生態(tài)水工學(xué)在引黃工程城區(qū)段的應(yīng)用

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對引黃工程的城區(qū)水利工程建設(shè)提出了更高的要求。把生態(tài)水工學(xué)的理念與引黃工程特殊性相結(jié)合，參照水流挾沙理論提出了兼顧生態(tài)、景觀、工程的的６點(diǎn)具體措施：建立良性自然的水循環(huán)系統(tǒng)、采用微彎曲直相間的河道平面、應(yīng)用窄槽寬灘的復(fù)式水利斷面、打造可參與性的親水界面、設(shè)計柔性的結(jié)構(gòu)性護(hù)岸以及營造豐富多樣的生物群落。這些措施將更好地實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處，保證社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：引黃工程；生態(tài)水工學(xué)；理念；措施

中圖分類號：Ｘ１７１．４；Ｘ５２２ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）17－3855-04

Application of the Eco-Hydraulic Engineering Philosophy in Urban Section of Yellow River Diversion Project

ＣＵＩ Ｚｏｎｇ－ｃｈａｎｇ，ＺＨＡＩ Ｆｕ－ｓｈｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｕ－ｓｈｅｎｇ，ＭＵ Ｈｏｎｇ－ｍｅｉ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｕｒｂａｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ． Ｔａｋing ｔｈｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ， ｌａｎｄｓｃａｐｅ， ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ， ｓｉｘ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｈａd ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｔｈｅｏｒｙ． Ｔｈｅｙ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｂｅｎｉｇｎ ｎａｔｕｒａｌ ｗａｔｅｒ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ ｒｉｖｅｒ ｐｌａｎｅ， ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｗｉｄｔｈ ｄｕｐｌｅｘ ｗａｔｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅａｃｈ， ｃｒｅａｔｉｎｇ ａ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｏｒｙ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｖｅｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａ ｒｉｃｈ ａｎｄ ｄｉｖｅｒｓｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ． Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅｔｔｅｒ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｎ ａｎｄ ｎａｔｕｒｅ， ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｈｅ ｙｅｌｌｏｗ ｒｉｖｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ； ｅｃｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｃｏｎｃｅｐｔ； ｍｅａｓｕｒｅ

我國水資源時空分布十分不均，近年來隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水資源的供需矛盾加劇，局部地區(qū)尤其是北方地區(qū)出現(xiàn)緊急旱情的頻率和嚴(yán)重程度都在不斷加大，管理部門不得不經(jīng)常從有水地區(qū)向缺水地區(qū)調(diào)度以緩解旱情［１］，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素。國內(nèi)外實(shí)踐證明，大規(guī)模跨流域調(diào)水是解決水資源時空分布不均勻的有效手段［２，３］。目前各地均有相應(yīng)的建設(shè)項(xiàng)目［４］。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅黃河流域就有引黃濟(jì)津、引黃入衛(wèi)、引黃濟(jì)青、引黃入晉等多項(xiàng)國家級大型水利工程。

引黃輸水是實(shí)現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略舉措，但其沿岸景觀生態(tài)建設(shè)問題一直是社會關(guān)注的焦點(diǎn)。如何做好水利工程與景觀生態(tài)工程的協(xié)調(diào)工作，在更大層面上發(fā)揮國家大型基礎(chǔ)設(shè)施的綜合作用，實(shí)現(xiàn)供水、生態(tài)、環(huán)境保護(hù)、景觀效應(yīng)的有機(jī)結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)自然、歷史、社會和諧統(tǒng)一，是亟待研究解決的問題［５］。在深入探討生態(tài)水工學(xué)理念的基礎(chǔ)上，充分考慮到引黃工程的特殊性，并參照水流挾沙理論，通過對比分析，旨在找出一條能使引黃工程城區(qū)段在滿足輸水功能的同時，兼有生態(tài)景觀河流功能的解決途徑。

１ 生態(tài)水工學(xué)的核心理念

生態(tài)水工學(xué)作為水利工程學(xué)一個新的分支，是在滿足人類需求的同時，兼顧流域生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性的水利工程學(xué)［６］。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步要求現(xiàn)代水利工程建設(shè)應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)原理，以生態(tài)性為基本原則，減少工程建設(shè)對生態(tài)的影響，維持流域的整體性，盡量保留原有的生物群落及其棲息地，保護(hù)流域物種多樣性，保持流域生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，促使水體自然循環(huán)與凈化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

１．１ 河流是一個連續(xù)復(fù)雜的有機(jī)體

河流的連續(xù)性不僅指一條河流水文意義上的連續(xù)性，同時也是對生物群落至關(guān)重要的營養(yǎng)物質(zhì)輸移的連續(xù)性［７］。蜿蜒曲折的河道，起伏變化的河床斷面以及兩岸滋生的河岸植被，共同組成了一個流淌而又豐富多變的河流空間體系。

１．２ 蜿蜒曲折是河道的天然屬性

在河道整治中應(yīng)恢復(fù)河流蜿蜒曲折的自然線形，形成水曲之美；應(yīng)重新營造河流的自然流路，使水流呈現(xiàn)出不同的流速帶，造就水體流動多樣性，以提升河流系統(tǒng)生物多樣性。

１．３ 可滲透性的自然岸線

天然河流的河床是由透水性好的卵石、礫石、沙土、黏土等構(gòu)成的，適于水生和濕生植物以及微生物的生存，可以為魚類產(chǎn)卵提供場所，同時還具有緩解內(nèi)澇、補(bǔ)枯、調(diào)節(jié)水位的功能。例如當(dāng)處于豐水期時，河水向堤岸外的地下水層滲透，此時具有儲存的功能；而當(dāng)處于枯水期時，地下水通過堤岸反滲入河中，這時就起著補(bǔ)枯、調(diào)節(jié)水位的作用。

１．４ 河流具有自凈能力和修復(fù)能力

河流生態(tài)系統(tǒng)通過食物鏈過程消減有機(jī)污染物，從而增強(qiáng)水體自凈作用，修復(fù)河流水質(zhì)。水生植物能吸收水和土壤中有機(jī)物和重金屬等污染物；河流的淺灘和深潭、河心洲、水陸交錯帶等區(qū)域可增加河流中溶解氧的含量，從而加快微生物對有機(jī)物的分解，使枯枝落葉等有機(jī)物長期停留，進(jìn)而為微生物的分解提供了充足的時間。

２ 引黃工程與水流挾沙理論

２．１ 引黃工程的特點(diǎn)

引黃工程作為一項(xiàng)調(diào)節(jié)我國水資源分布不均衡的大型跨流域引水工程，自身具有顯著的獨(dú)特性。首先，黃河是舉世聞名的多泥沙河流，引黃必定引沙，泥沙的淤積不僅增加了清淤的費(fèi)用，而且給沿線的生態(tài)環(huán)境帶來了破壞；其次，調(diào)水期一般始于冬季，歷時４～７個月，這使得河道分為豐水期和枯水期，保證河道周邊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提是要保證河流水位的穩(wěn)定，如何做到河流在豐水期分水、枯水期補(bǔ)水，以及如何解決區(qū)域內(nèi)水源的合理分布和水循環(huán)系統(tǒng)的自然運(yùn)作是生態(tài)河道治理的棘手難題。

２．２ 水流挾沙理論

含沙水流挾沙力公式是水流挾沙的理論基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，渠道斷面以及河道岸線形式的選擇對河流輸沙能力的影響意義重大?，F(xiàn)代生態(tài)水利工程的建設(shè)走的是綜合處理與可持續(xù)開發(fā)利用的道路，這要求必須妥善處理好大量泥沙入渠的現(xiàn)實(shí)問題，因此了解并應(yīng)用引黃泥沙處理的主要工程措施是十分必要的。

２．２．１ 含沙水流挾沙力公式［８］ 式（１）至式（３）中，Ｓ為挾沙能力，Ｋ為系數(shù)，γ′為渾水容重，γＳ為泥沙重率，Ｖ為流速，ω′為泥沙在渾水中的沉速，ｇ為重力加速度，ｈ為水深，ｎ為糙率，Ｊ為比降。

假設(shè)渾水容重、沉速等因素不變，可導(dǎo)得

Ｓ＝Ｋ（■×■） （１）

Ｖ＝■ｈ■Ｊ■ （２）

Ｓ＝Ｋ■ ｈ （３）

從中可以得到兩點(diǎn)重要結(jié)論：襯砌渠道減小渠道糙率，通過加大流速可以提高河流的挾沙能力；窄深河槽是輸送高含沙水流必要的工程措施，因?yàn)楫?dāng)流量減小后水深也會相應(yīng)地減小，河流的挾沙能力就會相應(yīng)地減小。

２．２．２ 梯形或弧底梯形的窄槽寬灘復(fù)式水力斷面是渠道最佳輸沙斷面形狀 一般斷面相對寬淺，流速較小，輸沙能力低。大量實(shí)踐證明，小流量大寬度河道是造成河流泥沙嚴(yán)重淤積的原因之一。

如何既滿足河流在較大挾沙能力運(yùn)行的同時，又保證其具有較大的流量，目前可以認(rèn)為，渠道最大挾沙能力斷面為梯形或弧底梯形的窄槽寬灘復(fù)式水力斷面。當(dāng)流量減小時水流的速度相應(yīng)減小，但梯形或弧底梯形水力最佳斷面在相同流量下流速最大，挾沙能力最強(qiáng)。窄槽具有很好的排洪輸沙能力，起束水攻沙的作用；寬灘具有很強(qiáng)的削峰滯沙的能力，主要是起增加槽蓄、削減洪峰、滯洪落淤的作用。另外，對于弧底梯形水力斷面，其改善了渠道凍脹變形分布的不均勻性，且渠底有一定的反拱作用，故可減輕混凝土板的凍脹破壞，減少裂縫和移位［９］。

２．２．３ 微彎、曲直相間的河道岸線形式 河道岸線在平面上呈微彎、曲直相間的形式，大體上維持天然河道的彎曲率，仍呈一定彎曲形態(tài)。因?yàn)樵诟鞣N沖積性河道中，彎曲性河道最為穩(wěn)定，也有利于改善水流條件，控制水勢。有研究表明，曲率１．４～１．６的河流在最低管理維護(hù)水平下，具有最大的水沙容量和最好的洪水輸送能力［１０］。另外，水調(diào)沙試驗(yàn)也證實(shí)微彎型治導(dǎo)方案是正確合理的［１１］。

２．２．４ 引黃泥沙處理的主要措施 選擇合適的渠首位置、引水角和引水口形狀比較重要，根據(jù)水力學(xué)原理并結(jié)合黃河實(shí)際，引水口位置宜選在黃河彎道凹岸處，壘彎道３／４副末端處，在彎道的位置距彎道起點(diǎn)３／４至末端處，引水防沙效果好；引水角一般不宜過大，３０°～４５°時防沙效果最好；上長下短非對稱的喇叭形引水口，進(jìn)流均勻，避免了漩渦和翻沙，防沙效果最優(yōu)；河流分流比愈大，越易裹吸較高含沙量的主流水，不利于防沙，應(yīng)盡量控制設(shè)計分流比不要過大；設(shè)立防沙閘、疊梁閘板、攔沙潛堰，根據(jù)河流挾沙能力上小下大、大顆粒多分布在水流底部的原理，在修建潛水壩時向壩內(nèi)充水，抬高引水口底部的高程，使涵閘多引上部水流，可有效地減少引黃泥沙。

３ 引黃工程城區(qū)段引入生態(tài)水工學(xué)理念的具體措施

隨著城市化進(jìn)程的加快，原來引黃工程經(jīng)過的閉塞落后的城市郊區(qū)，如今有的已成為城市發(fā)展的新引擎，伴隨著城市建設(shè)理念的不斷發(fā)展以及人們對居住環(huán)境要求的日益提高，人為地將水和土地分開的傳統(tǒng)的河道治理方式，已不符合“回歸自然”和“以人為本”的現(xiàn)代生態(tài)河道的治理理念。本文基于對生態(tài)水工學(xué)理念的理解，在考慮到引黃工程特殊性的同時，提出了在引黃工程城區(qū)段中引入生態(tài)水工學(xué)理念的６點(diǎn)具體措施。

３．１ 建設(shè)良性自然的水循環(huán)系統(tǒng)

引黃工程在時間上具有明顯的階段性。一般在冬季開始輸水至次年春季，歷時４～７個月。這就要求規(guī)劃理念中要有全局觀，應(yīng)從區(qū)域整體考慮，調(diào)整流域水體結(jié)構(gòu)，制定切實(shí)可行的引水補(bǔ)水方案，強(qiáng)調(diào)水資源的循環(huán)利用及可持續(xù)性，從而構(gòu)建一個流域內(nèi)良性自然的水循環(huán)系統(tǒng)。建議利用輸水期間河道充沛的水量，在做好引水防沙工作的同時，做好周圍城市水源地的蓄存和補(bǔ)充，保證其常年有充足的清水；枯水期間河道干涸，這時可調(diào)用水源地的水補(bǔ)給城市環(huán)境建設(shè)的用水。例如２０１１年山東臨清城區(qū)濟(jì)津河的整治，就是合理利用了城市周邊的胡家灣和塔湖水庫的蓄存、補(bǔ)水的功能，同時打通并串聯(lián)了城區(qū)內(nèi)三干渠、元運(yùn)河、漳衛(wèi)河等多條水系，從而形成了一個動態(tài)的水循環(huán)系統(tǒng)，為濟(jì)津河兩岸的生態(tài)景觀建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

３．２ 采用微彎、曲直相間的的河道平面

河道的平面形態(tài)要盡量順其自然，建議河道的曲率為１．４～１．６，這不僅具有最大的水沙容量和最好的洪水輸送能力，同時也符合現(xiàn)代景觀設(shè)計中的藝術(shù)理念。景觀設(shè)計可運(yùn)用工程措施，除在嚴(yán)重受沖的凹岸和重要建筑物地段用石塊或混凝土塊護(hù)坡外，其余河段盡量自然美化，保留其天然河流蜿蜒曲折、深潭和淺灘相間的格局，使城市河流重歸近自然的狀態(tài)。

３．３ 應(yīng)用窄槽寬灘復(fù)式水力斷面

窄深河槽是保證河道高輸沙能力的必要工程措施，寬灘在發(fā)揮其強(qiáng)削峰滯沙能力的同時，在灘區(qū)種植適宜的水生植物來緩和原直立式岸壁突兀而生硬的外觀，不僅使河道生態(tài)空間廣闊，同時也具有河流本身生態(tài)特點(diǎn)的景觀特色。總之，窄槽寬灘復(fù)式水力斷面是本著多標(biāo)高多斷面的設(shè)計理念，跳出了原水利河道斷面單一死板、整齊劃一、岸坡變化小缺少引人亮點(diǎn)等局限，可營造出豐富的空間景觀感受。

３．４ 打造可參與性的親水界面

水的魅力是通過視覺、聽覺、觸覺而被人所感受。因此，在保證輸水河道安全的前提下，河道景觀也應(yīng)充分體現(xiàn)以人為本的理念，要著重考慮人的可參與性，以有利于形成親水界面。提供更多人造景觀，使人們能直接欣賞水景、接近水面，滿足人們水邊散步、游戲等的要求。在工程實(shí)施中打造舒緩的堤岸護(hù)坡，恢復(fù)土堤，并進(jìn)行種植，堤腳鋪設(shè)鵝卵石，充分體現(xiàn)其觀賞性；在傳統(tǒng)的梯形坡岸上可設(shè)踏步、觀景臺，臨水區(qū)設(shè)置親水平臺、人工碼頭等，使人能觸摸到水、親近到水，從而為人們提供了水岸休憩和活動的空間，最大化地開發(fā)水體價值。

３．５ 設(shè)計柔性的結(jié)構(gòu)性護(hù)岸

此類護(hù)岸融工程技術(shù)與生態(tài)綠化技術(shù)于一體，一方面運(yùn)用木材、石材、金屬、土工織物及水泥、混凝土等硬質(zhì)材料，可抵御較強(qiáng)的流水沖蝕，充分保證護(hù)岸的安全，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；另一方面護(hù)岸材料之間有許多的空隙，有利于植物的根系生長，并允許水陸間進(jìn)行生態(tài)流的交換，保證了河岸自然生態(tài)環(huán)境與河流水體的交換與調(diào)節(jié)，從而打造了具有可滲透性并與周圍環(huán)境有良好互動的生態(tài)景觀護(hù)岸。

柔性護(hù)岸適用于各種坡度的岸坡，但高度不宜太大，一般低于３ ｍ，當(dāng)高度超過３ ｍ時可采用臺階式。在美國加利福尼亞州，風(fēng)景園林師們成功地將回收的廢棄輪胎應(yīng)用于護(hù)岸建設(shè)中，形成了一種非常經(jīng)濟(jì)的柔性護(hù)岸，顯示了風(fēng)景園林師在利用回收廢棄物、減輕土地壓力、節(jié)省天然材料等方面所作的有益努力和探索［１２］。

３．６ 營造豐富多樣的生物群落

河岸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接依賴于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度以及系統(tǒng)內(nèi)物種的多樣性［１３］。結(jié)合現(xiàn)有地形地物，因循河道自然沖刷形成的形態(tài)，以起伏綠地、現(xiàn)有蘆葦，增加本地鄉(xiāng)土樹種，提高景觀異質(zhì)性與生態(tài)多樣性，形成具有自然美感的豐富河道空間。

從工程的角度講，植被用于輸水河槽并不理想，過量的枝葉會降低河道的行洪、輸沙能力，容易造成河水漫灘、渠道沉沙。因此，為了保證輸水主河槽具有較高的挾沙能力，應(yīng)避免在河槽部分種植大量的水生植物，建議設(shè)計中允許河水漫灘，通過將灘地劃分成若干區(qū)域，運(yùn)用不同的植物進(jìn)行生態(tài)景觀設(shè)計，從而提高河道的景觀異質(zhì)度及生物多樣性。

河道生態(tài)系統(tǒng)營造的成功與否和植物的種植有直接的關(guān)系。植物選擇應(yīng)本著適地適樹的基本原則，首先保證選用的植物能在不需要太多的養(yǎng)護(hù)管理的條件下順利成活；其次要選擇根系發(fā)達(dá)的植物以利于穩(wěn)固堤岸；再次要注意不同種植物的共生性和互補(bǔ)性，避免惡性的種間競爭［１４］。

４ 結(jié)語

引水工程事業(yè)的發(fā)展方興未艾，在以往理論與實(shí)踐的研究當(dāng)中，往往只側(cè)重水利建設(shè)的工程技術(shù)層面，較少顧及到水利工程所在流域的景觀生態(tài)建設(shè)，對于引黃工程城區(qū)段兩岸景觀生態(tài)規(guī)劃的研究更是鮮見。生態(tài)水工學(xué)倡導(dǎo)規(guī)劃“回歸自然”、“以人為本”，強(qiáng)調(diào)水利工程的生態(tài)環(huán)境效益，正符合現(xiàn)代水利事業(yè)發(fā)展的要求。在未來的水利工程興建當(dāng)中，只有以生態(tài)水工學(xué)為理論指導(dǎo)的流域開發(fā)才能真正地實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處，以及社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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