河道砂石坑治理措施与综合利用探讨

2017-04-10潘海琳焦彩虹

水利规划与设计 2017年2期

关键词：沙河砂石植被

潘海琳，焦彩虹

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

河道砂石坑治理措施与综合利用探讨

潘海琳，焦彩虹

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

废弃、裸露的砂石坑对环境及社会发展有着极其恶劣的影响。本文结合密云县沙河治理工程，力求探索一种科学合理、经济可行的砂石坑综合治理思路。同时结合现场实际情况及相关工程，提出了滞洪蓄洪及蓄水回灌综合利用方式，为其它类似工程设计提供参考。

砂石坑；陡坡整治；生态修复；蓄滞洪区；蓄水回灌

北京市平原区位于燕山南麓，由永定河、潮白河、温榆河及拒马河等河流在冲洪积作用下形成，多年来挖沙遗留下众多砂石坑。据2007年现状调查［1］，北京市平原区深度大于 2m，面积大于1000m2的砂坑（包括粘土坑）约有500多个，对大气、水体、土壤、植被、自然景观、公共设施等方面造成了严重的危害。砂石坑表层土壤和植被破坏、消失，极易造成风沙扬尘，影响大气质量；是地下水污染的一个重要潜在威胁；坑内贫瘠的土壤、高陡的边坡等恶劣的自然条件基础使植被难以快速自然生长，生态系统严重恶化；裸露的砂石和消失的绿色植被，与城市其它区域的环境形成很大的反差；坑内砂土裸露，没有任何防护措施，河道内如有洪水经过，势必造成河道内水土流失，破坏河床的自然状态。

沙河位于密云县西南部，属潮白河水系，发源于怀柔区各山沟，在西田各庄镇西沙地村入密云，由西田各庄镇建新村南出密云县境，汇入怀柔区的雁栖河。沙河在密云境内段长约5km［2］，沙河密云境内段流域是密云经济开发区的重要组成部分，是全面落实密云生态涵养发展区的重点区域。近十多年，由于自然及人为原因，沙河河道变化较大，现状河道河底凹凸不平，砂石坑遍布，河道比降变化剧烈，岸坡立陡，堤顶路已无法通行，河道生态系统严重恶化。现状密云段沙河不仅制约了该区域的经济发展，还威胁到了周边居民的安全。为保障沙河安全行洪，保证周边地区工农业及居民安全，给河道两岸村镇建设创造良好的生态环境条件，促进地区经济发展，密云县沙河亟待治理。

1 沙河现状及存在的主要问题

1.1 砂石坑遍布，岸坡坍塌失稳现象严重

近十多年，由于暴雨冲刷及砂石滥盗滥采，河床结构遭到严重破坏，砂石坑遍布，最大砂石坑深达30多m，岸坡立陡，砂石坑段河道占治理长度80%以上，来水极易产生溯源冲刷，影响岸坡稳定。砂石坑土质为砂质土壤，坑内地表物质疏松，坡面没有固土措施，容易造成土壤的侵蚀和风化，并进一步导致风沙扬尘。

河床及河漫滩经多年人工开挖，岸坡变陡，土体易失稳而崩塌，如遇洪水，极易造成溃堤决口，威胁着沿河两岸超过53hm2耕地、林地的安全。河岸坍塌已致使堤顶路无法通行，给河道的日常管理及汛期抗洪抢险带来了极大的不便。失稳的岸坡也成为影响周边居民安全的一个社会不稳定因素。

1.2 河道行洪能力不足

河道砂石盗采的弃料直接堆放在河道主槽，严重堵塞河道，部分河道宽度不足40m，河道行洪能力不足。沙河位于地下漏斗区，由于连年干旱及河道砂卵石的强透水性，河道多年无水，周边居民在河道主槽内种植树木及庄稼，影响了河道的行洪能力。河道两岸居民为了出行及耕作需要，在河道内用砂土搭建了三条漫水路，漫水路占据了河道的行洪空间，影响了河道的行洪安全。

1.3 生态系统严重受损

沙河砂石开采没有采取“边开采，边治理”的模式，所遗留下的砂石坑对其周边的生态系统有着严重的负面影响，最直接的体现就是植被的破坏，造成砂石坑表层土壤和植被基本丧失殆尽，而砂质贫瘠的土壤、高陡的边坡等恶劣的自然条件基础使植被难以快速自然生长，植被恢复困难。从而导致砂石坑周围甚至更大范围内生物多样性减少，生态平衡失调。

河道内黄土或砂石裸露，植被缺失，导致河道蓄水能力退化。近几年连续干旱，天然降水逐渐减少，河道无水，客观上加剧了河道生态环境恶化程度。

2 砂石坑治理措施及利用对策

2.1 陡坡整治，防止堤岸坍塌

结合河道设计行洪断面对河道立陡边坡进行整治，确保堤岸稳定，保证沿河两岸村庄及耕地的安全。根据减少土方填筑量及减少拆迁占地的原则，选择1∶5缓坡、1∶3缓坡和加筋土挡墙护砌三个方案进行比较分析。

（1）方案一：1∶5缓坡方案

根据植被生长需要及稳固沙土要求，采用边坡坡比缓于1∶5的土坡保持岸坡的稳定。坡脚采用铅丝石笼护砌，护砌上覆土利于植物生长。

（2）方案二：1∶3缓坡方案

根据稳固沙土要求，采用边坡比缓于1∶3的土坡保持岸坡的稳定。坡脚采用铅丝石笼护砌，护砌上覆土利于植物生长。

（3）方案三：加筋土挡墙护砌方案

采用加筋土挡墙对砂石坑两岸立陡的边坡进行防护。护砌边坡坡度为1∶0.1；护砌高度以接近设计堤顶为原则，加筋土挡墙顶以上部分采用缓于1∶3的堤坡。护砌高度大于8m设平台一处。

陡坡整治方案选择沙河建新桥上游处典型断面（图1～图3）进行比较。

图1 方案一（1∶5缓坡护砌方案）

图2 方案二（1∶3缓坡护砌方案）

图3 方案三（加筋土挡墙护坡方案）

方案一的优点是投资最少，在项目区内能做到土方平衡，无需外购土，河道蓝线外至河道上口线可种植乔木，河道蓝线范围内可撒播草籽，最大限度的提高河道内植被覆盖度，减少水土流失；缺点是需要对用地绿线与蓝线范围内的现状林地进行更新。

方案二的优点是投资偏少，治理完成后河道内植被覆盖度较好；缺点是项目区内不能做到土方平衡，土方量缺口在100万 m3左右，需要外购大量土方，该方案实施难度大。

方案三的优点是占地少，项目区土方基本能平衡，需外购的土方量少；缺点是投资高，治理完成后河道内植被覆盖度较差，河道景观性及生态环境效益差。

经比较分析，把方案一作为沙河河岸陡坡整治的推荐方案。

2.2 子槽连通，减轻溯源冲刷

沙河砂石坑内砂土裸露，没有任何防护措施，在汛期时，河道内如有洪水经过，在雨洪的冲刷下，势必造成河道内水土流失，破坏河床的自然状态。2013年7月，沙河流域内普降暴雨200mm以上，由于大水峪水库的调洪，沙河河道过洪仅60m3/s，远低于沙河10年一遇洪峰流量425m3/s，洪水行至疃里村南砂石坑处出现了严重溯源冲刷，最深冲刷沟深达6m，如图4所示。

图4 溯源冲刷现场

由于沙河河道内砂坑遍布，坑多且深，回填至规划河底高程所缺土方量在400万m3左右，砂石坑段回填至规划河底高程实施难度较大。河道部分河段现状河底高程高于规划河底高程，且前后均为大砂石坑，为防止水流溯源冲刷导致岸坡失稳，结合河道纵断布置，该段河道疏挖至规划河底高程后在河道内设置子槽过小流量来水，使上下游砂石坑水位同步升高，如遇大流量洪水，能有效地减轻大流量洪水产生的溯源冲刷。

在子槽段河道设置堆石进行防冲防护，堆石护砌以防护主堤堤脚为主，紧邻铅丝石笼护砌（或相应的坡脚位置）布设，允许子槽适度冲刷。子槽设置见图5。

2.3 生态修复，恢复自然生境

沙河河道及砂石坑经整治后，在满足防洪、排涝等河道基本功能的基础上，综合运用水利工程学、环境工程学、生态工程学和景观园林工程学的方法和技术，遵循“近自然恢复”的原则，通过人工修复、人工干预措施促进河道生态系统修复，恢复河道的自然生态环境，构建健康、完整、稳定的河流生态系统［3］。

河流生态修复技术主要表现为实现河流流动方向的纵向连通、侧向漫溢方向的横向连通、垂向渗透方向的竖向连通［4］。

（1）为了避免割断河道的纵向连通性，避免增设横向的跨河闸、坝等建筑物。河道纵向上不设置任何跨河闸、坝等建筑物，并通过设置子槽，保证沙河河道在纵向贯通。

（2）横向连通性是指河流生态要素在河流侧向漫溢方向的空间连通程度，主要体现在护岸的处理做法。本工程就地取材，采用覆土石笼护岸，土质较好处河道边坡，可直接于坡面种植植物，进行自然植被恢复；必要处土壤基质改良后按照草灌乔的演替顺序依次进行植物配置，利用适应砂石坑地区土质、气候条件的本土植物进行生态修复，发挥野草、乔木的生态效益。设计前期引种成活率高、成本低、经济效益好的植株品种，之后由植被在自然作用下自由发展，形成荒野型植被，任其自然生长，尽量避免人类活动的干扰。

（3）竖向连通性用以表征地表水与地下水的连通程度，反映河流基底受人为干扰的程度，一般以河道渗透量来表示。本工程避免设置减渗措施，保持河道的自然渗透性，保证河道的竖向连通性，利用砂质河床蓄水回灌，涵养地下水源。

2.4 滞洪蓄洪，减轻防洪压力

利用河道附近砂石坑滞蓄洪水，可有效削减河道洪峰流量，发生大洪水时可以减少洪水下泄，减轻下游地区防洪排水压力，为流域防洪起到积极的作用。平时的中小洪水滞蓄后可回灌地下水，改善地区生态环境。

在沙河牤牛河分水口外侧有一块三角地带，约27.5hm2，现状砂石坑遍布，可作为蓄滞洪区。蓄滞洪区位于沙河京密引水渠分流堰下游，沙河牤牛河左岸，河道左岸无河堤，与现有的砂石坑蓄洪区连通。

图5 河道子槽段横断图

沙河牤牛河蓄洪区坑底高程为50m，蓄洪区出口处下游河道河底高程为53m。考虑沙河牤牛河流域属砂土地区，来水下渗较快，平时河道内无基流，发生洪水时可认为蓄洪区空库迎汛。起调水位50.0m情况下，10年、20年一遇洪水出流量分别减少为160、248m3/s，洪峰流量分别削减26%、 11%；起调水位53.0m情况下，洪水削峰作用有所减少，10年、20年一遇洪峰流量分别削减 16%、7%。调洪成果见表1。

表1 拟建沙河牤牛河蓄洪区调洪成果

从表1可看出，沙河蓄滞洪区滞蓄效果明显，对干流洪峰有明显的消减作用，减轻下游地区的防洪压力效果明显。同时，雨洪经过滞蓄后，能有效改善当地的生态环境，缓解当地地下水的紧缺状况。

2.5 蓄水回灌，涵养地下水源

潮白河地下水库位于潮白河冲积扇中上部，面积约400km2，调蓄库容量约为25亿m3。潮白河地下水库库区分布着多个市级大型水源地和区县级水源地，总开采量约 3亿 m3。1999～2010年，库区地下水严重超采，地下水位平均下降25m，最大埋深达45m［5］。

密云沙河段位于潮白河地下水库范围内，是潮白河地下水库库区具备回灌能力的河道之一，属于密怀顺地下回灌区，据现场调查和搜集的已有回灌试验成果，沙河密云段回灌能力初期能够达到8m3/s，具有良好的地下水回灌条件。南水北调来水调入密云水库调蓄工程团城湖～怀柔水库调水规模20m3/s，怀柔水库～密云水库调水规模10m3/s。在保证向密云水库调水规模10m3/s，满足密云水库补偿调节功能的前提下，南水北调来水调入密云水库调蓄工程在本段河道预留了分水口，沙河补水预留分水口位于京密引水渠左岸，沙河左岸，分水口分水规模按照4m3/s考虑［6］。

沙河内砂石坑经过整治后，增大了河道的入渗面积，为蓄水回灌地下提供了良好的条件。为利用南水北调初期多余来水回补地下水库，高效利用南水北调水，增加首都水资源战略储备提供了前期条件。蓄水回灌涵养地下水，能有效遏制地下水位下降趋势，提高城乡供水安全保证率；能改善地表地下水环境，修复河流水陆生态系统，提高河流生态服务功能价值；能促进宜居城市建设，形成地表、地下联动储备水资源格局。