生態水工學在引黃工程城區段的應用

摘要：隨著城市化進程的加快，人們對引黃工程的城區水利工程建設提出了更高的要求。把生態水工學的理念與引黃工程特殊性相結合，參照水流挾沙理論提出了兼顧生態、景觀、工程的的６點具體措施：建立良性自然的水循環系統、采用微彎曲直相間的河道平面、應用窄槽寬灘的復式水利斷面、打造可參與性的親水界面、設計柔性的結構性護岸以及營造豐富多樣的生物群落。這些措施將更好地實現人與自然的和諧相處，保證社會經濟的可持續發展。

關鍵詞：引黃工程；生態水工學；理念；措施

中圖分類號：Ｘ１７１．４；Ｘ５２２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）17－3855-04

Application of the Eco-Hydraulic Engineering Philosophy in Urban Section of Yellow River Diversion Project

ＣＵＩ Ｚｏｎｇ－ｃｈａｎｇ，ＺＨＡＩ Ｆｕ－ｓｈｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｕ－ｓｈｅｎｇ，ＭＵ Ｈｏｎｇ－ｍｅｉ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ ２５２０５９，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｕｒｂａｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ． Ｔａｋing ｔｈｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ， ｌａｎｄｓｃａｐｅ， ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ， ｓｉｘ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｈａd ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｔｈｅｏｒｙ． Ｔｈｅｙ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｂｅｎｉｇｎ ｎａｔｕｒａｌ ｗａｔｅｒ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ ｒｉｖｅｒ ｐｌａｎｅ， ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｗｉｄｔｈ ｄｕｐｌｅｘ ｗａｔｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅａｃｈ， ｃｒｅａｔｉｎｇ ａ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｏｒｙ ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｖｅｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａ ｒｉｃｈ ａｎｄ ｄｉｖｅｒｓｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ． Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅｔｔｅｒ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｎ ａｎｄ ｎａｔｕｒｅ， ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｃｉａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｈｅ ｙｅｌｌｏｗ ｒｉｖｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ； ｅｃｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｃｏｎｃｅｐｔ； ｍｅａｓｕｒｅ

我國水資源時空分布十分不均，近年來隨著經濟的高速發展，水資源的供需矛盾加劇，局部地區尤其是北方地區出現緊急旱情的頻率和嚴重程度都在不斷加大，管理部門不得不經常從有水地區向缺水地區調度以緩解旱情［１］，水資源短缺已成為制約我國經濟社會發展的重要因素。國內外實踐證明，大規模跨流域調水是解決水資源時空分布不均勻的有效手段［２，３］。目前各地均有相應的建設項目［４］。據不完全統計，僅黃河流域就有引黃濟津、引黃入衛、引黃濟青、引黃入晉等多項國家級大型水利工程。

引黃輸水是實現我國水資源優化配置的重大戰略舉措，但其沿岸景觀生態建設問題一直是社會關注的焦點。如何做好水利工程與景觀生態工程的協調工作，在更大層面上發揮國家大型基礎設施的綜合作用，實現供水、生態、環境保護、景觀效應的有機結合，并實現自然、歷史、社會和諧統一，是亟待研究解決的問題［５］。在深入探討生態水工學理念的基礎上，充分考慮到引黃工程的特殊性，并參照水流挾沙理論，通過對比分析，旨在找出一條能使引黃工程城區段在滿足輸水功能的同時，兼有生態景觀河流功能的解決途徑。

１ 生態水工學的核心理念

生態水工學作為水利工程學一個新的分支，是在滿足人類需求的同時，兼顧流域生態系統健康與可持續性的水利工程學［６］。經濟的發展、社會的進步要求現代水利工程建設應遵循生態學原理，以生態性為基本原則，減少工程建設對生態的影響，維持流域的整體性，盡量保留原有的生物群落及其棲息地，保護流域物種多樣性，保持流域生態系統的動態平衡，促使水體自然循環與凈化，進而實現河流生態系統的可持續發展。

１．１ 河流是一個連續復雜的有機體

河流的連續性不僅指一條河流水文意義上的連續性，同時也是對生物群落至關重要的營養物質輸移的連續性［７］。蜿蜒曲折的河道，起伏變化的河床斷面以及兩岸滋生的河岸植被，共同組成了一個流淌而又豐富多變的河流空間體系。

１．２ 蜿蜒曲折是河道的天然屬性

在河道整治中應恢復河流蜿蜒曲折的自然線形，形成水曲之美；應重新營造河流的自然流路，使水流呈現出不同的流速帶，造就水體流動多樣性，以提升河流系統生物多樣性。

１．３ 可滲透性的自然岸線

天然河流的河床是由透水性好的卵石、礫石、沙土、黏土等構成的，適于水生和濕生植物以及微生物的生存，可以為魚類產卵提供場所，同時還具有緩解內澇、補枯、調節水位的功能。例如當處于豐水期時，河水向堤岸外的地下水層滲透，此時具有儲存的功能；而當處于枯水期時，地下水通過堤岸反滲入河中，這時就起著補枯、調節水位的作用。

１．４ 河流具有自凈能力和修復能力

河流生態系統通過食物鏈過程消減有機污染物，從而增強水體自凈作用，修復河流水質。水生植物能吸收水和土壤中有機物和重金屬等污染物；河流的淺灘和深潭、河心洲、水陸交錯帶等區域可增加河流中溶解氧的含量，從而加快微生物對有機物的分解，使枯枝落葉等有機物長期停留，進而為微生物的分解提供了充足的時間。

２ 引黃工程與水流挾沙理論

２．１ 引黃工程的特點

引黃工程作為一項調節我國水資源分布不均衡的大型跨流域引水工程，自身具有顯著的獨特性。首先，黃河是舉世聞名的多泥沙河流，引黃必定引沙，泥沙的淤積不僅增加了清淤的費用，而且給沿線的生態環境帶來了破壞；其次，調水期一般始于冬季，歷時４～７個月，這使得河道分為豐水期和枯水期，保證河道周邊生態系統穩定性的前提是要保證河流水位的穩定，如何做到河流在豐水期分水、枯水期補水，以及如何解決區域內水源的合理分布和水循環系統的自然運作是生態河道治理的棘手難題。

２．２ 水流挾沙理論

含沙水流挾沙力公式是水流挾沙的理論基礎。實踐證明，渠道斷面以及河道岸線形式的選擇對河流輸沙能力的影響意義重大。現代生態水利工程的建設走的是綜合處理與可持續開發利用的道路，這要求必須妥善處理好大量泥沙入渠的現實問題，因此了解并應用引黃泥沙處理的主要工程措施是十分必要的。

２．２．１ 含沙水流挾沙力公式［８］ 式（１）至式（３）中，Ｓ為挾沙能力，Ｋ為系數，γ′為渾水容重，γＳ為泥沙重率，Ｖ為流速，ω′為泥沙在渾水中的沉速，ｇ為重力加速度，ｈ為水深，ｎ為糙率，Ｊ為比降。

假設渾水容重、沉速等因素不變，可導得

Ｓ＝Ｋ（■×■） （１）

Ｖ＝■ｈ■Ｊ■ （２）

Ｓ＝Ｋ■ ｈ （３）

從中可以得到兩點重要結論：襯砌渠道減小渠道糙率，通過加大流速可以提高河流的挾沙能力；窄深河槽是輸送高含沙水流必要的工程措施，因為當流量減小后水深也會相應地減小，河流的挾沙能力就會相應地減小。

２．２．２ 梯形或弧底梯形的窄槽寬灘復式水力斷面是渠道最佳輸沙斷面形狀 一般斷面相對寬淺，流速較小，輸沙能力低。大量實踐證明，小流量大寬度河道是造成河流泥沙嚴重淤積的原因之一。

如何既滿足河流在較大挾沙能力運行的同時，又保證其具有較大的流量，目前可以認為，渠道最大挾沙能力斷面為梯形或弧底梯形的窄槽寬灘復式水力斷面。當流量減小時水流的速度相應減小，但梯形或弧底梯形水力最佳斷面在相同流量下流速最大，挾沙能力最強。窄槽具有很好的排洪輸沙能力，起束水攻沙的作用；寬灘具有很強的削峰滯沙的能力，主要是起增加槽蓄、削減洪峰、滯洪落淤的作用。另外，對于弧底梯形水力斷面，其改善了渠道凍脹變形分布的不均勻性，且渠底有一定的反拱作用，故可減輕混凝土板的凍脹破壞，減少裂縫和移位［９］。

２．２．３ 微彎、曲直相間的河道岸線形式 河道岸線在平面上呈微彎、曲直相間的形式，大體上維持天然河道的彎曲率，仍呈一定彎曲形態。因為在各種沖積性河道中，彎曲性河道最為穩定，也有利于改善水流條件，控制水勢。有研究表明，曲率１．４～１．６的河流在最低管理維護水平下，具有最大的水沙容量和最好的洪水輸送能力［１０］。另外，水調沙試驗也證實微彎型治導方案是正確合理的［１１］。

２．２．４ 引黃泥沙處理的主要措施 選擇合適的渠首位置、引水角和引水口形狀比較重要，根據水力學原理并結合黃河實際，引水口位置宜選在黃河彎道凹岸處，壘彎道３／４副末端處，在彎道的位置距彎道起點３／４至末端處，引水防沙效果好；引水角一般不宜過大，３０°～４５°時防沙效果最好；上長下短非對稱的喇叭形引水口，進流均勻，避免了漩渦和翻沙，防沙效果最優；河流分流比愈大，越易裹吸較高含沙量的主流水，不利于防沙，應盡量控制設計分流比不要過大；設立防沙閘、疊梁閘板、攔沙潛堰，根據河流挾沙能力上小下大、大顆粒多分布在水流底部的原理，在修建潛水壩時向壩內充水，抬高引水口底部的高程，使涵閘多引上部水流，可有效地減少引黃泥沙。

３ 引黃工程城區段引入生態水工學理念的具體措施

隨著城市化進程的加快，原來引黃工程經過的閉塞落后的城市郊區，如今有的已成為城市發展的新引擎，伴隨著城市建設理念的不斷發展以及人們對居住環境要求的日益提高，人為地將水和土地分開的傳統的河道治理方式，已不符合“回歸自然”和“以人為本”的現代生態河道的治理理念。本文基于對生態水工學理念的理解，在考慮到引黃工程特殊性的同時，提出了在引黃工程城區段中引入生態水工學理念的６點具體措施。

３．１ 建設良性自然的水循環系統

引黃工程在時間上具有明顯的階段性。一般在冬季開始輸水至次年春季，歷時４～７個月。這就要求規劃理念中要有全局觀，應從區域整體考慮，調整流域水體結構，制定切實可行的引水補水方案，強調水資源的循環利用及可持續性，從而構建一個流域內良性自然的水循環系統。建議利用輸水期間河道充沛的水量，在做好引水防沙工作的同時，做好周圍城市水源地的蓄存和補充，保證其常年有充足的清水；枯水期間河道干涸，這時可調用水源地的水補給城市環境建設的用水。例如２０１１年山東臨清城區濟津河的整治，就是合理利用了城市周邊的胡家灣和塔湖水庫的蓄存、補水的功能，同時打通并串聯了城區內三干渠、元運河、漳衛河等多條水系，從而形成了一個動態的水循環系統，為濟津河兩岸的生態景觀建設打下了良好的基礎。

３．２ 采用微彎、曲直相間的的河道平面

河道的平面形態要盡量順其自然，建議河道的曲率為１．４～１．６，這不僅具有最大的水沙容量和最好的洪水輸送能力，同時也符合現代景觀設計中的藝術理念。景觀設計可運用工程措施，除在嚴重受沖的凹岸和重要建筑物地段用石塊或混凝土塊護坡外，其余河段盡量自然美化，保留其天然河流蜿蜒曲折、深潭和淺灘相間的格局，使城市河流重歸近自然的狀態。

３．３ 應用窄槽寬灘復式水力斷面

窄深河槽是保證河道高輸沙能力的必要工程措施，寬灘在發揮其強削峰滯沙能力的同時，在灘區種植適宜的水生植物來緩和原直立式岸壁突兀而生硬的外觀，不僅使河道生態空間廣闊，同時也具有河流本身生態特點的景觀特色。總之，窄槽寬灘復式水力斷面是本著多標高多斷面的設計理念，跳出了原水利河道斷面單一死板、整齊劃一、岸坡變化小缺少引人亮點等局限，可營造出豐富的空間景觀感受。

３．４ 打造可參與性的親水界面

水的魅力是通過視覺、聽覺、觸覺而被人所感受。因此，在保證輸水河道安全的前提下，河道景觀也應充分體現以人為本的理念，要著重考慮人的可參與性，以有利于形成親水界面。提供更多人造景觀，使人們能直接欣賞水景、接近水面，滿足人們水邊散步、游戲等的要求。在工程實施中打造舒緩的堤岸護坡，恢復土堤，并進行種植，堤腳鋪設鵝卵石，充分體現其觀賞性；在傳統的梯形坡岸上可設踏步、觀景臺，臨水區設置親水平臺、人工碼頭等，使人能觸摸到水、親近到水，從而為人們提供了水岸休憩和活動的空間，最大化地開發水體價值。

３．５ 設計柔性的結構性護岸

此類護岸融工程技術與生態綠化技術于一體，一方面運用木材、石材、金屬、土工織物及水泥、混凝土等硬質材料，可抵御較強的流水沖蝕，充分保證護岸的安全，具有結構穩固、穩定性好的優點；另一方面護岸材料之間有許多的空隙，有利于植物的根系生長，并允許水陸間進行生態流的交換，保證了河岸自然生態環境與河流水體的交換與調節，從而打造了具有可滲透性并與周圍環境有良好互動的生態景觀護岸。

柔性護岸適用于各種坡度的岸坡，但高度不宜太大，一般低于３ ｍ，當高度超過３ ｍ時可采用臺階式。在美國加利福尼亞州，風景園林師們成功地將回收的廢棄輪胎應用于護岸建設中，形成了一種非常經濟的柔性護岸，顯示了風景園林師在利用回收廢棄物、減輕土地壓力、節省天然材料等方面所作的有益努力和探索［１２］。

３．６ 營造豐富多樣的生物群落

河岸生態系統的穩定性直接依賴于系統結構的復雜度以及系統內物種的多樣性［１３］。結合現有地形地物，因循河道自然沖刷形成的形態，以起伏綠地、現有蘆葦，增加本地鄉土樹種，提高景觀異質性與生態多樣性，形成具有自然美感的豐富河道空間。

從工程的角度講，植被用于輸水河槽并不理想，過量的枝葉會降低河道的行洪、輸沙能力，容易造成河水漫灘、渠道沉沙。因此，為了保證輸水主河槽具有較高的挾沙能力，應避免在河槽部分種植大量的水生植物，建議設計中允許河水漫灘，通過將灘地劃分成若干區域，運用不同的植物進行生態景觀設計，從而提高河道的景觀異質度及生物多樣性。

河道生態系統營造的成功與否和植物的種植有直接的關系。植物選擇應本著適地適樹的基本原則，首先保證選用的植物能在不需要太多的養護管理的條件下順利成活；其次要選擇根系發達的植物以利于穩固堤岸；再次要注意不同種植物的共生性和互補性，避免惡性的種間競爭［１４］。

４ 結語

引水工程事業的發展方興未艾，在以往理論與實踐的研究當中，往往只側重水利建設的工程技術層面，較少顧及到水利工程所在流域的景觀生態建設，對于引黃工程城區段兩岸景觀生態規劃的研究更是鮮見。生態水工學倡導規劃“回歸自然”、“以人為本”，強調水利工程的生態環境效益，正符合現代水利事業發展的要求。在未來的水利工程興建當中，只有以生態水工學為理論指導的流域開發才能真正地實現人與自然的和諧相處，以及社會經濟的可持續發展。

參考文獻：

［１］ 孔 珂，解建倉，張春玲，等．黃河應急調水經濟補償制度初探［Ｊ］．資源環境，２００５，２７（３）：１１１－１１６．

［２］ ＬＵ Ｃ Ｘ， ＸＩＥ Ｇ Ｄ． Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｎ ｒｉｖｅｒ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｓｅｒｖｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎ Ｊ Ａｐｐｌ Ｅｏｃｌ，２００３，１４（５）：８０３－８０７．

［３］ 談英武． 抓緊實施南水北調西線工程向黃河補充生態水［Ｊ］． 南水北調與水利科技，２００５，３（１）：１－３．

［４］ 關志誠，陳 雷．引調水工程建設與應用技術［Ｊ］．中國水利，２０１０（２０）：３２－３５．

［５］ 段 進，雒件利，王興平，等．國家大型基礎設施建設中的建筑環境保護與發展研究——以南水北調工程東線江蘇段為例［Ｊ］．中國科學，２００９， ３９（５）：８４０－８５０．

［６］ 代鋒剛，李 鐸，王 飛，等．生態水利的理論內涵及影響因素探討［Ｊ］．人民黃河，２００８，３０（８）：１２－１３．

［７］ 張 麗，羅華超，馮亞文，等．淺析水利工程對河流生態的影響［Ｊ］．人民黃河，２０１０，３２（１２）：１０－１５．

［８］ 彭瑞善．黃河綜合治理思考［Ｊ］．人民黃河，２０１０，３２（２）：１－４．

［９］ 薛元琦．尊村引黃渠道淤積問題思考與對策［Ｊ］．山西水利科技，２０１０（１）：７３－７５．

［１０］ 王 燕，拾 兵．生態河流的研究進展［Ｊ］．人民黃河，２０１０，３２（２）：１６－１８．

［１１］ 黃河水利委員會．黃河首次調水調沙試驗［Ｍ］． 鄭州：黃河水利出版社，２００３．

［１２］ ＴＨＯＭＰＳＯＮ Ｊ Ｗ． Ｒｅｔｒｅａｄｉｎｇ wｏｒｎ lａｎｄｓｃａｐｅｓ［Ｊ］． Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，２０００，９０（５）：３８－４５．

［１３］ ＥＡＳＳＯＮ Ｇ， ＹＡＲＢＲＯＵＧＨ Ｌ Ｄ． Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ rｉｐａｒｉａｎ vｅｇｅｔａｔｏｉｎ ｏｎ bａｎｋ sｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］． Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，８（４）：２４７－２６０．

［１４］ 溫全平．城市河流堤岸生態設計模式探析［Ｊ］．中國園林，２００４（１０）：１９－２３．