水利工程建設(shè)中的水土保持設(shè)計(jì)思考

孫吉

(山東安丘市水利局河道養(yǎng)護(hù)中心 山東濰坊 262100)

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，逐漸認(rèn)識(shí)到水土流失的嚴(yán)重危害，因此在水利工程建設(shè)中將水土保持設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)重要任務(wù)。水土流失會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害，比如土壤結(jié)構(gòu)的變化、引發(fā)洪澇災(zāi)害、造成水體污染等，而做好水土保持工作，則可以對(duì)生態(tài)環(huán)境起到良好的保護(hù)作用，降低自然災(zāi)害發(fā)生的概率，促進(jìn)水利工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 水土流失的危害

水利工程建筑推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是水利工程建設(shè)同樣會(huì)影響到生態(tài)環(huán)境，如果不加以管理與控制，容易造成水土流失，引發(fā)一系列嚴(yán)重后果[1]。

1.1 引起土壤結(jié)構(gòu)的變化

土壤是植物生長(zhǎng)不可缺少的必要物質(zhì)條件，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最基本的資源，水土流失造成的最直接的后果就是土壤結(jié)構(gòu)受到破壞。在我國(guó)水土流失現(xiàn)象是非常嚴(yán)重的，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年因土壤侵蝕損失的耕地面積達(dá)到100 km2，土壤層中富含的氮、磷、鉀等重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨著水土流失而消失，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中旱災(zāi)加劇，還會(huì)引起土壤鹽堿化。水土流失造成土壤有吸水能力與持水能力嚴(yán)重下降，由于地表土壤長(zhǎng)期受到侵蝕而導(dǎo)致松散，無(wú)法為自然景觀(guān)提供基礎(chǔ)支撐，水利工程坡體因無(wú)力支撐而發(fā)生滑坡。

1.2 加劇自然災(zāi)害的發(fā)生

水土流失會(huì)造成下游河道、湖泊產(chǎn)生大量淤積，降低水利工程的蓄涵能力，當(dāng)進(jìn)入枯水期時(shí)水流量不足，容易出現(xiàn)斷流；當(dāng)進(jìn)入豐水期時(shí)因河道、湖泊的蓄涵能力下降，導(dǎo)致水流量加大，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害。泥沙的大量淤積造成河道堵塞，埋下嚴(yán)重的安全隱患，當(dāng)出現(xiàn)大量降水時(shí)被淤積的水庫(kù)無(wú)法存儲(chǔ)更多的降水，造成漫壩或大壩垮塌等事故[2]。

1.3 影響生物的多樣性

水土流失帶走的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生物農(nóng)藥成分最終都進(jìn)入下游的水庫(kù)、湖泊中，引起水環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化，破壞水體中生物原來(lái)的生存環(huán)境，許多生物因此而大量消亡甚至瀕臨滅絕。

2 水利工程建設(shè)中水土保持設(shè)計(jì)的應(yīng)用

水土保持是針對(duì)水土流失問(wèn)題而采取的一系列綜合治理措施，是踐行“綠水青山就是金山銀山”的正確出路。在水土保持設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到水利工程的實(shí)際條件以及當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)、氣候等因素，科學(xué)選擇治理方案。

2.1 對(duì)水土流失進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)

在水利工程設(shè)計(jì)前需要對(duì)施工場(chǎng)地的水文地質(zhì)資料做好詳細(xì)的調(diào)查，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查，確定水利工程建設(shè)水土流失責(zé)任范圍，對(duì)建設(shè)過(guò)程中引起水土流失的情況進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)，將水土保持設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到水利工程設(shè)計(jì)中。水利工程設(shè)計(jì)往往內(nèi)容復(fù)雜，施工過(guò)程中的配套設(shè)施也非常多，除了項(xiàng)目本身的邊坡、大壩、景觀(guān)工程以外，還會(huì)占用到工程周邊的一些土地，引起水土流失的因素也是多方面的。因此，設(shè)計(jì)人員需要綜合各方面因素確定施工過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的破壞程度，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體條件制訂科學(xué)合理的施工計(jì)劃，避免造成水土流失。臨時(shí)占用的土地必需恢復(fù)其本來(lái)面貌，比如地形地貌、植被等，可有效預(yù)防水土流失[3]。

2.2 水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在水利工程建設(shè)中主體結(jié)構(gòu)一般有大壩、輸水工程、圍堰工程、堤防工程等，在設(shè)計(jì)時(shí)必需體現(xiàn)水土保持的設(shè)計(jì)理念[4]。一是水庫(kù)大壩工程。為了提高水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)性能，減少水土流失，一般優(yōu)先選擇混凝土結(jié)構(gòu)，如果施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法使用混凝土大壩時(shí)，再考慮其他結(jié)構(gòu)形式。二是引水、輸水工程。針對(duì)引水、輸水工程沿線(xiàn)施工，應(yīng)制訂水土保持專(zhuān)項(xiàng)方案，根據(jù)不同施工段水土流失的特點(diǎn)合理劃分水土流失防治區(qū)域，重點(diǎn)關(guān)注不良地質(zhì)。在對(duì)深水渠、高填水渠設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選擇渡槽或隧道，減少大型開(kāi)挖設(shè)計(jì)，可有效防止水土流失。三是圍堰工程。通常圍堰只作為臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，用于水利工程施工，圍堰的形式有很多種，常用的有土石、草土、木板樁、鋼板樁、混凝土等結(jié)構(gòu)形式，綜合考慮圍堰結(jié)構(gòu)的安全性、便捷性以及水土保持等多方面因素，可選擇鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)，盡量不使用土石圍堰結(jié)構(gòu)，如圖1 所示的水中鋼板樁圍堰。四是堤防工程。一般的做法是通過(guò)合理設(shè)置堤防邊坡比來(lái)減緩水流對(duì)邊坡的沖刷，邊坡比通常設(shè)置為1∶1～1∶3；為了提高堤防的抗沖能力，可以采用灌砌塊的設(shè)計(jì)；對(duì)堤防坡面、親水平臺(tái)、堤防頂部等進(jìn)行綠化，可有效提高堤防水土保持能力[5]。實(shí)踐證明，對(duì)水利工程中各結(jié)構(gòu)部分采取水土保持設(shè)計(jì)方案，可以有效應(yīng)對(duì)水流沖刷造成的水土流失。

圖1 水中鋼板樁圍堰

2.3 采用植物保護(hù)設(shè)計(jì)

在水利工程興建過(guò)程中必然破壞施工場(chǎng)地原來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)，最直接的就是植被遭到破壞，植物的自我修復(fù)能力下降，施工造成大量地表裸露，引起水土流失問(wèn)題，而且這種破壞非常嚴(yán)重，很難進(jìn)行修復(fù)。因此，在水利工程建設(shè)過(guò)程中必需減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞，最大限度地保留施工場(chǎng)地原有的植被系統(tǒng)[6]。

在水利工程施工地址選定之后，應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的植被系統(tǒng)采取一定的保護(hù)措施，嚴(yán)格限定施工范圍，盡量降低破壞的程度。施工完成后需要對(duì)裸露部分做好恢復(fù)工作，常用的植物類(lèi)型有松類(lèi)、刺槐、紫穗槐等，每種植物都有自己的習(xí)性，需要按照密度要求科學(xué)種植，比如松類(lèi)植物以每公頃900～2 400 株為宜。選擇樹(shù)種時(shí)應(yīng)以適時(shí)、適地、適樹(shù)的原則，盡量選擇原來(lái)的、防護(hù)效果好且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的樹(shù)種，必須保證樹(shù)種具備良好的適應(yīng)性、抗逆性，可以加快速水利工程植被系統(tǒng)的恢復(fù)。

2.4 棄渣場(chǎng)地的水土保持設(shè)計(jì)

2.4.1 棄渣堆放場(chǎng)地的選址

在水利工程建設(shè)中棄渣的量非常大，棄渣堆放場(chǎng)地的選擇困難。通常棄渣場(chǎng)地可分為溝道型、臨河型、坡地型、平地型與庫(kù)區(qū)型這5種，但無(wú)論是哪種類(lèi)型的堆放，都必需考慮到是否對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響，然后根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況確定堆放的高度、距離。在棄渣場(chǎng)地選址時(shí)必需考慮到兩個(gè)方面：一是不能對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響，比如交通、安全、行洪等，特殊情況時(shí)需要進(jìn)行專(zhuān)家論證才能確定；二是避免在河道范圍內(nèi)放置棄渣。

2.4.2 棄渣場(chǎng)地的設(shè)計(jì)

棄渣場(chǎng)地設(shè)計(jì)中需要考慮到安全問(wèn)題、攔擋問(wèn)題、排水問(wèn)題，需要占用耕地時(shí)還應(yīng)考慮到復(fù)耕問(wèn)題，以及棄渣場(chǎng)的景觀(guān)問(wèn)題。

第一，攔擋設(shè)計(jì)。為了防止棄渣外泄，通常會(huì)在周?chē)O(shè)置攔擋壩，壩體一般會(huì)選擇重力壩，重力壩由混凝土或漿砌石建造而成，施工方便，強(qiáng)度、安全性高，靠自身重力維持壩體的穩(wěn)定性，具體見(jiàn)如圖2 所示的棄渣場(chǎng)擋護(hù)。

圖2 棄渣場(chǎng)擋護(hù)

第二，場(chǎng)地表層土壤的保護(hù)。如果棄渣場(chǎng)地設(shè)置在耕地上，還要考慮到場(chǎng)地恢復(fù)后的復(fù)耕，因此應(yīng)在堆放之前做好表層土壤的保護(hù)。土壤表層富含植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可按照所需場(chǎng)地的面積、復(fù)耕面積，將表層土壤進(jìn)行剝離，然后集中堆放在合適的位置，等場(chǎng)地恢復(fù)時(shí)回填。為了防止出現(xiàn)水土流失，應(yīng)對(duì)這些土壤做好防護(hù)，進(jìn)行覆蓋或者播撒草種等。

第三，場(chǎng)地排水設(shè)計(jì)。棄渣場(chǎng)地內(nèi)的排水可根據(jù)工程進(jìn)度進(jìn)行設(shè)置。針對(duì)施工期間的臨時(shí)排水，可以開(kāi)挖排水溝渠，使用砂漿抹面處理。針對(duì)雨季、區(qū)域洪水的排水，為防止水流對(duì)渣堆形成沖刷、淤積，可以在場(chǎng)地周邊設(shè)置長(zhǎng)期排水設(shè)施，采用漿砌石截水溝的形式，將水流導(dǎo)入沖溝內(nèi)。施工完成后棄渣場(chǎng)需要綜合考慮到流域面積、本地的降水情況、水利工程建設(shè)的等級(jí)，合理確定排水系統(tǒng)，如果洪水量小可選擇排水渠進(jìn)行排水，如果洪水量較大可選擇涵洞式排水，具體方式可根據(jù)水利工程實(shí)際情況確定。

第四，棄渣場(chǎng)地的恢復(fù)。棄渣在有效利用后需要對(duì)棄渣場(chǎng)地進(jìn)行恢復(fù)，將上述剝離的土壤回填到場(chǎng)地中，選擇生長(zhǎng)力旺盛的農(nóng)作物進(jìn)行耕種，可加快土壤恢復(fù)。具體的恢復(fù)措施應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后確定。對(duì)還在使用的棄渣場(chǎng)地可以栽種原種植的樹(shù)木，有助于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[7]。

2.5 降雨集蓄設(shè)計(jì)

近些年，隨著環(huán)境的惡化，淡水資源短缺的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，水利資源逐步成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵要素。因此，在水利工程建設(shè)中應(yīng)加入雨水回收再利用的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)對(duì)雨水的集蓄再利用，使淡水資源得到充分利用，可達(dá)到水土保持的效果[8]。多年來(lái)，人們?cè)诤拥乐卫矸矫娣e累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于雨水的收集再利用卻并沒(méi)有采取相應(yīng)的措施，因此堤岸兩邊的雨水匯集后都隨地形任意排放了，不僅造成淡水資源的流失，同時(shí)還會(huì)對(duì)水利工程岸坡形成沖刷作用，導(dǎo)致水土流失、水利工程遭到破壞。因此，在水利工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用水土保持理念，在河道兩岸、堤防區(qū)域合理設(shè)置排水設(shè)施，將雨水集中導(dǎo)入河道或蓄水池中，將雨水回收經(jīng)過(guò)處理后可用于河道兩側(cè)的綠化工程，既解決了雨水沖刷問(wèn)題，又可以高效回收雨水，實(shí)現(xiàn)了淡水資源的回收利用。由于雨水來(lái)自大氣層，隨著空氣污染的加劇，雨水中也溶入了大量的COD、硫化物、氮氧化物等，需要進(jìn)行處理后才能使用。我國(guó)目前對(duì)于雨水回收的處理尚不成熟，也缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，隨著雨水收集利用技術(shù)的推廣與應(yīng)用，針對(duì)雨水的凈化處理技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也將逐步落實(shí)，可用于水利工程的水土保持設(shè)計(jì)中，起到良好的效果。

2.6 做好水利工程水土流失監(jiān)測(cè)

為了保證水土保持設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮其效果，還應(yīng)對(duì)水利工程開(kāi)展水土流失監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要是引發(fā)水土流失的主要因素、強(qiáng)度、影響范圍等項(xiàng)目，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控與測(cè)量。確定水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，比如水利工程建設(shè)的主要施工區(qū)、棄渣場(chǎng)地、施工路面、料場(chǎng)等，在這些重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水土流失狀況做出綜合評(píng)價(jià)，然后采取相應(yīng)的水土保持措施[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利資源的需求持續(xù)增長(zhǎng)，而淡水資源卻日益短缺，水利工程建設(shè)成為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的關(guān)鍵。但是，在興修水利工程的過(guò)程中必需認(rèn)識(shí)到水土保持的重要性，積極應(yīng)對(duì)水利工程水土流失問(wèn)題，保證水利工程及周邊的生態(tài)環(huán)境不受到破壞，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)過(guò)大變化。該文主要從水土流失的科學(xué)預(yù)測(cè)、水利工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、植物保護(hù)設(shè)計(jì)、棄渣場(chǎng)地的水土保持設(shè)計(jì)、降雨集蓄設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面提出了水土保持設(shè)計(jì)方法，為了防止水土流失的發(fā)生，在施工建設(shè)過(guò)程中還必需對(duì)重點(diǎn)區(qū)域做好監(jiān)控測(cè)量，以起到保證土壤結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境的作用，促進(jìn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。