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北方地区中小河流生物护岸及固滩新模式及示范研究

2020-06-23张树鹏

水利规划与设计 2020年6期
关键词:丁坝护岸灌木

张树鹏

(沈阳市辽中区农业技术推广与行政执法中心,辽宁 沈阳 110000)

根据近20年辽宁省大水灾害统计数据,中小河流堤防决口数量占堤防漫堤决口总数的95%以上,中小河流造成的灾害损失大于大江大河,在没有大江大河堤防决口的情况下,中小河流的经济损失占80%以上,中小河流已逐渐成为全省防洪减灾体系的薄弱环节,中小河流治理工作是当前河道治理的重中之重[1- 2]。辽宁省内中小河流众多,类型不一,既有分布于山区也有分布于平原,同时还有不少城镇和村屯沿河居于河流保护区内,传统的中小河流治理模式,多采用修堤、护岸、清淤等单一的工程治理措施,没有考虑生态对河道治理的影响,也没有采用针对地形特性、气候特性、流域特性和保护对象特性的整治措施[3- 6]。由于早期技术水平和生态意识较弱的综合影响,大都采用混凝土等硬化材料进行河道治理,使得河流渠化现象较为严重,河流滩地生态格局较小,水生生物群落多样化发展程度较低,河流的生态功能遭受不同程度的影响,较少的生态治理工程将不利于河流人文景观及辐射工程效益的驱动[7- 11]。20世纪中叶,河道生物护岸、固滩技术逐步开始应用[12- 15],但在我国中小河流生态治理中还处于起步阶段,尤其是在北方地区应用还较少,生物护岸、固滩的理论和技术均需要进一步探索。课题研究成果对于北方地区中小河流生态治理技术具有推广和应用价值。

1 生物堤及生物戗台护岸新技术

1.1 技术适用条件分析

生物堤及生物戗台是在河道清淤疏浚的基础上,利用清淤土方结合适合的地形建设土堤或在已有堤防前建设戗台并辅以部分生态措施,达到消化利用清淤土方、提高河岸生态绿化面积并利用生物防洪工程特有的固土和减缓水流流速的作用,保护河道堤岸完整和尽量降低洪水对两岸的水冲沙压破坏。

对于河道淤塞严重以及需要进行河道疏浚的农村段中小河流适合于生物堤及生物戗台的工程建设,对于清淤量较大尤其是山洪易发区的中小河流山区段也具有较好的适用性。

另外生物堤及生物戗台建设不仅可以为清淤土方找到合适去处,改善河道生态环境、提高河道防洪保安效果,在河道管理上还可以将其作为河道边界确认的一种方式发挥明确河道管理边界、提高河道管理效率的作用。

1.2 技术指标及设计型式

生物堤及生物戗台作为河道清理或称清淤疏浚的后处理工程措施,工程建设目的一是确保填筑土体稳固,避免造成二次水土流失;二是改善河流生态环境,从防洪工程角度对其无特殊要求,也无应达到的设计标准,建设规模完全取决于河道清淤土方量的大小,因此其设计应是在河道清理设计的基础上根据地形条件和河道特点选择适宜的工程位置和工程建设型式。

1.2.1河道清理

东部山区为辽宁省山洪灾害频繁的区域,山洪发生后,大量碎石及沙土伴随洪水涌入到山洪沟或较大河流内,由于河流宽度加大,比降减少,水流流速放缓使得碎石和泥沙淤积在河口或者沟口段,使得河道发生阻塞,主河槽被抬高,河道行洪能力降低,使得上游洪水演进难度加大,河道左右岸防洪标准被降低。因此在每次较大洪水过后均需根据河道淤塞情况,对山区河道重点淤积段进行局部疏浚即河道清理。

河道清理沿河纵向范围上下均应至洪水前后河道无明显淤积河段;横向宽度则根据上下游(无明显淤积河段)河道河宽和清理河段历史枯水河宽综合确定,结合河段枯水治导线确定成果确定河道断面清理宽度及位置;河道清理竖向深度应根据汛后实测河道断面及河段设计河底确定,河段设计河底应是在对河段冲淤变化规律有定性认识的基础上,结合上下游汛前汛后河道冲淤较小即较为稳定河段河底高程,根据河道流心(一般山区河流枯水流心线与洪水流心线差别较小)长度确定清淤后河道比降及各断面设计河底高程。为避免清理后河槽边坡失稳,建议河道清理设计两侧边坡不小于1∶3。

河道清理后土方应就近选择堆放在河道两侧岸坎前筑成戗台,并在其上及迎水侧一定范围内(栽种范围视对河道过洪影响确定,但最远不得超过枯水治导线)栽种灌木等做生物戗台;如河道两侧无较高岸坎则应根据上下游有堤段堤距初步确定本河段堤距及规划堤线位置,在规划堤线位置利用河道清理土方填筑具有一定挡水能力的小土堤,然后在土堤堤身及堤防两侧栽种灌木等做生物堤。

1.2.2生物堤及生物戗台平面布置

在河道清理河段附近选择河道开阔、河谷较为发育的区域布置生物堤及生物戗台工程。生物堤位置应根据上下游有堤段堤距、本段河道走势、河道对岸工程情况,并考虑本段河道实际管理范围与管理范围需求、工程征占地以及与上下游工程衔接等问题综合确定;生物戗台由于是在原有岸坎或土堤基础上建设而成,工程选址可适当简化,重点应考虑原有土堤或岸坎与河道整治规划的关系,如河道整治规划中原有土堤与岸坎不是防洪控制线或平面走势待调整,则这一区段不应建设生物戗台,避免与整治规划相冲突。

1.2.3工程型式

生物堤建设可根据河道清理土方与拟建生物堤范围进行初步测算,在土方平衡的基础上设计生物堤断面。由于生物堤建设不是按照正规堤防建设,各项工程指标均有较大差距,因此生物堤建设高度应有一定限制,不可为节省土方运距及占地而无限制的加高造成工程安全隐患,根据初步调查统计,建议生物堤建设高度不大于2m,另外生物堤虽然无堤顶通行要求,但建设时堤顶高度也应有一定控制,或者参照河道比降控制或者按照与地面相对高差控制,避免工程沿线参差不齐,影响工程外观及后期管理。生物堤两侧边坡在根据填筑经验保证边坡渗流、滑动安全的前提下,为了保证生态效果可再适当放缓。生物堤堤顶宽度沿线应基本等宽,具体宽度根据土方平衡测算结果确定。

生物戗台建设与生物堤类似,略有区别的是生物戗台顶高程一般应比其后岸坎或堤防顶高程略低,一则利于明确堤防堤顶范围、便于堤防管理,二则错落有致的结构有利于保水及为植物提供更多关照,有利于生态恢复和植物生长。

生物堤及生物戗台的生态恢复措施主要以栽种灌木和乔木为主,草本植物自然恢复为辅,灌木栽种可以视河道实际情况安排在生物堤及生物戗台之上以及工程两侧,乔木栽种则尽量安排在生物堤堤顶和堤后,生物戗台如栽种乔木则应在戗台顶和其后岸坎之上,生物堤临水堤脚前、生物戗台临水坡脚前尽量不要栽种乔木,一则恐其对河道防洪影响太大,另外这一区域被水机会多,乔木生长也较为困难。

生物工程成活后即能发挥生态效应和一定的固滩效应,但完全发挥功效一般均需要2~3年时间,而在这之间,工程是否被水是整个生物工程能否达到预期效果的关键,因而为了缩短生物工程成型期,提高生物成活率及生物工程建设成功率,一般建议乔木及灌木均采用穴栽(含部分客土)的方式,如具体实施确有困难的,也应保证乔木的穴栽质量,灌木视实际情况可扦插。乔木栽种株行距一般均为2m,灌木栽种株行距不宜大于1m,灌木扦插株行距建议为0.4m。在乔木栽植区可间植灌木,发挥生物立体防护作用。生物堤及生物戗台典型工程建设型式如图1所示。

1.3 工程实施效果对比分析

对四个典型示范区实施了生物堤及生物戗台的生态治理,各典型示范区生态治理前后效果对比如图2所示。

2 短丁坝群结合灌木新技术研究

2.1 技术适用条件分析

对于辽宁东部河流流速较大、河滩高程较高的凹型河岸适合于短丁坝群结合灌木的生态治理型式,应用短丁坝可对河道水势及坡脚进行控制和保护,这种设计治理原理在于应用灌木枝叶以及根系对岸坡进行有效防护。对短丁坝长度适当增加,将护岸灌木种植高度提升到河道最低水位以上并对岸坎进行一定程度的削坡。该生态治理方式可作为辽西和辽北多沙河流疏淤、河道岸坡防护以及河流水生态治理主要的治理型式。

2.2 技术指标及设计型式

工程主要设计要素包括岸坡坡比、短丁坝长度及型式、灌木护坡栽种位置及物种等。

岸坡稳定直接影响工程防护效果和灌木生长效果,因此在计算土坡稳定的基础上需考虑灌木生长的需要,根据经验采用此种工程型式岸坡坡比应不小于1∶3,有条件的工程可考虑1∶5或更缓。

短丁坝在本工程中主要为保护岸坡植被免受河水的直接冲刷破坏,在此基础上则应尽量避免对河势有太大的影响,因此短丁坝坝头一般与岸坡坡脚齐平或略向河里探出1~2m,坝根与岸坡相接。短丁坝坝高视其后岸坎高程而定,如岸坎高度大于设计洪水位,则坝头高可略高于洪水位;如岸坎高差较低,则坝根与岸坎顶高程齐平。短丁坝结构一般为石笼丁坝或抛石加石笼覆盖丁坝,坝顶宽一般为1~2m,上下游边坡一般为1∶1,坝顶纵向应有一定比降(一般为1%~2%,坝头向下倾斜),坝基础及坝头需考虑冲刷及整体稳定要求,设计间距一般为坝长的1~3倍。

灌木护坡栽种可由岸顶起始,岸上视实际情况而定,岸下可至枯水水位线,如河流枯水流量较小,枯水水边远离岸坡,则灌木护岸岸下可至坡脚。灌木护坡现应用较多的树种有紫穗槐、杞柳、连翘、小花石榴等。由于山区河流两侧岸坎也多为砂砾石,不利于植被生长,因此灌木护岸栽种方式多为穴栽,即在岸坡上预先开挖0.5m×0.5m×0.5m的树坑,然后放入选好的1~3年生树苗,再往坑内填入腐殖土浇水压实。灌木栽植株行距均为1.0m。如岸坡土质较好,适合扦插灌木枝条,则灌木枝条扦插株行距均为0.4m。对于高于设计洪水位的岸滩可采用乔木与灌木混合栽种的方式加强固滩效果。乔木栽种株行距均为2m。短丁坝群结合灌木固滩新技术典型工程建设型式如图3所示。

图3 短丁坝群结合灌木固滩新技术典型工程建设型式

目标层A生物护岸、固滩植被选择原则层C抗逆性功能特性培育特性基准层P耐寒耐旱耐瘠薄性抗污性抗热性泛固土性景观特性光防眩培育成本繁殖特性培育技术粗放管理底层D查阅资料或实地调查获得可供选择的多种植物

表2 目标层和原则层判定矩阵计算结果

注:A表示为目标层;C1、C2、C3表示不同的原则层;wij表示为目标层和原则层对应下的权重;wi表示为原则层权重;(DWi)表示为判定权重。

3 基于层次模型的生物护岸、固滩植被优选研究

3.1 植物优选模型原理

由于无法量化植物优选的标准,因此本文主要结合层次分析方法对植物进行优选。主要原理为首先对植物立地生长的因素进行分析,对植物生长影响因子按防护和优选原则进行综合确定,构建植物不同层次的优秀模型,结合判定矩阵对各因子权重和排序进行分析,最终通过植物优选综合指数对各植物进行排序优选。

3.2 层次优选模型建立

选择植物功能、生长以及防护作为原则层,选择对应的12项评价因子进行植物优选层次模型的评价因子,模型结构层次见表1。

3.3 判断矩阵的构建与计算

通过对原则层C评分,构建不同目标层和原则层之间的判断矩阵,结果见表2—5。

表3 原则层C2及对应基准层判定矩阵计算结果

注:P6、P7、P8为对应的12个基准层具体指标。

表4 原则层C3及对应基准层判定矩阵计算结果

表5 原则层C1及对应基准层判定矩阵计算结果

从表2中分析目标层和原则层之间的判定矩阵,可见,植物的功能特性判定矩阵值最大为0.649,培育特性判定值最低,而对于功能特征C2与对应的基准层判定矩阵的计算结果可看出,与P1即植物泛固土性的判定系数最大,为0.735,而与植物的光防眩特征的判定系数最小。从培育特征C3与对应的基准层判定矩阵的计算结果可看出,与植物的繁殖特性判定系数最高,而与培育成本的判定系数最低。从植物抗逆性特征C1与对应的基准层判定矩阵的计算结果可看出,植物的抗逆性特征与耐寒性判定系数最高,这也是北方地区植物选择最为重要的一个指标。其与抗热性判定系数最低,影响权重最小。

3.4 各层次单一排序检验和综合排序

以标度法构建判断矩阵,运用和积法计算排序并进行一致性检验。检验和排序结果见表6—7。

表6 不同层次单一排序下的检验结果

注:为判定矩阵最大值;CI为一致性指标;RI为平均随机一致性指标;CR为一致性比例。

表7 各层次下的综合排序结果

在不同层次单一排序检验中,主要检验一致性比例CR值,若CR值为0,则表述为具有一致性,而若CR小于0.1,则具备满意一致性,从各层次总的排序进行一致性比例CR的计算:

CI总=∑aiCIi=0.238×0.032+0.033+0.110×0.038=0.03

RI=∑aiRIi=0.238×0.580+0.652×1.120+0.110×0.900=0.967

CR总=CI总RI总=0.033/0.967=0.034<0.1

可见总排序各层次下不同评价因子可通过满意一致性的检验。

3.5 植物综合优选度计算结果

在判定矩阵和评价因子一致性检验基础上,结合专家赋分的方法,通过层次分析方法对各指标权重进行计算,对北方地区50余种供选植物进行,部分植物优选结果见表8。

通过对北方地区多种植物进行优选,对于生物护岸、固滩而言,乔木中柽柳的优选综合指数最高,为4.579,柏木的优选综合指数最低,为3.972,而在灌木中紫穗槐的优选综合指数最高,达到4.964,茅莓的优选综合指数最低,为3.164。草本植物中狗牙根的优选综合指数最大,为4.209,草本植物的优选综合指数普遍偏低,这主要是通过这些年的生态治理实践中,灌木和乔木一般为生态治理主要植被,而草本植物应用较少。

4 主要结论

(1)对于河道淤塞严重以及需要进行河道疏浚的农村段中小河流适合于生物堤及生物戗台的工程建设,此外对于清淤量较大的山洪易发区的中小河流也具有较好的适用性。生物堤建设高度不大于2m,另外生物堤虽然无堤顶通行要求,但建设时应参照河道比降控制或者按照与地面相对高差控制。

表8 植物优选度计算结果

(2)对于辽宁东部河流流速较大、河滩高程较高的凹型河岸适合于短丁坝群结合灌木的生态治理型式,短丁坝结构一般为石笼丁坝或抛石加石笼覆盖丁坝,坝顶纵向应有一定比降(一般为1%~2%,坝头向下倾斜),设计间距一般为坝长的1~3倍。

(3)在北方地区生物护岸、固滩的最优乔木为枫杨,最优灌木为紫橞槐。

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