河流形态多样性修复的概念性设计

1河流形态多样性修复的概念性设计高永胜，赵进勇，孙东亚(中国水利水电科学研究院，北京100038)【摘要】河流形态多样性是流域生物群落多样性的基础。常规的水利工程建设使河流形态趋于均一化和非连续化，从而导致生物多样性降低，对河流生态系统的健康产生不利影响。因此如何在满足河道行洪能力要求下，通过合理修复来提高河流形态多样性，是河流修复的一个重点。本文从河流形态多样性与流域生物群落多样性统一的观点出发，提出了河流横向、纵向形态多样性设计的方法，并结合孝顺溪河流整治给出了概念性设计。【关键词】生物群落；河流形态；多样性；河流修复1概述水流通过对泥沙的侵蚀、搬运和堆积，形成了蜿蜒的自然河流，创建了河流的浅滩、深潭以及洪泛区等独特的多样性形态，大量研究表明，河流的这些形态结构，更有利于稳定、消能、净化水质以及生物多样性的保护，也有利于降低洪水的灾害性和突发性[1]。据估计，全世界有大约60%的河流经过了人工改造，包括筑坝、筑堤、自然河道渠道化、裁弯取直等（Brookes,2001）[2,3]。这些改造使河流形态发生了改变，其主要表现在两方面[4-7]：一是自然河流的渠道化，包括平面布置上的河流形态直线化、河道横断面几何规则化、河床和边坡材料的硬质化；二是自然河流的非连续化，包括顺水流方向的河流非连续化，侧向水流和垂向水流的非连续性。这些变化使河流形态多样性大大降低，引起流域生物群落多样性下降，并违背了河流连续体理论，不利于河流系统的连续性[6]，从而影响了河流生态系统的健康，使河流生态系统的服务功能下降，反过来又损害了人类的自身利益[5]。河流形态多样性是维持流域生物群落多样性的基础，而生物群落多样性是河流生态系统健康的保障[5]。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[5,8]。针对我国目前一些中小河流健康受损的实际情况，提出从纵、横两方面来提高河流形态多样性的修复方法：在纵向上，修复河流蜿蜒性，在河床上创建深潭-浅滩序列；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。22河流形态多样性修复的理论基础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。2.1河流横向形态多样性自然河流横向上主要由三部分组成，即主河槽、洪泛区和高地边缘过渡带。主河槽，是一条在一年中至少部分时间有水的沟道；洪泛区，是河道一侧或两侧受洪水影响，周期性淹没的区域，其变化范围较大；高地边缘过渡带，是洪泛区一侧或两侧的部分高地，是洪泛区和周围陆地景观之间的过渡区域或边缘区域。其典型断面如图1所示图1典型自然河道横断面结构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2所示堤防宽度B(平滩宽度)bhH图2复式断面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[9]，因此在具体设计时，可以此作为参考，对相应的断面进行修改。2.2河流纵向形态多样性(1)纵向平面形态天然河流的主河槽多是蜿蜒的，这种弯曲的主河槽多具有正弦模式的波长，如图3所示。即使是顺直河道，其深泓线也具有正弦模式。在主河槽弯曲的凸岸泥沙淤积形成边滩（沙丘），凹岸则受到冲刷，形成深潭，在顺直段会形成浅滩，如图1所示。3图3河道纵向形态示意图Lepold等[10]通过对大量自然河流的测量，绘出河流宽度与河流弯曲段半径的关系，如图4所示，并得出它们的关系为01.19.10WL，其中L为弯曲段半径，W为河流宽度。图4河流弯曲段半径与河流宽度关系图(2)河床形态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，形成交替次序的浅滩和深潭，其平面布置如图3所示，沿深泓线的纵向剖面如图5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]。图5河流纵向剖面示意图(DunneandLeopold,1978)浅滩和深潭的组合是河流保持动能水力平衡、维持河道内稳定水力配置的一种方式，其组合的消失使得河底平整，导致深潭内的水头蓄积区和浅滩的水能消散区丧失，4大大减少了大型无脊椎动物和鱼类的栖息地以及产卵场所[12]。在实际设计中，河流横向结构和纵向形态的设计是相互交叉进行，互为前提的。下面以孝顺溪为例，给出河流形态多样性修复的一般方法和步骤。3孝顺溪形态多样性修复的概念性设计3.1孝顺溪概况孝顺溪发源于浙江金华、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‰。流域内多年平均气温17.3℃，多年平均降雨量1455mm，年内分配不均，春季38.7%，夏季24%，秋季21.3%，冬季16%，流域内洪涝灾害频繁。孝顺溪主要支流有畈田洪溪、东溪及石塘溪，其上游流域建有小㈠型水库四座，区域内建有小㈡型水库13座，山塘103座。孝顺溪河床结构洞源水库以上为沙岩结构，以下为泥沙结构。由于受城市化影响，河面宽度变化较大。其中孝顺集镇段河道狭窄，最窄处仅有15m，淤积严重。治理范围从金衢高速公路桥到东阳江汇入口，河道长10.8km，堤防治理长度20km，防洪标准为20年一遇。主要控制断面设计洪峰流量如表1。表1主要控制断面设计洪峰流量表位置集雨面积（km2）设计洪峰流量（m3/s）10%5%03省道处42167.5211.3大湖沿村108438.4549.7金三桥131533.7669.8铁路桥139566.9711.6东阳江汇合口1506127703.2河流形态多样性规划设计(1)规划设计的目标和范围目标是在满足河流行洪能力要求的前提下，改变传统设计理念，恢复河流形态多样性，从而促进河流生态系统状况的改善。设计范围为金衢高速公路桥到东阳江汇入口的长10.8km的河道。(2)河道横断面形态的修复河道横断面形态按复式断面进行设计，如图2所示，步骤如下：①平滩流量的确定平滩流量是指水流达到平滩水位时所对应的流量，对于自然河流，平滩流量在一般5情况下的重现期大约是1.5年，可以通过洪水频率曲线分析求得[13,14]。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[15]。本设计中由于缺少洪水频率曲线，平滩流量采用原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的推理公式法进行计算，公式如下：FSQnpm278.0(1)式中：F─流域面积（km2）；mQ─设计洪峰流量（m3/s）；─汇流历时（h）；─洪峰流量系数；pS─设计频率雨力（mm/hr），按212424nppHS计算；n─暴雨递减指数。不同控制断面平滩流量计算成果如表2。表2主要控制断面平滩流量计算成果表位置桩号集雨面积（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平滩宽度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2所示，可根据平滩流量和天然河流河相关系公式（鲁什科夫,1924）来确定[15]。hB（2）式中：B-平滩宽度(m)；h-平滩流量时的平均水深(m)；-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.典型断面计算结果如表3.表3典型断面计算表位置桩号洪水流量设计参数5%70%nm1m2iHhbQ(70%/5%)03省道处10+460211.3600.0451.51.50.001552.81060/213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+0007701461.51.50.000217.13.235148/7686表3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，某断面图如图6所示。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6典型断面图③生态护坡设计为避免护坡材料的硬质化，根据河岸稳定和过流能力要求，在适宜河段采用生态护坡方案，如土体生态工程技术(soilbioengineering)、生态砖/鱼巢砖等构件、石笼席、天然材料垫、土工布回包、混凝土块、土工格室、间插枝条的抛石护岸、椰壳纤维捆、木框墙、三维土工网垫等。土体生态工程技术中的梢料层技术[16]如图7所示，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。10--15cm厚用土回填击实,压实度80%左右坡顶原状土沟前沿枝条交叉放置枝条伸入未扰动土约15cm约50--60cm约40--90cm夹角为10--30与竖直方向夹角为10--30约25cm沟后沿oo图7梢料层护坡(3)河道纵向形态的设计剖面图俯视图7河道纵向形态设计内容主要包括构造河流蜿蜒性，布置河流的浅滩-深潭序列等。构造河流蜿蜒性时，要遵循现河流的地貌特征，这样更有利于河流的稳定，并可降低工程造价。河流弯曲弯矩可作为主要参数之一。①弯曲弯矩的确定根据图4中弯曲弯矩和平滩宽度的关系公式，计算弯曲弯矩。在实际计算中可按01.111WL进行计算，计算结果如表4。表4弯曲弯矩计算结果表位置区间桩号位置平滩宽度(m)弯曲弯矩(m)金衢高速～太湖沿村10+800～5+52118.4～36202～396太湖沿村～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河流蜿蜒性的构造和浅滩、深潭的布置根据河流的蜿蜒特性，基于自然河流的地貌特征，在相应位置布置浅滩和深潭，如在河流转弯处的凹岸布置河流深潭，在深潭之间过渡段创建河流浅滩等[17]，浅滩的横断面和纵断面示意图如图8所示。在较长的顺直河段，为创建多样性的河流形态，可构造回水区；在河流较宽处，还可采取设置江心洲等措施。2.5633449.1144.6941.441.71.541.3块石粒径0.1-0.5m0.2-1.0m约1:4约1:100.2-0.3m水流方向图8浅滩的横断面和纵断面图4结语河流修复工作在我国还处于初级阶段，在实际工作中，既要借鉴西方国家的先进研究成果和经验，又要结合我国国情，有针对性地采取相应的修复措施。基于此，在满足河流防洪安全的前提下，从河流形态多样性与生物多样性相互关系的角度，提出了如何提高河流形态多样性，改善河流生态环境的概念性设计方法。但需要说明，文中所提及8和应用的理论和公式有其特殊的适用范围，引用的目的只是说明一种设计思路和方法，不可机械地应用。如河流蜿蜒性的设计，应参考历史河道状况或通过类似河段的类比来确定。自然界中几乎不存在规则的蜿蜒形态，也不存在统一的设计公式，对此类问题应予以特别注意。参考文献：[