水利工程生態設計在坪山河綜合整治中的應用

王英麗

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司 廣東廣州 510000）

引言

隨著我國經濟的快速發展及人口數量的急劇增加，水環境遭受破壞，產生包括水環境污染、水生態退化、水資源短缺等問題。國家“十三五”規劃綱要和 《水污染防治行動計劃》 提出了全面改善水環境質量的要求，使得水環境綜合整治成為新的國家需求和研究熱點。

水利工程生態設計[1]是指水利工程在為社會提供防洪（潮）、治澇、供水、灌溉、航運、發電等安全保障與社會服務的同時，兼顧維護河湖生態系統健康，發揮水利工程的生態功能，落實生態理念以及統籌水文化水景觀構建的需求。水利工程生態設計在水環境綜合整治中的應用已引起人們重視[2]，本文以深圳坪山河水環境綜合整治工程為例，分析水利工程生態設計在水環境綜合整治中的作用，為水利工程生態設計在水環境綜合整治中的科學應用提供參考。

1 項目概況

坪山河屬東江流域淡水河水系，發源于深圳市坪山區，流經惠州市后匯入東江一級支流西枝江，最后匯入東江。隨著深圳市經濟的飛速發展和人口的急劇增加，污水收集處理系統建設嚴重滯后，大量污廢水排入坪山河，造成流域水質嚴重惡化。坪山河水質治理目標為出境交接斷面（上洋斷面）水質2020 年重金屬指標達到Ⅲ類，其他指標優于Ⅳ類。

坪山河流域水環境綜合整治工程是以出境交接斷面（上洋斷面）水質達標為目標，統籌治污、防洪、生態修復和城市建設的綜合整治工程。經過綜合整治，坪山河上洋交接斷面水質穩定優于IV 類及以上標準，實現了黑臭消除、交界斷面水質達標的目標。

2 水利工程生態設計在坪山河水環境綜合整治中的應用

2.1 改善河道內生物棲息地

河道內棲息地是指具有生物個體和種群賴以生存的物理化學特征的河流區域，按空間尺度可大致分為宏觀棲息地、中觀棲息地和微觀棲息地[3]。本文介紹的河道內生物棲息地主要指中觀和微觀生物棲息地。通過在河道內設置大型拋石、丁壩、生物島等[4]，改變水流，依靠水流塑造近自然的多樣化生境條件，達到改善河道內生物棲息地的目的。

圖1 坪山河干流河道內生物棲息地修復現場照片及構造示意

坪山河水環境綜合整治工程中采用松木樁圍堰，大卵石護腳，在圍堰內填充碎石、底泥等作為底質，表面種植水生植物以構筑人工生物島。人工生物島內部底質主要為有機質豐富的淤泥，有利于喜好淤泥生境的軟體動物和部分收集者水生昆蟲生存；生物島上生長有水生植物，可為魚類等水生生物提供遮陰環境及躲避捕食者和高速水流的避難所，同時也可吸引眾多水鳥在此棲息。人工生物島的構建改善了坪山河河道內生物棲息環境，使生境多樣化，滿足不同生物種群的需求，對豐富河道生物多樣性具有重要作用。

2.2 生態護坡

河湖護坡的目的是防止水流對岸坡的沖刷和侵蝕，保持岸坡的穩定性。生態護坡是在傳統護坡技術基礎上采用活體植物和生態材料作為護坡材料，不但能夠滿足護坡的需求，而且能為魚類產卵提供良好的棲息地條件，還有利于維持地下水地表水交換，改善生態環境。生態護坡材料[4]要包含石籠、土工合成材料、植物材料、生態型擋土墻、植物纖維墊、生態袋、干砌石、生態混凝土等。

坪山河干流護坡主要采用了石籠、六棱體中空生態砌體、滲濾砌塊、竹篾等生態材料組合。主要結構形式為坡腳處采用鋼筋石籠和大塊石護腳，為上部護坡砌塊提供承重基礎；在兩年一遇洪水位以下采用六棱體中空生態砌體+水生植物和滲濾砌塊+濕生植物，底部鋪設可降解的竹篾作為網狀材料，主要是起到常水位深度范圍內的防沖刷作用；在兩年一遇至百年一遇洪水位高程之間用竹篾作為過濾層，選用常規草皮或地被護坡。竹篾為天然材料，能起到三維網固土防護的作用。六棱體中空生態砌體和滲濾砌塊均可以種植植物，按照水位不同配置水生植物、濕生植物和旱生植物，提高護坡的生態性和景觀性，并增強護坡的防沖刷功能。研究表明坪山河的組合式生態護坡對暴雨徑流及總磷、氨氮、SS（Suspended Solids，懸浮物）污染物含量具有明顯的削減作用，具有顯著的生態環境效益[5]。

圖2 坪山河干流生態護坡現場照片及結構示意

2.3 維持河道縱向連通性

河流連通性是水生態系統的重要因素之一，其包括縱向連通性、側向連通性和垂向連通性，本文主要介紹水利工程生態設計對維持河流縱向連通性的作用。河流縱向連通性保證了營養物質的輸移、魚類等水生生物的洄游遷徙以及魚卵和樹種的漂流傳播，是諸多物種生存的基本條件[6]。在河道上建造閘壩、堰、陂等不但使物質流（水體、泥沙、營養物質等）和物種流（洄游魚類、漂浮性魚卵、樹種等）運動受阻，還會因水庫徑流調節造成自然水文過程變化，導致信息流改變，最終影響魚類產卵和生存。恢復和改善縱向連通性的措施[6]包括改善水庫調度方式、建設過魚設施、推進綠色小水電發展、拆除閘壩、生態改建引水式水電站等。

枯水季節坪山河水位很低，為保持基本的生態水位，坪山河水環境綜合整治中采用低矮攔河水陂蓄水，提高上游水面面積。陂體表面采用塊石座漿、布置成為寬緩自然蜿蜒的形狀，并結合景觀親水需求，布置成過河汀步，形成除橋梁以外更多樣的過河方式，營造游人自然有趣的親水、嬉水方式。攔河水陂消能設施采用多級跌水消能的形式，每一級跌水高差在20cm-30cm。多級跌水水陂采用天然材料構筑，經過常年淤積泥沙填滿礫石間隙，逐漸接近自然形態的緩坡河床，容易被上溯或降河水生生物所接受，可維持河道的縱向連通性，也更容易融入周圍自然景觀中。

圖3 汀步剖面示意圖

圖4 汀步現場照片

2.4 保障生態流量

生態流量是維持河流基本形態、防止河道斷流、避免河流水生態系統功能遭受無法恢復破壞的最小流量。

坪山河為雨源型河流，水資源時空分布不均勻，枯水季節甚至出現斷流現象。坪山河水環境綜合整治統籌考慮流域內水庫、污水處理廠、再生水廠等多個供水節點，采用精細化水資源配置模型（GWAS）開展生態需水量計算，確定補水方案，設置14 個生態補水斷面（干流3 個，11 條一級支流1 個/條），補水水源包括污水處理廠（站）再生水和水庫水（以非供水功能水庫為主）。在未進行生態調度的情況下，有6 個生態斷面的年內生態流量保障月份不足6 個月。開展生態調度后，各個斷面年內生態流量保障程度明顯提高，月份均超過6 個月[7]。

2.5 控制地表徑流及面源污染

在城市化進程中，城市水文下墊面性質的改變，導致雨水入滲量大幅度減少，地表徑流增加，容易引發城市內澇。海綿城市措施是通過滲、滯、蓄、凈、用、排等手段處理雨水，達到減少雨水徑流，消減洪峰和減輕面源污染的目的。海綿城市也是水利工程生態設計的一種措施，常用的海綿城市技術措施有調蓄池、透水路面、雨水花園、生態草溝、生態駁岸、人工濕地等。

坪山河水環境綜合整治中采用了調蓄池、透水路面、生態草溝、人工濕地等海綿城市措施。在坪山河幾條較大的支流和流量非常大的排污箱涵處共設置了7 座調蓄池，總調蓄體積為22 萬m3，調蓄池主要用來收集降雨初期30 分鐘的雨污合流污水，待停雨后，由調蓄池內的小型潛污泵將調蓄池內污水抽排至沿河截污系統，進入污水處理廠處理，進入坪山河中的污染物大量減少。兩岸綠道采用透水材料，沿綠道設置生態草溝，有效控制地表徑流，消減洪峰和減輕面源污染。雨污分流較徹底的排放口未進行沿河截污，而是在排放口入河前的灘地上新建人工濕地，通過人工濕地設施對初雨水進行截流、下滲、過濾等處理，減少入河污染量。

結語

經過坪山河水環境綜合整治工程的實施，坪山河水質明顯改善，上洋交接斷面水質穩定優于IV 類及以上標準。水利工程生態設計成果顯著，河道生境、護坡、縱向連通性、生態流量等生態指標有明顯改善。但坪山河的水生態仍存在以下問題：河道局部存在裁彎取直，河道自然形態遭到破壞；河底形態簡單，缺乏深潭淺灘等河底形態構造；植物群落單一，缺少合理的植物搭配，生物多樣性低；局部的景觀溢流壩、橡膠壩等對水生動物的遷徙洄游有阻礙作用。在今后的坪山河水生態修復中應重視水利工程生態設計的應用，如恢復坪山河自然蜿蜒的平面形態；構造深潭淺灘，豐富河底形態，為水生生物提供豐富的棲息環境；合理搭配植物，加強鄉土植物的應用，豐富岸邊帶植物群落；改造對水生動物遷徙洄游有阻礙作用的景觀溢流壩、橡膠壩等水工構筑物，修建魚道等。