水库消落区的水环境综合治理设计思路初探

黄文虎， 陈 林， 杨昌定

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

水库消落区的水环境综合治理设计思路初探

黄文虎， 陈 林， 杨昌定

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

水库消落区是因库水位周期性涨落而形成的一类特殊环境承载体，具有明显的生态脆弱性和易破坏污染特征。随着我国经济发展质量的不断提高，水生态环境问题越来越受到重视，水库消落区的生态环境问题日益凸显，特别是《水污染防治行动计划》发布后，对水库消落区的水环境综合治理已迫在眉睫。本文在研究国内水库消落区治理措施的基础上，选用瀑布沟水电站汉源消落区综合治理项目为例，通过对消落区的时空分布、坡度、高程和库岸地质等相互关系的综合分析，因地制宜地进行统筹和分部、分区生态景观规划，提出“水库优化调度+高程梯度分级+重点部位景观坝”的综合治理方案，对高山峡谷地区深水库消落区的水环境综合治理具有一定借鉴意义。

消落区； 治理措施； 综合治理设计； 特征； 水环境

0 前 言

随着我国经济和社会的快速发展，水环境污染已严重制约国民经济的可持续发展。为此，近年来国家制定了一系列政策和措施以减轻环境压力，特别是2015年《水污染防治行动计划》发布后，鼓励并支持河道(湖库)水环境综合治理类项目建设，水环境综合治理工程如雨后春笋般兴起。而水库消落区是一个水位冬涨夏落、不同于自然枯洪期水位规律的特殊干湿交替的特殊区域，较一般水环境系统具有明显的反季节特点。受水库特性、库岸条件、地理位置、气候特征和社会经济等因素的影响，水库消落区的水环境综合治理具有明显的个体化特性，为系统开展水库消落区的水环境综合治理规划设计工作带来不小难度。

本文在研究国内消落区水库治理措施的基础上，借鉴三峡水库开县消落区水位调节坝的成功实例，综合分析消落区的时空分布、坡度、高程和库岸地质等相互关系，提出“水库优化调度+高程梯度分级+重点部位景观坝”的综合治理方案。通过因地制宜的统筹和分部、分区生态景观规划，有效改善消落带环境，打造自然协调的滨水景观，据此初步探讨高山峡谷地区深水库消落区的水环境综合治理规划设计思路。

1 水库消落区治理的发展历程与措施

1.1 水库消落区治理发展历程

(1)水库边坡工程治理阶段。一般而言，水库消落区因水位周期性涨落引起库岸地下水动水压力变化，易引发侵蚀、塌岸和滑坡等不良地质现象。对有防护需求的库岸，选用技术可行、经济合理的工程治理措施，同时兼顾工程安全性和耐久性，一般采用干砌石、浆砌石、混凝土、预制块等硬质护岸[1]，材料属于人工刚性结构，未考虑岸坡的生态功能，且外观上比较单调生硬，与周围景观不协调。目前，西南山区水库因库岸地质条件复杂和水文要素限制，大部分水库边坡工程仍采用硬质护岸型式。

(2)生态功能恢复阶段。随着我国水利水电工程的大量建设，特别是三峡电站的建成，库区形成了一个最高水位175 m、最低水位145 m、面积约350 km2的消落区[2]，将产生严重的环境污染和生态破坏。国内外开始高度重视消落区问题，从生态学、水文学、环境水力学等方面开展深入研究，提出以生态功能恢复为导向，采用生物和工程措施相结合的原则，在三峡库区、丹江口、珠海大镜山等水库消落区中开始应用，并取得一定成效。

(3)水环境综合整治阶段。近年来，因水环境问题日益严重，景观生态学理论开始广泛应用于河道整治工程、堤防工程、生态修复工程以及蓄滞洪区建设等水工程规划设计中，不局限于单一水生态的保护与修复[3]，而是着眼于生态景观尺度的整体恢复和塑造，规划设计中融入人文、社会经济、区域(城市)规划、建筑、景观等要素。水库消落区的水环境综合治理目前仍属于起步和探索阶段，比较典型的是千岛湖(新安江水库)旅游综合开发过程中，对其消落带生态湿地的保护和恢复。

1.2 消落区治理措施

(1)植物措施。植物措施是治理消落区最常用的措施，分为自然恢复和人工植物措施[4]。自然恢复形成的生态系统稳定，但周期漫长、容易受自然条件限制。人工生物措施根据植物群落演替规律、气候、淹没深度和成陆期时间等要素，选择具有不同耐淹能力和恢复生长能力的植物，进行人工生态重建。人工生物措施时间短、见效快，但抗灾害能力和适应性差。生物措施普遍缺点是对淹没深度大、成陆时间短的消落带难以处理。

(2)工程措施。常见工程措施按功能分为：库岸整治工程、堤防工程、垫高防护、水位调节坝、旅游景观工程和农业开发工程等[3]。工程措施通常是综合的，两种或多种措施相衔接，且一般与生物措施紧密结合。

(3)动物措施。动物措施目的在于改善水质，防止水体富营养化，主要采用的是水生生物措施，如放养鲢、鳙、鲂等。

2 汉源消落区水环境综合治理设计

2.1 汉源消落区的特征分析

2.1.1 汉源消落区时空分布

瀑布沟水库正常蓄水位850 m，死水位790 m，水库最大消落深度60 m，汉源消落区特指[5]“流沙河大桥下游，左岸库岸约11.5 km，右岸库岸约8.5 km的范围”。消落区总面积788.57 hm2，根据瀑布沟水库的调度规程，其时空分布详见表1。

表1 汉源消落区时空分布

2.1.2 汉源消落区的特点

(1)瀑布沟水库最大消落深度60 m，是三峡水库的2倍，居国内水库消落治理工程之首。

(2)时空分布具备明显的不均匀性，其中，高程835～850 m所占比例为14.18%，高程821～835 m所占比例为32.45%，高程790～821 m所占比例为53.37%。但从分布时间上看，受水库调度制约，高程790～821 m消落时间不足60 d，高程821～835 m消落时间约80 d。[6]

(3)规划区坡度小于15%面积约249.5 hm2，占总面积的48%；坡度在15%～20%之间面积约42.8 hm2，占总面积的8%。坡度在20%～25%之间面积约35.7 hm2，占总面积的7%；坡度大于25%的面积约184.5 hm2，占总面积的36%。

(4)蓄水后生态系统的演变：蓄水初期消落区生态系统逐渐退化，陆地生态系统逐渐向湿地生态系统演变，在历经几个蓄水周期后，消落区生态系统开始自我修复，以“巴根草”为代表的湿地生物在河滩地部位开始生长。

(5)库岸地形地质条件复杂，不良地质现象作用明显，主要有风化、卸荷、岩溶、滑坡、拉裂变形体、塌岸、采空区、冲沟洪流等。

(6)在汉源新县城搬迁和电站库区塌岸综合治理等工程建设中，大量开采河床天然建筑材料和丢弃建筑垃圾，且各类边坡治理、塌岸防护、垫高造地等工程未统筹规划，导致自然形成的消落带与人工治理的工程边坡交错，库岸形态杂乱，生态环境复杂。

2.2 汉源消落区的综合治理设计重点

通过对汉源消落区的时间、空间、坡度和库岸地质条件等因素综合分析，调查汉源消落区在历经6个水位变幅期后的现状，在满足汉源县城城市规划和发展要求的前提下，笔者认为汉源县城消落区这类特殊水环境综合治理设计的重点在于：

(1)通过前文分析，淹没深度15 m以上(高程835 m以下)占整个汉源县城消落区面积的86.7%，且平均成陆时间不足3个月，从国内外研究现状来看，至今未发现能在水下15 m正常生长的植物，一般生物措施难以奏效，解决高消落深度和短消落时间是本工程面临最复杂的难题。

(2)流沙河大桥下游河床消落区(高程825～815 m)，因其出露时间(汉源县旅游旺季)和地理位置(县城门户)的特殊性，故消除流沙河大桥下游裸露河滩地对汉源县城景观的影响是重中之重。

(3)汉源县城搬迁完成后，为适应新的城市发展形势和目标要求，《汉源县县城总体规划(2015—2030)》应势修编发布，提出“建设自然体验突出的旅游城市和山地城市特色鲜明的滨湖山地城市，优先治理和恢复环汉源湖消落带，提升环境和生态效益”等发展目标和战略。因此，契合汉源县城发展目标与定位，是后水库移民时代规划设计必须考虑的重要因素。

2.3 水环境综合治理设计

2.3.1 总体规划设计

针对汉源消落区特点和综合治理面临的关键问题，本文借鉴三峡水库开县消落区成功通过“新建水位调节坝+生态防护林、湿地及多塘系统等多种生态措施结合”的实例，提出汉源县城消落区水环境综合治理设计原则和思路。

(1)确定以高程为梯度对消落区进行分级、因地制宜地进行统筹和分部、分区生态景观规划，工程与生态措施结合的总体原则；

(2)充分论证在流沙河与大渡河交汇口处修建水位调节坝(坝高63.00 m，淹没841 m高程以下消落区)可行性后，确定以“重点部位景观坝+优化水库调度运行方式”减少消落部位和时间；

(3)重点部位重点治理，对严重影响汉源县城景观的流沙河大桥下游河床消落区，考虑利用水位调节坝工程拦蓄作用减少消落区范围，减少消落区的面积，降低水位变幅，并形成湖面景观。

2.3.2 水库优化调度+高程梯度分级+重点部位景观坝

为解决汉源消落区面临的难题，提出以下两个解决方案。

方案一：水位调节坝选址于流沙河与大渡河交汇口处，大坝采用抛填+碾压堆石坝，最大坝高63.00 m，水库运行水位为841.00 m，运行水位以下水库库容1.82亿m3。841 m高程以上采用人工生态治理措施。

方案二：

(1)通过优化水库调度运行方式，减少水库消落时间，将高程821 m以下消落区出露时间控制在1个月以内，其治理方式采用自然修复。

(2)流沙河大桥下游河床经坡度和高程分析，高程主要分布在825～815 m，坡度一般小于1%，具备良好的低水深成湖条件。通过渗流分析，在雍水高度5 m且不做坝基防渗条件下，挡水期径流分析能够满足形成人工湖要求。规划设计2座景观坝，在流沙河大桥下游河床高程820 m和815 m附近选择布置1号、2号景观坝，两坝址相距约600 m，坝型为混凝土溢流坝，以形成高程为820 m和825 m的2级湖面，水域面积约43 hm2，并营造跌水景观。

(3)高程835～850 m出露时间长且自然坡度多数在15%以上，为水陆交替带，且人、社会、环境等交互最为广泛，采用工程和生态措施相结合。

(4)与城市规划衔接，塑造优美自然的堤岸形态，堤内回填垫高以满足城市用地要求。

两方案比较见表2。

表2 消落区综合治理方案比较

通过治理效果、投资和施工组织等方面综合比较两个方案，方案二明显优于方案一。

2.3.3 因地制宜，分部、分区规划

统筹规划流沙河左右岸消落区，在恢复消落带生态环境基础上，提升水景观品质。流沙河左岸重点打造富泉段生态滨河堤坝体系(库岸长约2.0 km)，以此引导周边农家乐等农业生态旅游项目开发，余下段以现状稳定库岸型式为主；流沙河右岸沿湖滨水景观(库岸长约6.0 km)，通过公共步行休闲步道、景观节点和库岸形态等的塑造，形成整体感强而局部宁静自然的水岸景观(见图1)。

2.3.4 竖向设计和植物选择

工程措施结合景观岸线规划，在维持岸坡稳定的基础上，对消落带进行生态化处理，以满足绿化植物生长需要土壤的需求。填方护坡选用预制混凝土块、铰接式护坡块和生态混凝土等生态护坡型式；自然岸坡段采用“生态袋”护坡，利用其透水不透土的特性，有效解决835～850 m带自然岸坡生态退化问题(见图2)。

图1 富泉段滨河景观竖向设计

图2 835～850 m竖向设计

消落区植物选择：因未进行消落带植物选择的试验和研究，消落带生态边坡植物选择采用近年在库区大量繁殖的“巴根草”，并在富泉段消落带景观[7]中应用良好。

3 结 论

(1)瀑布沟水库汉源消落区最大消落深度60 m，消落深度同出露时间和坡度呈明显反比关系，解决高消落深度和短消落时间是工程面临的最复杂难题。本文借鉴三峡水库开县消落区水位调节坝的成功实例，提出“水库优化调度+高程梯度分级+重点部位景观坝”的综合治理方案，对高山峡谷地区的深水库消落区的综合治理具有一定借鉴意义。

(2)消落区的水环境综合治理规划设计是一项系统性工程，融合城市规划、生态景观、水利水电工程等多专业的规划设计理念，因地制宜进行统筹和分部、分区生态景观规划，能够有效地改善消落带环境，并打造自然协调的滨水景观。

(3)对消落区的时空分布、坡度、高程和库岸地质等相互关系的综合分析，以高程为梯度分级，明确人、水、自然环境等要素之间的依赖关系和预期目标，是确定各区间消落带的治理措施关键因素。

[1] 王越.河道不同生态护岸型式的适用性研究[D].武汉：长江商学院，2012.

[2] 刘浩，江小青.三峡工程重庆库区消落区土地整理研究[J]. 水利水电快报, 2007, 28(20): 24.

[3] 朱党生，张建永，廖文根，等.水工程规划设计关键生态指标体系[J]. 水科学进展, 2010, 21(4): 561-565.

[4] 张竞贤.消落区景观生态规划研究——以瀑布沟水库汉源县新县城为例[D].雅安：四川农业大学，2007.

[5] 李枝，耿显双，明宏，等.四川省大渡河瀑布沟水电站汉源、石棉县城消落区综合治理规划报告[R].中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2012.

[6] 吴付华，周静，谢剑明，等.汉源县城滨湖景观湖堤工程初步设计报告[R].中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，2014.

[7] 方草. 汉源湖富泉段滨河景观方案设计[R]. 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2013.

2017- 01- 06

黄文虎(1986-)，男，安徽无为县人，硕士，工程师，从事水利水电工程设计工作。

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