北方干旱區城市中小河道水生態建設規劃設計

張鐵楠

(遼寧省阜新市水利勘測設計研究院 遼寧阜新 123000)

1 工程概況

1.1 自然條件

阜新市地處遼西北環渤海經濟帶,境內河網交織,為阜新建成園林生態城市、提升城市品位、帶動城區河道沿岸經濟發展、拉動兩岸城市房產開發,對城市河道綜合整治提出了更高的要求。

高林臺河是細河右岸一級支流,位于遼寧西部低山丘陵區,屬季節性河流,豐枯水流量相差數百倍,大水多集中在 7、8兩月。高林臺河主流長18.18km,流域面積86.25km2,河道平均比降6.29‰。其城市段從入細河口至上游哈朋河匯流口,長4.4km。

項目區屬北溫帶半干旱大陸季風氣候區,四季變化明顯,春季干旱多風,夏季高溫多雨,秋季冷涼旱霜,冬季寒冷少雪。多年平均降水量499.9mm,最大年降水量779.7mm,最小年降水量291.6mm,降水多集中在7、8、9三個月,占全年降水總量的68.7%,多年平均氣溫7.2℃,7月份平均氣溫最高25.8℃,1月份平均氣溫 -12.7℃,無霜期150d,結凍時間為11月上旬至翌年4月上旬,多年平均風速2.3m3/s,全年≥6級風日數為39d,最大風速為23m3/s,最大凍土深1.78m,年平均水面蒸發量1786mm(E601),年平均陸面蒸發量391mm。

細河是大凌河下游左側一級支流,屬于多泥沙河流,細河阜新市中心區海州水文站水文特征,地表徑流集中,多發生在7～9月份,洪水匯流歷時短,多年平均徑流量1092萬m3,多年平均輸沙量11.3萬t,汛期輸沙量為7.07萬t,多年平均輸沙率為6.73kg/m3,汛期輸沙率為8.68kg/m3,汛期輸沙量占全年的62%,汛期含沙量是年平均的1.29倍。

場區地形北高南低,河流由北向南匯入細河。地層巖性為第四系全新統沖洪積及坡積物,地基土自上而下主要為素填土、粉土、砂粒土、基巖等。河床表層為細砂及礫石。第四系覆蓋層平均厚度為4.8m。

地下水類型主要為第四系孔隙潛水,河床內地下水位埋深為1.5m左右,主要賦存于砂土中,地下水補給類型主要為大氣降水和地表水補給。

1.2 工程現狀

高林臺河城區段兩岸均為土堤,安全泄量只能達到30年一遇的洪峰流量,河道泥沙落淤并兌岸嚴重,岸壩坍塌,阻礙行洪。堤防無護坡,堤距60～150m不等。

左右岸內堤腳處各有1條截流干管至細河干流左岸截流井。在2+770處有一條重要混凝土自來水管線 (DN1000)斜穿越河道,裸露在河灘,不能移線存在安全隱患。整治段內有跨河建筑物2座,分別為玍海西大橋 (樁號0+370),高林臺橋(樁號2+870),并有穿堤建筑物涵洞5座。

2 規劃設計目標

確保城市社會經濟發展和人居環境的安全、水體景觀自然協調、城市品位的提升,并最終實現本區的環境優美、舒適宜人、經濟發展、社會進步,水生態系統良性循環的城市動態水域。

1)加固堤防8.8km,防洪標準達到50年一遇。

2)布置5座攔河建筑物,能在中等干旱年份形成溪流水面11.1hm2。

3)水域布置8個重點景觀節點,實現健身休閑、親水娛樂、自然風光三大綜合功能。

3 總體布置方案

考慮高林臺河比降大等的特點,結合實際情況,對下述兩種蓄水方案進行比較。

3.1 全河壅水式河道方案

細河干流上現有6座橡膠壩,均為此方案。結合地形,根據河道縱斷比降修建3座橡膠壩,使兩橋之間有連續水面,達到水景觀的效果。本方案工程布置詳見下表。

參照細河已建工程和其它地區類似工程,綜述本方案優缺點如下。

3.1.1 優點

①無土方開挖,灘地整平即可;②水面寬闊,視覺感覺較好;③水景觀建筑物管理方便,洪水期不影響行洪。

3.1.2 缺點

①不適于河道比降較大地區;②淹沒原河道灘地生態林,需水量較大;③與順河截流干管產生交叉,施工不便;④游人休息娛樂面積較少,不易布置水景觀;⑤投資較多。

3.2 溪流階梯式河道方案

高林臺河比降較大,設置人工落差,可以達到增加水體復氧能力及增加景觀效果的作用。根據地形恢復蛇形河槽,設置淺灘和深溝。根據現狀比降,并考慮保護自來水管線,共需布置5座閘、堰。本方案工程布置詳見下表。

本方案對于阜新地區是一種新嘗試,結合其它地區已建工程,綜述本方案優缺點如下。

3.2.1 優點

①適用于河道比降較大地區;②水景觀布置空間較大;③不與與順河截流干管產生交叉,施工方便;④耗水量較小,無需淹沒原河道灘地生態林;⑤投資較少。

3.2.2 缺點

①需人工開挖主槽,土方量較大;②水面面積較少;③洪水過后,水景觀破壞較大。

本著因地制宜的方針,選取適宜本區的溪流階梯式蓄水方案。結合現狀河道條件,采用開挖主河槽方式蓄水,灘地游覽。為保證在玍海西橋至高林臺橋之間形成水面景觀,設置5道攔河建筑物,并在上游哈朋河匯流口處,設置一處人工湖調蓄水量,由于高林臺河現狀河道來水量不足,采用下游污水處理廠的中水作為補充水源。

4 生態環境需水

4.1 設計保證率確定

根據《阜新市城市水系規劃》和本地區水資源特點,采用75%(中等干旱年)為設計保證率。

4.2 可利用水量

(1)可利用地表水量,利用海州站的徑流計算結果,采用水文比擬法計算,高林臺河在75%的保證率下可利用的天然徑流量為208萬m3。區域耗水量158.2萬m3,實際來水量49.8萬m3。水量月分配見下表。

(2)中水量,在建的阜蒙縣污水處理廠設計日處理能力3萬m3,現狀污水排放量5000m3～7000m3。近期日處理能力按1萬m3考慮,可利用系數0.7,月可供水量21萬m3。

(3)人工湖調節水量,人工湖設計庫容為3.75萬m3。其中可調節水量3萬m3。

(4)城區雨洪量,高林臺河城區段流域面積10.1km2,根據《阜新市水資源評價》(2006年)細河流域75%頻率降水量385.8mm,城區雨洪量390萬m3。

4.3 蓄水工程耗水量

(1)水面蒸發量,根據《阜新市水資源評價》(2006年)提供的全市各月平均水面蒸發量月分配表,可得年蒸發量10.94萬m3。

(2)水體滲透量,高林臺河造床土壤主要為細砂,按中等地質條件考慮,查遼寧省水文手冊滲漏強度為0.1m/a～1.0m/a。參照《阜新市城市水系規劃》,確定滲漏強度為1m?？傻媚隄B漏量11.10萬m3。

(3)維持河道生態水量

比較最小生態用水量和動態需水量,確定高林臺河維持河道生態水量61.63萬m3。

(4)結論

通過以上計算可得,高林臺河城區段水景觀年耗水量83.67萬m3。耗水量月分配見下表。

表4 高林臺河城區段水景觀年耗水量月分配表

表5 生態環境需水保障成果表

4.4 生態環境需水保障

水景觀年耗水量83.67萬m3,在設計保證率情況下,共利用上游來水36.82萬m3,其余部分全部由中水保障,中水回用量41.98萬m3。成果見表4。

通過計算可得中水回用量最大月發生在5月,回用中水量11.63萬m3,平均日需水量 0.38萬m3。輸水時間取12h,日擴大系數取1.4,可得輸水管線最大輸水流量為0.12m3/s(440m3/h)。

近期水源的保障方式以地表水為主,中水為主要補充水源。隨著遠期高林臺河沿岸地下水源井的關閉,地下水量將得以恢復,地表徑流也會增加。今后的城市排水將采取雨污分流的形式,隨著雨洪利用力度的加大,雨洪的利用量極為可觀。遠期水源的保障方式將以上游來水和城區雨洪為主。

5 技術設計

堤防的迎水坡和背水坡設計邊坡比均為1∶2。迎水坡堤頂至設計洪水位和背坡采用草皮護坡;設計洪水位至河底采用連鎖磚護坡,厚0.12m。排污涵管規劃并入截流干管。

開挖主槽過流能力按高林臺河10年一遇洪水標準設計,確定高林臺橋至玍海西橋段開挖主槽寬為30～50m 不等,主槽平均深2m,邊坡1∶3;高林臺橋上游開挖主河槽寬30m,主槽深2m,邊坡1∶5。主槽0+200～2+750段采用格賓網箱護腳結合格賓網墊護坡,2+750～3+000段采用仿木樁護岸結合三維立體植草毯護坡,3+000～4+100段采用格賓網箱護腳結合三維立體植草毯護坡。

在河道上游汊口樁號4+120～樁號4+400處擴挖1座具有調節水量作用的人工湖,人工湖邊坡1∶3,采用生態格賓網墊護坡,護坡厚度0.3m。

底橫軸翻轉閘運行情況為閘頂堰流水深0.5m時,即開閘行洪,按薄壁堰考慮,設計最大溢流流量為18.5m3/s,閘門寬度28m,高1.5m。為盡可能的增大泄流能力,減少堰上水頭,樁號2+100處設迷宮型溢流堰,寬度36m,展寬比為3,設宮數為6,設堰高1.5m,宮的寬高比為4,防洪標準10年一遇流量135m3/s,堰上溢流水深 0.96m,根據主槽縱比降的設計,設計邊墻頂高程高于堰頂高程1m,即可滿足槽內10年一遇行洪標準。

在樁號2+700～2+775處有1條斜穿引鬧管線露出河灘,需進行防護處理,因高程較高,兼起攔河蓄水作用。此處設計為鋼筋混凝土寬頂堰形式,堰寬16m,堰長30m,堰頂與上游渠底做1∶10斜坡面鋼筋混凝土鋪蓋銜接,寬頂堰下游設水平段長度8m的1∶4鋼筋混凝土陡坡段與鋼筋混凝土消力池相連。為滿足人工湖的蓄水要求,在樁號4+100處兩側設鋼筋混凝土結構溢流堰,單側堰長25m,溢流堰為直角梯形折線實用堰,為實現人工湖的調節功能,中間設臥倒式閘門,閘門高2m,寬5m。

6 景觀設計

考慮高新區規劃對城市的發展定位、高林臺河的特點以及各產業區、居住區等的分布狀況,隨形就勢將水域大致劃分為三大景觀功能區,重點整治區玍海西橋上游段為健身休閑區、高林臺橋下游段為親水娛樂區,高林臺橋上游至人工湖段為自然風光區。三大功能區緩和過渡,11hm2的水圈和65hm2的綠圈互相印證,再現自然風韻,給城市注入勃勃生機,景色怡人。

共布置水上游樂場、綠色生態長廊、自然風光怡情休閑帶、人工湖、步汀橋、健身休閑帶、噴泉音樂休閑廣場、河口濕地8大景觀節點。

1 阜新市水文局.《阜新市水資源評價》[R].2006

2 阜新市水利勘測設計研究院.《阜新市城市水系規劃》[R].2009.11

3 王超,王沛芳.《城市水生態系統建設與管理》[M].科學出版社2004.6

4 SL431-2008城市水系規劃導則[S].