生态水利规划对水环境产生的积极影响

张连刚，谢 宇

(浙江清源工程技术有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

生态水利科学规划是生态水利工程活动得以正常开展的重要前提，也是生态水利工程各项功能得以有效发挥的基本保障。在生态水利规划中，需考虑到现场水文资源条件，采取技术优化措施，竭力减小水利工程建设对水文环境的破坏，展现出生态水利规划的生态环境效益和经济效益。

1 生态水利规划的重要性

社会经济持续发展，居民收入提高，生活水平得以改善，与此同时对生活质量有更高的要求。从自然环境的角度来看，水资源属于自然环境的重要部分，与居民的日常生活息息相关，为居民提供高品质的供水服务以及改善水环境均极为重要。即便我国水资源储量丰富，但人均水资源有限，存在水资源供应短缺的问题，准确认清现状并积极探索提高水资源利用水平、保障水资源品质的措施势在必行。在业内人士的持续探索下，相继在河流海域建成水利工程，能够有效优化水资源、提高开发水平。在肯定现有水利工程应用效果的同时，也需认识到水利工程存在的各类问题，其中生态水利规划缺乏科学性则颇为明显，此状况下水利工程的经济效益难以得到有效的提升，甚至破坏当地的生态环境，不利于生态环境、社会经济的可持续发展。由此可见，在水利工程开展过程中妥善做好生态水利规划设计工作极具重要性，例如根据工程所在地区的生态环境和水文条件进行针对性的规划设计，发挥出水资源的利用价值以及实现对水环境的全面防护。

2 生态水利规划的基本原则

2.1 生态系统自我恢复原则

生态系统具有自组织功能的特点，其机理在于自然选择物种，以保证物种与所在区域的生态系统呈协调关系，其在面对自然选择时能够主动找寻适应于自身发展需求的环境，以保证健康地发展。优质的生态环境能够为种群繁殖提供支持，为其提供能源条件和自然环境。自组织功能原理与达尔文进化论有相似性，主要区别在于两者的研究尺度不同。其中，地球生物圈的种群属于进化论研究的重点考虑对象，而生态系统种群间产生自组织功能，在自组织的作用下，自然界能够以适应性的要求进行物种的挑选，选择适宜在特定区域生态环境中生存的物种。

2.2 整体性和生态性原则

生态水利规划需考虑到水利系统整体性的原则，其中水利系统要依托科学的规划设计手段有效实现工程蓄水、发电、灌溉等功能，生态性则考虑的是河流生态系统的结构需要足够完善，同时具备在特殊生态环境中的自我修复能力。为进一步强调生态性，还需加强对水位、流量等多方面的观察与调节。

2.3 景观性原则

生态水利规划在保证生态功能正常实现的同时还需考虑到景观特色的打造，即遵循景观性原则，以优质的生态水利系统为载体，开发具有地方特色的旅游项目，拓宽生态水利工程的创收途径[1]。

3 工程实例

某地护城河总长13.07km，深度5.0～14.4m，河底宽度14.7～21.1m，上口宽度29.4～46.2m，横断面呈梯形，兼具排水泄洪、蓄积雨水的功能。由于城市的发展，基础设施建设、工业生产等活动均在不同程度上对护城河生态环境造成污染。出于对环境品质的考虑，该市自2021年开始推进护城河改造工程，经不懈努力后在水质改善、景观塑造等方面均取得优异的成果，但仍有诸多问题有待解决，例如岸坡植被稀疏、河道硬化力度过大、亲水平台缺乏亲水性。鉴于此，本文立足该护城河现状，以生态环保的基本理念为引导，提出河道栅格结构改造方案，具体做如下分析。

3.1 生态河道栅格结构规划设计

3.1.1护岸结构设计

河道护岸改进为绿滨垫型护岸，垂直防护高度3.66m，护岸迎水面岸坡坡度1∶2，坡长7.7m，坡脚用固滨笼护砌。护岸顶部压顶宽度0.6m，栽种榆叶梅、垂柳等适应于当地自然环境同时具有景观价值的树木，借助护岸顶部空间绿化的设计手法提升综合设计效果。树木间距按1.5m控制，树高稳定在2.0～2.5m，视树木生长状态定期修剪至该高度控制区间内。在绿滨垫块石上平铺30cm厚的生态袋，为予以固定，用石笼网兜住。生态袋中有草籽，在布设到位后的一段时间开始生长，起到固土和绿化的作用。绿滨垫下方依次规划砂砾垫层、无纺土工布。护岸存在回填作业要求，采取逐层回填、夯实的方法，使回填部位稳定可靠。格宾石笼的填充物采用抗压强度、天然密度等指标均合理的块石，具体要求如见表1。基于前述思路，确定“绿滨垫+固滨笼”的综合型河道护岸结构设计方案，具有提升护岸防洪性能的作用。

表1 格宾石笼填充物的性能要求

3.1.2网箱挡土墙设计

河道的岸坡坡度>1∶1.5时宜设置挡土墙，根据结构形式的不同分为多种类型，常见的是网箱挡土墙、背墙挡土墙等。在本工程的河道栅格结构中，采用的是网箱挡土墙。

在距护城河上游边界3.0m处和距护城河下游5.5m处分别设置网箱挡土墙的上游扶壁、下游扶壁，伸入河岸部分至少达到4.0m。网箱挡土墙的基础埋深视护城河的水位变化特点而定，需满足基础部分位于最大冲刷深度以下的要求。河水对护城河弯曲段的冲刷作用较强，出于安全防护考虑，在网箱挡土墙设计中增设网垫护坦。精心挑选网箱挡土墙的填料，以期利用优质的填料建设挡土性能和透水性能均良好的网箱挡土墙。经分析，认为粒径为10～30cm的碎石和2～3cm的细砂是网箱挡土墙的可行填料[2]。

网箱挡土墙设计充分考虑到土压力(K)，此指标的计算方法如下：

(1)

式中，q—地表均匀荷载，KN/m2；γ—填土重量，kg；H—挡土墙高度，m；α—墙背与水平面的夹角(°)；β—填土表面与水平面的夹角(°)。网箱挡土墙在受力性能不足时有失稳、受损的可能，为保证网箱挡土墙的稳定性，要求其能够承受的土压力超过使用过程中的实际压力。

3.1.3生态格网设计

(1)设计2种规格的生态格网，即以直径2.5～3.0mm的钢丝为原材料组成网孔60mm×100mm的生态格网和以直径3.5～4.0mm的钢丝为原材料组成网孔100mm×150mm的生态格网。钢丝绕芯轴缠绕5圈，用尖针刮擦镀层，以免出现生态格网脱落、开裂的问题。

(2)填石选材方面，要求粒径小于网目的石料不超过总量的10%，石料填筑到位后，向产生的缝隙间填入砂砾。所有填料均布置到位后，要求外露的石料保持平整。

(3)精心设计滤层的土工布，选材方面，考虑的是易渗透、耐冲磨的无纺土工织物。

(4)沿垂直方向以40cm的间距依次设水平拉筋，布设后从外部开始张拉，逐步转向内部，使拉筋保持张紧的状态，确保在河水冲刷作用下内部的土石料仍维持稳定[3]。

3.1.4清淤河段设计

护城河部分河段的河底淤泥堆积明显，水流平缓，洪水排泄难度大，为此组织清淤拓宽设计。为保证清淤拓宽效果，将清淤宽度设计为100～280m。经过清淤拓宽后，改善河水流速偏慢的现状，借助相对较快流速的水流冲刷河底泥沙，减少河底淤积量。清淤河段设计遵循资源利用价值最大化的原则，将开挖产生的土方用于护岸砌筑，多余部分转至周边的坑塘，发挥出此类土方保护岸滩的作用。

4 生态河道栅格设计对水环境产生的积极影响

4.1 溢水堰结构设计产生的影响

改造前，护城河采用的是梯形型式的溢水堰，高、低水位的落差超过2m。旱季雨水偏少，水经由溢水堰底部排水孔流出；遇降雨且尤其是连续强降雨时，水流漫过溢水堰。既有梯形型式溢水堰的水位可控向差，不利于堰坝顶部植被的生长。针对该状况，不再采用梯形直立的溢水堰，经优化设计后改进为斜面栅格形式，同时填充砂石和生态袋。雨季来临前，河流水漫过溢水堰的斜面，对水生植物的生长有益，同时还展现出良好的景观绿化价值；得益于斜面栅格蓄水能力较强的特点，即便在旱季也依然可满足水生植物的生长需要。因此，该溢水堰改造方式兼具生态效益和景观效益。改造后的结构断面，如图1所示。

图1 河道堰坝纵向断面示意图

4.2 亲水平台和堤岸结构设计产生的影响

护城河的原亲水平台采用直接临水设计，为直立式砌墙结构，缺乏建筑美学价值，在视觉上给人以生硬感和突兀感。对原直立式砌墙结构加以改造，采用的是斜面栅格结构，在近水面以上、人行道以外的区域均匀分布斜面栅格，发挥出此结构的空间联动作用，实现河面、河道及沿河步行道在空间上的连接。栅格内填充生态袋，种植草本植物或灌木，利用植物进行蓄水保土、绿化河岸。亲水平台的栅格结构设计兼顾周边环境，例如与岸边深层土质相联系，此设计方式有如下效果：旱季降雨量少，亲水植物从深层土壤吸收水分，避免因水分供应不足而出现异常生长的情况；进入雨季，降雨量增加，河流水经由格栅进入深层土层，作为地下水的水源补给。在采用斜面格栅式的亲水平台设计方式后，消除原结构的生硬感，营造良好的河岸景观，同时也能够保证亲水植物的良好生长。河道堤岸横断面，如图2所示(亲水平台以下的部分)。

图2 亲水平台以下河道堤岸横断面示意图

护城河堤岸的砖砌结构具有疏导水流的作用，但此类结构严重影响堤岸的景观。在对现有护城河堤岸进行生态规划时，充分考虑到功能适用性、生态效益、观赏价值多方面的要求。在该思路下，采取的是小孔径空隙栅格化的设计方法，思路是用钻机在堤岸坡面钻孔径2cm、孔深1.0～1.2m、孔距30cm、排距50cm的孔，形成一系列均匀分布的孔；向孔内填入草籽，使其生长，或根据现场环境种植合适类型的花卉。经过对现有护城河堤岸的改造后，堤岸对旱季低水位、雨季高水位的适应性均较好，结构形式更加合理，绿化水平得以提高，兼具生态效益和观赏价值。

4.3 河道结构设计产生的影响

护城河的原河道采用矩形隔水凹槽式结构，施工材料以混凝土为主，由于此类材料的防渗性能较好，产生分隔作用，从而独立河道的内、外部环境，在此空间分隔状态下，河道属于独立的储水系统。从可行性的角度来看，原设计方案的不足在于易引起河道底部淤积问题，同时在一定程度上破坏河流水生态的稳定性，最为直观的表现则是河道的水质变差。鉴于矩形隔水凹槽结构的不适性，在生态水利规划时针对既有的矩形隔水凹槽式结构进行改造设计，要点如下：

为河道设计栅格结构的箱状构筑物，修筑位置规划在河床的底部、临近两岸亲水平台的位置。以河道两岸为中心，向外延伸布置，直至所处位置到达挡土墙为止。规划的构筑物在高度上存在差异，通过高差的设计手法形成错落分布的视觉观感，同时也能够清晰地对箱状空间进行分隔，形成多个深浅不一的细分箱状空间。在该结构设计方法的基础上，于规划出的箱状空间内填筑砂石，同时考虑各部位的水位高度，种植适宜的水生植物。例如，距堤岸较远的深水区，以金鱼藻、黑藻等沉水植物为主；距离堤岸较近的浅水区，以菖蒲、荷花等挺水植物为主。通过多种水生植物的联合种植，一方面美化河道，利用植物增强景观价值；另一方面提供可满足水生动物栖息的场所，从而保证水生动物的良好生存，对改善河道生态系统有一定的作用[4]。规划设计后的生态河道，如图3所示。

图3 生态河道平面示意图

对于硬质河床，以生态理念为指导进行改造，不再采用原硬质河床的结构形式，取而代之的是栅格结构形式。为提高硬质河床的改造效果，在设计栅格结构的基础上还充分考虑到现场环境特点，例如河水的水质、河水流速等因素，据此灵活优化栅格的规格。之所以注重栅格规格的针对性设计，原因在于合适规格的栅格能够起到阻水作用，但禁止出现盲目增加栅格规格的行为，否则将由于栅格的不合理设置而放慢护城河的水流速度，又因水流速度较慢而使水中泥沙无法被水流带走，随着时间的推移，引起愈发明显的河道沉积现象，最终的改造效果偏离预期。经过周全的考虑后，将河道两侧栅格的规格设计为2m，具体可根据实际条件适当调整。按前述提及的思路设计河道栅格后，能够取得良好的阻水效果

5 结语

综上所述，随着近年来人们对环境保护的重视，生态化水利规划已经成为水利工程建设的重要因素。积极有效的生态水利规划，对水文环境有着重要的影响作用。经过本文的分析，提出生态水利规划的具体策略，明确生态水利规划对水环境产生的积极影响，认为生态水利规划是现代水利工程中必须妥善落实到位的一项工作。同时，建议相关人员高度重视生态水利规划，结合现有水环境做针对性的规划设计，以提高生态水利规划水平，降低生态水利规划对水文环境的破坏以及水域周围生态环境的影响，对生态水利工程的建设有着一定的积极意义。