生態(tài)技術(shù)在永定河生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用研究

【摘要】隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化及工業(yè)化的不斷推進(jìn)，對(duì)河流的索取增加，使河流中生物生長(zhǎng)環(huán)境及自然生態(tài)遭到破壞。因此，采取先進(jìn)的生態(tài)技術(shù)措施對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)迫在眉睫。本文重點(diǎn)闡述了生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)型跌水、生態(tài)減防（滲）等技術(shù)在河道生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用及效果，并提出了幾點(diǎn)要注意的問(wèn)題，旨在加強(qiáng)與同行的溝通交流，為今后河道生態(tài)建設(shè)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】生態(tài)護(hù)坡；跌水；減（防）滲；沖刷

水是一切生命的源泉，是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中必不可少的物質(zhì)。在人類社會(huì)的生存和發(fā)展中，需要不斷地適應(yīng)、利用、改造和保護(hù)水環(huán)境。水利事業(yè)隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展而不斷發(fā)展，并成為人類社會(huì)文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。但由于傳統(tǒng)水利由于更注重功能性的一面，而忽視了對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的影響。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化及工業(yè)化的不斷推進(jìn)，對(duì)河流的索取增加，使河流中生物生長(zhǎng)環(huán)境及自然生態(tài)遭到破壞。

上世紀(jì)80年代以來(lái)，北京一直水資源緊缺，為了滿足城市用水，三家店以上永定河水幾乎全部引入市區(qū)，使三家店以下70多公里的河道長(zhǎng)年斷流，河道兩邊土地沙化，近些年永定河沙石采盜，致使河道內(nèi)溝壑遍布，河床裸露，每到冬春季節(jié)，西北風(fēng)順河道而下，京城頓時(shí)風(fēng)沙彌漫。由于根本無(wú)水補(bǔ)給永定河，加上人口劇增及工業(yè)用水等，嚴(yán)重超采地下水，北京西部地區(qū)第四紀(jì)地下水已經(jīng)全部枯干，永定河的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞。因此，采取生態(tài)技術(shù)措施對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)迫在眉睫。

本文以北京市永定河山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程為例，通過(guò)采取先進(jìn)的生態(tài)技術(shù)及材料，如生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)型跌水、生態(tài)減防（滲）等，達(dá)到恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)的目的。

1、永定河山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程概況

永定河古稱渾河、無(wú)定河，是北京地區(qū)最大河流，海河五大支流之一。永定河發(fā)源于山西省寧武縣管涔山，流經(jīng)內(nèi)蒙古、河北，經(jīng)北京轉(zhuǎn)入河北，在天津匯于海河至塘沽注入渤海。上游黃土高原森林覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，河水混濁，泥沙淤積，日久形成地上河。河床經(jīng)常變動(dòng)。善淤、善決、善徙的特征與黃河相似，故有「小黃河」和「渾河」之稱。因遷徙無(wú)常，又稱無(wú)定河。直到清康熙三十七年（1698），進(jìn)一步疏浚河道，加固岸堤，將無(wú)定河改名為永定河。1954年建成蓄水22億多立方米的官?gòu)d水庫(kù)，才基本控制了上游洪水。二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，隨著全球氣候變化，永定河流域持續(xù)多年干旱少雨，下游常年處于斷流狀態(tài)。1985 年永定河被國(guó)務(wù)院列入全國(guó)四大防汛重點(diǎn)江河之一。

永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程由干流生態(tài)修復(fù)工程、支流清水河生態(tài)修復(fù)工程和北部新城（軍莊）生態(tài)修復(fù)工程三部分組成。妙峰山段是永定河干流河道生態(tài)修復(fù)工程的重點(diǎn)河段之一，位于北京市門頭溝區(qū)下葦?shù)殡娬镜杰娗f之間（樁號(hào)Y70+610～Y83+200），總長(zhǎng)12.59km。妙峰山段的主要來(lái)水為下葦?shù)殡娬镜奈菜?，每?0天左右來(lái)水一次，流量為38m3/s。由于該段河道來(lái)水較少且滲漏嚴(yán)重，大部分時(shí)間處于斷流狀態(tài)，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。

為了解決永定河妙峰山段長(zhǎng)年斷流引起的河床裸露、兩岸土地沙化、生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞等問(wèn)題，擬采用生態(tài)技術(shù)措施對(duì)河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)永定河生態(tài)系統(tǒng)，使之達(dá)到有水則清，無(wú)水則綠的治理效果。為了實(shí)現(xiàn)永定河生態(tài)恢復(fù)的目的，工程中主要采用了多孔植物生長(zhǎng)磚、生態(tài)墻壁磚、生態(tài)魚巢磚和生態(tài)石籠網(wǎng)等新型生態(tài)材料對(duì)河岸進(jìn)行了護(hù)砌，為了解決生態(tài)恢復(fù)所必須的水資源問(wèn)題，在河道內(nèi)新建了多處生態(tài)石籠網(wǎng)緩坡跌水蓄積來(lái)水，另由于永定河河底基本為卵礫石層，透水性較強(qiáng)，對(duì)蓄水區(qū)采取了壓實(shí)壤土和復(fù)合土工膜相結(jié)合的減（防）滲措施。

2、生態(tài)護(hù)坡

本工程采用生態(tài)魚巢磚+生態(tài)墻壁磚+植物生長(zhǎng)磚組合的方式對(duì)妙峰山段河道進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡，通過(guò)建立河岸生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)，以穩(wěn)定河岸，并進(jìn)一步改善永定河水質(zhì)。

2.1材料特性

植物生長(zhǎng)磚：使用一定粒徑（5～31.5mm）的擊碎骨料和高強(qiáng)度水泥為主要材料與混凝土外加劑攪拌，經(jīng)二次振動(dòng)加壓成型工藝制成的無(wú)砂混凝土制品，植物根系可透過(guò)磚體植生于土壤。主要用于水利工程護(hù)坡。

生態(tài)魚巢磚：使用一定粒徑（5～10mm）的擊碎骨料和高強(qiáng)度水泥為主要材料與混凝土外加劑攪拌經(jīng)二次震動(dòng)加壓成型工藝制成的無(wú)砂混凝土制品，具有一般魚類棲息的空間，為不規(guī)則六邊形。主要用于水利工程護(hù)坡、護(hù)腳。

生態(tài)墻壁磚：使用一定粒徑（5～10mm）的擊碎骨料和高強(qiáng)水泥為主要材料與混凝土外加劑攪拌經(jīng)二次震動(dòng)加壓成型工藝制成的無(wú)砂混凝土制品，種植孔內(nèi)可種植花草等，砌筑后形成擋墻，為不規(guī)則六邊形?？捎糜诠?、市政園林、水利工程等護(hù)坡和護(hù)腳。

2.2設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況邊坡護(hù)砌由現(xiàn)狀河底高程開始，護(hù)砌坡度基本維持現(xiàn)狀邊坡的坡度。常水位以下采用生態(tài)魚巢磚和墻壁磚，常水位以上采用多孔植物生長(zhǎng)磚，對(duì)護(hù)坡基礎(chǔ)開挖后，砌筑漿砌石基礎(chǔ)，斷面尺寸為600×500mm，其上碼放兩層生態(tài)魚巢磚（500×500×200mm），坡度為1：1，之上再碼放兩至四層（視地形及常水位而定）生態(tài)墻壁磚（500×500×200mm），坡度為1：1，最后在頂層墻壁磚后邊坡上鋪設(shè)多孔植物生長(zhǎng)磚（500×500×100mm），坡度不陡于1：2。生態(tài)磚與土坡之間設(shè)置200g/m2的土工無(wú)紡布一層，坡頂設(shè)500×100mm混凝土壓頂一道。墻壁磚內(nèi)和多孔植物磚上覆種植土，魚巢磚給魚類產(chǎn)卵提供所需場(chǎng)所，墻壁磚內(nèi)種植水生植物，凈化水質(zhì)和美化環(huán)境，植物生長(zhǎng)磚坡面播撒草籽使邊坡自然綠化，岸頂根據(jù)景觀需要栽種行道樹。護(hù)坡斷面設(shè)計(jì)見圖1-1。

圖1-1 生態(tài)護(hù)坡斷面示意圖

通過(guò)生態(tài)魚巢磚、墻壁磚和植物生長(zhǎng)磚等不同組合進(jìn)行岸坡護(hù)砌，有效形成了河川生態(tài)鏈和陸地生態(tài)鏈，為自然生態(tài)復(fù)原提供了通道，同時(shí)也形成治水和親環(huán)境能力的新概念型河川護(hù)岸。

3、生態(tài)石籠網(wǎng)跌水設(shè)計(jì)

妙峰山生態(tài)修復(fù)工程位于下葦?shù)殡娬镜杰娗f之間，沿途經(jīng)過(guò)下葦?shù)榇濉⒍〖覟┐搴完惣仪f等，河道沿線有G109國(guó)道和S209省道，也是人類活動(dòng)相對(duì)頻繁地區(qū)。該區(qū)間主要來(lái)水為下葦?shù)殡娬镜奈菜Ｓ捎谠摱魏拥乐挥忻}沖來(lái)水，其余時(shí)間基本斷流，為增強(qiáng)該河段的生態(tài)特性，改善河道的整體生態(tài)環(huán)境，只有采取措施，蓄積現(xiàn)有的電站尾水，才能給生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供保障。

本工程在河道內(nèi)設(shè)置連續(xù)跌水，形成梯級(jí)連續(xù)水面，為了不影響河道行洪，經(jīng)防洪演算，確定每級(jí)跌水高為1m，總蓄水容量為26.2萬(wàn)m3。為滿足河道生態(tài)建設(shè)需要，跌水采用生態(tài)石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)，復(fù)合土工膜防滲心墻，下游坡面設(shè)計(jì)為臺(tái)階式緩坡型式。

生態(tài)石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為新工藝、新技術(shù)、新材料的新型生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，成功地應(yīng)用于水利工程、公路、鐵路工程、堤防的保護(hù)工程中。較好地實(shí)現(xiàn)了工程結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。同時(shí)與一些傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)比較起來(lái)有其自身的優(yōu)點(diǎn)，因此在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為保護(hù)河床、治理滑坡、防治泥石流、防止落石、兼顧環(huán)境保護(hù)的首選結(jié)構(gòu)型式。

生態(tài)石籠網(wǎng)是將抗腐耐磨高強(qiáng)的低碳高鍍鋅鋼絲或5%～10%鋁鋅稀合金鍍層鋼絲（或同質(zhì)包覆聚合物鋼絲）由機(jī)械雙線絞合編織成多絞狀、六邊形網(wǎng)目的新技術(shù)網(wǎng)片。石籠網(wǎng)可根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求組裝成箱籠，并裝入塊石等填充料后連接成一體，其適用于高流速、沖蝕嚴(yán)重，岸坡滲水多之河岸。石籠屬柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)于不均勻沉陷自我調(diào)整性佳。岸面多孔性，石材間之縫隙利于動(dòng)物棲息，植物生長(zhǎng)，水面線以上石籠面可利用客土袋植生綠化，符合生態(tài)并滿足安全要求。生態(tài)石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)、施工便捷、可就地取材，填放土壤、碎石及天然級(jí)配砂石等優(yōu)點(diǎn)，可迅速構(gòu)成擋土或擋水結(jié)構(gòu)體。

為了形成連續(xù)水面，根據(jù)河道縱坡本工程設(shè)計(jì)了29道跌水。跌水采用生態(tài)石籠緩坡結(jié)構(gòu)，上游邊坡為1：1，下游為階梯狀，跌水高出河底1m，上游設(shè)1.4m深齒墻。跌水內(nèi)部設(shè)置復(fù)合土工膜防滲心墻，心墻上下游堆砌鉛絲石籠，石籠內(nèi)部填充卵礫石。跌水下游護(hù)底長(zhǎng)10～15m，起消能和防沖作用。跌水結(jié)構(gòu)詳見圖1-2。

圖1-2 生態(tài)石籠網(wǎng)跌水?dāng)嗝媸疽鈭D

為此，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)本工程跌水處河道抗沖能力進(jìn)行了研究分析，建立垂向二維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算流量為38m3/s時(shí)，典型河段上1m高跌水前后不同斷面處的流速分布，判斷河底卵礫石覆蓋層沖刷的可能性。利用垂向二維數(shù)學(xué)模型，中國(guó)水利水電科學(xué)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規(guī)律。結(jié)果表明，跌水上游水流流速沿程降低，底層流速低于表層流速，流速沿水深變化平緩。跌水下游存在一個(gè)10～15m左右的高速區(qū)，高速區(qū)內(nèi)底層流速仍低于表層，但底部低流速區(qū)較小，中表層高速區(qū)較大。下游距離跌水較遠(yuǎn)處，流速分布受跌水影響較小，流速基本恢復(fù)為明渠流速分布，表層流速大于底層流速。

從沖刷破壞的角度，跌水前水流較為均勻，且流速較低，選擇2.5～4cm粒徑范圍的卵礫石作為覆蓋層即可滿足抗沖要求；跌水后10～15m范圍內(nèi)水流底部流速較高，易于發(fā)生沖刷破壞，設(shè)計(jì)中在該區(qū)域加設(shè)鉛絲石籠護(hù)底；高速區(qū)后流速逐漸降低，根據(jù)河道的坡度與地形特點(diǎn)鋪設(shè)粒徑為4～6cm的卵礫石。

4、河道減（防）滲及沖刷設(shè)計(jì)

蓄水區(qū)雖然有電站尾水補(bǔ)給，但現(xiàn)狀河道河底基本為卵礫石層，透水性較強(qiáng)，滲漏嚴(yán)重，電站放水時(shí)間間隔較長(zhǎng)，所以每次電站放水，尾水均從該段河道匆匆而過(guò)，入滲、蒸發(fā)后流失，徹底改變了河道生態(tài)系統(tǒng)的平衡，再加上人為的偷砂取土，造成河道長(zhǎng)年砂石裸露，植被稀少，該段河道內(nèi)存在7處廢棄采砂坑，與門頭溝生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的定位很不相稱。

為達(dá)到形成連續(xù)水面的目的，通過(guò)跌水蓄積現(xiàn)有電站尾水的同時(shí)，要克服滲漏和蒸發(fā)等問(wèn)題，逐漸修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)，減少河道內(nèi)水土流失，形成自然和諧的山水風(fēng)景。因此，采取有效的減（防）滲措施是十分必要的。本工程水面面積為34.2萬(wàn)m2，減（防）滲面積為37.6萬(wàn)m2，采用“土/膜”減（防）滲方案解決河道滲漏問(wèn)題。

“土/膜”即為1/2壓實(shí)壤土減滲+1/2復(fù)合土工膜防滲相結(jié)合的減（防）滲方式。具體方案為：在每?jī)傻赖g以中心線為界，上游段采用壓實(shí)壤土減滲，下游段采用復(fù)合土工膜防滲，并做好兩種減（防）滲方式的搭接處理。壓實(shí)壤土減滲層自各段上游跌水至中點(diǎn)位置，經(jīng)滲流計(jì)算，確定減滲層厚度由40cm至60cm漸變；復(fù)合土工膜防滲層自各段中點(diǎn)至下游跌水位置，采用二布一膜形式。河床表層鋪設(shè)30cm厚的天然卵礫石防沖。河道減（防）滲設(shè)計(jì)見圖1-3。

此方案充分結(jié)合了壓實(shí)壤土減滲和復(fù)合土工膜防滲各自的優(yōu)勢(shì)，在蓄水區(qū)水位較高時(shí)，通過(guò)壓實(shí)壤土減滲，既可滿足滲漏要求又補(bǔ)充了地下水，并改善了生態(tài)環(huán)境，當(dāng)蓄水區(qū)水位較低時(shí)，通過(guò)復(fù)合土工膜防滲，保證了必要的景觀水面和生態(tài)用水。

為了達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的，恢復(fù)河道的自然景觀，需保護(hù)土/膜減（防）滲設(shè)施不被沖刷破壞，設(shè)計(jì)時(shí)考慮在河床表層即土/膜減（防）滲層上鋪設(shè)30cm厚的天然卵礫石，同時(shí)需保證當(dāng)下葦?shù)殡娬拘沽鲿r(shí)，30cm厚卵礫石覆蓋層不被水流沖刷，這也是永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復(fù)工程減（防）滲方案成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。為此中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)永定河山區(qū)河段生態(tài)治理工程河道抗沖刷能力進(jìn)行了分析，主要研究?jī)?nèi)容為：①選取平均粒徑為25mm、50mm、75mm的卵礫石進(jìn)行起動(dòng)流速試驗(yàn)，提出不同粒徑卵礫石的起動(dòng)流速。②建立平面二維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算流量為38m3/s時(shí)，設(shè)計(jì)河段內(nèi)水流的流速分布。根據(jù)流速分布，判斷不同河段上卵礫石沖刷的可能性。

研究結(jié)論如下：在河床的緩坡段、跌水壩前等大部分區(qū)域，回填最小粒徑為2.5～4cm的卵礫石作為覆蓋層可以滿足河道抗沖要求。在河底縱坡較大的陡坡段（縱坡超過(guò)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#跌水間，以及23#跌水上游至26#跌水（右支流）等區(qū)域，建議采用較大粒徑的卵礫石作為覆蓋層，粒徑應(yīng)不低于6cm。

同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置跌水后，河道內(nèi)水深明顯增加，流速普遍降低。跌水的設(shè)置既有效地提升了河道的蓄水能力，又減小了河床覆蓋層受到?jīng)_刷破壞的可能性，是提高河道抗沖刷能力的有效措施。

5、結(jié)論

本工程于2010年完成妙峰山段生態(tài)護(hù)坡、跌水、減（防）滲工程的施工并成功蓄水，2010年10月底河道兩岸邊坡草皮及水生植物生長(zhǎng)良好，蓄水區(qū)水位正常，12月底蓄水區(qū)已經(jīng)結(jié)冰，冰層厚度大于0.5m，冰層附近生態(tài)墻壁磚及魚巢磚結(jié)構(gòu)良好。

通過(guò)本工程建設(shè)，永定河妙峰山段生態(tài)修復(fù)工程實(shí)現(xiàn)了河道行洪、抗沖刷的基本功能，同時(shí)也改善了生態(tài)環(huán)境，是生態(tài)水利學(xué)在河道工程中應(yīng)用的成功案例。結(jié)合工程實(shí)際效果，在今后類似工程中，需要考慮一下幾點(diǎn)：

永定河妙峰山段位于華北地區(qū)，冬季氣溫較低，冰凍層較深，生態(tài)墻壁磚及魚巢磚位于水位變動(dòng)區(qū)，冬季建議及時(shí)通過(guò)跌水底部的放空管將蓄水區(qū)內(nèi)存水放空，以降低冰凍對(duì)生態(tài)護(hù)坡破壞，另在植物選擇上應(yīng)選擇耐寒耐旱的物種以保證生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)效果。跌水附近由于河道流速較大，應(yīng)做好跌水及兩側(cè)護(hù)坡的日常維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決因高速水流沖刷帶來(lái)的安全隱患。