小型河流泛濫平原生態蓄洪措施設計

賈寧鳳, 王 雪, 王曉軍, 王嘉維

(1.山西大學 黃土高原研究所, 山西 太原 030006; 2.山西大學 環境與資源學院, 山西 太原 030006)

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小型河流泛濫平原生態蓄洪措施設計

賈寧鳳1, 王 雪1, 王曉軍2, 王嘉維2

(1.山西大學 黃土高原研究所, 山西 太原 030006; 2.山西大學 環境與資源學院, 山西 太原 030006)

[目的] 在保證防洪和盡量不影響現有土地利用和水工設施的前提下，設計一系列措施將洪水重新引入泛濫平原，促進泛濫平原蓄集洪水，使得水資源配置更加合理。 [方法] 結合當前的河流整治工作，通過影像分析、實地調查等方法，依據生態學的理論進行生態蓄洪設計研究。 [結果] 以山西省寧武縣恢河的一個泛濫平原為例，提出泛濫平原分洪網的生態蓄洪設計，具體包括淺灘深潭序列渠、池塘鏈分洪渠、分洪出入口等措施，將河道中的洪水引入泛濫平原并蓄集下來，盡可能地恢復泛濫平原的蓄水功能，調節河流流量、消洪減災。[結論] 泛濫平原分洪網設計符合河流生態系統自然規律，在保證經濟、社會發展的前提下，最大程度地發揮小型河流泛濫平原的生態效益，重視發揮小型河流的生態蓄水功能，恢復健康的河流和流域。

泛濫平原; 分洪網; 生態設計; 洪水利用

文獻參數： 賈寧鳳, 王雪, 王曉軍, 等.小型河流泛濫平原生態蓄洪措施設計[J].水土保持通報，2016,36(4)：41-45.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.008

中國北方包括山西省在內的一些地區，人均水資源低于500 m3嚴重缺水線，在這些地區，流域中水資源的蓄集顯得尤為重要[1]。較大強度的降雨形成的雨洪，造成江河水量增加，水位上升，雖然會給人民的生產生活帶來嚴重危害，但也給整個流域帶來了豐富的水資源[2]。在區域景觀中，生態健全的水系構成綠色通道網絡，最具有蓄洪、緩解旱澇災害的能力[3]，其中的泛濫平原則是整個網絡中分洪、蓄水的主要場所[4]。健康流域中的泛濫平原的蓄水能力通常遠高于同等面積下人工水庫的蓄水量，是巨大的“天然水庫”[5-6]，其蓄水功能對于河流系統有著不可替代的重要作用[7]。然而隨著社會的不斷發展，人們修建了許多工程化措施來加速排走洪水，泛濫平原被大面積的侵占，泛濫平原無法發揮其分洪蓄水的功能，河流系統也無法達到最佳的狀態，河流健康經受嚴峻考驗[8-9]。中國的雨洪調蓄研究和實踐還處于起步階段，多限于城市，以工程設施為主，突出應用，相對缺乏以雨洪調蓄的機理的雨洪管理研究。已有學者[10]開啟了整體和多目標解決雨洪問題的嘗試，也有學者[11]從小流域的河流、河塘等調蓄結構對雨水的蓄積量方面進行了研究。本研究以山西省寧武縣境內恢河的一個泛濫平原為例，針對目前由于土地利用壓力增大造成的河道行洪區面積大大縮減、河流季節性變異加大、洪水災害和河道干枯等問題，依據生態學的理論，在保證防洪和盡量不影響現有土地利用和水工設施的前提下，設計一系列措施將洪水重新引入泛濫平原，促進泛濫平原蓄集洪水，使得水資源配置更加合理[12]，具有很強的實踐價值。

1　泛濫平原生態蓄洪設計理念

1.1泛濫平原的蓄水原理

泛濫平原是由河流沉積作用形成的平原地貌。河流從上游侵蝕了大量泥沙，到了下游這些泥沙便沉積下來，泥沙不斷沉積逐漸形成泛濫平原。泛濫平原上蓄水的主要結構是風化層。在地質學上，風化層是陸地表面經各種風化作用而形成的疏松堆積層，從基巖而上，直到地表，其物質包括土壤層和風化母質。風化層是流域中可以貯存、排出并供給生命之水的水陸生態結構的基礎，表現出一些基本的生態功能[13-14]。從垂直斷面來看，泛濫平原風化層蓄集的水自上而下分別為不飽和水和飽和水。流域風化層水儲存不飽和時，可以通過蓄水減小河流洪峰流量；當風化層水儲存達到飽和狀態時，一些無壓潛水會通過泉水形成潔凈健康的地表徑流，支持全流域生態系統功能的發揮[15-16]。也即飽和水通過不飽和水得到補充，而不飽和水則通過雨洪得到補充。從時間尺度上來看，風化層中水分蓄集或排泄表現出一定的季節規律(圖1)。在平水期，河流水面與風化層潛水水面基本持平，水分進行著微弱的交換運動。到了洪水期，雨洪形成的地表徑流匯入河流，河流水位急劇上漲開始對風化層進行水分輸入，泛濫平原風化層如同巨大的海綿，調節和蓄存雨洪，緩解雨洪的危害。而到了枯水期，泛濫平原風化層中的水由于水位較高反滲并補充河流水[17]。泛濫平原風化層是重要的雨洪調蓄結構，河流生態系統功能的發揮在很大程度上依賴于泛濫平原風化層的雨洪調蓄結構，因此認識并利用泛濫平原風化層的雨洪調蓄結構及其水分行為具有很高的生態學意義。

1.2問題分析

人類對河道及泛濫平原產生破壞的主要活動包括對自然河流河道的工程化措施以及土地利用對泛濫平原的不合理占用等。現代景觀生態學的研究認為，彎曲的河流更有利于消減洪水的災害性和突發性，而河道工程化措施中的河道渠化、裁彎取直等措施，將原來蜿蜒的天然河流改造成外形歸順的人工河道，削弱了河流及流域抵御洪水的能力。堤岸的阻隔使洪水無法漫上泛濫平原，河道渠化又使洪水快速流走，河床襯底則切斷了地下水的補給通道，大片河灘沼澤因缺水而干涸[18]，地下水地位不斷下降。社會的發展對土地的需求在不斷增加，人類便不斷向泛濫平原侵入，占用土地用來耕種、建設居民區等。洪水無法流入泛濫平原，流域蓄水嚴重不足，河流系統的穩定經受嚴重考驗。這些人類活動不僅影響了河流及泛濫平原蓄水防洪功能的發揮，而且在經濟、資源利用以及生態系統服務方面都存在著許多問題。

1.3解決思路

針對當前狀況，提出泛濫平原分洪網的設計。本設計的重點和難點在于將河道洪水分流引入泛濫平原并充分下滲，蓄積在泛濫平原中。因此，整個設計的核心在于增大分流洪水的下滲量。分洪網設計中的深潭淺灘序列渠、池塘鏈分洪渠等措施，通過在泛濫平原上開挖過水通道，使引入水道的洪水可以不斷地補充泛濫平原地下潛水位，增加風化層蓄水量(圖2)。

2　研究區概況與數據處理

2.1研究區概況

研究選取山西省寧武縣恢河下游的一個泛濫平原作為設計對象。恢河是北方一條典型的季節性河流，中下游年降雨量小于500 mm，多年平均徑流量為1 867萬m3。恢河大部分降水集中在6—9月，以洪水下瀉，這4個月的降水量占到年降水量的70%～80%。

該泛濫平原位于馬家灣村和石湖河村交界處，范圍由恢河的一級階地所確定，呈明顯階梯狀。該泛濫平原由石籠堤與河道分割開來，石籠堤高度平均為1.9 m。在每個階梯的邊界有一些廢渠和廢堤，經過實地調查，這些階梯是人們在不同時期占用該泛濫平原形成的邊界，表現了人類逐漸侵占泛濫平原的歷程。該泛濫平原面積約為0.88 km2，最長處約1.79 km，最寬處約0.66 km，土地利用類型主要為旱地和林地，旱地面積約為0.71 km2，林地面積約為0.16 km2。

2.2數據來源與處理

本研究采用Quickbird近期真彩高分辨率(0.61 m)正射影像，1∶10 000的土地利用現狀圖和實測大比例尺(1.0 m)地形圖，此外，還收集了《寧武縣志》、《寧武水利志》和《寧武縣第二次水資源調查評估報告》等輔助資料用于分析研究當地情況。

3　分洪網設計研究

泛濫平原分洪網的設計包括以下幾個主要內容：出入口設計(包括分水口和倒虹吸)、深潭淺灘序列渠以及池塘鏈分洪渠。通過對研究區進行調查，將上述不同的設計措施與研究區實際情況有機結合起來，則可以更好地發揮泛濫平原分洪網的整體優勢。

3.1泛濫平原分洪網的總體布置

將高清正射影像圖、土地利用圖和地形圖在ArcGIS 9.3中疊加得到設計底圖，然后對其信息進行研究和分析(包括對研究區的位置、土地利用及地形識別等)，結合實地考察，對泛濫平原進行分洪網的設計(圖3)。恢河在研究區內的流向是由南向北，因此在泛濫平原的南端設置分水口，從此處將河水引入泛濫平原。洪水分流后，由于有建筑物的阻擋，設計倒虹吸裝置將河水引入泛濫平原。水流從倒虹吸出來以后沿著依等高線設計的渠道分流，流經不同的深潭淺灘序列，形成分洪網。其中一條深潭淺灘序列經過林地，在林地中設計池塘鏈分洪渠，可以更好地利用林地蓄水。最后，分洪網的水在泛濫平原北端匯集到一處，由于有公路阻擋，設計另外一個倒虹吸工程來將匯集起來的水流引回河道。

圖3　泛濫平原分洪網設計示意圖

3.2分洪出入口

要將河道中的雨洪引入泛濫平原以及從泛濫平原流出的水引入河道，就要進行泛濫平原水的出入口設計。本設計的入口借鑒了都江堰水利工程中的分水魚嘴的設計，結合地形地勢在該泛濫平原南端設計一個分水口，將部分河水分流引入泛濫平原。而出口即將各淺池淺灘序列渠的水匯到一處后引入河道。在入口處和出口處均有建筑或道路的阻擋，因此要在入口和出口分別設計一個倒虹吸裝置來將水流引入或引出泛濫平原。倒虹吸裝置的原理就是利用上下游的水位差，當渠道與道路或河溝高程接近，處于平面交叉時，使水從路面或河溝下穿過的一個建筑物，與虹吸裝置原理相似，但在開始工作時不需要人為制造管中真空環境，具有更強的實踐性和可操作。

3.3深潭淺灘序列渠

自然狀態下，許多河流都會包含有一些深潭和淺灘。深潭即一些較深的區域有著相對緩慢的水流；淺灘即較淺的區域有著較快的水流和粗糙的基底。淺灘上有大徑礫石或倒木，由于水流作用，會在淺灘前產生深潭[19]。深潭淺灘序列是增加洪水蓄集量的關鍵。通過模仿自然河流并結合把現有的土地利用類型，利用自然落差和地形，在該泛濫平原不同時期被侵占的邊界處布設一定頻度的深潭淺灘序列渠。這些邊界有一些歷史上留下來的廢渠等設施，可以對其進行再利用。淺灘處用礫石堆砌大小不同的卵石，并在其中壓上柳樹枝條。在柳樹生過程中，樹根和石頭糾纏可將淺灘的卵石固定，形成柳樹和卵石交錯的小型透水壩。因為泛濫平原較為平緩的，較小的高差使洪水減速，深潭淺灘序列又增加了水流與地面的接觸面積，有利于水分下滲并蓄集[20]。同時，深潭淺灘序列增加的水面面積還補充河流氧氣并稀釋污染物。

3.4池塘鏈分洪渠

池塘鏈分洪渠即依據泛濫平原地形起伏自然設置一系列小池塘。這些池塘一般設置在離開主河道的地方，池塘之間通過淺池淺灘的水道連接。在本設計中，將池塘鏈設置在該泛濫平原現有的林地中，并通過連接水道將其連通起來，實現水的交換和流通。池塘鏈不僅可以為泛濫平原儲蓄豐富的水，還可以作為水流的過濾與凈化帶，為該地區動植物的生長提供優越的環境、豐富生物多樣性。

4　分洪網設計效益分析

4.1生態效益

泛濫平原分洪網的設計，對洪水具有分流作用，對洪峰具有消減作用。洪水在經過分洪入水口后，河道中約60%的洪水被分流進入分洪網，在流過深潭淺灘序列渠和池塘鏈分洪渠后，約30%的洪水蓄集下來，剩余部分又流回河道中。這個過程可以減少河道中的洪水水量，使河流流量趨于平穩，在一定程度上控制洪水的強度和規模。如果將本設計應用到全流域的泛濫平原，將會產生更大的蓄水和防洪減災效益，洪峰流量將會得到明顯的降低。另外，泛濫平原在洪水期得到的水分在枯水期反滲到河道中，緩解河道季節性斷流現象，水環境的改善則可以增加物種多樣性，提高河流生態系統的穩定性。因此，泛濫平原分洪網的設計具有很好的生態效益。

4.2經濟效益

在本設計中，深潭淺灘序列渠、池塘鏈分洪渠等措施都考慮了與當地自然條件的緊密結合，減少了漿砌石護堤、水泥封底等傳統河道治理中的許多工程性措施，具有明顯的成本優越性。另外，本設計將會增加泛濫平原的蓄水量，為耕地上種植的農作物提供更多的水分，有利于提高農作物產量，同時在客觀上也會縮減為改善耕地灌溉條件而實施的各項工程的支出。因此本設計具有一定的經濟效益。

4.3社會效益

分洪網的設計會對泛濫平原和河流沿岸的林地、草地等植被生長提供更多的水分，優化河流周邊環境，增加的水面也提高了設計的親水性，這些都將為周邊居民提供親近自然的條件，提高人民的生活質量，帶來一定的社會效益。

5　討論與結論

(1) 泛濫平原分洪網的設計遵循了河流生態系統的自然規律。泛濫平原分洪網中的淺灘深灘序列渠、池塘鏈分洪渠等設計是遵循河流蓄水的自然規律基礎上，因地制宜地模擬自然狀態下的泛濫平原的蓄水過程，因此，泛濫平原分洪網是一種符合河流生態系統自然規律的設計。

(2) 泛濫平原分洪網具有良好的生態、經濟和社會效益。泛濫平原分洪網設計是一種調節河流流量、消洪減災的有效方式，有利于維持河流生態系統的穩定、發揮良好的生態效益、經濟效益和社會效益，與傳統河道治理中的許多工程性措施相比，具有明顯的優越性，也是未來需要進一步深入研究的方面。

(3) 泛濫平原的利用應重視生態蓄水功能的保護。泛濫平原的生態蓄水功能以及由其衍生的許多功能都是維持河流生態系統正常運行必不可少的，而人類對泛濫平原的利用也是歷史的必然，這種利用應建立在遵循泛濫平原自然規律的基礎上，合理規劃設計，保護和維持其生態蓄水的基本功能。

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Ecological Floodwater Storage Design for a Floodplain of a Small River

JIA Ningfeng1, WANG Xue1, WANG Xiaojun2, WANG Jiawei2

(1.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan，Shanxi030006,China;2.CollegeofEnvironment&Resource,ShanxiUniversity,Taiyuan，Shanxi030006,China)

[Objective] Designing a series of measures to bring the floodwater back to the floodplain on the premise of guaranteeing flood control, no destroy to current land use and hydraulic facilities in order to accelerate storing floodwater on the floodplain and make the water resource allocation more reasonable. [Methods] According to the ecological theories, the ecological floodwater storage design was carried out on the base of current river improvement work by image analysis and field investigation. The design core was floodplain water diversion net for a floodplain of Huihe river in Ningwu County of Shanxi Province. [Results] It contains measures such as pool & riffle sequences, chain of ponds and passageways of flood diversion. It can bring the floodwater into the floodplain and store the water under the ground to recover the water storage function on floodplain as far as possible, and to adjust the river discharge and weaken the flood. [Conclusion] Floodplain water diversion net design conforms to the natural law of the river ecosystem. It can give furthest play to ecological benefits on the premise of economic and social development, to protect the ecological water storage function for small rivers, and to recover healthy rivers and watersheds.

floodplain; water diversion net; ecological design; floodwater storage

2015-08-05

2015-08-31

國家自然科學基金青年項目“黃土高原荒溪近自然治理的土壤—植被水文生態作用研究”(41201277)

賈寧鳳(1966—),女(漢族),山西省原平市人,博士,副教授,碩士生導師，主要從事土地資源管理方面的研究。E-mail:jianf@sxu.edu.cn。

王曉軍(1968—),男(漢族),山西省絳縣人,博士,副教授,碩士生導師，主要從事自然資源管理方面的研究。E-mail:xjwang@sxu.edu.cn。

B

1000-288X(2016)04-0041-05

TV85, X171.4