武汉市玉龙河生态河道水量水质保持设计

赵 芳，艾庆华，马 晟，王 家，谢如意，邵文祎

(中冶南方城市建设工程技术有限公司；中国中冶海绵城市技术研究院，湖北 武汉 430077)

我国河流多为季节性河流，枯水期水量小，甚至出现断流情况，导致河流生态系统开始退化，生态问题日益严重[1- 2]。目前，针对该类河流的生态问题，近些年主要集中在季节性河流的景观设计方面，关于水量水质保持设计方面的研究较少[3- 6]。随着城市快速扩张，大量城市内河因流域面积小、汇流时间短、汛期洪水陡涨陡落，旱季水量极少，甚至河床干涸，形成了有雨即有流量，无雨则基本断流，导致河道调蓄能力差、环境容量小、自净能力差，使其治理和修复过程与普通河流比起来难度更大[7- 8]。海绵城市、生态水利、生态修复等理念逐渐运用于河道方案设计中，效果较好[9- 15]。

1 项目概况

玉龙河位于武汉东湖新技术开发区未来科技城东南部，西起高新二路，东至车墩湖，东西贯穿未来科技城南部地区的数条城市主干道，周边为武汉市“1号工程” 国家存储器建设范围。玉龙河综合整治工程是武汉市“四水共治”的重要项目，规划玉龙河为南部地区主要的排水通道，车墩湖为湿地景观。玉龙河及车墩湖水域面积为249.2hm2，设计河道长度3.1km，河道底宽为8～40m，是一条基于海绵城市理念设计的城市生态雨洪景观廊道，也是典型的季节性河道。

2 总体设计思路

玉龙河综合整治工程运用海绵城市理念，基于保护优先，排水先行，建立湿地与城市、原生态与城市之间良性、有序的发展模式，恢复场地记忆，保护原生态湿地风貌，构建一个人与自然和谐发展的排水廊道和湿地。主题概念为“融合与渗透”，融合是排水与景观的融合，是生态与景观的融合，是周边环境与景观的融合，是市政设施与景观的融合，融合是彼此包容、相互呼吸、共同发展的有机体；渗透是人工与大自然的相互编织的生态链，是原生态与人工化的美妙交织，是都市发展与自然保护的生存模式，是融合下的彼此介入与协调发展。

玉龙河设计分为水量保持设计和水质净化设计两大部分，如图1所示。水量保持设计以保障水安全为前提，在非汛期及晴天保证河道生态基流，水质净化设计结合海绵城市设计理念，采用雨水调蓄池、人工湿地、水生生态系统构建等措施净化玉龙河水质。

图1 玉龙河生态河道设计思路

3 水量维持设计

3.1 河道平面形态设计

玉龙河平面形态设计主要是通过合理规划河道宽度控制线与蓝线之间空间形成蜿蜒型河道[10]。天然河道多呈蜿蜒型，蜿蜒性也是河流动态演变过程中的一种自然倾向，蜿蜒型河道都有深潭-浅滩交错连续分布的规律性特点。相较于顺直河道，蜿蜒河道的水力留时间较长，有利于净化水质和增加河道内水生生物的栖息地，提高河道的整体生态稳定性[10]。

3.2 河道横断面设计

河道常见横断面形式有矩形断面、梯形断面和复式断面等。规则的梯形断面或矩形断面虽然有助于提高河道的过流能力且占地面积小，多用于防洪排涝河道，但笨拙的混凝土护岸工程也降低了水生物空间，生态性差。复式断面适用于蓝线较宽的河道，兼具生态性和亲水性，是生态河道设计的首选。

玉龙河横断面主要以复式断面为主，兼具景观与排洪功能，河道与周边环境完整结合，亲水性好，同时具有汛期超标雨水排放通道的作用。一级坡坡度为1∶5，二级坡坡度为1∶10，多采用草皮护岸，常用的护坡草种类型有地毯草、狗牙根、野牛草等。玉龙河由西至东依次与未来一路、高阳路、未来二路、未来三路、高新二路相交，除未来一路采用箱涵(2.3m×2m)外，其他路桥下采用矩形断面。

驳岸是水与陆路接触的部分，是湿地生态系统向陆地生态系统的过渡地带，也是游人发生亲水活动的主要场地。驳岸的结构形态不仅影响到绿地生态功能的发挥，而且也影响绿地的景观效果。本次设计除了在亲水处设置亲水岸线及台阶岸线，高差较大处运用垂直混凝土驳岸外，其余部分均以生态自然驳岸及草坡驳岸为主。

河道的护坡和护岸结构采用生态型的护岸结构形式，以满足生态、景观需要。在保证河道边坡稳定和渠底不隆起的情况下，河道边坡和渠底规划不考虑硬质护砌，采用土质边坡、水生态植物护岸、石笼护岸、木桩护岸、乱石缓坡护岸、生态混凝土等自然驳岸形式。主要护岸形式及分布位置如图2所示。

图2 玉龙河护岸形式分布图

3.3 生态溢流堰设计

玉龙河河底始末纵向高差达8.1m，常水位及水面形态需由堰坝蓄水而成，从河道宽度及工程经济角度出发，堰坝应设在相对窄的河道断面处，因此玉龙河共设计9道堰坝。考虑到行洪安全，生态堰均采用堆石堰坝，高度在20～50cm，保证行洪安全。堆石堰坝如图3所示通过调节水流冲刷作用，在堰坝上游形成深水区，有利于有机质沉淀，为水生动物提供营养；在堰坝下游形成深潭，塑造多样性地貌，产生缓流和急流，可形成丰富多样的生物群落，为水生动物提供良好的栖息地。在枯水期，9道堆石堰坝配合补水措施可以保证河道形成稳定常水位，同时保持水流的灵动性并对水体进行跌水增氧。

图3 堆石堰坝结构示意图

3.4 补水设计

3.4.1生态补水湿塘

玉龙河没有稳定的上游来水，源头为市政雨水排口，季节性和差异性很大，为保证河道生态系统的稳定和景观效果，本次设计采用生态保水、补水方案，利用区域内现有的池塘造景形成生态补水湿塘，生态补水湿塘的设计根据地形及现状水塘的位置布局，位于地势略高的山腰上，收集山麓雨水，按有效水深1m计，可调蓄5.2万m3雨水用于河道生态补水。在最不利条件下，河道最大蒸发量为28.32万m3/a，湿塘的蒸发量为6.0万m3/a，湿塘和河道水位会有些许下降，但不会对整体景观造成较大影响。同时在河道上设计溢流堰保水，河道常水位蓄水19.28万m3，形成稳定的常水位水面形态。

3.4.2应急补水措施

为了尽量保证水流的灵动，保证玉龙河生态基流，考虑采用人工手段进行应急水体循环，循环水量考虑约2000m3/d，从下游车墩湖取水点沿生态廊道水系铺设DN300的管道至玉龙河河道上游补水点形成水系循环，管道长度约3.5km。应急补水管网平日作为园区内绿化浇洒系统使用。

4 水质净化设计

4.1 外源污染控制

玉龙河两岸汇水区内管网规划较为完善，实现雨污分流，暂无污水进入河道内，点源污染主要来自入河的雨水排口。玉龙河河道范围内有12个雨水排口，本次设计对雨水排口的初期雨水4mm截留。根据雨水排口的实际情况，具体提出两种措施：措施一采用截流井和调蓄池形式，适用于有条件建设调蓄池的排口，初期雨水通过重力流至截流井，截流井将降雨时将初期雨水截流至初雨调蓄池，通过初雨调蓄池的沉淀后去除初期雨水中较大的颗粒性污染物质，降低进入接纳水体的污染。措施二采用智能截流井形式，适用于周围用地紧张、不适宜建设调蓄池的排口，初期雨水通过重力流至截流井，通过智能控制系统将水质恶劣的初期雨水截流，具体工艺流程如图4所示。

图4 玉龙河初期雨水处理系统流程图

在有空间的地方结合景观构建人工表流雨水湿地，调蓄池出水在雨水湿地中依次经过沉淀区、浅沼泽区、植物区、深沼泽区，在雨水湿地中微生物、植物、物理吸附的共同作用下进一步被净化，雨水湿地除了具备净化径流雨水水质的优点外，另一优点便是能有效发挥“滞”“蓄”的作用，在暴雨及洪水来临时能容纳大量雨水。本次设计中，雨水湿地面积总计5 hm2，平均设计有效水深达到1～1.5m，总蓄水能力达到5万～7.5万m3，增强了该地区防洪排涝能力。

4.2 海绵城市低影响开发措施

城市面源污染物主要来源于城市下垫面雨水径流污染。采用径流系数法对汇水区内的面源污染物产生量进行预测。参考美国流域保护中心(Center For Watershed Protection，CWP)对各项低影响开发设施径流污染控制率的研究数据，各类低影响开发设施(LID)对面源污染的削减率如图5所示。

图5 不同典型海绵措施对污染物的平均削减率

玉龙河沿河绿道边侧采用植草沟或者雨水沟上铺卵石方式集水，于低洼处接入海绵设施，如下沉式绿地或雨水花园等带有滞蓄功能的设施。由于沿河绿道范围内面源污染物含量偏低，径流雨水携带含量对渠道内水体水质不产生影响，因此，绿道范围内的雨水均通过坡地漫流的方式直接排入玉龙河渠道。此处，低影响开发设施的承接方式不使用管道连接，滞蓄功能LID设施以溢流方式排放超量雨水，控制坡面坡度，减少冲刷风险，充分发挥LID设施的功能。

4.3 水生生态系统构建

4.3.1水生植物群落构建

水生植物群落多样性修复主要建立在流速缓慢、河岸带缓坡、岸线复杂性高的河段，综合植物群落结构配置、季节性和景观结构要求，实现净化功能。采用生境和生物对策，因地制宜，设计以挺水植被为主、沉水植被为辅，结合少量浮水植被的模式。

结合现有条件，玉龙河挺水植物选择本土常见植物，如香蒲、芦苇、美人蕉等，种植面积占河流岸带恢复区的水面20%，沉水植物选择矮化苦草、金鱼藻、黑藻等来恢复疏浚后的河流生态系统，约占恢复河段水面的10%，挺水植物一般以2～10 丛/m2，沉水植物以30～100 株/m2的密度种植。沉水植物恢复需要考虑水深、光照和流速的稳定，同时注意防浪隔离和鱼类隔离。在亲水空间附近用浮水植物睡莲点缀，增强景观效果。

4.3.2水生动物群落构建

水生动物的修复应当遵循从低等向高等的进化缩影修复原则去进行，避免系统不稳定性。当玉龙河沉水植物生态修复和多样性恢复后，开展水系现存物种调查，首先选择修复水生昆虫、螺类、贝类、杂食性虾类和小型杂食性蟹类；待群落稳定后，可引入本地肉食性鱼类。底栖动物投放面积占河流岸带恢复区的水面10%，水生昆虫、螺类、贝类一般以50～100 个/m2，杂食性虾类和小型杂食性蟹类以5～30 个/m3的密度投放。

5 结论

玉龙河作为典型的城市季节性河道，采用近自然河道的设计，呈现出的蜿蜒形态，急流、缓流、浅滩相间的格局，营造良好的河道生境。设计时充分考虑到旱季最不利情况，设计了两种补水方案，能够满足玉龙河生态基流要求。结合海绵城市建设理念，利用智能截流井、初雨调蓄池、人工湿地等技术，最大程度削减来自雨水排口的点源污染和来自汇水区的面源污染，保证河道水质。玉龙河设计不仅为居民提供了丰富的生态休闲空间，而且构建了一个近自然的水生态环境，为今后城市季节性生态河道设计提供了良好的设计思路，其工程技术手段具有一定的参考价值。