河道环境保护与水土保持设计研究

王 超，张京涛

（1.北京绿都锦绣水务建设有限公司,北京 101200；2.北京洳河污水处理有限公司,北京 101200）

随着城市化进程的加快,人类活动对河流的影响日益显著。大量的土地开发、河道淤积、水污染、水土流失等问题导致了河道生态系统的退化和环境恶化[1-2]。这不仅对水质、土壤和植被等自然资源造成了破坏,也对众多生物物种的生存和繁衍带来了威胁,因此保护河道环境和实施水土保持措施成为当务之急[3]。高山等人以宜兴洑西河为研究对象,采用现场踏勘、座谈和无人机航拍等方法,总结出河道整体上存在岸坡耕种、植物配置单一、河道淤积及富营养化的现象。针对性提出丰富植物配置、定期清淤河道和加强后期抚育管护等建议与对策,以期为生态河道建设中水土保持措施管理和维护提供建议与指导[4]。朱芸等人为明确生态河道建设中面临的水土保持问题,以江苏省生态河道建设工程为研究对象,开展了典型生态河道水土保持措施调查。针对生态河道建设中存在的不重视水土保持方案编制、植物种类选择不合理、河道边坡耕垦现象及面源污染问题突出、文化挖掘和植被多样性以及与环境景观的协调性不足等问题,提出了相应的对策与建议[5]。为符合十里河高山桥至白庙段河道治理需求,本文基于扰动地表土壤流失量,对未来一定时期内的水土流失情况进行预测和评估,从而制定一系列环境保护措施与水土保持措施。十里河环境保护与水土保持设计贡献是降低十里河流域的水土流失总量,提高土地的生产力,进而提高当地农业产值与农业经济水平。创新点主要是通过分析、模拟和预测扰动地表土壤流失量,对未来一定时期内的水土流失情况进行预测和评估。

1 十里河环境保护与水土保持设计研究

1.1 河道环境与水土流失现状

十里河位于大同市西部山区,是御河的一级支流、桑干河的二级支流。其发源于左云县马道头乡辛堡子村,由东南向西北经麻黄头、南八里折向正北,在左云县城转向东北,流经张家场、鹊儿山、石墙框进入大同市区。然后途经高山镇、云冈镇,在马军营乡小站村出山折向东南,最后于马军营乡北村附近汇入御河。干流河道全长89.3 km,总流域面积1277 km2,流域平均宽度为14.6 km,平均纵坡4.4‰。十里河流域属东亚季风气候区,多年平均降水量为381.0 mm,多年平均气温6.5℃,11 月到翌年3 月的月平均气温均在0℃以下；冬季极端最低气温达-29.1℃,夏季极端最高气温38.4℃。由于十里河流域内工业以煤炭开采为主,沿河两岸有数座大型煤矿,大规模的开采及生活垃圾倾倒导致区域内环境破坏严重,且污染物与废水排放也会对空气和水资源造成严重污染,给周边居民的健康和生活质量带来巨大威胁。十里河河道还存在滩地较多,泥沙淤积严重等问题,导致河道行洪排水能力不足,降雨过程中水流难以顺利通过,严重影响两岸耕地及居民的生命财产安全,阻碍当地经济发展,其部分河道现状见图1。

图1 十里河部分河道现状

十里河流域多荒山秃岭,地形支离破碎,植被较差,加之流域内暴雨集中、洪水次数较多,致使水土流失现象较为严重,且土壤侵蚀类型主要以风力侵蚀为主,兼有水力侵蚀,属水蚀风蚀交错区。据最新遥感普查水土流失状况的成果显示,十里河所属城市大同市水土流失面积9793 km2,占全市总面积的69%。其中轻度水土流失面积5073 km2,占总水土流失面积的51.8%。中度水土流失面积3065 km2,占总水土流失面积的31.3%。强烈水土流失面积1058 km2,占总水土流失面积的10.8%。极强烈水土流失面积597 km2,占总水土流失面积的6.1%。基于《山西省土壤侵蚀分区图》与《山西省侵蚀模数分区图》可知,十里河流域水土流失中度,现状土壤侵蚀模数在2500 t/（km2·a）～3000 t/（km2·a）,属于山西省水土保持重点治理区。

1.2 河道环境保护与水土保持设计

为提高河道的行洪排水能力,改善河道周围生态环境,政府通过工程措施对十里河高山桥至白庙段河道进行治理,以完善健全河道的防洪体系,进而实现流域的水土保持与环境保护。在河道的治理工作中,应制定一系列环境保护措施,以减少对河道周围自然环境的损害。环境保护措施主要有以下四点：第一点是合理规划弃土堆放区域,避免选择具有环境敏感性或水土保持风险的区域,此外弃土堆放过程中应采取必要的覆盖措施,以减少扬尘和土壤侵蚀的风险。弃土堆放要合理规划,满足环境和水保的要求。第二点是减少CO、NOX、SO2等有害气体的排放,以保证河道水域的大气环境质量。第三点是加强施工期水质、大气、噪声监测,发现异常及时处理并采取措施。第四点是禁止向河道排放未经处理的污水,禁止在河道两岸堆置生活垃圾及其他废弃物,做好水质保护措施。

水土流失防治责任范围界定原则是河道水土保持设计的前提,其主要内容如下：一是防治责任范围面积计算不能遗漏或重复,规范有特殊规定的按规范要求计算。二是河道治理工程为堤防工程,其开挖的土方集中堆放在指定位置,不计入工程区与临时堆土场区这两个直接影响区。三是直接影响区的范围根据场地地形条件分析确定。依据上述三条界定原则,水土流失防治责任范围边界条件的确定见表1。

表1 水土流失防治责任范围边界条件

河道水土保持设计的另一大前提是水土流失预测。水土流失预测是指通过分析、模拟和预测扰动地表土壤流失量,对未来一定时期内的水土流失情况进行预测和评估,见式（1）。

式中：L、ΔL分别为扰动地表土壤流失量与其新增土壤流失量；i、k分别为预测单元与预测时段；Fi为第i个预测单元的面积；Tik为扰动时段；Mik为扰动后不同预测单元不同预测时段的土壤侵蚀模数；ΔMik为不同单元各时段新增土壤侵蚀模数。

ΔMik的表达见式（2）：

式中：Mi0为扰动前不同预测单元土壤侵蚀模数。

根据《开发建设项目水土保持技术规范》与主体工程施工进度安排,该河道治理工程将水土流失预测时段分为施工期和自然恢复期两个时段,其中施工期包括施工准备期。为更好地预防和控制水土流失,在施工过程中,应对水土流失进行监控,以便了解该项目的水土流失程度、所造成的影响和危害,从而掌握流域的水土流失情况,以便及时发现问题,并提出应对措施,确保水土流失可以被及时、有效地控制。十里河河道水土保持设计主要分为三部分：第一是工程措施设计,该设计是河道两岸堤防与河道疏浚,以调整理顺紊乱的河道、减少河岸坍塌,还可以固土保水、涵养水源,减轻水土流失。第二是植物措施设计,该设计是在工程施工结束后,应及时恢复原有植被,并每3 m～5 m 种植一株树木,以提高植被覆盖率,控制水土流失。第三是临时防护措施设计,该设计主要是为了减少施工过程中对土壤侵蚀和水资源的负面影响,保护环境和水土资源的可持续性,其可通过覆盖使用防尘网或植被等措施减少土壤裸露面积,防止风蚀和水蚀,以此保护土壤的结构和质量。

2 河道环境保护与水土保持效果评价

为验证十里河部分河道环境保护与水土保持效果,首先需计算堤防工程区、弃土场区、施工道路区以及施工生产生活区在施工期与自然恢复期的预测流失总水土量与新增水土流失量,计算结果见表2。

表2 工程建设区水土流失总量与新增水土流失量预测计算

表2 中,工程建设过程可能造成的水土流失预测总量为837.7 t,新增水土流失量为391.7 t,水土流失重点区域为临时堆土区,重点时段为施工期。这是因为临时堆土区是施工期间暂时性的土方运输和堆放区域,很容易成为水土流失的高风险区域。故从水土保持角度分析,应重点关注临时堆土区,工程施工期间需建设固定的构筑物,防止土壤侵蚀和流失。同时还要设置排水沟、槽和渠道,以及合理的斜坡和坡度,以避免水在堆土区集聚和积聚。然后对4 个季度的十里河河道环境保护与水土保持效果进行评价,将未实施环境保护与水土保持措施前的河道作为对照组,见图2。

图2 河道环境保护与水土保持效果评价

图2（a）是四个季度的河道环境保护效果,河道在实施环境保护治理措施前,四个季度的雨洪资源利用率均在60%以下。河道在实施环境保护治理措施后,四个季度的雨洪资源利用率分别提升为70.2%、88.2%、83.2%、75.3%。图2（b）是四个季度的河道水土保持效果,河道在实施水土保持措施之后,各个季度的水土流失率明显下降,由70.2%、83.2%、79.8%、80.1%分别下降至34.3%、44.8%、45.3%以及32.2%。故环境保护措施与水土保持措施可以有效改善河道区域的生态环境,提高雨洪资源利用率,减少下游河道的泥沙淤积,降低区域水土流失率,对当地农业产值与社会经济起着一定的积极作用。

3 结论

基于十里河河道水土流失量预测计算可知,在整个堤防工程施工中,水土流失预测总量为837.7 t,新增水土流失量为391.7 t,水土流失重点区域为临时堆土区,重点时段为施工期。河道实施环境保护措施后四个季度的雨洪资源利用率分别为70.2%、88.2%、83.2%、75.3%,比实施前提高了14.1%、40.0%、35.1%、27.0%。河道实施水土保持措施后四个季度的水土流失率分别为34.3%、44.8%、45.3%以及32.2%,低于实施前的70.2%、83.2%、79.8%、80.1%。故基于水土流失预测计算的环境保护措施与水土保持措施可以有效减少土壤侵蚀和水土流失,保护土壤和水资源。这有助于维护河道生态系统的健康和稳定性,保护植被、野生动物和水生生物的栖息地,维持生态平衡。水土保持措施还能减缓洪水的冲击,降低洪灾风险,减少土地的退化和硬化,改善土壤质量,有利于当地农业生产和土地的可持续利用。