基于可持續發展生態理念的水利設計

王 端，馮 琴

（荊州市水利水電勘測設計院，湖北 荊州 434020）

0 引言

水利工程與可持續發展生態理念的結合不僅能夠強化其社會效益和經濟效益，還能夠更好的保護環境，使水土資源在可持續發展的基礎上開發、利用，實現人與自然的和諧發展。因此，為解決生態環境問題，應將可持續發展生態理念貫穿于水利設計始終，兼顧生態系統健康和可持續發展的需求。

1 可持續發展生態理念相關概述

所謂可持續發展理念，是指有機整合生態文明理念與可持續發展的新型發展觀，立足于生態文明視角，遵循生態規律，從而依托于人與自然的和諧共處實現可持續發展[1]。尤其是社會的可持續發展，在關注當前與未來人與自然共融共生的基礎上實現社會生態文明理念，并有意識的在各個領域落實對自然環境的維護、采用低投入高產出的發展方式以及綜合協調管理等，以此實現社會可持續發展目標。

2 基于實例分析可持續發展生態理念下的水利設計

2.1 項目簡介

2.1.1 工程項目

某地區的山區河流（簡稱“S 河流”）存在流域生態風險，經勘察、調研發現，風險構成主要是洪水對河流兩岸的侵蝕以及當地居民生活、生產期間產生的各類污染物。本次水利設計主要圍繞生態護岸和生態濕地展開，旨在打造流域生態廊道，解決當地河流污染問題的同時實現水土資源的合理開發、利用。

2.1.2 流域現狀

作為當地河流的一級支流，S 河流橫貫多個村莊，流域面積31.3km2，主河道長14.8km，平均坡降為18.40%。污染現象主要出現在河流水體，一旦遇到雨水天氣，周邊的廢棄物堆積、大氣降塵、機動車尾氣等將使雨水徑流中出現污染物，如重金屬、有機質、懸浮固體等，還包括當地農業生產期間的殘留在地表的化肥，最終匯入河流。

2.2 水利設計

從可持續發展生態理念的角度開展本項目工程的水利設計時，在將污染治理、生態環境恢復等思維貫穿設計始終的同時，還應注重水利工程各項原理以及規律的遵循，立足于上述現狀信息保證設計方案的可行性。

2.2.1 生態護岸設計

由于S 河流屬于山區河流，具有水位變化幅度相對較大、水流流態復雜等特點，而且，在水位變化的情況下，河道也會隨之發生變化，在與當地山區河流系統的相互作用下，生態護岸的關鍵要求之一是具有較高穩定性[2]。尤其河岸邊坡，需滿足與當地生態環境和諧融合、穩固安全等要求，才能夠保證S 河流生態體系健康、平衡。

（1）護岸設計方案。在考慮S 河流復雜性特點的同時，還應意識到水力沖擊、水腐蝕等對生態護岸這一水路交界處的影響，確保其具有較強抵御性和穩定性。此外，立足于可持續發展生態理念的護岸還應滿足陸生植被、水生動植物、水陸兩生植被的生長需求，營造良好生命環境。因此，在S 河流生態護岸設計過程中，方案中盡量避免剛性結構、剛軟結合構件的使用，多以預制材料、天然材料為主，一方面減少二次污染，另一方面優化護岸環境，強化其美觀性。

根據S 河流特點，結合環境現狀共提出兩種護岸形式，具體如下。

斜坡式護岸設計方案：在可持續發展生態理念下，設計方案包括迎水坡、護坡下方、護坡基礎。①護岸坡迎水坡坡比設計為1∶2，采用預制技術結合運用生態預制塊護坡，為強化護岸生態性，打造健康的生態體系，生態孔內填土并種上植物，主要選用馬尼拉草草籽。其中，護坡厚度與碎石墊層厚度分別為120mm 和150mm。②將土工布鋪設在護坡下，利用其反濾作用避免污染物進入河流，堤身采用黏性土回填即可。其中，鋪設規格為300g/m2。③護坡基礎以C20 素混凝土為主，斷面尺寸設計落實為50cm×50cm，選用當地塊石回填基礎開挖。斜坡式護岸設計方案斷面如圖1 所示。

圖1 斜坡式護岸設計方案斷面

復合式護岸設計方案：該方案采用重力擋墻技術方法，依托于M7.5 漿砌塊石砌筑直墻重力式擋墻。為使迎水面形成天然的凹凸狀石面，不對迎水面開展露漿、勾縫作業，即外露出不露漿，為當地常見的蕨類植物、爬藤類植物營造生長環境。護岸的背水坡豎直設計，迎水坡坡比設計為1∶0.3，頂寬60cm。復合式護岸設計如圖2 所示。

圖2 復合式護岸設計

（2）計算護岸穩定性。在對生態護岸穩定性進行計算時，應根據相關標準與設計規范展開，首要任務是確定工程及建筑物等級。在《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）等文件的查詢下，本項目工程為Ⅴ等，相關建筑物級別為5 級。自后按照《堤防工程設計規范》（GB 50386—2013）內容計算護岸擋墻的抗傾覆穩定性與抗滑性能[3]。由于S 河流的生態護岸長度較大，因而圍繞具有代表性的斷面開展計算工作。所選樁號為K10+900，擋墻高度、基礎深度分別為2.5m、0.5m，、河床高程293.97m，P=10%設計洪水位295.47m。

關于擋土墻穩定性的計算可通過式（1）得到：

式中：Kc——護岸擋土墻抗滑穩定安全系數；f——摩擦系數，主要是指底板與堤基之間；∑W/∑P——面向墻體的全部垂直作用力/水平力的總和，kN。

關于擋土墻抗傾覆穩定性的計算可通過式（2）得到：

式中：K0——護岸擋土墻抗傾覆穩定安全系數；∑Mv/∑MH——護岸擋土墻抗傾覆力矩與傾覆力矩，kN·m。

關于護岸擋土墻基底壓應力的計算可通過式（3）得到：

式中：σmax、min——護岸擋土墻基底的最大/小應壓力，kPa；A——擋土墻底板面積，m2；∑G——擋土墻垂直荷載，kN；∑M——擋土墻荷載作用于底板形心軸的力矩，kN·m；∑W——擋土墻底板截面系數，m3。

在容重方面，本項目工程的砌體容重（γ漿砌）和擋土墻填土容重（γ土）分別為25kN/m3和18kN/m3。在摩擦角方面，土體與墻背之間的（δ）和墻背回填土的等效摩擦角（?）分別為17.5°、35°。此外，擋墻基底摩擦系數強風化層、全風化層和砂卵石層分別為0.55、0.35、0.5。

在上述參數與計算公式的代入下，分別分析設計工況（兩種）和非常工況下的穩定性。設計工況1：護岸擋土墻外部遭遇P=10%的設計情況（洪水），水深1.5m；設計工況2：項目完工期墻背完成填土作業，河內側無水；非常工況：擋土墻外設計洪水水位下降，內側地下水無法在短時間內排出，出現0.5m 的水位差。在各種工況下，本項目工程護岸擋土墻穩定性和應力計算結果如表1 所示。

表1 護岸擋土墻穩定性和應力計算結果

現行的提防工程設計規范安全系數要求如表2所示。

表2 安全系數規定

經過表1 與表2 的數據對比發現，S 河流護岸邊坡穩定性符合要求。

2.2.2 生態濕地設計

根據當地政府規劃內容，本項目工程還以生態濕地以公園為設計導向，旨在修復、重建濕地自然環境，將可持續發展生態理念深化落實至濕地生態營建工程中，同時增設景觀休閑服務設施。針對本項目目前存在的污染現象，基于生態修復的濕地設計主要細化為3個部分，①水體凈化。充分利用當地退化的田埂、沼澤、荷塘、魚塘等，依托于人工濕地建設修復脆弱的生態系統。②修復植被群落。增加人工濕地的植被種類與覆蓋率，改善生態系統，促進動植物多樣性的增加，滿足動物棲息需求。③恢復濕地自我凈化和自然演替功能。打通水網，完善建設生態系統，豐富景觀、格局安全，實現和諧共生[4]。

為恢復濕地生態的多樣性，實現生態體系健康化循環運作，應從棲息和生物恢復的角度落實人工干預與管理，在該情況下，水利設計內容如下。

分辨生態前置庫為何種植物的生長區，以全面的勘察資料為基礎落實項目設計。以本項目中的A 濕地為例，其規劃面積為350m2，水生植物為主。利用“現有植物+水生植物補種”等方式將水體中的部分有機物去除。表面流濕地1200m2，采用“改性土壤+礫石”基質，結合運用植被、微生物深層次處理前置庫來水，實現對無機磷等物質的消除或降解。除此之外，設計230m2的清水涵養塘，負責水源清潔、涵養，依托于天然凈化作用促進水環境恢復，為水生態系統的恢復提供良好自然環境條件。

3 水利設計要點總結

在可持續發展生態理念下開展水利設計時，需將生態環境保護貫穿始終，兼顧水利工程建設的基本要求，實現水土資料的保護與開發。結合具體工程案例，水利設計要點總結如下。

（1）達到最佳設計水平。以生態環境質量的提升為主要目標，做好當地水文、土體土質等環境信息的調研與勘察，為植被選擇奠定良好基礎，豐富水利工程生態環境的物種多樣性，使生態系統平衡、良性循環。

（2）注重設計層次性。在安全性與經濟性的綜合考慮下開展水利設計，立足于當地可能出現的自然災害，比如洪水、泥石流等，針對河道、邊坡現有問題設計護岸、擋土墻等，保證河流等區域的安全穩固性[5]。

（3）重視堤岸設計。作為一項系統工程，水利設計涉及較多內容，在可持續發展生態理念下，應建立完善的河道與陸地生態系統，把握堤岸這一水陸界限，充分考慮防護性要求與綠化要求，強化邊坡、護岸穩固性的同時優化綠化景觀效果，為動植物提供良好生長、生存環境。

（4）加固微觀與宏觀視角。由于水利設計重點在于保護中開發利用水土資源，所以宏觀視角是結合當地以經濟發展與水資源需求比例，落實相關保護設計；微觀視角則注重水土資源的利用率，避免資源浪費、污染等現象的發生，在兩者兼顧的基礎上開展水利設計，以此實現可持續發展生態系統的構建。

4 結語

綜上所述，可持續發展生態理念是當前水利設計工作的重要原則之一，可有效提升當地生態水平，減少污染。在開展基于可持續發展生態理念的水利設計時，應注重當地環境與情況的全面調研，以此設計穩固的邊坡護岸、生態系統豐富的濕地等項目，恢復生態系統，促進水利工程的可持續發展。