“以水定面”在河道水体设计中的应用

赵中魁

（北京魁烨科技咨询服务中心，北京 100006）

1 引言

国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出：提升水资源优化配置，完善水资源配置体系，降低水资源开发利用强度，实施国家节水行动，建立水资源刚性约束制度。

实践中，一些项目因水资源状况分析不到位，造成可达性差、脱离预期目标，因此，研究水资源禀赋和项目的关系很有必要。对于河道设计，考虑水资源专业和其他专业均有交叉，所以，研究以水资源为切入角度确定项目规模有重要意义，这种以水资源确定项目规模的形式，可以称之为“以水定面”。

2 现状河道水体治理类项目的主导类型

随着社会的发展，人与自然和谐相处的理念深入人心，河道治理的主要内容也在发生变化，目前的专业主导类型主要有景观、生态和水利3类。景观主导类以其良好的可视性和游乐性为社会广泛接受，占据较大优势；伴随人与自然的和谐发展，绿水青山就是金山银山理念的蓬勃发展，生态主导类异军突起，以其和谐共生、可持续发展的方式，得到越来越多的关注；水利主导类因其功能相对单一且投入较高，且需时间验证，占比有所减少。

3 河道水体治理类项目的不足之处

3.1 超过水资源承载能力

单纯为了体现亲水、水景观的元素，打造形象工程，甚至使用“大水面”形式，造成常规水资源使用殆尽，甚至出现取用地下水的状况。若用水量超过了水资源承载能力，不仅影响经济社会的发展，也会导致水环境恶化，从而降低了水环境的承载能力；反之，当排污量超过水环境的承载能力时，减少了本来可使用的水资源，也会降低水资源承载能力，不利于地区的可持续发展。

3.2 对水资源禀赋重视不够

项目前期，往往由非专业人员进行项目立项，水资源角度的把控力度较小，不能较好地预判项目的规模。比如，水资源匮乏地区，本应是限制性因素，但未加考虑。当进入下一阶段，水资源作为限制性因素显现后，造成不易落地实施或者实施效果一般的情况，甚至影响后期运营维护，使得项目收效甚微。

3.3 水资源利用的经济合理性

伴随着现代社会科学技术的发展，远距离取水不再是限制条件。在项目水源较远或高差较大的情况下，采用远距离输水或大扬程输水方案，项目建设投入成本和后期维护成本很高，为了项目的实施，仍采用这种高投入高运营成本的方案，使项目可持续性差，经济合理性差。

3.4 水资源利用效率低、消耗高

有些项目为了节省成本，水资源利用采用粗放的方式，忽略了我国水资源的基本国情，亦未考虑区域综合用水需求和可持续发展的理念，造成水资源利用效率低，水资源消耗高。

4 “以水定面”的优势和可能性

“以水定面”是以水资源要素作为限制性因素，综合考虑其他专业对水资源的需求，通过螺旋替代等方式，最终确保项目各单元有水可用、用水有度、循环再生、环境良好的预期目标。

从项目前期阶段来看，自然基础条件肯定是边界条件。例如，用地红线范围。项目的设计范围肯定是在红线范围内，不可能超出这个范围。水资源的禀赋条件亦是如此，只有确定了水资源的基础条件，才能确保项目落地的可能性。

从项目设计过程来看，水资源的禀赋是设计要素。通过明确水资源的可供给量，确定项目和其他专业的用水边界，从而设计出可行可用的设计成果。比如，水环境专业、水利专业、景观专业对于水深、流速、水域面积、水体平面形状等的需求，只有提供了明确的需求，才会有其他专业成果的实现。

从项目运营维护的角度来看，水资源是项目运行良好的保障。水是动植物等生命体必须依赖的生存资源和环境，比如，水利专业鱼道的运行情况、拦水坝是否满足生态连续性的需求；景观专业植物的生长、色彩功能的展现；生态环境的持续和循环等，都是在水资源充足的基础上才能实现。

可以看出，水资源的限制性和决定性作用是贯穿项目全过程的，不仅需要定性，还需要定量，以满足项目各用水单元。而且随着项目的优化，还需协调其他专业之间的平衡稳定，比如，生态需求的水深和景观需求的水深之间的关系等。因此，“以水定面”具有天然的优势，是其他专业所不能比拟的。

水资源专业是为其他设计专业服务的，具有基础性作用，而基础决定上层建筑，故以水资源统领项目进程、主导项目进展是可能的，也即“以水定面”具有可能性。

5 “以水定面”应用可行性

本次以山东省沂水县高庄镇梓河沂水段河道生态修复工程为例，研究“以水定面”应用的可行性。

5.1 项目概况

项目地理位置：山东省沂水县高庄镇，北起黄石板村，南至高庄村，全长6.5 km。

项目区现状：（1）现状河道为天然河道，有自然堤岸，河宽80～120 m，整体断面呈U形，当地水利部门根据当地实际情况，近些年在两岸种植高大乔木，固堤绿化；（2）河道内杂草丛生，河床质为卵石、细沙和粉质黏土混合物；（3）为留存水资源，现状已修建全断面拦水坝4座，坝高均为0.5 m；（4）现状河道上游1/3段无水，有支流汇入，下游2/3段有水，根据调查为桶装水厂过滤余水和未生产用地下水原水混合水，水质良好；（5）现场踏勘有鸟类、小动物昆虫等生物资源；（6）河道水体治理段末端下游约14 km为跋山水库；（7）河道两岸未发现排污口，调查未发现工业厂房，两岸村庄无规模养殖业，污废水排放较少，点面源污染较小。

5.2 初次方案

和水资源相关的方案内容有：水生态修复工程需求1 m水深，种植水生植物共3.25×105m2，投放若干鱼类等水生动物；滩潭工程在河道自然弯曲处构建滩潭区域10处，总面积5×104m2；景观工程为游玩景观带和亲水平台；清淤工程为纵向的修坡和横向的平整，溢流堰工程增加2～6座。

5.3 初次方案存在问题

5.3.1 有效供给水资源量明显不足

项目河流为季节性河流，近10多年来，每年都出现断流现象，除却自然降雨，周边唯一的补充水源是桶装水厂外排水，其稳定外排水量约2 m3/s，相较80～120 m河宽，补给水量不足，滞水措施较少的情况下不足以支撑河道形成1 m水深。

5.3.2 未考虑最小水量时的水深能够满足沉水植物需求

沉水植物的生长高度也是有区别的，适宜的沉水植株中黑藻高50～80 cm、金鱼藻高40～150 cm、狐尾藻高20～40 cm、苦草高20～200 cm。在考虑水生态修复方案时，不仅要满足适应当地自然环境和物种入侵控制的原则，还应考虑沉水植株的生长高度与河道水体水深的关系，避免因物种生长问题影响水生态修复效果。

5.3.3 未考虑水面宽度的影响

国内外研究表明，水的蒸散发、下渗和水面面积是正相关关系，本项目补给水量偏小，若采用宽阔水面，极易造成水资源的蒸散发，且宽浅形式水体温度变化幅度较大，对于生态系统的恢复不利。水生植物的种植和水生动物的投放量与水域面积有很大关系，忽略水域面积考虑动植物措施是有问题的。亲水平台设计也应考虑水面宽度，除却防洪安全，水面宽度也影响亲水平台的难度和长度，过窄的水体面积不利于人水交互。

5.3.4 溢流堰对水面宽度的影响

存在溢流堰的河道中，较宽的水面利于水环境的连续和滞留水资源的功能发挥，也能形成较好的景观效果和良好的水体曝气效果。本项目河宽80～120 m，较窄的水面在河道中不宜全断面挡水，容易造成水体滞留，不能形成连续的自然水体，影响河生态系统的稳定。

5.3.5 未考虑水流流速的影响

水量一定的情况下，宽浅型水体流速慢，从生态修复角度有利于物质能量交换，可促进生态系统的修复和完善。但当补给水量较小，无法形成宽浅水体时，应进行水动力验算，明确水流流速对生态系统可能产生的影响，必要时通过措施减小流速以保持生态系统的稳定性。

5.3.6 未考虑下游生态需水

河道水体治理，不能只考虑自身，忽略下游用水需求，大水面带来的沿途水资源损耗是较高的，本项目下游仍有14 km河段，若损耗过多水资源，下游段可能面临无水可用的状况。所以，应尽可能地利用好每一滴水资源，减少损耗，确保河流整个生态系统的连续性和可持续性。

5.4 以“以水定面”的思路优化项目方案

5.4.1 优化项目建设内容

通过了解，业主方需求主要有3点：投资控制，生态修复效果明显、便于后期维护，安全可靠。考虑现状堤防以稳定运行多年，且栽种有乔灌木，起到一定的固堤作用，宽浅型河道对堤岸的冲刷相对不严重，故取消堤防工程建设，只在必要的地方加以修缮和加固；堤防外尚有农民耕种用的土路，宽约2 m，可以作为巡河路使用，去掉巡河路工程；由于河道主槽内夹杂卵石，但整体水质较好，流域范围内点面源污染较小，故不再进行清淤，只在局部倒坡处摊平河床，避免排水不畅；现状河道护岸为土质，已形成稳定自然坡度，整体符合生态护岸理念，在局部坍塌处修补。

根据多方了解，项目除却自然降雨和桶装水厂外排水外无其他水源进入河道。

5.4.2 了解各专业需求

环境专业对河道水体水生态需求的最低水深为0.5 m，水面宽度越宽越好，水流流速尽量不大于1 m/s；从水利安全角度，项目位于村镇区域，防护等级不高且不宜发现人员活动状况，建议取消亲水平台；景观专业调查发现镇域范围人口密集，考虑在此区域打造沿河景观公园；水利专业同意可拆除部分溢流堰。

5.4.3 优化项目方案

以补给水源“以水定面”的角度优化，试算0.5 m水深状况下的水面宽度，通过计算水面宽度为3.8 m，流速为1.06 m/s。优化设计以现状自然弯曲的水流流经面积，以4 m为宽幅，向下挖深0.5 m，形成复式河道，在现状水面面积较宽处设置滩潭，通过滩潭和弯曲的主槽，减缓水体流速，尽可能满足干湿环境的生态交互需求。并将成果反馈至各专业，主要为：建议取消黑藻等沉水植物，减少投放水生动物资源；建议在水体流经溢流坝处开小口，确保上下游水生态系统的连续性，同时可以留住降雨形成地面径流形式的水资源。

通过优化，减少了工程量，在一定程度上控制了投资规模，并且项目落地实施性和可达性明显提升。优化内容主要包含：水生态沉水植物种植由原来的8.5×104m2减少到900 m2，水生植物总种植面积减少到6×104m2，投放的水生动物亦减少了70%以上；滩潭区域12处，总面积减少到4 200 m2。

6 结语

综上所述，“以水定面”思路是以合理高效利用水资源为指导思想，结合相关需求，通过对水资源禀赋条件的分析，在控制水资源总量的状况下，合理确定水资源的时空分布，引导项目多方向、多维度的平衡，从而打造可落地性强、后期维护可靠、社会反馈良好的成果，具有可能性和可行性。