浙江孝顺溪河流地貌多样性修复设计探讨

浙江孝顺溪河流地貌多样性修复设计探讨赵进勇1孙东亚1董哲仁1方拥军21、中国水利水电科学研究院北京1000382、浙江省金华市金东区水利局321000摘要：由于忽视了河流生态系统健康的需求，传统的水利工程建设对河流生态系统形成了不同程度的胁迫。这些胁迫主要来源于两个方面：由于筑坝和筑堤造成的河流非连续性；由于自然河流的人工改造形成的渠道化。在对有关胁迫进行认识的基础上，根据生态水工学的有关理念，在满足河流过洪能力的前提下，从横断面、纵向平面形态、深潭-浅滩序列的构造、及河床改善措施等几个方面对浙江孝顺溪的河流地貌多样性修复设计进行了探讨，以改善河流生物栖息地的多样性,从而利于河流生态系统的修复。关键词：河流；地貌多样性修复；河流生态修复河流地貌多样性修复工程的目标是在满足河流行洪能力要求的前提下，改善河道生态环境，提高河流生境的多样性，从而利于河流生态系统的修复。河流生态系统的服务功能是由一个健康的河流生态系统提供的，而生物群落多样性是这种生态系统的保障，河流形态多样性则是维持河流生物群落多样性的基础[1]。因此，如何提高河流形态多样性是修复生态退化河流的一个重要方面，这主要包括：尽可能恢复河流的纵向连续性和横向联通性；尽可能保持河流纵向和横向形态的多样性，防止河床和岸坡材料的硬质化等[1,2]。河流形态多样性的修复应根据自然河流的形态特点，遵循河流形态多样性与流域生物群落多样性相统一的原则，在参考同流域内自然河流形态的基础上，结合现状河流的地形条件和相关规划进行。除了从地貌学的角度对河流形态的多样性进行修复外，河流水文、水力、水质等条件也会影响河流生物栖息地的多样性，从而影响生物群落的多样性。有关研究表明，假设在水量与水质条件不变的情况下，生物群落多样性与栖息地的空间异质性存在线性关系[3]。某个地区的栖息地空间异质性越高，就意味着创造了多样的小生境，能够允许更多的物种共存。反之，如果非生物环境变得单调，生物群落多样性必然会下降，生物群落的性质、密度和比例等都会发生变化，造成生态系统某种程度的退化[4]。一、概况孝顺溪发源于金华、义乌两市界上的双尖和金华、兰溪两市界上游竹马尖之间。流1经金东区傅村、源东、孝顺等乡镇，流域面积150km2，干流长22km，综合比降2.3‰。孝顺溪历来洪涝灾害频繁，据统计，流域内每年有近千亩农田由于受淹及受淹后泥沙淤积而导致昀多只能种一季水稻。孝顺溪从孝顺集镇中心穿过，由于河道狭窄，泥沙淤积严重。孝顺溪上游流域建有小㈠型水库四座，控制集雨面积为39.95km2，占整个流域集雨面积的26.6%，正常库容为1238万m3，以灌溉为主，并结合发电、养殖等多目标利用。孝顺溪现有堤防8km，主要分布在孝顺集镇上、下游，防洪标准不到5年一遇，保护人口12300多人，保护农田18750多亩。区域内多年平均降雨量为1455mm，年内分配为春季38.7%，夏季24%，秋季21.3%，冬季16%，4～9月份为汛期，10月至次年3月为枯水期。河流地貌多样性修复的初步设计范围从孝顺溪上游杭金衢高速公路至东阳江汇合口，河道长度10.8km。河道部分现状图见图1。流向图1孝顺溪河流部分现状图针对孝顺溪的现状情况，在满足河流过洪能力的前提下，从横断面、纵向平面形态、深潭-浅滩序列的构造、及河床改善措施等几方面来进行河流地貌多样性修复设计：在横向上构建包括主河槽和洪泛区在内的多样性断面形态，并采用生态型岸坡防护结构，避免河流岸坡的硬质化；在纵向上修复河流蜿蜒性；在河流内创建深潭-浅滩序列；在河床上运用抛石、小型石梁等小型结构物来改善水流流态。同时，在整体工程的规划实施中应遵循生态水工学的下列原则：工程安全性和经济性；提高河流形态的空间异质性；生态系统的自设计、自修复；景观尺度及整体性；反馈调整式设计[4]。河流地貌多样性2修复工程的流程如图2所示。提出问题确定工程范围、工程目的、相关限制等规划前期调查规划前期调查资料整合分析初步构想自然地理调查水文气象调查地质地貌调查社会经济调查生态调查民意调查等规划设计选择目标物种设定检测指标河流形态、土壤特性、生物群、岸坡型式、河床型式、岸边过渡带等所选择方案的细部设计水力分析安全分析生态分析经济分析等工程施工生态环境监测民意反馈等工程竣工后的监测维护等反馈细部完善评估图2河流地貌多样性修复流程图二、孝顺溪河流地貌多样性修复设计探讨2.1河流横断面结构多样性的构造在满足河道行洪能力要求的前提下，遵循自然河流横断面的结构特点，对现有经过人工改造过的河道，可按复式断面进行设计，如图3所示。河床在不加以人工构筑物防护的情况下，水流自然会将其冲刷成为抛物线的稳定形状[5]，因此在具体设计时，可以此作为参考，在满足防洪要求的基础上对相应断面进行调整。堤防宽度B(平滩宽度)bhH图3复式断面形态(m1、m2为斜坡坡率，H为河底到堤顶的高度，h为河底到滩顶的高度)1.平滩流量(bankfulldischarge)的确定平滩流量是河道水位与河漫滩相平时所对应的流量，该流量通过移动泥沙、形成或移动沙洲以及形成或改变河流蜿蜒性等过程，形成河道的一般形态特征[6]。对于自然河流，平滩流量在一般情况下的重现期大约是1.5年，可以通过洪水频率曲线求得[7,8]。作为粗略的近似，可暂取频率为1.5年的洪水流量作为平滩流量[6]。设计中采用水利电力部水利水电科学研究院水文研究所提出的适用于500km2以下小流域的暴雨径流计算公式：FSQmnpτα278.0=，式中：─流域面积（kmF2）；─设计洪峰流量（mmQ3/s）；τ─汇流历时（h）；α─洪峰流量系数；─设计频率雨力pS3（mm/hr），按nppHS−=12424计算；n─暴雨递减指数。不同控制断面设计平滩流量计算结果如表1所示。表1主要控制断面设计平滩流量位置桩号集雨面积（km2）设计平滩流量（m3/s）(70%)03省道处10+4604260大湖沿村5+521108118金三桥4+789131141铁路桥3+351139143东阳江汇合口0+0001501462．断面形式的确定河流达到平滩水位时所对应的河宽，称为平滩宽度（B），如图4所示。确定平滩宽度时可参考平滩流量及河流宽深比公式（鲁什科夫,1924）[6]：ξ=hB，式中：B—平滩宽度(m)；—平滩流量时的平均水深(m)；hξ—河相系数，对于砾石河床取1.4，对于一般沙河取2.75，极易冲刷的细沙河床取5.5.根据20年一遇和1.5年一遇的洪水流量，并参考上述公式，进行水力计算。典型断面形式的计算结果如表2所示。典型断面设计完成后，在满足设计洪峰流量和平滩流量的基础上，对典型断面进行局部调整，以形成多样化的断面形态，如图4所示，并进行生态型的岸坡防护设计，如图5所示。表2典型断面形式计算结果洪水流量设计参数位置桩号5%70%nm1m2iHhbQ(70%/5%)03省道处10+460211.3601.51.50.001552.81060/213太湖沿村5+521549.71181.51.50.00076.3327116/550金三桥4+789669.81411.41.50.000566.93.234143/670东阳江汇入口0+0007701460.0451.51.50.000217.13.235148/768注：(1)各段河流比降按河流实际平均比降进行设计；(2)在较窄河段，为保证河道行洪能力，一般情况下，保持m2不变，减小m1，在孝顺集镇段采用1:1的边坡或直墙式护坡；(3)表中参数的含义如图3所示。4深潭河漫滩堤顶河漫滩堤顶调整前河底线调整前河底线调整后河底线浅滩调整后河底线堤顶堤顶图4河流深潭、浅滩处的典型断面示意图52.91148度土工布反滤层铅丝蛇形石笼卵石土工布原河床线活枝条基流水位混合物（深根挺水植物种子、腐殖土、碎石）草本植物+土工合成材料296.13草本植物+土工合成材料5%洪水位48.631.549.1344.78(1.5年一遇洪水位)梢料排图5桩号5＋195处进行生态型岸坡防护后的断面图3．生态型岸坡防护设计根据孝顺溪的现场状况，生态型护岸的主体方案采用梢料层技术[9]，此技术是将活体枝条以层状结构置于岸坡上，对岸坡起到保护作用。施工从边坡的底部开始，可用上层所挖的土对下层进行回填，依次向上进行施工。可减小河岸侵蚀,稳定边坡，防止发生浅层滑动，增强土体整体稳定性，形成的植被有利于栖息地的改善和增强美观效果。此外，根据孝顺溪的不同水位情况，将河流岸坡分为干燥、偶然的洪泛带，潮湿、季节性洪泛带，沿岸水位变动带，淹没带等几个区域，在不同区域选取适合的植物种类，并且混合使用当地的几种不同植物物种，同时采用无纺土工布作为反滤层，以防止发生土壤冲蚀破坏。2.2河流纵向形态多样性的构造1.纵向平面形态在自然界中出现的稳定河湾，其平面形态是接近于正弦曲线的平滑曲线，即使是顺直河道，其深泓线也具有正弦模式，可以用一系列方向相反的圆弧和圆弧之间的直线段来模拟这图6河湾平面形态要素种平面形态。这样，河湾平面形态就可以用曲率半径（R），中心角（Φ），河湾跨度（Lm）和幅度（Tm或Hm）与弯曲系数（S）来表示，如图6所示[6]。5图7河湾跨度与直段河宽关系图[6]图8河湾曲率半径与直段河宽关系图[6]根据天然河流和模型试验成果，河湾跨度及河湾曲率半径与直段河宽的关系如图7、图8所示，关系式为[6]：BRBLm3;12==。河流发育形成弯曲性河流后，它们之间在平面外形上能够保持严格相似，与河流的大小、河床组成物质的粗细和挟带沙量的多寡并无关系[6]，在进行河流地貌多样性修复设计时，可以此关系式作为参考依据。为了构造河流纵向形态的蜿蜒性，首先需根据河湾跨度和直段河宽的关系公式及已经确定出的断面形式确定河湾跨度。构造河流蜿蜒性时，要遵循现状河流的地貌特征，这样更有利于河流的稳定，并可降低工程造价。孝顺溪河流地貌多样性修复工程中的河湾跨度计算结果如表3所示。表3河湾跨度计算结果表位置区间桩号位置平滩宽度(m)河湾跨度(m)金衢高速～大湖沿村10+800～5+52118.4～36202～396大湖沿村～金三桥5+521～4+78936～43.6396～480金三桥～东阳江汇入口4+789～0+00043.6-44.6480～4912.深潭－浅滩序列的构造天然河流的河床由于水流和泥沙的相互作用，会产生不定期的冲刷和淤积，在弯曲段的凸岸处，泥沙淤积形成边滩（沙丘），凹岸则会受到冲刷形成深潭，在顺直段会形成浅滩，昀终形成交替次序的浅滩－深潭序列，其平面布置如图9所示，沿深泓线的纵向剖面如图10所示，浅滩（或深潭）之间线性距离约为5-7倍平滩宽度[10]。大量研究表明，河流浅滩和深潭的位置是相对的，随河流主河槽的摆动而发生相应改变，但其次序和距离是比较固定的[11]。河床材料组成不同，其深塘和浅滩的特点也有所差异。以砾石和圆石为主要材料的河床，为维持河道在高能量环境下的稳定，具有典型规则的深塘和浅滩间距，在浅滩区域是较粗糙泥沙颗粒，在深塘是较细泥沙颗粒[5]。河床组成以沙质材料为主的河流，由于浅滩和深塘颗粒大小分布相似，没有形成真正的浅滩，但其深6潭有一致的间距。高梯度河流通常也有深潭，没有浅滩，水以阶梯方式从一个深潭过渡到另一个深潭。浅滩和深潭的布置也要考虑到河道冲刷和淤积情况，以利于河道的稳定。Lm图9河道纵向形态示意图图10河流沿深根据孝顺溪的河流形态，在自然形泓线的纵向剖面示意图[7]态具备水流方向0.2-0.3m约1:10约1:40.2-1.0m块石粒径0.1-0.5m41.31.541.741.444.6949.1134632.5蜿蜒性特征的河段根据河势进行深潭-浅滩序列的布置；在河流顺直形态较长的河段，将河流内平滩流量过水部分进行蜿蜒性设置，并构造回水区等多样化的栖息地特征，以创建多样性的河流形态，同时进行深潭-浅滩序列的布置；图11浅滩处的横断面和纵断面设计对于曲率半径很小的部分河段，为了增加过洪能力，对其进行裁弯取直处理，但保留以前的弯曲部分，以形成类似牛轭弯道的河流形态。由于自然河流内深潭