网状材料，主要是起到常水位深度范围内的防冲刷作用；在两年一遇至百年一遇洪水位高程之间用竹篾作为过滤层，选用常规草皮或地被护坡。竹篾为天然材料，能起到三维网固土防护的作用。六棱体中空生态砌体和渗滤砌块均可以种植植物，按照水位不同配置水生植物、湿生植物和旱生植物，提高护坡的生态性和景观性，并增强护坡的防冲刷功能。研究表明坪山河的组合式生态护坡对暴雨径流及总磷、氨氮、SS（Suspended Solids，悬浮物）污染物含量具有明显的削减作用，具有显著的生态环境效益[5]。

图2 坪山河干流生态护坡现场照片及结构示意

2.3 维持河道纵向连通性

河流连通性是水生态系统的重要因素之一，其包括纵向连通性、侧向连通性和垂向连通性，本文主要介绍水利工程生态设计对维持河流纵向连通性的作用。河流纵向连通性保证了营养物质的输移、鱼类等水生生物的洄游迁徙以及鱼卵和树种的漂流传播，是诸多物种生存的基本条件[6]。在河道上建造闸坝、堰、陂等不但使物质流（水体、泥沙、营养物质等）和物种流（洄游鱼类、漂浮性鱼卵、树种等）运动受阻，还会因水库径流调节造成自然水文过程变化，导致信息流改变，最终影响鱼类产卵和生存。恢复和改善纵向连通性的措施[6]包括改善水库调度方式、建设过鱼设施、推进绿色小水电发展、拆除闸坝、生态改建引水式水电站等。

枯水季节坪山河水位很低，为保持基本的生态水位，坪山河水环境综合整治中采用低矮拦河水陂蓄水，提高上游水面面积。陂体表面采用块石座浆、布置成为宽缓自然蜿蜒的形状，并结合景观亲水需求，布置成过河汀步，形成除桥梁以外更多样的过河方式，营造游人自然有趣的亲水、嬉水方式。拦河水陂消能设施采用多级跌水消能的形式，每一级跌水高差在20cm-30cm。多级跌水水陂采用天然材料构筑，经过常年淤积泥沙填满砾石间隙，逐渐接近自然形态的缓坡河床，容易被上溯或降河水生生物所接受，可维持河道的纵向连通性，也更容易融入周围自然景观中。

图3 汀步剖面示意图

图4 汀步现场照片

2.4 保障生态流量

生态流量是维持河流基本形态、防止河道断流、避免河流水生态系统功能遭受无法恢复破坏的最小流量。

坪山河为雨源型河流，水资源时空分布不均匀，枯水季节甚至出现断流现象。坪山河水环境综合整治统筹考虑流域内水库、污水处理厂、再生水厂等多个供水节点，采用精细化水资源配置模型（GWAS）开展生态需水量计算，确定补水方案，设置14 个生态补水断面（干流3 个，11 条一级支流1 个/条），补水水源包括污水处理厂（站）再生水和水库水（以非供水功能水库为主）。在未进行生态调度的情况下，有6 个生态断面的年内生态流量保障月份不足6 个月。开展生态调度后，各个断面年内生态流量保障程度明显提高，月份均超过6 个月[7]。

2.5 控制地表径流及面源污染

在城市化进程中，城市水文下垫面性质的改变，导致雨水入渗量大幅度减少，地表径流增加，容易引发城市内涝。海绵城市措施是通过渗、滞、蓄、净、用、排等手段处理雨水，达到减少雨水径流，消减洪峰和减轻面源污染的目的。海绵城市也是水利工程生态设计的一种措施，常用的海绵城市技术措施有调蓄池、透水路面、雨水花园、生态草沟、生态驳岸、人工湿地等。

坪山河水环境综合整治中采用了调蓄池、透水路面、生态草沟、人工湿地等海绵城市措施。在坪山河几条较大的支流和流量非常大的排污箱涵处共设置了7 座调蓄池，总调蓄体积为22 万m3，调蓄池主要用来收集降雨初期30 分钟的雨污合流污水，待停雨后，由调蓄池内的小型潜污泵将调蓄池内污水抽排至沿河截污系统，进入污水处理厂处理，进入坪山河中的污染物大量减少。两岸绿道采用透水材料，沿绿道设置生态草沟，有效控制地表径流，消减洪峰和减轻面源污染。雨污分流较彻底的排放口未进行沿河截污，而是在排放口入河前的滩地上新建人工湿地，通过人工湿地设施对初雨水进行截流、下渗、过滤等处理，减少入河污染量。

结语

经过坪山河水环境综合整治工程的实施，坪山河水质明显改善，上洋交接断面水质稳定优于IV 类及以上标准。水利工程生态设计成果显著，河道生境、护坡、纵向连通性、生态流量等生态指标有明显改善。但坪山河的水生态仍存在以下问题：河道局部存在裁弯取直，河道自然形态遭到破坏；河底形态简单，缺乏深潭浅滩等河底形态构造；植物群落单一，缺少合理的植物搭配，生物多样性低；局部的景观溢流坝、橡胶坝等对水生动物的迁徙洄游有阻碍作用。在今后的坪山河水生态修复中应重视水利工程生态设计的应用，如恢复坪山河自然蜿蜒的平面形态；构造深潭浅滩，丰富河底形态，为水生生物提供丰富的栖息环境；合理搭配植物，加强乡土植物的应用，丰富岸边带植物群落；改造对水生动物迁徙洄游有阻碍作用的景观溢流坝、橡胶坝等水工构筑物，修建鱼道等。