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        風峪河上游生態(tài)治理工程設計

        2019-11-08 09:34:12
        山西水土保持科技 2019年3期
        關鍵詞:谷坊水窖設計標準

        陳 剛

        (山西省水利水電勘測設計研究院有限公司)

        1 風峪河上游概況

        風峪河流經(jīng)晉源區(qū),屬汾河一級支流,也是太原市區(qū)的一條主要河流。發(fā)源于太原西部邊山,流域面積56.7 km2,流域長度18.2 km,平均縱坡26‰。其中,平原河道長8.2 km,平均縱坡9.14‰。該河屬于季節(jié)性山洪河道,整個流域均在晉祠泉域范圍內,以店頭村為界,下游區(qū)域為晉祠泉域的重點保護區(qū)范圍,上游區(qū)域為一般保護區(qū)范圍。

        風峪河流域上游地貌大部分為砂頁巖土石山區(qū),有多處采石場,地表部分面積裸露,多數(shù)為樹林、密灌。據(jù)調查,流域上游需治理區(qū)共有一級支溝108條,二級支溝226 條,溝壑密度9.6 條/km2。

        風峪河流域上游土壤為山地黃土質褐土性土,有較薄的腐殖質層,土體礫石含量較多,土層厚度小于50 cm,肥力中等,土地干旱缺水,水土流失較為嚴重。據(jù)調查,流域上游植被覆蓋率達86.9%,現(xiàn)有植被大多為人工林和灌草,喬木林以刺槐、油松和側柏為主,灌木有螞蚱腿子、小葉鼠李、黃刺玫、沙棘和山桃,經(jīng)濟林有蘋果、梨樹、核桃和杏等,草種有蒿草、白羊草等。

        2 風峪河上游的水土流失與治理現(xiàn)狀

        2.1 水土流失狀況

        風峪河上游區(qū)域的水土流失以水蝕為主,伴隨重力侵蝕,溯源侵蝕是溝道延伸的主要形式。區(qū)域水土流失面積22.85 km2,其中,輕度侵蝕7.90 km2,占34.57%;中度侵蝕8.73 km2,占38.20%;強烈侵蝕3.10 km2,占13.57%;極強烈侵蝕1.71 km2,占7.48%;劇烈侵蝕1.42 km2,占6.21%。年均土壤侵蝕模數(shù)3 693 t/km2,總體土壤侵蝕程度屬中度。產(chǎn)生水土流失的原因,其自然因素主要為暴雨,人為因素主要為開礦棄渣與破壞植被。

        2.2 水土保持現(xiàn)狀

        經(jīng)過多年努力,至2018年底,區(qū)域累計治理水土流失面積647.32 hm2,其中,修建水平梯田43.56 hm2,營造喬木林105.68 hm2,灌木林408.44 hm2,封禁治理89.64 hm2,有效緩解了較為嚴重的水土流失,改善了生態(tài)環(huán)境。

        2.3 目前存在問題

        一是部分區(qū)域林草植被覆蓋率較低,難以控制水土流失;二是溝道攔擋工程較少,雨季河水泥沙含量大,淤積下游影響行洪;三是耕地和經(jīng)濟林配套灌溉設施不足,生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。

        3 風峪河上游生態(tài)治理的必要性和工程建設任務

        3.1 必要性

        風峪河等太原市區(qū)內的9 條河道,分別連接東山、西山,這是太原市的兩道生態(tài)保護屏障。為了進一步完善城市防洪排澇體系,需從源頭上治理消減洪峰,降低上游洪水對下游的威脅。從源頭的水環(huán)境治理入手,通過植樹造林涵養(yǎng)水源,保障河道恢復生態(tài)基流,促進河流恢復其原有的生態(tài)功能,進一步改善汾河水質,為晉祠泉水復流奠定基礎。

        3.2 工程建設任務

        生態(tài)工程建設的主要任務,包括:緩洪攔沙,減少流入汾河的泥沙,降低下游洪水總量;改善風峪河生態(tài)環(huán)境,營造新的生態(tài)景觀,改善太原中心城市周邊風貌,提高環(huán)境承載力;有效蓄存利用汛期洪水,恢復生態(tài)基流,促進河流恢復生態(tài)功能,并對晉祠泉進行補水;提高土地利用率,改善農(nóng)村生產(chǎn)條件和農(nóng)民生活環(huán)境。

        4 生態(tài)工程建設規(guī)模與工程設計

        4.1 工程建設規(guī)模與設計標準

        根據(jù)風峪河上游生態(tài)現(xiàn)狀,結合建設目標與任務,確定2019年新增生態(tài)治理面積2 118.76 hm2,具體分項規(guī)模與設計標準如下:

        4.1.1 水保林工程

        改造水保林2 089.01 hm2,均為喬木與灌木林。其中,包含原有的其他林地235.48 hm2,灌木林地1 743.14 hm2,其他草地0.10 hm2,裸地110.29 hm2,均通過新造或補植改造為喬木林和灌木林。

        4.1.2 水窖工程

        修建水窖70 座,同時配套建設供水管線,保證經(jīng)濟林的灌溉需水和水保林的補植用水。水窖一般采用10 a 一遇24 h 最大暴雨設計,道路區(qū)水窖采用10 a 一遇6 h 最大暴雨設計。

        4.1.3 谷坊工程

        修建石谷坊232 座,設計標準為20 a 一遇6 h最大暴雨。

        4.1.4 滾水壩工程

        修建滾水壩7 座,設計標準為10 a 一遇24 h 最大暴雨。

        4.2 生態(tài)工程典型設計

        4.2.1 水窖

        根據(jù)灌溉要求、匯流情況以及道路排水溝情況,進行水窖布設。在林地范圍內,根據(jù)地形及道路情況確定水窖的位置,水窖容積選擇30 m3和50 m3。

        (1)來水量計算。根據(jù)水窖控制的匯水面積,按下列公式計算來水量:

        式中:WL——年來水量,m3;

        F——集水面積,m2;

        H24——設計標準為10 a 一遇24 h 最大暴雨量,取91 mm;

        φ——徑流系數(shù),采用當?shù)亟?jīng)驗值0.45。

        (2)水窖容量計算。采用下列公式:

        式中:V——水窖容量,m3;

        W——10 a 一遇暴雨24 h 徑流量,m3;

        Vs——設計清淤年累計泥沙淤積量(按3 a 計算),m3;

        K——安全系數(shù),取1.2-1.3。

        (3)泥沙淤積量計算。采用下列公式:

        式中:Ms——年土壤侵蝕模數(shù)(按治理前的土壤侵蝕模數(shù)考慮),取2 000 m3/km2。

        經(jīng)計算,集水面積為800 m2時的水窖容量為48.80 m3,因此確定修建50 m3水窖的集水面積以不超過800 m2為宜;同理,30 m3水窖的集水面積以不超過500 m2為宜。

        4.2.2 谷坊

        根據(jù)確定的谷坊設計標準,以其中一小溝道(典型溝道)的谷坊群為例進行典型設計。該溝長度為196.47 m,高差30 m。

        根據(jù)當?shù)貤l件,谷坊宜選擇漿砌石結構,壩高4.5 m,頂寬1.5 m,迎水面坡比1∶0.2,背水面坡比1∶1,溢洪口布設在壩頂。谷坊底部設結合槽,尺寸為1.0 m×0.5 m;谷坊下游溝床布設干砌石護坦防沖,長度為10 m。為防止不均勻沉降及熱脹冷縮對谷坊的破壞,谷坊壩長間隔10 m 設置一道伸縮縫。谷坊壩上布設排水孔,背水面設反濾。

        4.2.3 滾水壩

        滾水壩工程級別為1 級,在其中一級支溝的溝道中段(典型溝道)設4 座滾水壩,控制流域面積4.80 km2。典型設計如下:

        滾水壩選擇漿砌石結構,壩高10 m,頂寬2.5 m,埋深2 m,腳趾寬1 m、高1 m,迎水面坡比1∶0.3,背水面坡比1∶0.75(見圖1);滾水壩下游溝床布設漿砌石護坦防沖,長度為10 m;為防止不均勻沉降及熱脹冷縮對滾水壩體的破壞,壩段間隔10 m 設置一道伸縮縫;滾水壩上布設排水孔,背水面設反濾。

        圖1 滾水壩壩體斷面圖

        滾水壩溢流段堰面曲線采用冪曲線,方程為:x1.85=3.171y。上游邊坡1∶0.3,下游邊坡1∶0.7,底部最大寬度10.5 m,上、下游齒墻深1.0 m。為了增加溢流面的抗沖性能,溢流面用C30砼澆筑,厚0.5 m。采用挑流消能,挑流半徑2.12 m,挑射角21.41°。漿砌石護坦長12 m,護坦寬34 m。

        4.2.4 造林

        對現(xiàn)有的其他林地和灌木林進行補植,同時改造一部分其他草地和裸地為有林地,樹種采用油松、側柏、山桃、山杏、塔檜和火炬樹等,株行距2 m×2 m。

        根據(jù)地形不同,分別采用不同的整地方式。地面坡度小于15°時,采用塊狀整地;地面坡度15°-25°時,采用水平階或水平溝整地;地面坡度大于25°時,采用魚鱗坑整地。

        整地規(guī)格:(1)水平溝。溝長4-5 m,上口寬1 m,底寬0.5 m,溝間土埂寬度0.54 m,間距2 m;(2)水平階。階寬1.2 m,階長4-5 m,間距2 m;(3)魚鱗坑。尺寸為1.0 m×0.6 m×0.6 m,栽植坑尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m。

        由于該流域處于干旱半干旱地區(qū),應在8-9月份提前整地,利用坑穴蓄積水分,在次年4-5月份進行栽樹。主要栽植技術詳見表1。

        表1 風峪溝上游生態(tài)治理宜選樹種造林技術表

        5 生態(tài)治理效益分析

        規(guī)劃設計的生態(tài)工程實施后,風峪河流域上游的水土流失治理度和生態(tài)質量將大大提高,林草覆蓋率將提高到89.80%。據(jù)測算,治理區(qū)年保土能力可達31.79 萬t,年增加蓄水量344.22 萬m3,新增水面面積28.71 hm2。生態(tài)環(huán)境明顯改善,有利于野生動物的繁衍,減輕面源污染和下游的防洪壓力,并為市民提供休閑、娛樂、觀光于一體的生態(tài)旅游場所,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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