CN113026663B - 一种多类别组合式生态水工系统及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多类别组合式生态水工系统及其构建方法，系统包括铺设于河槽底部的河道底质地貌单元构件、嵌置于河道凹岸河床底部的深潭地貌单元构件以及半埋置于河道弯曲河段拐点处的浅滩地貌单元构件；河道底质地貌单元构件为扁平的菱形四棱柱形，其上表面上均布有多个圆形孔洞且固设有多个菱形凸起物；深潭地貌单元构件包括正方体形框架以及内嵌框架中的多个多瓣状的弧形管状构件；所述浅滩地貌单元构件包括扁平长方体形框架和内嵌在框架中的多个多瓣状的圆形管状构件；弧形管状构件和圆形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔。本系统能够促进渠化河道的平面蜿蜒形态及地貌单元的发育。
Description
技术领域
本发明涉及生态型河道建设技术领域，具体涉及一种利于河道内地貌单元异质性的多类别组合式生态水工系统及其构建方法。
背景技术
自然河流生物多样性与河流空间异质性呈正相关关系，生境空间异质性越高，生物栖息环境也更为多样，对应的生物多样性亦随之增加。以防洪为目的开展的河道整治，将蜿蜒曲折的天然河流改造成直线型和河床材料的硬质化，这种改造改变了急流与缓流相间、深潭浅滩交错的格局，造成生境的异质性降低，底栖生物生存环境变化，生物多样性减少，不利于生态型河道的建设。
河流空间异质性主要体现在地貌格局多样性和水力条件复杂性。河流地貌格局是水流的自然边界条件，决定了河段尺度内的水力学特性，影响着河流演变趋势和生态过程。因此丰富多样的地貌单元对于稳定河流物理结构和维持生态系统具有重要意义。为了获得生态系统的协调可持续发展，应将渠化河流恢复成含有丰富地貌单元的蜿蜒性河流。在欧洲有人建议将已经渠化顺直河道的护岸拆除，使河流恢复自然弯曲轮廓，在美国也有将已经裁弯取直的河道重新恢复弯曲外形的先例，但拆除护岸无疑会造成人员、资金、资源、时间等的浪费。因此目前亟需一种成熟的技术方案来实现对于渠化河道的平面蜿蜒形态及地貌空间异质性的有效修复。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种利于河道内地貌单元异质性的多类别组合式生态水工系统及其构建方法，以促进渠化河道的平面蜿蜒形态及地貌单元的发育。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种多类别组合式生态水工系统，包括铺设于河道河槽底部的河道底质地貌单元构件、嵌置于河道凹岸河床底部的深潭地貌单元构件以及半埋置于河道弯曲河段拐点处的浅滩地貌单元构件；所述河道底质地貌单元构件为扁平的菱形四棱柱形板状结构且沿河道长度方向设置，其上表面上均匀布设有多个圆形孔洞且在圆形孔洞之间还固设有多个菱形凸起物，所述圆形孔洞中填充有用于种植水生植物的土料或者为鱼类提供产卵场所的河床基质；所述深潭地貌单元构件包括正方体形框架以及内嵌在正方体形框架中的多个多瓣状的弧形管状构件，所述弧形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔；所述弧形管状构件沿河道长度方向设置；所述浅滩地貌单元构件包括扁平长方体形框架和内嵌在扁平长方体形框架中的多个多瓣状的圆形管状构件；所述圆形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔。
进一步的，所述正方体形框架由沿河道长度方向布设的两个第一面板以及固定连接在两个第一面板四对角之间的四个支柱组成；所述第一面板上呈正方形排列开设有四个正方形的嵌装孔，两个第一面板的四对嵌装孔中各固设有一个弧形管状构件。
进一步的，所述弧形管状构件为四瓣状结构，其由四个弧形管组成，四个弧形管的头部和尾部分别连接在一起。
进一步的，所述扁平长方体形框架由上下两个正方形的第二面板以及沿河道宽度方向固定设置在上下两个第二面板外缘之间的两个侧板组成；所述第二面板上呈正方形排列开设有四个正方形的嵌装孔，上面的第二面板的四个嵌装孔中各固设有一个圆形管状构件，并且圆形管状构件的底部与下面的第二面板之间留有间隙。
进一步的，所述圆形管状构件为四瓣状结构，其由四个半圆形管组成，四个半圆形管的头部和尾部分别连接在一起。
进一步的，所述弧形管状构件和圆形管状构件的内部均填充有净水材料或者河床基质。
进一步的，所述河道底质地貌单元构件的整体尺寸大小为1m*1m*0.3m，深潭地貌单元构件的整体尺寸大小为1m*1m*1m，浅滩地貌单元构件的整体尺寸大小为1m*1m*0.3m。
一种多类别组合式生态水工系统的构建方法，所述构建方法包括：在河道整治竣工初期，在河道河槽底部铺设河道底质地貌单元构件，在河道凹岸河床底部嵌置深潭地貌单元构件，在河道弯曲河段拐点处半埋置浅滩地貌单元构件；深潭地貌单元构件的具体位置应用深槽偏移比来确定，即弯曲顶点与最大冲刷深度位置之间的河流长度与弯曲顶点与下游拐点之间的河流长度之比；浅滩地貌单元构件的具体位置依据5～7倍河宽公式确定，即深潭-深潭或浅滩-浅滩的间距是发生漫滩流量时河面宽度的5～7倍，根据确定的深潭中心位置，按照深潭浅滩序列间距确定下一个深潭的中心位置，并以二者距离的中心处作为浅滩位置。
进一步的，所述深槽偏移比的计算公式为：
Za-p/Za-i＝0.36±u
式中：u为同一位置下蜿蜒段置信度变化引起的偏差，Za-p为弯曲顶点与最大冲刷深度位置之间的河流长度，Za-i为弯曲顶点与下游拐点之间的河流长度。
进一步的，浅滩在放置浅滩地貌单元构件的基础上再布设一层粒径大于特征粒径Dc的卵石和块石，深潭地貌单元构件的河床布设一层粒径小于特征粒径Dc的砂砾石；块石粒径Dc的计算公式为：
式中：Ub为河床的底部流速，g为重力加速度，γs为块石容重，γw为水容重，△＝(γs－γw)/γw；对于部分埋藏在河床的块石
露出在外的块石
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
深潭地貌单元构件和浅滩地貌单元构件的采用，能够为鱼类等水生植物创造适宜的栖息地条件和避难场所，增加或修复河道结构的复杂度和水利条件多样性，维护河道的稳定，保护河流的生态系统。同时深潭地貌单元构件、浅滩地貌单元构件和河道底质地貌单元构件于各自所处位置进行放置后，可进行定期的监测与观察，记录地貌单元于不同时间段内的发育程度及所塑造生境对于当地指示物种的适宜程度。
附图说明
图1是河道底质地貌单元构件的结构示意图；
图2是深潭地貌单元构件的结构示意图；
图3是浅滩地貌单元构件的结构示意图；
图4是本发明多类别组合式生态水工系统的布设示意图；
图5是本发明多类别组合式生态水工系统水下布设示意图；
图6是本发明多类别组合式生态水工系统纵向导流示意图；
图7是本发明多类别组合式生态水工系统横向导流示意图；
图8是本发明多类别地貌单元发育初期示意图；
图9是本发明多类别地貌单元发育中期示意图；
图10是本发明多类别地貌单元发育完成示意图；
图11是本发明多类别地貌单元发育完成水下示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本发明提供了一种利于河道内地貌单元异质性的多类别组合式生态水工系统，包括铺设于河道河槽底部的河道底质地貌单元构件3、嵌置于河道凹岸河床底部的深潭地貌单元构件1以及半埋置于河道弯曲河段拐点处的浅滩地貌单元构件2；河道底质地貌单元构件3为扁平的菱形四棱柱形板状结构且沿河道长度方向设置，其上表面上均匀布设有多个圆形孔洞且在圆形孔洞之间还固设有多个菱形凸起物，圆形孔洞中填充有用于种植水生植物的土料或者为鱼类提供产卵场所的河床基质，菱形凸起物在利于水体导流的同时，还能够增加水流紊动，为更多水生物提供栖息环境；深潭地貌单元构件1包括正方体形框架以及内嵌在正方体形框架中的多个多瓣状的弧形管状构件，弧形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔，利于增加水流紊动效果；弧形管状构件沿河道长度方向设置；浅滩地貌单元构件2包括扁平长方体形框架和内嵌在扁平长方体形框架中的多个多瓣状的圆形管状构件；圆形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔，利于水体导流。
三种地貌单元构件的材料采用聚乳酸(PLA)、聚羟基烷酸酯(PHA)、淀粉塑料、生物工程塑料、生物通用塑料(聚烯烃和聚氯乙烯)等生物降解塑料，降解后可在原处形成小型生态空间。
正方体形框架由沿河道长度方向布设的两个第一面板以及固定连接在两个第一面板四对角之间的四个支柱组成；第一面板上呈正方形排列开设有四个正方形的嵌装孔，两个第一面板的四对嵌装孔中各固设有一个弧形管状构件。
弧形管状构件为四瓣状结构，其由四个弧形管组成，四个弧形管的头部和尾部分别连接在一起。
扁平长方体形框架由上下两个正方形的第二面板以及沿河道宽度方向固定设置在上下两个第二面板外缘之间的两个侧板组成；第二面板上呈正方形排列开设有四个正方形的嵌装孔，上面的第二面板的四个嵌装孔中各固设有一个圆形管状构件，并且圆形管状构件的底部与下面的第二面板之间留有间隙。
圆形管状构件为四瓣状结构，其由四个半圆形管组成，四个半圆形管的头部和尾部分别连接在一起。
弧形管状构件和圆形管状构件的内部均填充有净水材料或者河床基质，利于周丛生物依附。
河道底质地貌单元构件3的整体尺寸大小为1m*1m*0.3m，深潭地貌单元构件1的整体尺寸大小为1m*1m*1m，浅滩地貌单元构件2的整体尺寸大小为1m*1m*0.3m。
本发明还提供了一种利于河道内地貌单元异质性的多类别组合式生态水工系统的构建方法，构建方法为：在河道整治竣工初期，于河道内布设各地貌单元构件；其中，在河道河槽底部依据河流大小类型均匀铺设河道底质地貌单元构件3，在河道凹岸河床底部嵌置深潭地貌单元构件，在河道弯曲河段拐点处半埋置浅滩地貌单元构件2；深潭地貌单元构件1的具体位置应用深槽偏移比来确定，即弯曲顶点与最大冲刷深度位置之间的河流长度与弯曲顶点与下游拐点之间的河流长度之比；浅滩地貌单元构件2的具体位置依据5～7倍漫滩流量所对应的河宽确定，即深潭-深潭或浅滩-浅滩的间距是发生漫滩流量时河面宽度的5～7倍，根据确定的深潭中心位置，按照深潭浅滩序列间距确定下一个深潭的中心位置，并以二者距离的中心处作为浅滩位置。
深槽偏移比的计算公式为：
Za-p/Za-i＝0.36±u (1)
式(1)中：u为同一位置下蜿蜒段置信度变化引起的偏差，Za-p为弯曲顶点与最大冲刷深度位置之间的河流长度，Za-i为弯曲顶点与下游拐点之间的河流长度。
浅滩在放置浅滩地貌单元构件2的基础上再布设一层粗糙、密实的卵石和块石，其粒径大于特征粒径Dc，深潭地貌单元构件1的河床布设一层松散的砂砾石，其粒径小于特征粒径Dc；块石粒径Dc的计算公式为：
式(2)中：Ub为河床的底部流速，g为重力加速度，γs为块石容重，γw为水容重，△＝γs－γw/γw；对于部分埋藏在河床的块石
露出在外的块石
通常Dc＝D50，表示块石平均粒径。
如图4所示，在河道整治竣工初期，采用反铲钩机对深潭地貌单元构件1、浅滩地貌单元构件2和河道底质地貌单元构件3于各自所处位置进行压置处理。其中，深潭地貌单元构件1和浅滩地貌单元构件2依据理论公式交错布置于顺直河道，深潭地貌单元构件1嵌置于河道，所处位置后期为河道凹岸河床底部，浅滩地貌单元构件2半埋置于河道，所处位置后期为弯曲河段拐点处，河道底质地貌单元构件3可依地形均匀自由铺设于河道表面。
如图5-7所示，地貌单元构件于纵向和横向分别对河道内水流形成牵引导流作用，从而定向促进水流对河道局部地貌的侵蚀作用，在纵向水流和螺旋形环流的侵蚀作用下促使河道蜿蜒发育。如图8-9所示，水流的侵蚀作用和泥沙的沉积促使凹岸岸坡后退，凸岸前移，深潭、浅滩及边滩地貌开始形成，河道蜿蜒程度逐渐加大，地貌单元构件逐渐消解。如图10-11所示，最终深潭、浅滩及边滩地貌的发育趋于成熟，河道蜿蜒度明显，地貌单元构件完全消解。
深潭地貌单元构件1和浅滩地貌单元构件2均采用镂空式设计。深潭地貌单元构件1的镂空设计可使压置后，构件内部的土壤更加松散，利于深潭的发育，同时可对四周的土壤起到支撑作用；半埋置后，浅滩地貌单元构件2的镂空设计利于水流中泥沙移质的沉积，同时弧形组件可增加水流的紊动程度。河道底质地貌单元构件3的菱形设计主要为了增加水流的紊动程度，更利于河床地貌多样化的形成。
Claims (10)
1.一种多类别组合式生态水工系统，其特征在于：包括铺设于河道河槽底部的河道底质地貌单元构件(3)、嵌置于河道凹岸河床底部的深潭地貌单元构件(1)以及半埋置于河道弯曲河段拐点处的浅滩地貌单元构件(2)；
所述河道底质地貌单元构件(3)为扁平的菱形四棱柱形板状结构且沿河道长度方向设置，其上表面上均匀布设有多个圆形孔洞且在圆形孔洞之间还固设有多个菱形凸起物，所述圆形孔洞中填充有用于种植水生植物的土料或者为鱼类提供产卵场所的河床基质；所述深潭地貌单元构件(1)包括正方体形框架以及内嵌在正方体形框架中的多个多瓣状的弧形管状构件，所述弧形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔；所述弧形管状构件沿河道长度方向设置；所述浅滩地貌单元构件(2)包括扁平长方体形框架和内嵌在扁平长方体形框架中的多个多瓣状的圆形管状构件；所述圆形管状构件的内部中空且其表面均匀布设有多个圆形透水孔。
2.根据权利要求1所述的多类别组合式生态水工系统，其特征在于：所述正方体形框架由沿河道长度方向布设的两个第一面板以及固定连接在两个第一面板四对角之间的四个支柱组成；所述第一面板上呈正方形排列开设有四个正方形的嵌装孔，两个第一面板的四对嵌装孔中各固设有一个弧形管状构件。
3.根据权利要求1或2所述的多类别组合式生态水工系统，其特征在于：所述弧形管状构件为四瓣状结构，其由四个弧形管组成，四个弧形管的头部和尾部分别连接在一起。
4.根据权利要求1所述的多类别组合式生态水工系统，其特征在于：所述扁平长方体形框架由上下两个正方形的第二面板以及沿河道宽度方向固定设置在上下两个第二面板外缘之间的两个侧板组成；所述第二面板上呈正方形排列开设有四个正方形的嵌装孔，上面的第二面板的四个嵌装孔中各固设有一个圆形管状构件，并且圆形管状构件的底部与下面的第二面板之间留有间隙。
5.根据权利要求1或4所述的多类别组合式生态水工系统，其特征在于：所述圆形管状构件为四瓣状结构，其由四个半圆形管组成，四个半圆形管的头部和尾部分别连接在一起。
6.根据权利要求1所述的多类别组合式生态水工系统，其特征在于：所述弧形管状构件和圆形管状构件的内部均填充有净水材料或者河床基质。
7.根据权利要求1所述的多类别组合式生态水工系统，其特征在于：所述河道底质地貌单元构件(3)的整体尺寸大小为1m*1m*0.3m，深潭地貌单元构件(1)的整体尺寸大小为1m*1m*1m，浅滩地貌单元构件(2)的整体尺寸大小为1m*1m*0.3m。
8.一种如权利要求1-7任一所述多类别组合式生态水工系统的构建方法，其特征在于：所述构建方法包括：
在河道整治竣工初期，在河道河槽底部铺设河道底质地貌单元构件(3)，在河道凹岸河床底部嵌置深潭地貌单元构件，在河道弯曲河段拐点处半埋置浅滩地貌单元构件(2)；
深潭地貌单元构件(1)的具体位置应用深槽偏移比来确定，即弯曲顶点与最大冲刷深度位置之间的河流长度与弯曲顶点与下游拐点之间的河流长度之比；
浅滩地貌单元构件(2)的具体位置依据5～7倍河宽公式确定，即深潭-深潭或浅滩-浅滩的间距是发生漫滩流量时河面宽度的5～7倍，根据确定的深潭中心位置，按照深潭浅滩序列间距确定下一个深潭的中心位置，并以二者距离的中心处作为浅滩位置。
9.根据权利要求8所述的多类别组合式生态水工系统的构建方法，其特征在于：所述深槽偏移比的计算公式为：
Za-p/Za-i＝0.36±u
式中：u为同一位置下蜿蜒段置信度变化引起的偏差，Za-p为弯曲顶点与最大冲刷深度位置之间的河流长度，Za-i为弯曲顶点与下游拐点之间的河流长度。
10.根据权利要求8所述的多类别组合式生态水工系统的构建方法，其特征在于：浅滩在放置浅滩地貌单元构件(2)的基础上再布设一层粒径大于特征粒径Dc的卵石和块石，深潭地貌单元构件(1)的河床布设一层粒径小于特征粒径Dc的砂砾石；块石粒径Dc的计算公式为：
式中：Ub为河床的底部流速，g为重力加速度，γs为块石容重，γw为水容重，△＝(γs－γw)/γw；对于部分埋藏在河床的块石
露出在外的块石
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