CN109295915A - 一套宽浅河道的河床自然化改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套宽浅河道的河床自然化改造方法，属于河道生态治理领域，具体包括W形滚水堰坝构建法、阻流因素设置法和河岸自然化改造3种方法。本发明以河流生态学和生态水利学理论为指导思想，旨在构建和恢复复杂的河流生态系统结构，还原宽浅河道自然状态，提高水体自净能力，进而提高河流生态系统功能完整性，最终实现搭建健康河流生态系统的目标。

Description

一套宽浅河道的河床自然化改造方法

技术领域

本发明属于河道生态治理领域，尤其适用于平原型河流(包括城市内河入湖入海段的河滩地)或山区型河流下游宽浅河道的河床自然化改造。

背景技术

天然河流在地球自转、复杂地形、河岸抗侵蚀能力以及水流离心力的综合作用下，往往呈现出蛇形般的蜿蜒曲折，蜿蜒度已成为河流健康评估指标体系中的重要指标之一。天然河流底质结构复杂，形成的浅滩-深潭结构多，而且河道横断面往往不对称，水力冲刷作用大的地段地势陡峭，对岸则多为坡度徐缓的河滩。此外，天然河流的护岸多为通透性好的堆石+乔灌草配合的植物护坡，河岸植被带组成结构多元化。水生生物多样性和丰富度较高，河流自净能力强，河流生态系统结构和功能完整性好。

目前国内河道治理的重点主要为城市内河。出于防洪安全的考虑，迄今为止大多数内河道的形态或被裁弯取直、或呈现整齐划一、左右对称的矩形、倒梯形甚至复式断面，人工痕迹明显，与周围景观的协调性较弱。从生态学角度看，城市内河基本丧失了天然河道的形态要求，底质构成单一，浅滩-深潭结构丧失，护岸结构设计多为混凝土、浆砌石等严重阻断水和空气交换的硬质护坡材料，通透性差，河岸植物所需水分无法从河水中汲取，依靠人工浇灌。天然河道的人工渠化造成了河流生态系统结构单一化，功能退化，水生生物多样性降低，生态系统脆弱，在持续的人工干扰下，出现自净能力持续降低，水质污染愈发严重，发黑发臭，直至整个生态系统坏死。

上世纪60、70年代欧美国家的河道状况与我国目前的河道改造现状极为相似，均重水利、轻生态，盲目的河道渠化直接导致河流生态系统的崩溃。1968年，美国出台了世界上第一部以河流风景保护为主要目标的法律制度——《风景河流保护法案》，该法案通过指定特定江河入选国家野生与风景河流系统，以发挥保护江河自然特征与风景游憩价值，平衡江河环境保护与开发间矛盾关系的作用。在该法律的影响下，美国成功治理了多条典型河流，甚至是流域层面。欧洲各国在经历河道人工渠化的阵痛后，也纷纷提出类似法律，恢复天然河道的自然地形地貌，重新构建或恢复健康的自然河流生态系统。上世纪90年代，日韩等国家也开始倡导“多自然型河川”建设，而打造自然型河川的重要内容就包括通过改造河流的边界条件营造自然的河流流态以及自然型河岸建设。

十八届五中全会提出的“构建科学合理的自然岸线格局”，第一次肯定了自然岸线作为一种独特的、不能替代的资源的宝贵价值，从顶层设计层面开启了打造中国自然型河流的序幕。本发明在充分吸纳国外先进治河理念的基础上结合中国河情提出了一套针对宽浅河道河床自然化改造的方法，旨在为我国河流的自然化改造提供技术参考。

发明内容

本发明针对目前国内很多宽浅河流河滩地带缺失的自然型河道主要特征，提出了包括W形滚水堰坝构建法、阻流因素设置法和河岸自然化改造在内的一套河床自然化改造方法。通过这种改造技术可在一定程度上还原河床的近自然状态，实现宽浅河道水体流态多样化，提升水体复氧能力和自净能力，同时可以增加河流与周围景观的协调性，提升其美学价值。

本发明采用的技术方案：

W形滚水堰坝构建法是在传统滚水堰设计理念的基础上从坝型、坝体结构方面加以改进，将堰坝建成“W”形，既符合流水的水力学特征，增加其景观观赏性，又可以在河道中央和两岸构筑滞流区，减缓对河岸的水力冲刷，为水生生物提供栖息生境，同时W形滚水堰坝突破了传统滚水堰的水槽设计尺度， 其最低点与河道的常水位持平，从本质上保证了水生生物通道的连续性，有利于鱼类的洄游和漂移，从而保证鱼类的生物多样性。

阻流因素设置法是通过在河床合适位置根据河床底质、坡降、水流特征等因素进行适宜的阻流设计，通过微地形改造营造多样化的水流流态，同时为水生生物提供不同的栖息环境，以丰富水生生物多样性。

河岸自然化改造是通过构建抛石护岸和构建蜿蜒曲折的凹凸岸自然形态两种方式从形态上实现宽浅河道的自然岸线格局。以天然块石构建抛石护岸，石体空隙间栽种土著性或广适性河岸植被，打通河流与河岸带的水力联通，最终形成自我运转良好的水陆交界带系统，边缘效应稳定性好。构建弯曲的凹凸岸自然形态注重因势利导，宜填则填，宜挖则挖。在宽浅型河床急滩的凸岸，可通过合理的土石方挖填为流水制造一个宽阔弯曲的排水截面，既可以提高水域可达性，又可以增加河道的蜿蜒度和景观观赏性；在水流剪力较大的凹岸，驳岸的坡脚处可以通过构筑拱形的抛石坝以减缓分散水力对河岸的侵蚀作用。

以上3种方法均定位于宽浅河床的自然化改造，共同特征表现为构筑多样化的水流流态，多样化的水生生物栖息生境以及减缓河岸的冲蚀作用。3种方法有机统一，互为协调。具体实施方案如下：

W形滚水堰坝构建法：①将堰体横跨河床迎水方向建成“W”形，上流向的3个折点分别位于河床中央和左右岸，下流向的2个折点分别位于距左右岸1/4河宽处；②堰体最高点位于河床中心线的位置，高度为0.5m，从堰体最高点由高到低向河床两侧修筑缓坡，堰体距左右岸1/4河宽处高程与河道常水位持平，此后堰体向左右岸再分别抬升与河道常水位的高差，左右岸的堰体与河道常水位的高差为0.3～0.4m，低于堰体最高点与河道常水位的高差；③在堰体背水坡堆积粒径在0.2～0.4m的砾石，漫坝水形成跌水。整个堰体均为自然块石抛石结构，堰体宽度为1m。W形滚水堰坝的特点不仅在于整个堰体呈“W”形横向布设在河床上，而且堰体高度也呈“W”形转换。整个堰体有两个低点，出现在距左、右岸1/4河宽处，并非整个堰体高差不变，此设计突破了传统滚水堰的水槽设计尺度，从本质上保证了水生生物通道的连续性。

阻流因素设置法包括3个内容：①低坡度的河床中央和两岸处设置大型块石(粒径在0.4m以上)，并在块石周边人工堆积砾石，将单一的河床地形和底质复杂化，以制造激流和滞流的水流变化；②底质为沙质或淤泥的河床可以不同粒径的砾石和黏土人工构筑梭型江心洲，在江心洲中央种植灌木和湿生草本植物，水陆交界处堆放小粒径的砾石块，其上种植芦苇、菖蒲等挺水植物和低矮的湿生植物；③浅滩地带可以人工投放枯木，四周用木楔固定，营造涡流环境，为水生生物提供栖息生境以丰富水生生物多样性。

河岸自然化改造包括2个内容：①构建抛石护岸。以天然块石构建抛石护岸，石材不需要整形加工，但需要对其形状及石材间的嵌合度加以考虑。在护岸最下缘放置较大石头，从下到上依大小堆积；无法用机械施工的细小空隙，依靠人力按照石头样式进行调整，并在石头间的空隙栽种土著性或广适性河岸植被；②构建蜿蜒曲折的凹凸岸自然形态。对于宽浅型河床的凸岸，在植被覆盖率不高的情况下(植被破坏度低)可考虑在河滩基础上通过合理的土石方挖填为流水制造一个宽阔弯曲的排水截面，以提高水域可达性，人们得以亲近和体验河流；对于水流剪力较大的凹岸，驳岸的坡脚处可以通过构筑拱形的抛石坝以减缓分散水力对河岸的侵蚀作用。拱坝的坝体为天然块石堆砌而成，坝体长0.3m，宽0.2m，高0.3m，空隙间种植湿生植物。坝体顶端呈半圆形，与水流流向的夹角越小越好，宜控制在40°以内，且坝体侧切线与凹岸的夹角越大越好，宜控制在60°以上，以缩小拱坝间的间隙，最大程度的减缓对凹岸的冲蚀。以上针对河道凹凸岸的两种做法不仅提高了河道的蜿蜒度，实现了宽浅河道弯道处的自然岸线格局，而且减缓了水流对凹岸的冲蚀作用，最大程度的利用了凸岸的景观价值。

附图说明

图1是W形滚水堰坝的俯视图，图2是W形滚水堰坝的平视图，图3是弯滩凸岸改造示意图，图4是弯滩凹岸改造示意图，图5是弯滩凹岸拱坝形态示意图。

图5中，α代表坝体与水流流向的夹角，α≤40°；β代表坝体侧切线与凹岸的夹角，β≥60°。

具体实施方式

只针对本发明中第3种方法-河岸自然化改造关于构建蜿蜒曲折的凹岸自然形态内容进行解释。对于水流剪力较大的凹岸1，驳岸的坡脚处2可以通过构筑拱形的抛石坝3以减缓分散水力对河岸的侵蚀作用。拱坝的坝体为自然块石堆砌而成，坝体长0.3m，宽0.2m，高0.3m，空隙间种植湿生植物。坝体顶端4呈半圆形，与水流流向5的夹角α越小越好，宜控制在40°以内，且坝体侧切线6与凹岸的夹角β越大越好，宜控制在60°以上，以缩小拱坝间的间隙，最大程度的减缓对凹岸的冲蚀。

Claims (4)

1.一套宽浅河道的河床自然化改造方法只针对宽浅型河道河床形态的改造，不涉及河床以外的其他区域如河岸带及集水范围陆域的生态恢复技术。本方法具体包括W形滚水堰坝构建法、阻流因素设置法和河岸自然化改造3种方法，通过这3种方法可以一定程度上还原河床的近自然状态，实现宽浅河道水体流态多样化，提升水体复氧能力和自净能力。

2.W形滚水堰坝构建法是将传统固化的滚水堰坝根据河床地貌特征进行形状和结构改造，主要体现在3个方面：①将堰体横跨河床迎水方向建成“W”形，上流向的3个折点分别位于河床中央和左右岸，下流向的2个折点分别位于距左右岸1/4河宽处；②从堰体所在河床的中心线由高到低向河床两侧修筑缓坡，堰体距左右岸1/4河宽处高程与河道常水位持平，此后堰体向左右岸再分别抬升与河道常水位的高差，左右岸堰体与河道常水位的高差低于堰体中心线与河道常水位的高差，堰体高度也呈“W”形转换。W形滚水堰坝最大的特点在于河道中形成两个低点，而并非整个堰体高差不变，此设计突破了传统滚水堰的水槽设计尺度，从本质上保证了水生生物通道的连续性；③在堰体背水坡堆积砾石，漫坝水形成跌水，整个堰体均为自然块石抛石结构。

3.阻流因素设置法主要是在低坡度的河床中央和两岸处设置大型块石，并在块石周边人工堆积砾石，将单一的河床地形和底质复杂化，以制造激流和滞流的水流变化；底质为沙质或淤泥的河床可以不同粒径的砾石和黏土人工构筑梭型江心洲，在江心洲中间种植灌木和湿地草本植物，周边与水体交界处种植芦苇、菖蒲等挺水植物；浅滩地带可以人工投放枯木，四周用木楔固定，营造涡流环境，为水生生物提供栖息生境以丰富水生生物多样性。

4.河岸自然化改造主要是通过构建抛石护岸和构建蜿蜒曲折的凹凸岸自然形态两种方式从形态上实现宽浅河道的自然岸线格局。以天然块石构建抛石护岸，石材不需要整形加工，但需要对其形状及石材间的嵌合度加以考虑。在护岸最下缘放置较大石头，从下到上依大小堆积，无法用机械施工的细小空隙，依靠人力按照石头样式进行调整，并在石头间的空隙栽种土著性或广适性河岸植被。构建弯曲的凹凸岸自然形态需要因势利导，宜填则填，宜挖则挖。对于宽浅型河床的凸岸，在植被覆盖率不高的情况下可考虑在河滩基础上通过合理的土石方挖填为流水制造一个宽阔弯曲的排水截面，以提高水域可达性，人们得以亲近和体验河流；对于水流剪力较大的凹岸，驳岸的坡脚处适宜通过拱形堆放天然石块的方式以减缓分散水力对河岸的侵蚀作用。