生态技术在永定河生态修复工程中的应用研究

　　【摘要】随着我国城镇化及工业化的不断推进，对河流的索取增加，使河流中生物生长环境及自然生态遭到破坏。因此，采取先进的生态技术措施对河道生态系统进行修复迫在眉睫。本文重点阐述了生态护坡、生态型跌水、生态减防（渗）等技术在河道生态修复工程中的应用及效果，并提出了几点要注意的问题，旨在加强与同行的沟通交流，为今后河道生态建设提供借鉴。 　　【关键词】生态护坡；跌水；减（防）渗；冲刷 　　水是一切生命的源泉，是人类生活和生产活动中必不可少的物质。在人类社会的生存和发展中，需要不断地适应、利用、改造和保护水环境。水利事业随着社会生产力的发展而不断发展，并成为人类社会文明和经济发展的重要支柱。但由于传统水利由于更注重功能性的一面，而忽视了对自然生态环境的影响。随着我国经济的飞速发展，城镇化及工业化的不断推进，对河流的索取增加，使河流中生物生长环境及自然生态遭到破坏。 　　上世纪80年代以来，北京一直水资源紧缺，为了满足城市用水，三家店以上永定河水几乎全部引入市区，使三家店以下70多公里的河道长年断流，河道两边土地沙化，近些年永定河沙石采盗，致使河道内沟壑遍布，河床裸露，每到冬春季节，西北风顺河道而下，京城顿时风沙弥漫。由于根本无水补给永定河，加上人口剧增及工业用水等，严重超采地下水，北京西部地区第四纪地下水已经全部枯干，永定河的生态系统已经受到严重破坏。因此，采取生态技术措施对河道生态系统进行修复迫在眉睫。 　　本文以北京市永定河山区河道生态修复工程为例，通过采取先进的生态技术及材料，如生态护坡、生态型跌水、生态减防（渗）等，达到恢复河道生态系统的目的。 　　1、永定河山区河道生态修复工程概况 　　永定河古称浑河、无定河，是北京地区最大河流，海河五大支流之一。永定河发源于山西省宁武县管涔山，流经内蒙古、河北，经北京转入河北，在天津汇于海河至塘沽注入渤海。上游黄土高原森林覆盖率低，水土流失严重，河水混浊，泥沙淤积，日久形成地上河。河床经常变动。善淤、善决、善徙的特征与黄河相似，故有「小黄河」和「浑河」之称。因迁徙无常，又称无定河。直到清康熙三十七年（1698），进一步疏浚河道，加固岸堤，将无定河改名为永定河。1954年建成蓄水22亿多立方米的官厅水库，才基本控制了上游洪水。二十世纪七十年代以来，随着全球气候变化，永定河流域持续多年干旱少雨，下游常年处于断流状态。1985 年永定河被国务院列入全国四大防汛重点江河之一。 　　永定河流域山区河道生态修复工程由干流生态修复工程、支流清水河生态修复工程和北部新城（军庄）生态修复工程三部分组成。妙峰山段是永定河干流河道生态修复工程的重点河段之一，位于北京市门头沟区下苇甸电站到军庄之间（桩号Y70+610～Y83+200），总长12.59km。妙峰山段的主要来水为下苇甸电站的尾水，每隔30天左右来水一次，流量为38m3/s。由于该段河道来水较少且渗漏严重，大部分时间处于断流状态，水土流失现象严重。 　　为了解决永定河妙峰山段长年断流引起的河床裸露、两岸土地沙化、生态系统严重破坏等问题，拟采用生态技术措施对河道进行生态修复，恢复永定河生态系统，使之达到有水则清，无水则绿的治理效果。为了实现永定河生态恢复的目的，工程中主要采用了多孔植物生长砖、生态墙壁砖、生态鱼巢砖和生态石笼网等新型生态材料对河岸进行了护砌，为了解决生态恢复所必须的水资源问题，在河道内新建了多处生态石笼网缓坡跌水蓄积来水，另由于永定河河底基本为卵砾石层，透水性较强，对蓄水区采取了压实壤土和复合土工膜相结合的减（防）渗措施。 　　2、生态护坡 　　本工程采用生态鱼巢砖+生态墙壁砖+植物生长砖组合的方式对妙峰山段河道进行生态护坡，通过建立河岸生态防护结构，以稳定河岸，并进一步改善永定河水质。 　　2.1材料特性 　　植物生长砖：使用一定粒径（5～31.5mm）的击碎骨料和高强度水泥为主要材料与混凝土外加剂搅拌，经二次振动加压成型工艺制成的无砂混凝土制品，植物根系可透过砖体植生于土壤。主要用于水利工程护坡。 　　生态鱼巢砖：使用一定粒径（5～10mm）的击碎骨料和高强度水泥为主要材料与混凝土外加剂搅拌经二次震动加压成型工艺制成的无砂混凝土制品，具有一般鱼类栖息的空间，为不规则六边形。主要用于水利工程护坡、护脚。 　　生态墙壁砖：使用一定粒径（5～10mm）的击碎骨料和高强水泥为主要材料与混凝土外加剂搅拌经二次震动加压成型工艺制成的无砂混凝土制品，种植孔内可种植花草等，砌筑后形成挡墙，为不规则六边形。可用于公路、市政园林、水利工程等护坡和护脚。 　　2.2设计方案 　　根据现场情况边坡护砌由现状河底高程开始，护砌坡度基本维持现状边坡的坡度。常水位以下采用生态鱼巢砖和墙壁砖，常水位以上采用多孔植物生长砖，对护坡基础开挖后，砌筑浆砌石基础，断面尺寸为600×500mm，其上码放两层生态鱼巢砖（500×500×200mm），坡度为1：1，之上再码放两至四层（视地形及常水位而定）生态墙壁砖（500×500×200mm），坡度为1：1，最后在顶层墙壁砖后边坡上铺设多孔植物生长砖（500×500×100mm），坡度不陡于1：2。生态砖与土坡之间设置200g/m2的土工无纺布一层，坡顶设500×100mm混凝土压顶一道。墙壁砖内和多孔植物砖上覆种植土，鱼巢砖给鱼类产卵提供所需场所，墙壁砖内种植水生植物，净化水质和美化环境，植物生长砖坡面播撒草籽使边坡自然绿化，岸顶根据景观需要栽种行道树。护坡断面设计见图1-1。 　　图1-1 生态护坡断面示意图 　　通过生态鱼巢砖、墙壁砖和植物生长砖等不同组合进行岸坡护砌，有效形成了河川生态链和陆地生态链，为自然生态复原提供了通道，同时也形成治水和亲环境能力的新概念型河川护岸。 　　3、生态石笼网跌水设计 　　妙峰山生态修复工程位于下苇甸电站到军庄之间，沿途经过下苇甸村、丁家滩村和陈家庄等，河道沿线有G109国道和S209省道，也是人类活动相对频繁地区。该区间主要来水为下苇甸电站的尾水。由于该段河道只有脉冲来水，其余时间基本断流，为增强该河段的生态特性，改善河道的整体生态环境，只有采取措施，蓄积现有的电站尾水，才能给生态系统修复提供保障。 　　本工程在河道内设置连续跌水，形成梯级连续水面，为了不影响河道行洪，经防洪演算，确定每级跌水高为1m，总蓄水容量为26.2万m3。为满足河道生态建设需要，跌水采用生态石笼网结构，复合土工膜防渗心墙，下游坡面设计为台阶式缓坡型式。 　　生态石笼网结构作为新工艺、新技术、新材料的新型生态格网结构，成功地应用于水利工程、公路、铁路工程、堤防的保护工程中。较好地实现了工程结构与生态环境的有机结合。同时与一些传统刚性结构比较起来有其自身的优点，因此在世界范围内已经成为保护河床、治理滑坡、防治泥石流、防止落石、兼顾环境保护的首选结构型式。 　　生态石笼网是将抗腐耐磨高强的低碳高镀锌钢丝或5%～10%铝锌稀合金镀层钢丝（或同质包覆聚合物钢丝）由机械双线绞合编织成多绞状、六边形网目的新技术网片。石笼网可根据工程设计要求组装成箱笼，并装入块石等填充料后连接成一体，其适用于高流速、冲蚀严重，岸坡渗水多之河岸。石笼属柔性结构，对于不均匀沉陷自我调整性佳。岸面多孔性，石材间之缝隙利于动物栖息，植物生长，水面线以上石笼面可利用客土袋植生绿化，符合生态并满足安全要求。生态石笼网结构具有经济、施工便捷、可就地取材，填放土壤、碎石及天然级配砂石等优点，可迅速构成挡土或挡水结构体。 　　为了形成连续水面，根据河道纵坡本工程设计了29道跌水。跌水采用生态石笼缓坡结构，上游边坡为1：1，下游为阶梯状，跌水高出河底1m，上游设1.4m深齿墙。跌水内部设置复合土工膜防渗心墙，心墙上下游堆砌铅丝石笼，石笼内部填充卵砾石。跌水下游护底长10～15m，起消能和防冲作用。跌水结构详见图1-2。 　　图1-2 生态石笼网跌水断面示意图 　　为此，中国水利水电科学研究院对本工程跌水处河道抗冲能力进行了研究分析，建立垂向二维数学模型，计算流量为38m3/s时，典型河段上1m高跌水前后不同断面处的流速分布，判断河底卵砾石覆盖层冲刷的可能性。利用垂向二维数学模型，中国水利水电科学研究院研究了跌水附近水流沿水流方向和水深方向的流速分布规律。结果表明，跌水上游水流流速沿程降低，底层流速低于表层流速，流速沿水深变化平缓。跌水下游存在一个10～15m左右的高速区，高速区内底层流速仍低于表层，但底部低流速区较小，中表层高速区较大。下游距离跌水较远处，流速分布受跌水影响较小，流速基本恢复为明渠流速分布，表层流速大于底层流速。 　　从冲刷破坏的角度，跌水前水流较为均匀，且流速较低，选择2.5～4cm粒径范围的卵砾石作为覆盖层即可满足抗冲要求；跌水后10～15m范围内水流底部流速较高，易于发生冲刷破坏，设计中在该区域加设铅丝石笼护底；高速区后流速逐渐降低，根据河道的坡度与地形特点铺设粒径为4～6cm的卵砾石。 　　4、河道减（防）渗及冲刷设计 　　蓄水区虽然有电站尾水补给，但现状河道河底基本为卵砾石层，透水性较强，渗漏严重，电站放水时间间隔较长，所以每次电站放水，尾水均从该段河道匆匆而过，入渗、蒸发后流失，彻底改变了河道生态系统的平衡，再加上人为的偷砂取土，造成河道长年砂石裸露，植被稀少，该段河道内存在7处废弃采砂坑，与门头沟生态涵养区的定位很不相称。 　　为达到形成连续水面的目的，通过跌水蓄积现有电站尾水的同时，要克服渗漏和蒸发等问题，逐渐修复河道生态系统，减少河道内水土流失，形成自然和谐的山水风景。因此，采取有效的减（防）渗措施是十分必要的。本工程水面面积为34.2万m2，减（防）渗面积为37.6万m2，采用“土/膜”减（防）渗方案解决河道渗漏问题。 　　“土/膜”即为1/2压实壤土减渗+1/2复合土工膜防渗相结合的减（防）渗方式。具体方案为：在每两道跌水之间以中心线为界，上游段采用压实壤土减渗，下游段采用复合土工膜防渗，并做好两种减（防）渗方式的搭接处理。压实壤土减渗层自各段上游跌水至中点位置，经渗流计算，确定减渗层厚度由40cm至60cm渐变；复合土工膜防渗层自各段中点至下游跌水位置，采用二布一膜形式。河床表层铺设30cm厚的天然卵砾石防冲。河道减（防）渗设计见图1-3。 　　此方案充分结合了压实壤土减渗和复合土工膜防渗各自的优势，在蓄水区水位较高时，通过压实壤土减渗，既可满足渗漏要求又补充了地下水，并改善了生态环境，当蓄水区水位较低时，通过复合土工膜防渗，保证了必要的景观水面和生态用水。 　　为了达到生态修复的目的，恢复河道的自然景观，需保护土/膜减（防）渗设施不被冲刷破坏，设计时考虑在河床表层即土/膜减（防）渗层上铺设30cm厚的天然卵砾石，同时需保证当下苇甸电站泄流时，30cm厚卵砾石覆盖层不被水流冲刷，这也是永定河流域山区河道生态修复工程减（防）渗方案成败的关键问题。为此中国水利水电科学研究院对永定河山区河段生态治理工程河道抗冲刷能力进行了分析，主要研究内容为：①选取平均粒径为25mm、50mm、75mm的卵砾石进行起动流速试验，提出不同粒径卵砾石的起动流速。②建立平面二维数学模型，计算流量为38m3/s时，设计河段内水流的流速分布。根据流速分布，判断不同河段上卵砾石冲刷的可能性。 　　研究结论如下：在河床的缓坡段、跌水坝前等大部分区域，回填最小粒径为2.5～4cm的卵砾石作为覆盖层可以满足河道抗冲要求。在河底纵坡较大的陡坡段（纵坡超过0.6%的河段），如2#跌水至4#跌水下游、8#跌水上游至9#跌水、10#跌水至11#跌水下游、14#跌水至16#跌水间，以及23#跌水上游至26#跌水（右支流）等区域，建议采用较大粒径的卵砾石作为覆盖层，粒径应不低于6cm。 　　同时计算结果表明，设置跌水后，河道内水深明显增加，流速普遍降低。跌水的设置既有效地提升了河道的蓄水能力，又减小了河床覆盖层受到冲刷破坏的可能性，是提高河道抗冲刷能力的有效措施。 　　5、结论 　　本工程于2010年完成妙峰山段生态护坡、跌水、减（防）渗工程的施工并成功蓄水，2010年10月底河道两岸边坡草皮及水生植物生长良好，蓄水区水位正常，12月底蓄水区已经结冰，冰层厚度大于0.5m，冰层附近生态墙壁砖及鱼巢砖结构良好。 　　通过本工程建设，永定河妙峰山段生态修复工程实现了河道行洪、抗冲刷的基本功能，同时也改善了生态环境，是生态水利学在河道工程中应用的成功案例。结合工程实际效果，在今后类似工程中，需要考虑一下几点： 　　永定河妙峰山段位于华北地区，冬季气温较低，冰冻层较深，生态墙壁砖及鱼巢砖位于水位变动区，冬季建议及时通过跌水底部的放空管将蓄水区内存水放空，以降低冰冻对生态护坡破坏，另在植物选择上应选择耐寒耐旱的物种以保证生态系统的恢复效果。跌水附近由于河道流速较大，应做好跌水及两侧护坡的日常维护工作，及时发现并解决因高速水流冲刷带来的安全隐患。