北方干旱區(qū)城市中小河道水生態(tài)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)

張鐵楠

(遼寧省阜新市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 遼寧阜新 123000)

1 工程概況

1.1 自然條件

阜新市地處遼西北環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶,境內(nèi)河網(wǎng)交織,為阜新建成園林生態(tài)城市、提升城市品位、帶動(dòng)城區(qū)河道沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展、拉動(dòng)兩岸城市房產(chǎn)開發(fā),對(duì)城市河道綜合整治提出了更高的要求。

高林臺(tái)河是細(xì)河右岸一級(jí)支流,位于遼寧西部低山丘陵區(qū),屬季節(jié)性河流,豐枯水流量相差數(shù)百倍,大水多集中在 7、8兩月。高林臺(tái)河主流長(zhǎng)18.18km,流域面積86.25km2,河道平均比降6.29‰。其城市段從入細(xì)河口至上游哈朋河匯流口,長(zhǎng)4.4km。

項(xiàng)目區(qū)屬北溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū),四季變化明顯,春季干旱多風(fēng),夏季高溫多雨,秋季冷涼旱霜,冬季寒冷少雪。多年平均降水量499.9mm,最大年降水量779.7mm,最小年降水量291.6mm,降水多集中在7、8、9三個(gè)月,占全年降水總量的68.7%,多年平均氣溫7.2℃,7月份平均氣溫最高25.8℃,1月份平均氣溫 -12.7℃,無霜期150d,結(jié)凍時(shí)間為11月上旬至翌年4月上旬,多年平均風(fēng)速2.3m3/s,全年≥6級(jí)風(fēng)日數(shù)為39d,最大風(fēng)速為23m3/s,最大凍土深1.78m,年平均水面蒸發(fā)量1786mm(E601),年平均陸面蒸發(fā)量391mm。

細(xì)河是大凌河下游左側(cè)一級(jí)支流,屬于多泥沙河流,細(xì)河阜新市中心區(qū)海州水文站水文特征,地表徑流集中,多發(fā)生在7～9月份,洪水匯流歷時(shí)短,多年平均徑流量1092萬m3,多年平均輸沙量11.3萬t,汛期輸沙量為7.07萬t,多年平均輸沙率為6.73kg/m3,汛期輸沙率為8.68kg/m3,汛期輸沙量占全年的62%,汛期含沙量是年平均的1.29倍。

場(chǎng)區(qū)地形北高南低,河流由北向南匯入細(xì)河。地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積及坡積物,地基土自上而下主要為素填土、粉土、砂粒土、基巖等。河床表層為細(xì)砂及礫石。第四系覆蓋層平均厚度為4.8m。

地下水類型主要為第四系孔隙潛水,河床內(nèi)地下水位埋深為1.5m左右,主要賦存于砂土中,地下水補(bǔ)給類型主要為大氣降水和地表水補(bǔ)給。

1.2 工程現(xiàn)狀

高林臺(tái)河城區(qū)段兩岸均為土堤,安全泄量只能達(dá)到30年一遇的洪峰流量,河道泥沙落淤并兌岸嚴(yán)重,岸壩坍塌,阻礙行洪。堤防無護(hù)坡,堤距60～150m不等。

左右岸內(nèi)堤腳處各有1條截流干管至細(xì)河干流左岸截流井。在2+770處有一條重要混凝土自來水管線 (DN1000)斜穿越河道,裸露在河灘,不能移線存在安全隱患。整治段內(nèi)有跨河建筑物2座,分別為玍海西大橋 (樁號(hào)0+370),高林臺(tái)橋(樁號(hào)2+870),并有穿堤建筑物涵洞5座。

2 規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)

確保城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人居環(huán)境的安全、水體景觀自然協(xié)調(diào)、城市品位的提升,并最終實(shí)現(xiàn)本區(qū)的環(huán)境優(yōu)美、舒適宜人、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步,水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的城市動(dòng)態(tài)水域。

1)加固堤防8.8km,防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50年一遇。

2)布置5座攔河建筑物,能在中等干旱年份形成溪流水面11.1hm2。

3)水域布置8個(gè)重點(diǎn)景觀節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)健身休閑、親水娛樂、自然風(fēng)光三大綜合功能。

3 總體布置方案

考慮高林臺(tái)河比降大等的特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)下述兩種蓄水方案進(jìn)行比較。

3.1 全河壅水式河道方案

細(xì)河干流上現(xiàn)有6座橡膠壩,均為此方案。結(jié)合地形,根據(jù)河道縱斷比降修建3座橡膠壩,使兩橋之間有連續(xù)水面,達(dá)到水景觀的效果。本方案工程布置詳見下表。

參照細(xì)河已建工程和其它地區(qū)類似工程,綜述本方案優(yōu)缺點(diǎn)如下。

3.1.1 優(yōu)點(diǎn)

①無土方開挖,灘地整平即可;②水面寬闊,視覺感覺較好;③水景觀建筑物管理方便,洪水期不影響行洪。

3.1.2 缺點(diǎn)

①不適于河道比降較大地區(qū);②淹沒原河道灘地生態(tài)林,需水量較大;③與順河截流干管產(chǎn)生交叉,施工不便;④游人休息娛樂面積較少,不易布置水景觀;⑤投資較多。

3.2 溪流階梯式河道方案

高林臺(tái)河比降較大,設(shè)置人工落差,可以達(dá)到增加水體復(fù)氧能力及增加景觀效果的作用。根據(jù)地形恢復(fù)蛇形河槽,設(shè)置淺灘和深溝。根據(jù)現(xiàn)狀比降,并考慮保護(hù)自來水管線,共需布置5座閘、堰。本方案工程布置詳見下表。

本方案對(duì)于阜新地區(qū)是一種新嘗試,結(jié)合其它地區(qū)已建工程,綜述本方案優(yōu)缺點(diǎn)如下。

3.2.1 優(yōu)點(diǎn)

①適用于河道比降較大地區(qū);②水景觀布置空間較大;③不與與順河截流干管產(chǎn)生交叉,施工方便;④耗水量較小,無需淹沒原河道灘地生態(tài)林;⑤投資較少。

3.2.2 缺點(diǎn)

①需人工開挖主槽,土方量較大;②水面面積較少;③洪水過后,水景觀破壞較大。

本著因地制宜的方針,選取適宜本區(qū)的溪流階梯式蓄水方案。結(jié)合現(xiàn)狀河道條件,采用開挖主河槽方式蓄水,灘地游覽。為保證在玍海西橋至高林臺(tái)橋之間形成水面景觀,設(shè)置5道攔河建筑物,并在上游哈朋河匯流口處,設(shè)置一處人工湖調(diào)蓄水量,由于高林臺(tái)河現(xiàn)狀河道來水量不足,采用下游污水處理廠的中水作為補(bǔ)充水源。

4 生態(tài)環(huán)境需水

4.1 設(shè)計(jì)保證率確定

根據(jù)《阜新市城市水系規(guī)劃》和本地區(qū)水資源特點(diǎn),采用75%(中等干旱年)為設(shè)計(jì)保證率。

4.2 可利用水量

(1)可利用地表水量,利用海州站的徑流計(jì)算結(jié)果,采用水文比擬法計(jì)算,高林臺(tái)河在75%的保證率下可利用的天然徑流量為208萬m3。區(qū)域耗水量158.2萬m3,實(shí)際來水量49.8萬m3。水量月分配見下表。

(2)中水量,在建的阜蒙縣污水處理廠設(shè)計(jì)日處理能力3萬m3,現(xiàn)狀污水排放量5000m3～7000m3。近期日處理能力按1萬m3考慮,可利用系數(shù)0.7,月可供水量21萬m3。

(3)人工湖調(diào)節(jié)水量,人工湖設(shè)計(jì)庫容為3.75萬m3。其中可調(diào)節(jié)水量3萬m3。

(4)城區(qū)雨洪量,高林臺(tái)河城區(qū)段流域面積10.1km2,根據(jù)《阜新市水資源評(píng)價(jià)》(2006年)細(xì)河流域75%頻率降水量385.8mm,城區(qū)雨洪量390萬m3。

4.3 蓄水工程耗水量

(1)水面蒸發(fā)量,根據(jù)《阜新市水資源評(píng)價(jià)》(2006年)提供的全市各月平均水面蒸發(fā)量月分配表,可得年蒸發(fā)量10.94萬m3。

(2)水體滲透量,高林臺(tái)河造床土壤主要為細(xì)砂,按中等地質(zhì)條件考慮,查遼寧省水文手冊(cè)滲漏強(qiáng)度為0.1m/a～1.0m/a。參照《阜新市城市水系規(guī)劃》,確定滲漏強(qiáng)度為1m?？傻媚隄B漏量11.10萬m3。

(3)維持河道生態(tài)水量

比較最小生態(tài)用水量和動(dòng)態(tài)需水量,確定高林臺(tái)河維持河道生態(tài)水量61.63萬m3。

(4)結(jié)論

通過以上計(jì)算可得,高林臺(tái)河城區(qū)段水景觀年耗水量83.67萬m3。耗水量月分配見下表。

表4 高林臺(tái)河城區(qū)段水景觀年耗水量月分配表

表5 生態(tài)環(huán)境需水保障成果表

4.4 生態(tài)環(huán)境需水保障

水景觀年耗水量83.67萬m3,在設(shè)計(jì)保證率情況下,共利用上游來水36.82萬m3,其余部分全部由中水保障,中水回用量41.98萬m3。成果見表4。

通過計(jì)算可得中水回用量最大月發(fā)生在5月,回用中水量11.63萬m3,平均日需水量 0.38萬m3。輸水時(shí)間取12h,日擴(kuò)大系數(shù)取1.4,可得輸水管線最大輸水流量為0.12m3/s(440m3/h)。

近期水源的保障方式以地表水為主,中水為主要補(bǔ)充水源。隨著遠(yuǎn)期高林臺(tái)河沿岸地下水源井的關(guān)閉,地下水量將得以恢復(fù),地表徑流也會(huì)增加。今后的城市排水將采取雨污分流的形式,隨著雨洪利用力度的加大,雨洪的利用量極為可觀。遠(yuǎn)期水源的保障方式將以上游來水和城區(qū)雨洪為主。

5 技術(shù)設(shè)計(jì)

堤防的迎水坡和背水坡設(shè)計(jì)邊坡比均為1∶2。迎水坡堤頂至設(shè)計(jì)洪水位和背坡采用草皮護(hù)坡;設(shè)計(jì)洪水位至河底采用連鎖磚護(hù)坡,厚0.12m。排污涵管規(guī)劃并入截流干管。

開挖主槽過流能力按高林臺(tái)河10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),確定高林臺(tái)橋至玍海西橋段開挖主槽寬為30～50m 不等,主槽平均深2m,邊坡1∶3;高林臺(tái)橋上游開挖主河槽寬30m,主槽深2m,邊坡1∶5。主槽0+200～2+750段采用格賓網(wǎng)箱護(hù)腳結(jié)合格賓網(wǎng)墊護(hù)坡,2+750～3+000段采用仿木樁護(hù)岸結(jié)合三維立體植草毯護(hù)坡,3+000～4+100段采用格賓網(wǎng)箱護(hù)腳結(jié)合三維立體植草毯護(hù)坡。

在河道上游汊口樁號(hào)4+120～樁號(hào)4+400處擴(kuò)挖1座具有調(diào)節(jié)水量作用的人工湖,人工湖邊坡1∶3,采用生態(tài)格賓網(wǎng)墊護(hù)坡,護(hù)坡厚度0.3m。

底橫軸翻轉(zhuǎn)閘運(yùn)行情況為閘頂堰流水深0.5m時(shí),即開閘行洪,按薄壁堰考慮,設(shè)計(jì)最大溢流流量為18.5m3/s,閘門寬度28m,高1.5m。為盡可能的增大泄流能力,減少堰上水頭,樁號(hào)2+100處設(shè)迷宮型溢流堰,寬度36m,展寬比為3,設(shè)宮數(shù)為6,設(shè)堰高1.5m,宮的寬高比為4,防洪標(biāo)準(zhǔn)10年一遇流量135m3/s,堰上溢流水深 0.96m,根據(jù)主槽縱比降的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)邊墻頂高程高于堰頂高程1m,即可滿足槽內(nèi)10年一遇行洪標(biāo)準(zhǔn)。

在樁號(hào)2+700～2+775處有1條斜穿引鬧管線露出河灘,需進(jìn)行防護(hù)處理,因高程較高,兼起攔河蓄水作用。此處設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土寬頂堰形式,堰寬16m,堰長(zhǎng)30m,堰頂與上游渠底做1∶10斜坡面鋼筋混凝土鋪蓋銜接,寬頂堰下游設(shè)水平段長(zhǎng)度8m的1∶4鋼筋混凝土陡坡段與鋼筋混凝土消力池相連。為滿足人工湖的蓄水要求,在樁號(hào)4+100處兩側(cè)設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溢流堰,單側(cè)堰長(zhǎng)25m,溢流堰為直角梯形折線實(shí)用堰,為實(shí)現(xiàn)人工湖的調(diào)節(jié)功能,中間設(shè)臥倒式閘門,閘門高2m,寬5m。

6 景觀設(shè)計(jì)

考慮高新區(qū)規(guī)劃對(duì)城市的發(fā)展定位、高林臺(tái)河的特點(diǎn)以及各產(chǎn)業(yè)區(qū)、居住區(qū)等的分布狀況,隨形就勢(shì)將水域大致劃分為三大景觀功能區(qū),重點(diǎn)整治區(qū)玍海西橋上游段為健身休閑區(qū)、高林臺(tái)橋下游段為親水娛樂區(qū),高林臺(tái)橋上游至人工湖段為自然風(fēng)光區(qū)。三大功能區(qū)緩和過渡,11hm2的水圈和65hm2的綠圈互相印證,再現(xiàn)自然風(fēng)韻,給城市注入勃勃生機(jī),景色怡人。

共布置水上游樂場(chǎng)、綠色生態(tài)長(zhǎng)廊、自然風(fēng)光怡情休閑帶、人工湖、步汀橋、健身休閑帶、噴泉音樂休閑廣場(chǎng)、河口濕地8大景觀節(jié)點(diǎn)。

1 阜新市水文局.《阜新市水資源評(píng)價(jià)》[R].2006

2 阜新市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.《阜新市城市水系規(guī)劃》[R].2009.11

3 王超,王沛芳.《城市水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)與管理》[M].科學(xué)出版社2004.6

4 SL431-2008城市水系規(guī)劃導(dǎo)則[S].