范增睿，王 健

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

1 研究背景

近年來，我國為構(gòu)建新時(shí)期良好的人居環(huán)境，大力開展中小河道治理工作，生態(tài)環(huán)境有所改善。對河道生態(tài)治理，學(xué)者們從理論基礎(chǔ)、制度管理、技術(shù)創(chuàng)新等方面進(jìn)行研究，取得了一定的成果，但仍存在許多問題。為進(jìn)一步探求黃河流域生態(tài)治理與修復(fù)的有效措施，實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，對韓城市澽水河生態(tài)治理及生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究。

澽水河是韓城市境內(nèi)最大的河流，屬于黃河右岸一級支流，流域面積1083km2，河道總長85.4km，比降6.7‰。上中游大部分為梢林覆蓋的土石山區(qū)；下游為川源地區(qū)，兩岸塬面平緩，梁、溝發(fā)育縱橫。根據(jù)牛心水文站和薛峰水庫管理處共48年水文資料分析，多年平均徑流量為5854萬m3，7—9月徑流量占全年55.5%以上，11月—次年3月徑流量僅占12.9%，最大年徑流量2.134億m3，最小年徑流量0.06503億m3，相差32.8倍，徑流量年際變化大；實(shí)測最大洪峰流量836.6m3/s，最小流量1.4m3/s，相差598倍，洪枯流量懸殊。

2 水生態(tài)環(huán)境問題

2.1 水土流失

韓城市境內(nèi)500m以上的干、支、毛溝有1300多條，水土流失面積達(dá)1337km2，占總面積的82.5%，屬于黃河中游水土流失重點(diǎn)縣之一。西、北深山林地輕度流失區(qū)受人為毀林開荒與巖石風(fēng)化，河畔客土雨季易侵蝕，滑坡、坍塌常有發(fā)生；粗放式開采礦產(chǎn)資源使地表大面積擾動，人為破壞植被加劇水土流失。

2.2 河道行洪能力

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，道路下墊面硬化加大，多暴雨型洪水水量集中流速大、沖刷破壞力強(qiáng)、挾帶土石泥沙，經(jīng)地表漫流與管網(wǎng)、河道匯流形成的洪峰對城鎮(zhèn)管網(wǎng)與河道破壞嚴(yán)重[1]。澽水河的多年平均輸沙量為6.78萬m3，泥沙搬運(yùn)沉積到下游川源地帶，引起河床抬高[2]，各個(gè)支流匯入段淤積堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.3 水資源開發(fā)利用

韓城市人河爭水矛盾日益突出，其人均水資源量為323m3，屬于極度缺水地區(qū)。依據(jù)《韓城市“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》，2018年市水資源開發(fā)利用率達(dá)42.3%，地下水供水量4486萬m3，占地下水資源可開采量的74%，地下水位線連年下降；澽水河作為境內(nèi)重要的生活飲用和農(nóng)田灌溉水源，灌溉水利用系數(shù)為0.56；韓城市實(shí)際供水能力9800萬m3，雖能滿足基本用水，但受制于氣候降雨、水利工程調(diào)蓄和水資源過量開發(fā)等因素，經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限嚴(yán)重。

2.4 河流生態(tài)治理

河流沿岸耕地殘留的化肥、農(nóng)藥等和金城、新城市區(qū)污水為主要污染源，檢測出主要超標(biāo)因子為NH3-N、總磷和總氮，監(jiān)測結(jié)果見表1。生態(tài)環(huán)境用水得不到保障，水體流動性差，自凈能力低，部分河段硬質(zhì)化程度高，水質(zhì)問題長期影響河流生態(tài)良性循環(huán)。在澽水河生態(tài)治理中要全面考慮黃河上下游、干支流、左右岸的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)問題，從防治水污染到治理水土流失，從黃河水體本身到與之相聯(lián)系的山水林田湖草，注重生態(tài)建設(shè)和保護(hù)的整體性和全局觀[3]。

表1 澽水河南橋下游的橡皮壩至城固橋河段水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表 單位：mg/L

3 河道治理及效果

河道治理和生態(tài)建設(shè)既是城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，也是優(yōu)化城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境、提高城鎮(zhèn)形象品質(zhì)的重要手段[4]。結(jié)合已建河道生態(tài)工程和水利工作，分河段分類別分析構(gòu)建河道水生態(tài)體系的重要性。

3.1 治理情況

針對澽水河功能特點(diǎn)將澽水河分為3段治理：

(1)薛峰水庫上游段37.1km(水功能區(qū))。為確保水質(zhì)安全，進(jìn)行澽水河流域水功能區(qū)的確界立牌工作，在保護(hù)區(qū)內(nèi)安裝警示標(biāo)志、界樁和圍網(wǎng)，取締水上樂園設(shè)施、農(nóng)家樂餐飲活動，關(guān)閉區(qū)域內(nèi)所有排污口，封山育林育草。

(2)薛峰至韓城市區(qū)段25.3km(工農(nóng)業(yè)用水區(qū))。嚴(yán)格對農(nóng)村生活垃圾、糞便集中管理，農(nóng)藥化肥統(tǒng)一實(shí)施，大力開展植樹造林、坡改梯田、農(nóng)村澇池生態(tài)修復(fù)。完成有五四村段、板橋鎮(zhèn)段、土門口至108國道橋段防洪工程建設(shè)項(xiàng)目，建成小迷川水庫和侯家峪水庫抗旱應(yīng)急水源工程。建設(shè)有7個(gè)污水處理廠，總污水量處理達(dá)11900m3/d。

(3)韓城市區(qū)至入黃口段23.0km(城市過渡區(qū))。開展金城辦段、芝川鎮(zhèn)段、入黃口段防洪工程建設(shè)項(xiàng)目，并完成11.6km綠色生態(tài)長廊的河道治理項(xiàng)目。建設(shè)處理能力4000m3/d污水處理廠1座，用以解決金城污水排放。

在河流全流域大力開展水土保持建設(shè)，組織各相關(guān)職能部門開展河湖“清四亂”“攜手清四亂，保護(hù)母親河”、入河排污口專項(xiàng)整治以及河岸綠化等工作。

3.2 實(shí)施效果

從源頭到入黃口，通過生態(tài)空間一體化保護(hù)和環(huán)境污染協(xié)同治理，形成了上游“水塔”逐漸穩(wěn)固，中下游生態(tài)宜居的生態(tài)安全格局[4]。治理保證了澽水河中下游20年一遇行洪安全及沿岸村鎮(zhèn)、農(nóng)田和司馬遷祠景區(qū)的安全，提升了韓城市應(yīng)對極端氣候情況下的供水、水量調(diào)控、分配以及抗御自然災(zāi)害能力。林草植被覆蓋率、人均基本農(nóng)田、土地利用率、農(nóng)民人均純收入較前都有很大提高，河湖生態(tài)環(huán)境得到較大改觀。通過開展水活動和宣傳水知識等，喚起公眾節(jié)水意識，帶動全社會節(jié)約用水，人們的居住條件和生活水平進(jìn)一步提高，充分體現(xiàn)出水生態(tài)體系在現(xiàn)代化生態(tài)文明城市建設(shè)的重要性。

4 工程案例分析

防洪工程是構(gòu)建水生態(tài)體系的重要保障[5]，選取澽水河下游土門口至108國道橋段進(jìn)行分析。該河段治理長度3.4km，河道蜿蜒平緩，岸線開闊，屬于典型的城鄉(xiāng)交接河段。原河道兩岸建有堤防，堤身為漿砌石結(jié)構(gòu)且內(nèi)測無填筑物，寬度、高度不一，部分河段堤基沖刷外露。

本著“以人為本、人與自然和諧相處”的治理理念，結(jié)合現(xiàn)有治理技術(shù)，針對該河段設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、適宜的生態(tài)護(hù)岸，并選取典型河段進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化和穩(wěn)定性計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)的健康發(fā)展，構(gòu)建一個(gè)風(fēng)景優(yōu)美新異、結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定、人與自然和諧共存的生態(tài)河道。工程位置如圖1所示。

圖1 工程地理位置圖

4.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)和整體布局

4.1.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)工程區(qū)位于城鄉(xiāng)結(jié)合段，耕地與住宅錯(cuò)綜分布，城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地、用水及水質(zhì)等問題突出，人們的生活生產(chǎn)生態(tài)用水需求持續(xù)擴(kuò)大，設(shè)計(jì)需滿足長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。

(2)河流受季節(jié)天氣影響較大，河床寬窄起伏多變，原有河道破損較為嚴(yán)重，河道各段問題不一，有岸坡坍塌、侵蝕懸空、滲透變形、河床破壞等，既要具體問題具體分析，又要滿足河流整體流態(tài)安全。

(3)河道要包含防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)綠化、美觀宜居等方面的功能，還要展現(xiàn)自然氣息與現(xiàn)代人文的高端形象，以達(dá)到整體社會效益、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的三者統(tǒng)一。

4.1.2整體布局

河道大體分兩段，前半段河道岸線長直開闊，兩岸村莊和耕地分布密集，鋪設(shè)連鎖式生態(tài)磚護(hù)岸加固岸坡，作漿砌石擋墻基礎(chǔ)與鉛絲籠石坡腳防止水流侵蝕滲透，并修建下河踏步、枯水平臺、溢流跌水等親水設(shè)施，既保證河道行洪安全，也滿足平時(shí)親水性的需求。河道后半段處于近城區(qū)，城建規(guī)劃影響較大，修建墻式護(hù)岸或漿砌石擋墻。在橋梁區(qū)、河道凹岸等地形受限段作矩形斷面設(shè)計(jì)，保障防洪排澇。兩岸鋪設(shè)瀝青道路，以滿足防汛巡查和人們出行游玩需求；在必要位置鋪設(shè)涵管控制雨水排放和農(nóng)田用水灌溉。

選用連鎖式生態(tài)磚護(hù)岸擁有較強(qiáng)的抗沖刷能力和類似自然護(hù)岸的生態(tài)功能，且施工方便快捷，價(jià)格適中，后期維修費(fèi)用低，技術(shù)手段較為成熟[6-7]，可用于斜坡式護(hù)岸和拐點(diǎn)較多的河段；直立式擋墻護(hù)岸適用于地形受限、安全要求較高的河段，可進(jìn)行種植綠化來提升生態(tài)景觀。

4.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.2.1護(hù)岸設(shè)計(jì)

在河道規(guī)劃范圍內(nèi)設(shè)計(jì)河道斷面，既考慮河道平面蜿蜒性[8]，還要保證河道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、景觀適宜性、生態(tài)健康性和經(jīng)濟(jì)合理性等多方面要求，采用連鎖式生態(tài)磚護(hù)岸對工程區(qū)前半段進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合水文資料，用水文比擬法計(jì)算得到，工程區(qū)20年一遇治理標(biāo)準(zhǔn)下洪峰流量為625m3/s，作為設(shè)計(jì)流量；選取南澗村與廣場村交界段為設(shè)計(jì)斷面，樁號為Z1+260～Z1+510、Y1+170～Y1+420，每隔50m取一斷面。樁號Z1+352.50河道斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 河道斷面設(shè)計(jì)圖

依據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)護(hù)岸坡比為1∶2.5，上接瀝青防汛路，下連枯水平臺[9]，河道底部修建漿砌石基礎(chǔ)。河道平面布置如圖3所示。

圖3 河道平面布置圖

4.2.2優(yōu)化計(jì)算

通過具體化河道斷面形式，概化約束條件和目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建斷面經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型[10]，用水力計(jì)算對優(yōu)化模型求解，優(yōu)先考慮河道安全穩(wěn)定，再滿足收益較大化，從而確定較優(yōu)方案。約束條件考慮河道形態(tài)、斷面形式、水體流態(tài)、生態(tài)環(huán)境、土地規(guī)劃等方面。目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)河道治理成本C

(1)

式中，j—斷面；S1—挖方量，m3；C1—單位體積挖方成本，元；S2—填方量，m3；C2—單位體積填方成本，元；C3—每米岸堤與地基基礎(chǔ)修建成本，元；S4—斷面間邊坡面積，m2；C4—單位面積的邊坡修建成本，元；Lj—斷面間距離，m。

(2)節(jié)約土地效益B

(2)

式中，B1—單位面積土地效益；Wj—河岸收縮距離。

(3)綜合收益Y

Y=B-C

(3)

4.2.3結(jié)果分析

結(jié)合文獻(xiàn)資料、專家經(jīng)驗(yàn)及《水利工程概算定額》，取C1=5、C2=18、C3=1000、C4=144[7-10]，參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)村土地價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)取B1=300。在設(shè)計(jì)流量為625m3/s恒定流情況下優(yōu)化計(jì)算，得到較優(yōu)收益：每50m工程河道效益22.6萬元，工程總收益1536.8萬元，優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后河道岸線收縮，斷面規(guī)格較一致便于工程施工，且滿足設(shè)計(jì)流量下水深；河道主槽和邊灘水深、流速有明顯降低，滿足河床和護(hù)岸不沖流速。在不影響防洪安全條件下，岸線收縮帶來的長期土地效益能彌補(bǔ)工程投資缺口，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。河道優(yōu)化前后的底高程、水深和流速對比如圖4所示。

圖4 結(jié)果對比

4.3 穩(wěn)定性計(jì)算分析

河道穩(wěn)定性包括滲透、抗滑、沉降和抗沖刷4個(gè)方面，河道地質(zhì)特征直接影響河道安全穩(wěn)定，對地基土進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、密度及滲水等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 堤基土物理力學(xué)指標(biāo)表

4.3.1滲透穩(wěn)定

以達(dá)西定律為依據(jù)，查閱現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算水力坡降，采用下式計(jì)算實(shí)際水力比降J實(shí)：

(4)

式中，J實(shí)—實(shí)際水力坡降；H1、H2—堤迎、背水坡水位高程，m；T—相對隔水層深度，m；b—堤基寬度，m。

因河道斷面寬窄多變，以斷面設(shè)計(jì)和平面布置圖為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位為2.5m，相對隔水層深度大于17.5m，堤基寬度1.7m，經(jīng)計(jì)算J實(shí)=0.1

4.3.2抗沖刷穩(wěn)定

河道上游山區(qū)多有暴雨區(qū)，匯水面積大，雨水集中，洪水季節(jié)水流側(cè)蝕強(qiáng)烈，護(hù)岸局部沖刷深度按下式計(jì)算：

(5)

(6)

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處的水深，m；Ucp—近岸垂直平均流速，m/s；Uc—泥沙啟動流速，m/s；n—與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取1/4～1/6；η—水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡夾角α查表采用。

計(jì)算結(jié)果：在設(shè)計(jì)洪水位下沖刷水深取2.5m，河道平均流速2.25m/s，η=1.65(岸坡夾角36°)，泥沙啟動流速Uc=0.8m/s[11]，得Ucp=2.8m/s，hs=0.71m。護(hù)岸會產(chǎn)生沖刷破損，需做防護(hù)措施。主槽流速(v=1.016m/s)<河床卵礫石層不沖刷流速(v不沖=1.2～1.5m/s)，河床相對穩(wěn)定。

4.3.3抗滑穩(wěn)定

采用改良圓弧法計(jì)算設(shè)計(jì)堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)，公式如下：

(7)

S=Wtanφ+cL

(8)

式中，W—土體有效重量，kN；c、φ—軟弱土層的凝聚力和內(nèi)摩擦角，kN、(°)；Pa、Pn—滑動力和抗滑力，kN。

結(jié)合堤基土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和岸坡橫斷面圖，取c=8，φ=23，L=9，計(jì)算得：S=91.9，K=3.39>K允。岸坡為砂質(zhì)壤土，在干燥、無水流沖刷狀態(tài)下穩(wěn)定，遇水沖刷時(shí)極易坍塌，在坡腳作鉛絲籠石加固處理。兩岸河床均修建漿砌石基礎(chǔ)，且置于河流最大沖刷深度以下，滿足地基抗滑穩(wěn)定要求。岸坡橫斷面如圖5所示。

圖5 岸坡橫斷面圖

4.3.4沉降穩(wěn)定

依據(jù)GB 50286—2013，堤基的最終沉降量可按下式計(jì)算：

(9)

式中，S—最終沉降量，mm；n—壓縮層范圍的土層數(shù)；e1i—第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i—第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；hi—第i土層厚度，mm；m—修正系數(shù)，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.6。

岸坡整體處于一級階地壤土層上，土層數(shù)n=1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：e1i=0.89，e2i=0.747，土層厚度取2～2.5m，最終沉降量S為151～189mm，有輕微沉降，需對堤基進(jìn)行夯實(shí)填充處理。

5 結(jié)論

(1)本文對韓城市澽水河治理情況進(jìn)行分析，統(tǒng)籌規(guī)劃，分段分類治理措施在生態(tài)環(huán)境修復(fù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和抗災(zāi)提防建設(shè)等方面取得良好效果，為相似中小河流治理提供借鑒。

(2)結(jié)合實(shí)際河道工程，選取典型斷面構(gòu)建經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，從河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)、典型斷面優(yōu)化以及河道穩(wěn)定性分析得出，從理論基礎(chǔ)與技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合的角度保障流域內(nèi)水安全，帶動社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)健康發(fā)展的方式是可行的，但優(yōu)化模型受適應(yīng)范圍限制，應(yīng)用推廣有待論證。