寒区中小河流治理工程的生态设计模式

刘宇航，巩宪春，范宝山，金 贤

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学院究院，吉林 长春 130021）

寒区中小河流治理工程的生态设计模式

刘宇航，巩宪春，范宝山，金 贤

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学院究院，吉林 长春 130021）

基于河道治理规划的洪水、中水、枯水3个不同的情况，在确保河道行洪安全的前提下，提出大中型河流治理的重点是稳定河势，其关键是控制与稳定中水河槽；而小型河流治理的重点是水生态景观的构造与建设，其关键是控制与稳定枯水河槽。文章分析给出了小型河流的综合治理的4个特点：防洪与景观并重、防洪与生态建设并重、河流纵向节点可调（实现洪水不出槽）、稳定枯水河槽。最后从生态水利的设计理念出发，给出了流经长春莲花山生态旅游度假区赵家岗子河综合整治工程方案。

生态建设；河道整治；寒区中小河流

0　引　　言

我国近十年来，河流生态治理技术得到了较快的发展。特别是最近几年，我国中小河流治理全面推进，积累了一些河流生态治理的技术和经验。但是，现有河流的治理都是对河流的分段治理，缺乏对中小河流整体治理的理论和技术体系。

成果以赵家岗子河综合治理为实例，从河流的源头治理开始，以始于欧洲“阶梯-水潭系统（step-poolsystem）”的河流稳定性理论出发，结合我国东北地区的气象和地貌条件，提出了寒区中小河流治理的生态模式。

赵家岗子河是流经长春莲花山生态旅游度假区的一条季节性河流，流域面积为4.21km2，设计治理河道长3.91km，地面高程在226～255m之间，平均比降约0.63%；两岸无堤，现状防洪标准不足10年，存在河道淤积严重、人为侵占河道问题。为满足莲花山生态旅游度假区的对城市防洪、生态、景观等方面的要求，需要对赵家岗子河进行综合治理。

1　工程区基本情况

赵家岗子河属温带大陆性气候区，多年平均降水量595.3mm，多年平均水面蒸发量（E-601）为935.1mm。气候特点为春季干燥多风，多年平均风速4.4m/s，最大风速达31m/s。夏季炎热多雨，6—9月份年平均降水量466mm，占多年平均年降水总量78%；多年平均气温5.1℃，7月份最热，月平均气温22.9℃，极端最高气温达38℃。秋季晴朗温差大，夏秋气旋、台风活动频繁，易造成流域大暴雨，一次暴雨量主要集中在1d内，最大1d雨量占最大3d雨量近80%。冬季严寒漫长，从11月到翌年3月，受西伯利亚冷气团控制，低温、干燥少雨，冰期长达5个月之久，一般11月上、中旬开始封冻，3月底或4月初开河；1月份最冷，月平均气温为-16.1℃，极端最低气温达-36.5℃，历年最大冻土深度达1.69m。

流域为无资料地区，水文计算采用罗氏法，设计洪水频率2%，5%，20%，33%，50%的设计洪水计算成果分别为25.38，17.82，8.59，5.95，4.06m3/s；河道无泥沙观测资料，多年平均悬移质输沙模数为100t/（a·km2），推移质输沙量按占悬移质输沙量的20%计，计算的赵家岗子河道多年平均输沙量505.2t/a。

工程区构造位于新华夏系一级构造单元的第二隆起带和第二沉降带的过渡区，含水层主要为河床松散粗砂孔隙潜水含水层，局部具微承压特点，地震及区域构造稳定，地震基本烈度Ⅶ度，地震动峰值加速度0.1g。地层主要为第四系全新统冲洪积地层和燕山早期全风化花岗岩，主要由表部耕植土、低液限粘土、高液限粘土、粉土质砂组成。

河谷两岸为低矮山丘，坡度较缓，顶部浑圆；阶地呈条带状不均匀分布在河谷两侧，宽度一般100～200m，阶地高出河道一般3～4m，岸坡多较平缓，个别段较陡，局部呈近直立。河道只占谷底一小部分，河流蜿蜒曲折，主槽宽度3～50m，河水深0.3～1.0m。

2　小型河流的综合治理特点

2.1防洪与景观并重

小型河流与大型河流一样，防洪会作为河道综合治理的首要任务提出来。但小型河流的景观要求，往往会对河道治理方案产生较大的影响。防洪与景观并重是小型河流治理的特点之一。

洪水河槽治理是在防洪设计洪水位条件下实现河道治理的各项目标。洪水河槽治理的设计流量是指某一频率或重现期的洪峰流量，它与防洪保护地区的防洪标准相对应，该流量也称河道安全泄量或允许泄量。与设计流量相对应的水位称为设计水位，它是堤防工程设计中确定堤顶高程的依据，此水位又称防汛保证水位。

从河势控制和河流泄洪角度讲，关键是确定中水河槽的设计流量与整治水位，该水位与整治工程建筑物如丁坝坝头高程大致齐平。中水河槽治理的设计流量常采用造床流量。造床流量是指造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的流量，这种流量对塑造河床形态所起的作用最大。在实际工作中，常取平滩流量即与河漫滩水位相应的流量作为造床流量。

枯水治理主要是满足人们对通航、引水和河道水生态景观的需求。基于通航、引水目的的枯水治理是依据设计保证率确定相应的整治水位；而基于建设河道水生态景观目的的河道治理多见于中小河流，通过建设拦河蓄水建筑物抬高河道水位，使河道的最小水深维持在0.5～1.0m以上，从而改善区域水生态环境和形成亲水景观。

对于小型河流，一般没有通航和供水的需求。在枯水期人们所需要的景观水位，成为确定枯水治理的整治水位。依据设计保证率，确定实现景观水位相应的水资源保证措施。

景观水位一般视周边环境而定，依据人水和谐的理念，景观水位通常较亲水平台低0.5～1.0 m。但是，当亲水平台与防洪堤等高时，如果将景观水位视为正常高，则往往不满足堤防建设安全超高的要求。所以，为了不与现有规范相矛盾，景观水位不能看作河道运行管理的正常蓄水位。

目前，小型河流的水资源保障措施：1）上游修建水库（湖泊）或者进行河湖水系联通建设（修建旁侧水库），增加河道纳蓄洪水的能力，在枯水季节回补河流；2）适当进行河道防渗，减少河道的水量损失；3）适量利用中水，由于中水有一定的气味，最好经过湿地处理后再进入河道，中水利用量不宜过大，与河道损失量相当即可；4）跨流域调水或干流回补支流，小型河流的跨流域调水较简单，容易实现，如果小型河流所汇入的较大河流水量丰富，也可以引大河水进入小河。

通过防洪堤两侧绿地建设和景观打造，使堤防修建与周边景观相协调，通过地形坡度的变化与树木、灌木和花草地的艺术搭配等措施，改善防洪堤的视觉效果，实现“有堤不见堤”。

2.2防洪与生态建设并重

为了稳定河势或改变河流现状，通常在河岸修建防护工程，所以河岸孔隙率、透水性等均发生了变化，影响河流与河岸带之间的物质、能量以及信息的传递，对河岸带生态环境产生一定的影响，且不同护岸结构型式的影响程度不同。目前，主要护岸型式有植被草皮、格宾网箱、干砌石、浆砌石、混凝土板以及膜袋混凝土等，分为生态型和非生态型两类，且有水上和水下部分的区别，生态型工程的水上部分用植被覆盖度来衡量，水下部分用孔隙率评价。若修建工程后植被覆盖度不小于原植被覆盖度，认为是生态型工程；工程修建后水下部分孔隙率与天然河道河岸组成孔隙率做比较，前者不小于后者75%时，认为是生态型工程。

对于小型河流，在流域上游进行湿地建设、控制水土流失、改善水质、纳蓄洪水，是河流综合治理重点工作之一。

赵家岗子河综合治理特别强调防洪措施的生态性，基本放弃了硬性防护的工程措施。为此，将河道岸坡设计成1∶4～1∶6的大缓坡形式，以便于形成草皮护坡。

为了保障赵家岗子河行洪安全，将河道拓宽，减小河道比降，使河道流速降低到河床的允冲流速0.7m/s以下，仅采用植物护坡形式就可以满足河道坡脚的抗冲要求，从而避免了在河道上设置硬性防护。在河道两岸周边设30m的景观绿化带，作为水、陆生态的过渡缓冲区域。

2.3纵向控制节点可调

小型河流一般比降较大，下游河道的侵蚀节点尚未形成，河道在汛期冲刷下切。充分利用小型河流的这个特点，合理挖深河道，通过设置跌水、拦河闸坝等，设置河道新的纵向控制节点，调整河道比降，可以有效降低河道的洪水水位。

赵家岗子河综合治理工程通过调整河道纵向节点，实现了河道洪水不出槽，使河道的防洪治理与生态景观建设有机地统一起来。在整个河道治理范围内，对于景观河段修建5座滚水坝，作为整治后的侵蚀节点，同时疏浚挖深河道，使河道的水深在枯水季节不小于1m，打造水生态景观；在景观河段的上游开挖一个景观湖泊，水流经过湖泊的净化进入下游河道，防止景观河段淤积和提高水质；对于景观湖泊上游2km范围内的非景观河道，通过修建5个跌水形成河道新的河流侵蚀节点（纵向节点），将河道比降由0.63%调整到0.3%，使河道泥沙绝大部分落于在此范围内。通过河道的疏浚开挖，此2km河段可承接泥沙淤积量是河道多年平均输沙量的10倍以上。由于是季节性河流，此河段淤积的泥沙可以在旱季河道无水期间直接挖除。

设定河道泥沙淤积区域，使河道505.2t/a的多年平均输沙量淤积在景观河段的上游，便于及时清理，确保河道治理后的长效性。

2.4控制与稳定枯水河槽

控制与稳定枯水河槽是小型河流综合治理的关键点之一。

河道治理规划分洪水、中水、枯水3个不同的情况。洪水治理的目的是防御江河洪水泛滥，确保沿河人民生命财产安全；中水治理对稳定河床、控制河势具有决定性意义；枯水治理的主要目的是保障通航和引水需要，近年来，水生态景观建设也成为河道枯水治理的重要内容。

控制河势使其向人们期望的方向发展是规划整治河流的目标。确定河流治导线，并根据河流治导线布设防护工程是控制河势的方法。河流治导线是河道整治后在设计流量下的平面轮廓线，分布于河岸的两侧。根据规划整治河流具体目标的差异，河流治导线可分为三类：即洪水河槽整治线、中水河槽整治线和枯水河槽整治线。其中，中水河槽整治线对基本河槽的河势格局起控制性作用，因此通常成为河道治理规划的重点，因此，在没有特别说明时，河流治导线就是河流的中水整治线。

对于小型河流，治理的难点是要同时满足防洪、生态、景观等多方面的综合需求。在确保河道行洪安全的前提下，大中型河流治理的重点是稳定河势，其关键是控制与稳定中水河槽；而小型河流治理的重点是水生态景观的构造与建设，其关键是控制与稳定枯水河槽。

3　综合治理方案

3.1综合整治原则

1）堤线布置顺应河道自然形态，岸线平顺、流畅；2）河道宜宽则宽，宜窄则窄，宜弯则弯；3）人工湖依据景观设计布置；4）堤岸尽量不进行硬性防护，采用大缓坡植被生态防护，做到有堤不见堤；5）通过设置河道垂向控制节点（梯级跌水和滚水坝）减缓河道比降；6）滚水坝兼做生态蓄水坝，坝前尽量加大水面宽度，两岸绿化带宽度尽可能达到30m。

3.2总体方案

综合整治范围为赵家岗子河东吉林大路涵洞至河口，河道总长3.91km。河道走向基本维持原河道走势，河道走向基本遵循自然河道走势，宜宽则宽，宜窄则窄，宜弯则弯，充分考虑现状河道上口宽度变化，保留丰富多彩的外形；个别部分考虑到岸边土地的整理利用，依据莲花山整体规划用地需求和景观要求调整河道位置，为使过流顺畅，对岸线进行必要的光滑处理。

两岸设计堤线总长8.18km，其中左岸4.17 km，右岸4.01km。从上游至下游整治措施为：5座梯级跌水，1座人工湖，5座滚水坝和10个补水风车。

3.3纵剖面设计

原河道比降较大，但河道的抗冲能力较低。为了使整治后河道的流速不超过允冲流速0.7m/s，确定河道的设计比降0.3%，为此修建5座跌水和5座滚水坝工程作为河道的纵向控制节点。

3.3.1跌水工程

由于工程河段属于山区性河流，洪水过程陡涨陡落，洪水时河道冲刷剧烈，如果不采取适当的工程措施，大量泥沙将淤积在人工湖中，给工程的运行带来威胁。所以本工程在人工湖上游设置5座跌水，其设计落差见表1。各跌水作为河道的侵蚀节点，一方面可以控制整治段河道河床的冲刷下切；另一方面由于整治后的河道比降相对天然河道大大变缓，流域上游的来沙多数会落淤在人工湖上游的跌水段，平均只需要10余年清淤一次，只有少量泥沙进入人工湖，使人工湖的定期清淤工作大大减少。由于河道属于季节性河流，落淤在跌水段河道的泥沙可通过旱地施工及时清淤恢复，大大降低了运行管理费用。在汛期常水位时，水流在跌水表面均匀流过，在河道上形成小型瀑布景观。

表1　5座跌水的设计落差

3.3.2人工湖工程

在莲花山旅游度假区管委会正南修建1座人工湖，用于美化环境。人工湖占地面积为2.13×104m2，其中湖面水域面积为1.77×104m2，湖面设计正常水位为240.00m，平均深度为2.5m，局部最大深度可达4.13m。

3.3.3滚水坝工程

赵家岗子河整治有城市防洪与城市美化的双重任务，在保证防洪功能的前提下，布置5座滚水坝，见表2，形成景观水面。

表2　5座滚水坝的设计高度

3.4横断面设计

堤防（河岸）设计洪水标准为20年一遇，横断面设计需满足河道行洪的要求，同时考虑景观水面要求。河道拓宽疏浚后，现状地面高程基本满足由洪水位+超高确定的岸顶高程，局部河段需要加高培厚。根据长春莲花山生态旅游度假区总体规划（2011-2020）说明书中“景观风貌规划”要求，结合当地地形地貌和允许不冲流速，河道设计断面底宽在5～35m之间，河岸坡度多为1∶6至原地面，局部河段为1∶2。雾开河大街以上河道水面宽度约为30m，按河道流速不超过1.5m/s控制；雾开河大街以下河道水面宽度在50～110m之间，按河道流速不超过0.4m/s控制，但受地形限制，也有局部地方的河道流速可以达到0.65m/s，仍满足河道流速小于0.7m/s要求。

3.5堤防设计

两岸设计堤线总长8.18km，其中左岸4.17 km，右岸4.01km。堤顶高程为250.75～227.88m，设计防洪标准为20年一遇洪水，堤顶宽3.0m。迎水坡坡比1∶6，背水坡采用平坡或1∶20的缓坡堤外相接。1∶6迎水坡为草皮护坡；河宽较小处，迎水坡采用坡比1∶2的混凝土台阶护坡，兼做亲水步道。

3.6景观水面保障措施

赵家岗子河综合治理工程为满足生态、景观等方面的要求，设计风车10套布置在5座滚水坝两岸，利用风能给河道补水，不仅可补充上游河段水量损失，还可以改善滚水坝溢流景观，改善河道水质。风能为洁净的可再生能源，风能补水设备主要由风车、水泵及输水管组成。部分输水管路兼作放空排水管。

4　结语

小型河流的综合治理特点为防洪与景观并［参考文献］

重、防洪与生态建设并重、河流纵向节点可调（实现洪水不出槽）。赵家岗子河综合治理工程与周边的景观和生境向协调，结合植物绿化，综合集成国内外的生态河流治理的理论和经验，提出了中小河流生态治理工程的关键技术：“堤防大缓坡、河道大宽度、水面小比降，河床大糙率，水体低流速，汛期小水深，洪水不出槽；水陆缓冲带，自然景观区，河湖水系连，有堤不见堤”，整合了当前中小河流治理工程技术、河流生态修复与建设技术、河流水生态景观打造与美化技术等领域的研究成果，提出了中小河流生态治理模式。

［1］张晓兰.我国中小河流治理存在的问题及对策［J］.水利发展研究，2005，5（1）：68-70.

［2］王明军，包广来，许月光.中小河流治理与管理问题［J］.黑龙江水利科技，2008，36（1）：125-126.

［3］张振权.山区中小河流治理中水土保持措施和探讨［J］.吉林水利，2007（8）：48-49.

［4］魏恒文.北京市中小河流治理模式探讨［J］.中国水利，2010（4）：34-36，33.

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