水利工程建設(shè)中的水土保持設(shè)計思考

孫吉

(山東安丘市水利局河道養(yǎng)護(hù)中心 山東濰坊 262100)

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強，逐漸認(rèn)識到水土流失的嚴(yán)重危害，因此在水利工程建設(shè)中將水土保持設(shè)計作為一項重要任務(wù)。水土流失會對生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害，比如土壤結(jié)構(gòu)的變化、引發(fā)洪澇災(zāi)害、造成水體污染等，而做好水土保持工作，則可以對生態(tài)環(huán)境起到良好的保護(hù)作用，降低自然災(zāi)害發(fā)生的概率，促進(jìn)水利工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 水土流失的危害

水利工程建筑推動國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是水利工程建設(shè)同樣會影響到生態(tài)環(huán)境，如果不加以管理與控制，容易造成水土流失，引發(fā)一系列嚴(yán)重后果[1]。

1.1 引起土壤結(jié)構(gòu)的變化

土壤是植物生長不可缺少的必要物質(zhì)條件，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最基本的資源，水土流失造成的最直接的后果就是土壤結(jié)構(gòu)受到破壞。在我國水土流失現(xiàn)象是非常嚴(yán)重的，據(jù)統(tǒng)計每年因土壤侵蝕損失的耕地面積達(dá)到100 km2，土壤層中富含的氮、磷、鉀等重要營養(yǎng)物質(zhì)隨著水土流失而消失，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中旱災(zāi)加劇，還會引起土壤鹽堿化。水土流失造成土壤有吸水能力與持水能力嚴(yán)重下降，由于地表土壤長期受到侵蝕而導(dǎo)致松散，無法為自然景觀提供基礎(chǔ)支撐，水利工程坡體因無力支撐而發(fā)生滑坡。

1.2 加劇自然災(zāi)害的發(fā)生

水土流失會造成下游河道、湖泊產(chǎn)生大量淤積，降低水利工程的蓄涵能力，當(dāng)進(jìn)入枯水期時水流量不足，容易出現(xiàn)斷流；當(dāng)進(jìn)入豐水期時因河道、湖泊的蓄涵能力下降，導(dǎo)致水流量加大，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害。泥沙的大量淤積造成河道堵塞，埋下嚴(yán)重的安全隱患，當(dāng)出現(xiàn)大量降水時被淤積的水庫無法存儲更多的降水，造成漫壩或大壩垮塌等事故[2]。

1.3 影響生物的多樣性

水土流失帶走的各種營養(yǎng)物質(zhì)、生物農(nóng)藥成分最終都進(jìn)入下游的水庫、湖泊中，引起水環(huán)境的富營養(yǎng)化，破壞水體中生物原來的生存環(huán)境，許多生物因此而大量消亡甚至瀕臨滅絕。

2 水利工程建設(shè)中水土保持設(shè)計的應(yīng)用

水土保持是針對水土流失問題而采取的一系列綜合治理措施，是踐行“綠水青山就是金山銀山”的正確出路。在水土保持設(shè)計中應(yīng)考慮到水利工程的實際條件以及當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)、氣候等因素，科學(xué)選擇治理方案。

2.1 對水土流失進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測

在水利工程設(shè)計前需要對施工場地的水文地質(zhì)資料做好詳細(xì)的調(diào)查，對施工現(xiàn)場進(jìn)行勘查，確定水利工程建設(shè)水土流失責(zé)任范圍，對建設(shè)過程中引起水土流失的情況進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，將水土保持設(shè)計理念應(yīng)用到水利工程設(shè)計中。水利工程設(shè)計往往內(nèi)容復(fù)雜，施工過程中的配套設(shè)施也非常多，除了項目本身的邊坡、大壩、景觀工程以外，還會占用到工程周邊的一些土地，引起水土流失的因素也是多方面的。因此，設(shè)計人員需要綜合各方面因素確定施工過程對環(huán)境造成的破壞程度，結(jié)合施工現(xiàn)場的具體條件制訂科學(xué)合理的施工計劃，避免造成水土流失。臨時占用的土地必需恢復(fù)其本來面貌，比如地形地貌、植被等，可有效預(yù)防水土流失[3]。

2.2 水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

在水利工程建設(shè)中主體結(jié)構(gòu)一般有大壩、輸水工程、圍堰工程、堤防工程等，在設(shè)計時必需體現(xiàn)水土保持的設(shè)計理念[4]。一是水庫大壩工程。為了提高水庫大壩結(jié)構(gòu)性能，減少水土流失，一般優(yōu)先選擇混凝土結(jié)構(gòu)，如果施工現(xiàn)場無法使用混凝土大壩時，再考慮其他結(jié)構(gòu)形式。二是引水、輸水工程。針對引水、輸水工程沿線施工，應(yīng)制訂水土保持專項方案，根據(jù)不同施工段水土流失的特點合理劃分水土流失防治區(qū)域，重點關(guān)注不良地質(zhì)。在對深水渠、高填水渠設(shè)計時優(yōu)先選擇渡槽或隧道，減少大型開挖設(shè)計，可有效防止水土流失。三是圍堰工程。通常圍堰只作為臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，用于水利工程施工，圍堰的形式有很多種，常用的有土石、草土、木板樁、鋼板樁、混凝土等結(jié)構(gòu)形式，綜合考慮圍堰結(jié)構(gòu)的安全性、便捷性以及水土保持等多方面因素，可選擇鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)，盡量不使用土石圍堰結(jié)構(gòu)，如圖1 所示的水中鋼板樁圍堰。四是堤防工程。一般的做法是通過合理設(shè)置堤防邊坡比來減緩水流對邊坡的沖刷，邊坡比通常設(shè)置為1∶1～1∶3；為了提高堤防的抗沖能力，可以采用灌砌塊的設(shè)計；對堤防坡面、親水平臺、堤防頂部等進(jìn)行綠化，可有效提高堤防水土保持能力[5]。實踐證明，對水利工程中各結(jié)構(gòu)部分采取水土保持設(shè)計方案，可以有效應(yīng)對水流沖刷造成的水土流失。

圖1 水中鋼板樁圍堰

2.3 采用植物保護(hù)設(shè)計

在水利工程興建過程中必然破壞施工場地原來的生態(tài)系統(tǒng)，最直接的就是植被遭到破壞，植物的自我修復(fù)能力下降，施工造成大量地表裸露，引起水土流失問題，而且這種破壞非常嚴(yán)重，很難進(jìn)行修復(fù)。因此，在水利工程建設(shè)過程中必需減少對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，最大限度地保留施工場地原有的植被系統(tǒng)[6]。

在水利工程施工地址選定之后，應(yīng)對施工現(xiàn)場的植被系統(tǒng)采取一定的保護(hù)措施，嚴(yán)格限定施工范圍，盡量降低破壞的程度。施工完成后需要對裸露部分做好恢復(fù)工作，常用的植物類型有松類、刺槐、紫穗槐等，每種植物都有自己的習(xí)性，需要按照密度要求科學(xué)種植，比如松類植物以每公頃900～2 400 株為宜。選擇樹種時應(yīng)以適時、適地、適樹的原則，盡量選擇原來的、防護(hù)效果好且經(jīng)濟(jì)價值高的樹種，必須保證樹種具備良好的適應(yīng)性、抗逆性，可以加快速水利工程植被系統(tǒng)的恢復(fù)。

2.4 棄渣場地的水土保持設(shè)計

2.4.1 棄渣堆放場地的選址

在水利工程建設(shè)中棄渣的量非常大，棄渣堆放場地的選擇困難。通常棄渣場地可分為溝道型、臨河型、坡地型、平地型與庫區(qū)型這5種，但無論是哪種類型的堆放，都必需考慮到是否對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，然后根據(jù)場地的實際情況確定堆放的高度、距離。在棄渣場地選址時必需考慮到兩個方面：一是不能對周圍環(huán)境造成影響，比如交通、安全、行洪等，特殊情況時需要進(jìn)行專家論證才能確定；二是避免在河道范圍內(nèi)放置棄渣。

2.4.2 棄渣場地的設(shè)計

棄渣場地設(shè)計中需要考慮到安全問題、攔擋問題、排水問題，需要占用耕地時還應(yīng)考慮到復(fù)耕問題，以及棄渣場的景觀問題。

第一，攔擋設(shè)計。為了防止棄渣外泄，通常會在周圍設(shè)置攔擋壩，壩體一般會選擇重力壩，重力壩由混凝土或漿砌石建造而成，施工方便，強度、安全性高，靠自身重力維持壩體的穩(wěn)定性，具體見如圖2 所示的棄渣場擋護(hù)。

圖2 棄渣場擋護(hù)

第二，場地表層土壤的保護(hù)。如果棄渣場地設(shè)置在耕地上，還要考慮到場地恢復(fù)后的復(fù)耕，因此應(yīng)在堆放之前做好表層土壤的保護(hù)。土壤表層富含植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，可按照所需場地的面積、復(fù)耕面積，將表層土壤進(jìn)行剝離，然后集中堆放在合適的位置，等場地恢復(fù)時回填。為了防止出現(xiàn)水土流失，應(yīng)對這些土壤做好防護(hù)，進(jìn)行覆蓋或者播撒草種等。

第三，場地排水設(shè)計。棄渣場地內(nèi)的排水可根據(jù)工程進(jìn)度進(jìn)行設(shè)置。針對施工期間的臨時排水，可以開挖排水溝渠，使用砂漿抹面處理。針對雨季、區(qū)域洪水的排水，為防止水流對渣堆形成沖刷、淤積，可以在場地周邊設(shè)置長期排水設(shè)施，采用漿砌石截水溝的形式，將水流導(dǎo)入沖溝內(nèi)。施工完成后棄渣場需要綜合考慮到流域面積、本地的降水情況、水利工程建設(shè)的等級，合理確定排水系統(tǒng)，如果洪水量小可選擇排水渠進(jìn)行排水，如果洪水量較大可選擇涵洞式排水，具體方式可根據(jù)水利工程實際情況確定。

第四，棄渣場地的恢復(fù)。棄渣在有效利用后需要對棄渣場地進(jìn)行恢復(fù)，將上述剝離的土壤回填到場地中，選擇生長力旺盛的農(nóng)作物進(jìn)行耕種，可加快土壤恢復(fù)。具體的恢復(fù)措施應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行綜合評價后確定。對還在使用的棄渣場地可以栽種原種植的樹木，有助于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[7]。

2.5 降雨集蓄設(shè)計

近些年，隨著環(huán)境的惡化，淡水資源短缺的問題越來越嚴(yán)重，水利資源逐步成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵要素。因此，在水利工程建設(shè)中應(yīng)加入雨水回收再利用的設(shè)計理念，通過對雨水的集蓄再利用，使淡水資源得到充分利用，可達(dá)到水土保持的效果[8]。多年來，人們在河道治理方面積累了豐富的經(jīng)驗，但對于雨水的收集再利用卻并沒有采取相應(yīng)的措施，因此堤岸兩邊的雨水匯集后都隨地形任意排放了，不僅造成淡水資源的流失，同時還會對水利工程岸坡形成沖刷作用，導(dǎo)致水土流失、水利工程遭到破壞。因此，在水利工程設(shè)計中運用水土保持理念，在河道兩岸、堤防區(qū)域合理設(shè)置排水設(shè)施，將雨水集中導(dǎo)入河道或蓄水池中，將雨水回收經(jīng)過處理后可用于河道兩側(cè)的綠化工程，既解決了雨水沖刷問題，又可以高效回收雨水，實現(xiàn)了淡水資源的回收利用。由于雨水來自大氣層，隨著空氣污染的加劇，雨水中也溶入了大量的COD、硫化物、氮氧化物等，需要進(jìn)行處理后才能使用。我國目前對于雨水回收的處理尚不成熟，也缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，隨著雨水收集利用技術(shù)的推廣與應(yīng)用，針對雨水的凈化處理技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也將逐步落實，可用于水利工程的水土保持設(shè)計中，起到良好的效果。

2.6 做好水利工程水土流失監(jiān)測

為了保證水土保持設(shè)計能夠發(fā)揮其效果，還應(yīng)對水利工程開展水土流失監(jiān)測工作。監(jiān)測的內(nèi)容主要是引發(fā)水土流失的主要因素、強度、影響范圍等項目，運用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控與測量。確定水土流失的重點區(qū)域，比如水利工程建設(shè)的主要施工區(qū)、棄渣場地、施工路面、料場等，在這些重點區(qū)域布設(shè)測量點，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對水土流失狀況做出綜合評價，然后采取相應(yīng)的水土保持措施[9]。

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利資源的需求持續(xù)增長，而淡水資源卻日益短缺，水利工程建設(shè)成為推動社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的關(guān)鍵。但是，在興修水利工程的過程中必需認(rèn)識到水土保持的重要性，積極應(yīng)對水利工程水土流失問題，保證水利工程及周邊的生態(tài)環(huán)境不受到破壞，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)過大變化。該文主要從水土流失的科學(xué)預(yù)測、水利工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計、植物保護(hù)設(shè)計、棄渣場地的水土保持設(shè)計、降雨集蓄設(shè)計等幾個方面提出了水土保持設(shè)計方法，為了防止水土流失的發(fā)生，在施工建設(shè)過程中還必需對重點區(qū)域做好監(jiān)控測量，以起到保證土壤結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境的作用，促進(jìn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。