“以水定面”在河道水體設(shè)計中的應(yīng)用

趙中魁

（北京魁燁科技咨詢服務(wù)中心，北京 100006）

1 引言

國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出：提升水資源優(yōu)化配置，完善水資源配置體系，降低水資源開發(fā)利用強(qiáng)度，實(shí)施國家節(jié)水行動，建立水資源剛性約束制度。

實(shí)踐中，一些項目因水資源狀況分析不到位，造成可達(dá)性差、脫離預(yù)期目標(biāo)，因此，研究水資源稟賦和項目的關(guān)系很有必要。對于河道設(shè)計，考慮水資源專業(yè)和其他專業(yè)均有交叉，所以，研究以水資源為切入角度確定項目規(guī)模有重要意義，這種以水資源確定項目規(guī)模的形式，可以稱之為“以水定面”。

2 現(xiàn)狀河道水體治理類項目的主導(dǎo)類型

隨著社會的發(fā)展，人與自然和諧相處的理念深入人心，河道治理的主要內(nèi)容也在發(fā)生變化，目前的專業(yè)主導(dǎo)類型主要有景觀、生態(tài)和水利3類。景觀主導(dǎo)類以其良好的可視性和游樂性為社會廣泛接受，占據(jù)較大優(yōu)勢；伴隨人與自然的和諧發(fā)展，綠水青山就是金山銀山理念的蓬勃發(fā)展，生態(tài)主導(dǎo)類異軍突起，以其和諧共生、可持續(xù)發(fā)展的方式，得到越來越多的關(guān)注；水利主導(dǎo)類因其功能相對單一且投入較高，且需時間驗(yàn)證，占比有所減少。

3 河道水體治理類項目的不足之處

3.1 超過水資源承載能力

單純?yōu)榱梭w現(xiàn)親水、水景觀的元素，打造形象工程，甚至使用“大水面”形式，造成常規(guī)水資源使用殆盡，甚至出現(xiàn)取用地下水的狀況。若用水量超過了水資源承載能力，不僅影響經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，也會導(dǎo)致水環(huán)境惡化，從而降低了水環(huán)境的承載能力；反之，當(dāng)排污量超過水環(huán)境的承載能力時，減少了本來可使用的水資源，也會降低水資源承載能力，不利于地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 對水資源稟賦重視不夠

項目前期，往往由非專業(yè)人員進(jìn)行項目立項，水資源角度的把控力度較小，不能較好地預(yù)判項目的規(guī)模。比如，水資源匱乏地區(qū)，本應(yīng)是限制性因素，但未加考慮。當(dāng)進(jìn)入下一階段，水資源作為限制性因素顯現(xiàn)后，造成不易落地實(shí)施或者實(shí)施效果一般的情況，甚至影響后期運(yùn)營維護(hù)，使得項目收效甚微。

3.3 水資源利用的經(jīng)濟(jì)合理性

伴隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)距離取水不再是限制條件。在項目水源較遠(yuǎn)或高差較大的情況下，采用遠(yuǎn)距離輸水或大揚(yáng)程輸水方案，項目建設(shè)投入成本和后期維護(hù)成本很高，為了項目的實(shí)施，仍采用這種高投入高運(yùn)營成本的方案，使項目可持續(xù)性差，經(jīng)濟(jì)合理性差。

3.4 水資源利用效率低、消耗高

有些項目為了節(jié)省成本，水資源利用采用粗放的方式，忽略了我國水資源的基本國情，亦未考慮區(qū)域綜合用水需求和可持續(xù)發(fā)展的理念，造成水資源利用效率低，水資源消耗高。

4 “以水定面”的優(yōu)勢和可能性

“以水定面”是以水資源要素作為限制性因素，綜合考慮其他專業(yè)對水資源的需求，通過螺旋替代等方式，最終確保項目各單元有水可用、用水有度、循環(huán)再生、環(huán)境良好的預(yù)期目標(biāo)。

從項目前期階段來看，自然基礎(chǔ)條件肯定是邊界條件。例如，用地紅線范圍。項目的設(shè)計范圍肯定是在紅線范圍內(nèi)，不可能超出這個范圍。水資源的稟賦條件亦是如此，只有確定了水資源的基礎(chǔ)條件，才能確保項目落地的可能性。

從項目設(shè)計過程來看，水資源的稟賦是設(shè)計要素。通過明確水資源的可供給量，確定項目和其他專業(yè)的用水邊界，從而設(shè)計出可行可用的設(shè)計成果。比如，水環(huán)境專業(yè)、水利專業(yè)、景觀專業(yè)對于水深、流速、水域面積、水體平面形狀等的需求，只有提供了明確的需求，才會有其他專業(yè)成果的實(shí)現(xiàn)。

從項目運(yùn)營維護(hù)的角度來看，水資源是項目運(yùn)行良好的保障。水是動植物等生命體必須依賴的生存資源和環(huán)境，比如，水利專業(yè)魚道的運(yùn)行情況、攔水壩是否滿足生態(tài)連續(xù)性的需求；景觀專業(yè)植物的生長、色彩功能的展現(xiàn)；生態(tài)環(huán)境的持續(xù)和循環(huán)等，都是在水資源充足的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)。

可以看出，水資源的限制性和決定性作用是貫穿項目全過程的，不僅需要定性，還需要定量，以滿足項目各用水單元。而且隨著項目的優(yōu)化，還需協(xié)調(diào)其他專業(yè)之間的平衡穩(wěn)定，比如，生態(tài)需求的水深和景觀需求的水深之間的關(guān)系等。因此，“以水定面”具有天然的優(yōu)勢，是其他專業(yè)所不能比擬的。

水資源專業(yè)是為其他設(shè)計專業(yè)服務(wù)的，具有基礎(chǔ)性作用，而基礎(chǔ)決定上層建筑，故以水資源統(tǒng)領(lǐng)項目進(jìn)程、主導(dǎo)項目進(jìn)展是可能的，也即“以水定面”具有可能性。

5 “以水定面”應(yīng)用可行性

本次以山東省沂水縣高莊鎮(zhèn)梓河沂水段河道生態(tài)修復(fù)工程為例，研究“以水定面”應(yīng)用的可行性。

5.1 項目概況

項目地理位置：山東省沂水縣高莊鎮(zhèn)，北起黃石板村，南至高莊村，全長6.5 km。

項目區(qū)現(xiàn)狀：（1）現(xiàn)狀河道為天然河道，有自然堤岸，河寬80～120 m，整體斷面呈U形，當(dāng)?shù)厮块T根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，近些年在兩岸種植高大喬木，固堤綠化；（2）河道內(nèi)雜草叢生，河床質(zhì)為卵石、細(xì)沙和粉質(zhì)黏土混合物；（3）為留存水資源，現(xiàn)狀已修建全斷面攔水壩4座，壩高均為0.5 m；（4）現(xiàn)狀河道上游1/3段無水，有支流匯入，下游2/3段有水，根據(jù)調(diào)查為桶裝水廠過濾余水和未生產(chǎn)用地下水原水混合水，水質(zhì)良好；（5）現(xiàn)場踏勘有鳥類、小動物昆蟲等生物資源；（6）河道水體治理段末端下游約14 km為跋山水庫；（7）河道兩岸未發(fā)現(xiàn)排污口，調(diào)查未發(fā)現(xiàn)工業(yè)廠房，兩岸村莊無規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)，污廢水排放較少，點(diǎn)面源污染較小。

5.2 初次方案

和水資源相關(guān)的方案內(nèi)容有：水生態(tài)修復(fù)工程需求1 m水深，種植水生植物共3.25×105m2，投放若干魚類等水生動物；灘潭工程在河道自然彎曲處構(gòu)建灘潭區(qū)域10處，總面積5×104m2；景觀工程為游玩景觀帶和親水平臺；清淤工程為縱向的修坡和橫向的平整，溢流堰工程增加2～6座。

5.3 初次方案存在問題

5.3.1 有效供給水資源量明顯不足

項目河流為季節(jié)性河流，近10多年來，每年都出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，除卻自然降雨，周邊唯一的補(bǔ)充水源是桶裝水廠外排水，其穩(wěn)定外排水量約2 m3/s，相較80～120 m河寬，補(bǔ)給水量不足，滯水措施較少的情況下不足以支撐河道形成1 m水深。

5.3.2 未考慮最小水量時的水深能夠滿足沉水植物需求

沉水植物的生長高度也是有區(qū)別的，適宜的沉水植株中黑藻高50～80 cm、金魚藻高40～150 cm、狐尾藻高20～40 cm、苦草高20～200 cm。在考慮水生態(tài)修復(fù)方案時，不僅要滿足適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和物種入侵控制的原則，還應(yīng)考慮沉水植株的生長高度與河道水體水深的關(guān)系，避免因物種生長問題影響水生態(tài)修復(fù)效果。

5.3.3 未考慮水面寬度的影響

國內(nèi)外研究表明，水的蒸散發(fā)、下滲和水面面積是正相關(guān)關(guān)系，本項目補(bǔ)給水量偏小，若采用寬闊水面，極易造成水資源的蒸散發(fā)，且寬淺形式水體溫度變化幅度較大，對于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)不利。水生植物的種植和水生動物的投放量與水域面積有很大關(guān)系，忽略水域面積考慮動植物措施是有問題的。親水平臺設(shè)計也應(yīng)考慮水面寬度，除卻防洪安全，水面寬度也影響親水平臺的難度和長度，過窄的水體面積不利于人水交互。

5.3.4 溢流堰對水面寬度的影響

存在溢流堰的河道中，較寬的水面利于水環(huán)境的連續(xù)和滯留水資源的功能發(fā)揮，也能形成較好的景觀效果和良好的水體曝氣效果。本項目河寬80～120 m，較窄的水面在河道中不宜全斷面擋水，容易造成水體滯留，不能形成連續(xù)的自然水體，影響河生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5.3.5 未考慮水流流速的影響

水量一定的情況下，寬淺型水體流速慢，從生態(tài)修復(fù)角度有利于物質(zhì)能量交換，可促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和完善。但當(dāng)補(bǔ)給水量較小，無法形成寬淺水體時，應(yīng)進(jìn)行水動力驗(yàn)算，明確水流流速對生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響，必要時通過措施減小流速以保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.3.6 未考慮下游生態(tài)需水

河道水體治理，不能只考慮自身，忽略下游用水需求，大水面帶來的沿途水資源損耗是較高的，本項目下游仍有14 km河段，若損耗過多水資源，下游段可能面臨無水可用的狀況。所以，應(yīng)盡可能地利用好每一滴水資源，減少損耗，確保河流整個生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和可持續(xù)性。

5.4 以“以水定面”的思路優(yōu)化項目方案

5.4.1 優(yōu)化項目建設(shè)內(nèi)容

通過了解，業(yè)主方需求主要有3點(diǎn)：投資控制，生態(tài)修復(fù)效果明顯、便于后期維護(hù)，安全可靠。考慮現(xiàn)狀堤防以穩(wěn)定運(yùn)行多年，且栽種有喬灌木，起到一定的固堤作用，寬淺型河道對堤岸的沖刷相對不嚴(yán)重，故取消堤防工程建設(shè)，只在必要的地方加以修繕和加固；堤防外尚有農(nóng)民耕種用的土路，寬約2 m，可以作為巡河路使用，去掉巡河路工程；由于河道主槽內(nèi)夾雜卵石，但整體水質(zhì)較好，流域范圍內(nèi)點(diǎn)面源污染較小，故不再進(jìn)行清淤，只在局部倒坡處攤平河床，避免排水不暢；現(xiàn)狀河道護(hù)岸為土質(zhì)，已形成穩(wěn)定自然坡度，整體符合生態(tài)護(hù)岸理念，在局部坍塌處修補(bǔ)。

根據(jù)多方了解，項目除卻自然降雨和桶裝水廠外排水外無其他水源進(jìn)入河道。

5.4.2 了解各專業(yè)需求

環(huán)境專業(yè)對河道水體水生態(tài)需求的最低水深為0.5 m，水面寬度越寬越好，水流流速盡量不大于1 m/s；從水利安全角度，項目位于村鎮(zhèn)區(qū)域，防護(hù)等級不高且不宜發(fā)現(xiàn)人員活動狀況，建議取消親水平臺；景觀專業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)域范圍人口密集，考慮在此區(qū)域打造沿河景觀公園；水利專業(yè)同意可拆除部分溢流堰。

5.4.3 優(yōu)化項目方案

以補(bǔ)給水源“以水定面”的角度優(yōu)化，試算0.5 m水深狀況下的水面寬度，通過計算水面寬度為3.8 m，流速為1.06 m/s。優(yōu)化設(shè)計以現(xiàn)狀自然彎曲的水流流經(jīng)面積，以4 m為寬幅，向下挖深0.5 m，形成復(fù)式河道，在現(xiàn)狀水面面積較寬處設(shè)置灘潭，通過灘潭和彎曲的主槽，減緩水體流速，盡可能滿足干濕環(huán)境的生態(tài)交互需求。并將成果反饋至各專業(yè)，主要為：建議取消黑藻等沉水植物，減少投放水生動物資源；建議在水體流經(jīng)溢流壩處開小口，確保上下游水生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性，同時可以留住降雨形成地面徑流形式的水資源。

通過優(yōu)化，減少了工程量，在一定程度上控制了投資規(guī)模，并且項目落地實(shí)施性和可達(dá)性明顯提升。優(yōu)化內(nèi)容主要包含：水生態(tài)沉水植物種植由原來的8.5×104m2減少到900 m2，水生植物總種植面積減少到6×104m2，投放的水生動物亦減少了70%以上；灘潭區(qū)域12處，總面積減少到4 200 m2。

6 結(jié)語

綜上所述，“以水定面”思路是以合理高效利用水資源為指導(dǎo)思想，結(jié)合相關(guān)需求，通過對水資源稟賦條件的分析，在控制水資源總量的狀況下，合理確定水資源的時空分布，引導(dǎo)項目多方向、多維度的平衡，從而打造可落地性強(qiáng)、后期維護(hù)可靠、社會反饋良好的成果，具有可能性和可行性。