河道環境保護與水土保持設計研究

王 超，張京濤

（1.北京綠都錦繡水務建設有限公司,北京 101200；2.北京洳河污水處理有限公司,北京 101200）

隨著城市化進程的加快,人類活動對河流的影響日益顯著。大量的土地開發、河道淤積、水污染、水土流失等問題導致了河道生態系統的退化和環境惡化[1-2]。這不僅對水質、土壤和植被等自然資源造成了破壞,也對眾多生物物種的生存和繁衍帶來了威脅,因此保護河道環境和實施水土保持措施成為當務之急[3]。高山等人以宜興洑西河為研究對象,采用現場踏勘、座談和無人機航拍等方法,總結出河道整體上存在岸坡耕種、植物配置單一、河道淤積及富營養化的現象。針對性提出豐富植物配置、定期清淤河道和加強后期撫育管護等建議與對策,以期為生態河道建設中水土保持措施管理和維護提供建議與指導[4]。朱蕓等人為明確生態河道建設中面臨的水土保持問題,以江蘇省生態河道建設工程為研究對象,開展了典型生態河道水土保持措施調查。針對生態河道建設中存在的不重視水土保持方案編制、植物種類選擇不合理、河道邊坡耕墾現象及面源污染問題突出、文化挖掘和植被多樣性以及與環境景觀的協調性不足等問題,提出了相應的對策與建議[5]。為符合十里河高山橋至白廟段河道治理需求,本文基于擾動地表土壤流失量,對未來一定時期內的水土流失情況進行預測和評估,從而制定一系列環境保護措施與水土保持措施。十里河環境保護與水土保持設計貢獻是降低十里河流域的水土流失總量,提高土地的生產力,進而提高當地農業產值與農業經濟水平。創新點主要是通過分析、模擬和預測擾動地表土壤流失量,對未來一定時期內的水土流失情況進行預測和評估。

1 十里河環境保護與水土保持設計研究

1.1 河道環境與水土流失現狀

十里河位于大同市西部山區,是御河的一級支流、桑干河的二級支流。其發源于左云縣馬道頭鄉辛堡子村,由東南向西北經麻黃頭、南八里折向正北,在左云縣城轉向東北,流經張家場、鵲兒山、石墻框進入大同市區。然后途經高山鎮、云岡鎮,在馬軍營鄉小站村出山折向東南,最后于馬軍營鄉北村附近匯入御河。干流河道全長89.3 km,總流域面積1277 km2,流域平均寬度為14.6 km,平均縱坡4.4‰。十里河流域屬東亞季風氣候區,多年平均降水量為381.0 mm,多年平均氣溫6.5℃,11 月到翌年3 月的月平均氣溫均在0℃以下；冬季極端最低氣溫達-29.1℃,夏季極端最高氣溫38.4℃。由于十里河流域內工業以煤炭開采為主,沿河兩岸有數座大型煤礦,大規模的開采及生活垃圾傾倒導致區域內環境破壞嚴重,且污染物與廢水排放也會對空氣和水資源造成嚴重污染,給周邊居民的健康和生活質量帶來巨大威脅。十里河河道還存在灘地較多,泥沙淤積嚴重等問題,導致河道行洪排水能力不足,降雨過程中水流難以順利通過,嚴重影響兩岸耕地及居民的生命財產安全,阻礙當地經濟發展,其部分河道現狀見圖1。

圖1 十里河部分河道現狀

十里河流域多荒山禿嶺,地形支離破碎,植被較差,加之流域內暴雨集中、洪水次數較多,致使水土流失現象較為嚴重,且土壤侵蝕類型主要以風力侵蝕為主,兼有水力侵蝕,屬水蝕風蝕交錯區。據最新遙感普查水土流失狀況的成果顯示,十里河所屬城市大同市水土流失面積9793 km2,占全市總面積的69%。其中輕度水土流失面積5073 km2,占總水土流失面積的51.8%。中度水土流失面積3065 km2,占總水土流失面積的31.3%。強烈水土流失面積1058 km2,占總水土流失面積的10.8%。極強烈水土流失面積597 km2,占總水土流失面積的6.1%。基于《山西省土壤侵蝕分區圖》與《山西省侵蝕模數分區圖》可知,十里河流域水土流失中度,現狀土壤侵蝕模數在2500 t/（km2·a）～3000 t/（km2·a）,屬于山西省水土保持重點治理區。

1.2 河道環境保護與水土保持設計

為提高河道的行洪排水能力,改善河道周圍生態環境,政府通過工程措施對十里河高山橋至白廟段河道進行治理,以完善健全河道的防洪體系,進而實現流域的水土保持與環境保護。在河道的治理工作中,應制定一系列環境保護措施,以減少對河道周圍自然環境的損害。環境保護措施主要有以下四點：第一點是合理規劃棄土堆放區域,避免選擇具有環境敏感性或水土保持風險的區域,此外棄土堆放過程中應采取必要的覆蓋措施,以減少揚塵和土壤侵蝕的風險。棄土堆放要合理規劃,滿足環境和水保的要求。第二點是減少CO、NOX、SO2等有害氣體的排放,以保證河道水域的大氣環境質量。第三點是加強施工期水質、大氣、噪聲監測,發現異常及時處理并采取措施。第四點是禁止向河道排放未經處理的污水,禁止在河道兩岸堆置生活垃圾及其他廢棄物,做好水質保護措施。

水土流失防治責任范圍界定原則是河道水土保持設計的前提,其主要內容如下：一是防治責任范圍面積計算不能遺漏或重復,規范有特殊規定的按規范要求計算。二是河道治理工程為堤防工程,其開挖的土方集中堆放在指定位置,不計入工程區與臨時堆土場區這兩個直接影響區。三是直接影響區的范圍根據場地地形條件分析確定。依據上述三條界定原則,水土流失防治責任范圍邊界條件的確定見表1。

表1 水土流失防治責任范圍邊界條件

河道水土保持設計的另一大前提是水土流失預測。水土流失預測是指通過分析、模擬和預測擾動地表土壤流失量,對未來一定時期內的水土流失情況進行預測和評估,見式（1）。

式中：L、ΔL分別為擾動地表土壤流失量與其新增土壤流失量；i、k分別為預測單元與預測時段；Fi為第i個預測單元的面積；Tik為擾動時段；Mik為擾動后不同預測單元不同預測時段的土壤侵蝕模數；ΔMik為不同單元各時段新增土壤侵蝕模數。

ΔMik的表達見式（2）：

式中：Mi0為擾動前不同預測單元土壤侵蝕模數。

根據《開發建設項目水土保持技術規范》與主體工程施工進度安排,該河道治理工程將水土流失預測時段分為施工期和自然恢復期兩個時段,其中施工期包括施工準備期。為更好地預防和控制水土流失,在施工過程中,應對水土流失進行監控,以便了解該項目的水土流失程度、所造成的影響和危害,從而掌握流域的水土流失情況,以便及時發現問題,并提出應對措施,確保水土流失可以被及時、有效地控制。十里河河道水土保持設計主要分為三部分：第一是工程措施設計,該設計是河道兩岸堤防與河道疏浚,以調整理順紊亂的河道、減少河岸坍塌,還可以固土保水、涵養水源,減輕水土流失。第二是植物措施設計,該設計是在工程施工結束后,應及時恢復原有植被,并每3 m～5 m 種植一株樹木,以提高植被覆蓋率,控制水土流失。第三是臨時防護措施設計,該設計主要是為了減少施工過程中對土壤侵蝕和水資源的負面影響,保護環境和水土資源的可持續性,其可通過覆蓋使用防塵網或植被等措施減少土壤裸露面積,防止風蝕和水蝕,以此保護土壤的結構和質量。

2 河道環境保護與水土保持效果評價

為驗證十里河部分河道環境保護與水土保持效果,首先需計算堤防工程區、棄土場區、施工道路區以及施工生產生活區在施工期與自然恢復期的預測流失總水土量與新增水土流失量,計算結果見表2。

表2 工程建設區水土流失總量與新增水土流失量預測計算

表2 中,工程建設過程可能造成的水土流失預測總量為837.7 t,新增水土流失量為391.7 t,水土流失重點區域為臨時堆土區,重點時段為施工期。這是因為臨時堆土區是施工期間暫時性的土方運輸和堆放區域,很容易成為水土流失的高風險區域。故從水土保持角度分析,應重點關注臨時堆土區,工程施工期間需建設固定的構筑物,防止土壤侵蝕和流失。同時還要設置排水溝、槽和渠道,以及合理的斜坡和坡度,以避免水在堆土區集聚和積聚。然后對4 個季度的十里河河道環境保護與水土保持效果進行評價,將未實施環境保護與水土保持措施前的河道作為對照組,見圖2。

圖2 河道環境保護與水土保持效果評價

圖2（a）是四個季度的河道環境保護效果,河道在實施環境保護治理措施前,四個季度的雨洪資源利用率均在60%以下。河道在實施環境保護治理措施后,四個季度的雨洪資源利用率分別提升為70.2%、88.2%、83.2%、75.3%。圖2（b）是四個季度的河道水土保持效果,河道在實施水土保持措施之后,各個季度的水土流失率明顯下降,由70.2%、83.2%、79.8%、80.1%分別下降至34.3%、44.8%、45.3%以及32.2%。故環境保護措施與水土保持措施可以有效改善河道區域的生態環境,提高雨洪資源利用率,減少下游河道的泥沙淤積,降低區域水土流失率,對當地農業產值與社會經濟起著一定的積極作用。

3 結論

基于十里河河道水土流失量預測計算可知,在整個堤防工程施工中,水土流失預測總量為837.7 t,新增水土流失量為391.7 t,水土流失重點區域為臨時堆土區,重點時段為施工期。河道實施環境保護措施后四個季度的雨洪資源利用率分別為70.2%、88.2%、83.2%、75.3%,比實施前提高了14.1%、40.0%、35.1%、27.0%。河道實施水土保持措施后四個季度的水土流失率分別為34.3%、44.8%、45.3%以及32.2%,低于實施前的70.2%、83.2%、79.8%、80.1%。故基于水土流失預測計算的環境保護措施與水土保持措施可以有效減少土壤侵蝕和水土流失,保護土壤和水資源。這有助于維護河道生態系統的健康和穩定性,保護植被、野生動物和水生生物的棲息地,維持生態平衡。水土保持措施還能減緩洪水的沖擊,降低洪災風險,減少土地的退化和硬化,改善土壤質量,有利于當地農業生產和土地的可持續利用。