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中小河流治理工程中的生态设计

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1采用生态护坡护岸技术,建设能呼吸的河道

河岸是水中生物体系和陆上生物体系的连接部位,是水体与周边土壤间物质和能量交换的通道,有适合各种生物生存繁衍的潜在环境。传统的硬化不透水护坡护岸将陆地与河水隔断,不仅破坏生物赖以生存的自然环境,而且也隔断了生物与微生物的整体生物链,破坏了水生态循环的平衡,导致河道天然自净能力遭到破坏。因此,在中小河流治理时要像维护有生命的动物呼吸功能一样,保持河水与两岸陆地的顺畅交流,多采用生态护坡护岸技术,尽量少用硬质化材料护砌。生态护坡护岸包括植被护坡护岸和生态材料护坡护岸,植被护坡护岸是在河道岸坡缓、水流慢处采用草地、乔木和灌木护岸,生态材料护坡护岸则多采用高孔隙率的天然透水材料或透水混凝土空腔预制砌块结构。生态护坡护岸能减轻河道岸坡侵蚀,增强河床边坡稳定性和抗冲刷能力,同时减少对动植物生存环境的影响。植被护坡护岸利用植被群落根系密集、纵横交错的特点,增加河岸土体的坚固性和稳定性,植物根系还能吸收土壤水分,提高土壤颗粒间的粘聚力,提高土体强度,稳定河道岸坡。生态材料护坡护岸则具有透水透气、固土护坡、空间延伸的特点,在保护和稳定河岸的前提下,还有利于发挥河流的自我修复功能,常用的生态材料护坡护岸有格宾石笼、雷诺护垫、三维植被网、生态袋、生态混凝土、联锁式护披砖、木桩加柳枝捆、驳石等。在中小河流治理中,生态护坡护岸的抗冲能力是决定其能否在工程中被采用的关键,表1列举了部分生态护坡护岸的抗冲流速,可供设计参考。

2重视维护河流生境,建设有生命的河道

河流生境一般指包括河床、河岸、滨岸带在内的河流的物理结构[3]。河流生境是河流生态系统的重要组成部分,为河流生物的正常生活、生长、觅食、繁殖等活动提供必需的空间和庇护场所,是河流生物赖以生存的基础。河流生境的破坏,将引起水生态系统的退化,使微生物的生物多样性降低,鱼类的产卵条件发生变化,鸟类、两栖动物和昆虫的栖息地改变或避难所消失,造成河流生物物种数量的减少和某些物种的消亡。在中小河流治理中,必须重视维护河流生境,不因河道治理带来河流生物物种的减少或消亡,努力营造蛙叫虫鸣、鱼虾畅游、水鸟翱翔的景象,建设有生命的河道。在河岸、滨岸带,根据坡面土壤含水量的变化情况,依次栽种水生植物、湿生植物和中生植物(见图1)[4],植物选择要遵循物种多样、高低错落、乔灌草结合、共生适宜的原则;在水中由水岸浅水区到深水区,梯级栽植挺水植物(如:荷花、芦苇、香蒲、茨菇、千屈菜、水葱、菖蒲、泽泻、水生美人蕉等)、浮叶植物(如:睡莲、野菱、王莲、茨实、莼菜、荸荠等)和沉水植物(如:金鱼藻、苦草、水柳、水兰、水榕、凤凰草、伊乐藻、轮叶黑藻等)[5],这些水生植物将为鱼卵的孵化、幼鱼的成长以及鱼类躲避捕食提供良好环境。河道中清除受污染的底泥,提高河床孔隙率,为微生物、水生植物生长创造条件。疏浚与清淤要维护河道原生态河貌,在满足防洪要求的前提下,尽量保留河道天然滩(洲),条件允许的情况下,河床中可建造河心滩(洲)、生态岛或采取打木桩、抛石的方法建造急流、浅滩和深潭,在部分河滩上开挖凹地,营造出接近自然的流路和有着不同流速的水流,造就水体流动的多样性,满足不同鱼类的需要。护坡尽量使用堆石、干砌石、多孔混凝土构件和自然材质制成的柔性结构,为水生动物提供生息繁衍的空间。此外,在正常水位以下可设置人工鱼巢,提供鱼类等水生动物的生存空间。图2是空腔预制块人工鱼巢断面示意图,图3是鱼巢式空腔预制砌块结构图。

3注重改善河流水质,建设清洁的河道

良好的水质是河流功能发挥的前提和保障,健康的河流应该具备清洁性,水体清澈并拥有良好水质,能满足饮用水源、工农业生产、生物生存以及景观用水等河流功能的要求。中小河流一般位于流域水系的上中游,河流水质不仅影响其自身功能的发挥,也直接影响到整个流域的水质状况。目前,由于工业污水和生活污水处理力度不够、化肥和农药的不合理使用以及普通群众环境保护意识淡薄、环境执法力度不够等原因,造成河水污染、水质恶化。在一些农村地区,农民将生活垃圾弃置分散在河道岸边,造成水体和土壤的污染,一到汛期,垃圾在洪水的作用下随水流漂移,污染范围进一步扩大,严重危害河流水质。在中小河流治理中,必须注重改善河流水质,努力建设清洁河道。底泥疏浚是解决河流内源污染的重要措施,通过底泥的疏挖,可以清除污染水体的内源,减少底泥污染物向水体释放,对于一些污染严重的中小河流,应该采取河道底泥疏挖置换的措施。对于生活和生产垃圾,在河道范围内的必须予以清除,同时要求垃圾远离河道堆放,并建设垃圾分类收集—无公害处理—资源再利用系统,提高垃圾的处理利用效果;对于污水,应限制直接向河流排放,加强对沿河工业点污染源的监控,建设污水收集—处理—再生水回收利用系统,污水只有经过处理达到水质排放要求后才允许进入河流。此外,要推广测土施肥技术,控制农业等面源污染,在河道两岸建设生态滨岸带,发挥生态滨岸带的缓冲作用,通过植物吸收、吸附、过滤、氧化还原等物理和生物化学作用来分解污染物,使面源污染物尽可能在生态滨岸带中被消化和吸收。水系连通和人工湿地对于恢复河流水体自净能力也有很好的效果,水系连通后将形成水流网络,通过河流上水利工程设施的科学调度和运用,人工调水配水,实现水资源的优化配置,让死水变为活水,流动慢的水变成流动快的水,提高水体的自净能力;人工湿地一般由基质、附着在基质上或水里的微生物和生长在基质上的水生植物组成,形成基质—植物—微生物的生态系统,当污水通过该系统时,污染物质和营养成分被系统沉淀、吸收、转化、分解,从而使水体得到净化。此外,人工生物浮岛(生物浮床)、水生动物操控技术(增殖放流)、人工曝气增氧、跌水复氧、微生物修复等技术也能够达到清洁河流的目的,在需要时可以考虑采用。

4充分利用本地植物资源,建设原生态的河道

河道植物除了生态绿化和景观效用以外,往往还要求具有耐湿、耐贫瘠、根系发达、固土和抗冲刷等特点,由于本地植物是当地特定气候及地理环境下的产物,其适应性强,在当地的分布广,易于获取,特别是一些河道两岸的当地植被,在长期自然条件下能够存活,是经过考验的,说明最能适应当地河道的生存环境。在中小河流治理中,由于河道不可能像城市公园或绿地那样来维护管理,因此,除非有特殊景观要求,否则应尽量选择土生土长的本地植物,充分利用本地植物资源,建设原生态的河道。中小河流治理中有意识地选用本地植物(树、草种),不仅容易成活、易于养护,同时还可以降低造价、节约工程投资。建设原生态河道首先在植物选择上应遵循“本地树种、草种为主”、“适地适树”、“适地适草”的原则,即通过对工程区及其周边环境中土壤气候条件、植被现状、当地栽种习惯等的调查和研究,筛选出适合于当地土壤、气候及水文条件并与当地环境相协调的优良乡土树、草种。其次,在栽种时要注意科学合理搭配,乔灌草结合,高低错落、疏漏有致、物种多样,尽量营造出一种原始、天然的原生态地貌。由于外来植物往往不能适应本地的气候环境和条件,成活率低,栽种及管护成本高,在中小河流治理时不宜大量引种。有些植物生态适应性和竞争力特别强,又缺少天敌,如选用不当,还会带来一系列生态问题,如喜旱莲子草(又称空心莲子草、水花生、革命草),由于适应于多种生境,繁殖力强,生长迅速,且难以清除,堵塞河道,影响泄洪,威胁本地生物多样性,已成为公认的恶性外来入侵植物,此类植物绝对不能选用[6]。在植物选择时,要注意常绿植物与落叶植物混种、深根系植物与浅根系植物搭配、阳生植物与阴生植物分层栽种的原则,有固土护坡功能的植物优先选用,充分发挥植物的护坡作用和生态效应,力求栽种方案经济实用,栽种效果自然美观。

5坚持就地取材、治理与保护并重原则,建设低碳的河道

低碳是21世纪以来对工程建设的新要求,中小河流治理要实现低碳的建设目标,在整个设计环节都必须考虑低污染、低排放、低耗能。钢筋、混凝土是人们熟知的传统建筑材料,但在生产和使用过程中,这些材料很难达到低碳环保的要求,因此,在治理中应尽量少用或不用,即使要用也尽量采用生态混凝土,利于碳汇。河道及两岸的花草、树木可以进行光合作用,吸收二氧化碳,都是低碳的,在施工过程中要注意保护,避免破坏,特别是河道两岸的古树和名木,在整治中要做到避让与保护。由于施工场地临近河流,施工过程中要注意减少对河道水体的污染,施工弃渣、废料不能沿河堆放,能利用的尽量利用;施工废水要经处理后才可排放,避免因施工而污染河流;施工结束后要将施工场地破坏的植被恢复,不因治理带来河道生态系统破坏……总之,在中小河流治理过程中,要坚持就地取材、治理与保护并重的原则,努力建设低碳的河道。中小河流治理时疏浚、清淤以及基础开挖出来的土料、砂砾石、鹅卵石等都是理想的绿色建筑材料,低碳环保,堤防填筑中应尽量利用这些河道开挖料,少用浆砌石或混凝土,以利采取生态护坡。对于鹅卵石多的山区河流,可采用石笼结构生态型护岸,网笼选用定型产品(见图4)[7],无需现场制作,笼眼大小还可根据鹅卵石粒径进行调整。按照使用要求,调整网笼尺寸,将鹅卵石装入网笼中,在河岸合适位置堆放,就可形成石笼挡土墙式护岸或石笼贴坡式护岸(见图5)[5]。石笼结构具有易于施工、适应基础不均匀沉降、抗冲能力好、透水、鹅卵石能再利用等特点,石笼结构还可提供植物生长、小鱼小虾生存条件,利于维护自然生态环境,也与周围景观更加协调,是山区中小河流治理建设低碳河道的好方法。此外,对于具有卵石、砂卵石河床的中小河流,当需要在河道中人工修筑坝抬高上游水位时,在水浅流缓处可考虑采用杩槎坝。杩槎坝可采用木、竹、钢筋混凝土杆件等做杩槎支架,选择块石或土、砂、石等作为填筑料,构成透水或不透水的杩槎坝[8],通过杩槎坝束窄河道断面,达到抬高上游水位的目的。

6结语

中小河流治理工程应在满足防洪排涝安全的前提下,适应河道自然性、生态性、观赏性、游乐性的要求,充分体现人与自然和谐相处的原则。在工程设计时要积极贯彻生态设计的理念,选取技术可行、经济合理、维护成本低的治理方案,努力将中小河流建设成为自然的、能呼吸的、有生命的、清洁的、原生态的、低碳的河道,实现河道流畅、水清、岸绿、景美的治理目标。

作者:黄锦林 单位:广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室

中小河流治理工程中的生态设计责任编辑:杨雪    阅读:人次