CN114586591B - 一种河道生态治理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种河道生态治理方法和系统，涉及河道生态修复领域。包括步骤一，在河道内沿河流流向横向间隔设置至少两个河道内格宾石笼网，河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在回流水塘内种植水生植被；步骤二，预设洪水水位、设计水位和常水位；步骤三，在常水位和设计水位之间的河道或边坡上，种植耐水淹草本和/或灌木；在设计水位和洪水水位之间的河道或边坡上，种植乔木。有益效果在于：河道不仅能保证河流的适当流动，又不导致由于洪水冲刷形成的淤积，可满足十年一遇洪水标准；利用乔灌搭配布设植物措施，掩盖了护岸原本的单调砼灰色，实现了河道生态景观的多样性，提高了综合生态效益。

Description

一种河道生态治理方法和系统

技术领域

本发明涉及河道生态修复领域，具体涉及一种河道生态治理方法和系统。

背景技术

《生态文明体制改革总体方案》明确提出“树立山水林田湖草是一个生命共同体的理念，统筹考虑自然生态各要素进行整体保护、系统修复、综合治理，增强生态系统循环能力，维护生态平衡”的要求。把生态文明建设摆在突出的位置，开展山水林田湖草生态保护修复工程。河流是自然资源和生态环境的重要载体。如今，河流受到过度开发，水资源短缺、水体污染成为人民的心头大患，符合各类水质标准的河道逐渐减少，水源涵养功能逐年降低，严重制约了当地生态文明建设与社会经济转型发展。

河道生态修复是在保证河流径流和防洪等基本功能的基础上，遵循自然客观规律，充分发挥河道自我恢复及水环境自净力，建设人水和谐的大环境，使其满足社会和生态系统等方面的需求。本区域主沟道内的部分区段重力侵蚀较为严重，崩塌面积较大，崩塌会阻塞河道，影响洪水下泄；同时，为了解决河道防洪，坝或堤等砼工程阻碍了上下游水生动物的迁徙和洄游，河流生态系统遭到严重破坏。

传统的河道工程设计仅重视河流本身的功能，多以河道输水、泄洪等为目的，往往使用硬质化材料支护河床和边坡，不仅使生物和微生物失去了赖以生存的环境，更破坏了河流的自净能力，对河道水生态系统造成严重的负面影响。因此，本发明提供一种河道生态治理方法和系统，在河道生态修复中遵循自然规律和植被建设的地带性规律，改善河道生态环境，旨在解决河道生态修复的技术难点问题，同时提供可供借鉴的治理模式和可靠的技术保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何在防洪的前提下进行河道生态修复。本发明的方法尤其适用于黄土丘陵小流域治理区河道综合治理，河道、河岸及林带组成的河流生态系统规划设计。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种河道生态治理方法，包括以下步骤：

步骤一，在河道内沿河流流向横向间隔设置至少两个河道内格宾石笼网，所述河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在所述回流水塘内种植水生植被；

步骤二，预设洪水水位、设计水位和常水位；

步骤三，在所述常水位和所述设计水位之间的河道或边坡上，种植耐水淹草本和/或灌木；在所述设计水位和所述洪水水位之间的河道或边坡上，种植乔木。

河道内格宾石笼网内部填充石块，减缓了河道水流速度，减少河流冲刷。在护岸工程周边水流产生交汇现象，使得每隔一段形成一个小的回流水塘，引入水生植被，以恢复生态系统。根据设计水位和洪水水位分别确定灌木和乔木的种植范围，使水和灌草等植物融为一体。最大限度地实现了河道功能多样化和生态景观多样化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括：步骤四，在河道的两侧各建设一条沿河道。

进一步，还包括：步骤五，在每条所述沿河道的外侧，沿靠近河道至远离河道的方向，依次建设缓冲隔离防护林带和水源涵养林带。

缓冲隔离防护林带和水源涵养林带进行灌乔搭配设计，改变农防段种植结构，逐步改善河道生态，形成河道生态植被修复的样板工程。

进一步，所述步骤五中，所述缓冲隔离防护林带和所述水源涵养林带的宽度均为5-10m，种植间距均为2-10m。

进一步，所述步骤三中，在所述常水位和所述设计水位之间的河道或边坡上，耐水淹草本的种植间距为40-120cm，灌木的种植间距为100-200cm。

进一步，所述步骤一之前还包括：获取或计算河流的洪峰流量和洪量；根据河道治理的起点的河底高程以及终点的河底高程，确定纵坡，并建造河堤；采用明渠恒定非均匀流基本方程式，计算河道过流能力。

进一步，在建造河堤时进行堤防防护步骤，在所述设计水位以下的所述河堤，堤防防护采用护脚和护坡的方式，所述护脚为格宾石笼，所述护坡为格宾网垫护坡；在所述设计水位以上的所述河堤采用草皮护坡。

对边坡进行防护的同时，可种植植被，维护生态多样性。

进一步，所述步骤二具体为：

根据所述洪量以及所述河道过流能力，设定所述洪水水位，使得在所述洪峰流量下，河道的洪峰流速小于不冲不淤流速；根据设计洪水频率下的所述洪峰流量时的水位，推算所述设计水位；根据河流日常的流量以及河道的断面面积，确定所述常水位。

进一步，所述获取或计算河流的洪峰流量和洪量，具体为：根据十年一遇的24小时的设计暴雨量或二十年一遇的24小时的设计暴雨量，计算河流的洪峰流量和洪量。

修复后的河道可满足十年或二十年一遇洪水标准。

本发明还提供一种河道生态治理系统，采用所述河道生态治理方法实现，在河道内沿河流流向横向间隔设置有至少两个河道内格宾石笼网，所述河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在所述回流水塘内种植有水生植被，在常水位和设计水位之间的河道或边坡上，种植有若干耐水淹草本和/或灌木；在设计水位和洪水水位之间的河道或边坡上，种植有若干乔木。

本发明的有益效果是：利用依据上述生态修复设计后的河道，不仅能保证河流的适当流动，又不导致由于洪水冲刷形成的淤积，可满足十年或二十年一遇洪水标准；利用乔灌搭配布设植物措施，掩盖了护岸原本的单调砼灰色，实现了河道生态景观的多样性，提高了综合生态效益。

附图说明

图1为本发明河道生态治理系统的平面示意图；

图2为本发明河道生态治理系统的断面图；其中，①为常水位时的水面宽度；②为设计水位时的水面宽度；③为洪水水位时的水面宽度；

图3为本发明河道的堤防防护的结构图；

图4为本发明回流水塘的俯视图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图4所示，本发明的一种河道生态治理方法，包括以下步骤：

步骤一，在河道内沿河流流向横向间隔设置至少两个河道内格宾石笼网，所述河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在所述回流水塘内种植水生植被；

步骤二，预设洪水水位、设计水位和常水位；

步骤三，在所述常水位和所述设计水位之间的河道或边坡上，种植耐水淹草本和/或灌木；在所述设计水位和所述洪水水位之间的河道或边坡上，种植乔木。

河道内格宾石笼网内部填充石块，减缓了河道水流速度，减少河流冲刷。在护岸工程周边水流产生交汇现象，使得每隔一段形成一个小的回流水塘，引入水生植被，以恢复生态系统。根据设计水位和洪水水位分别确定灌木和乔木的种植范围，使水和灌草等植物融为一体。最大限度地实现了河道功能多样化和生态景观多样化。

在上述方案的基础上，还包括：步骤四，在河道的两侧各建设一条沿河道。

沿河道的宽度可以为任意宽度，优选的，沿河道的宽度为2米。

在上述方案的基础上，还包括：步骤五，在每条所述沿河道的外侧，沿靠近河道至远离河道的方向，依次建设缓冲隔离防护林带和水源涵养林带。

缓冲隔离防护林带和水源涵养林带进行灌乔搭配设计，改变农防段种植结构，逐步改善河道生态，形成河道生态植被修复的样板工程。

优选的，所述步骤五中，所述缓冲隔离防护林带和所述水源涵养林带的宽度均为5-10m，种植间距均为2-10m。

其中，所述缓冲隔离防护林带和所述水源涵养林带的种植间距指的是沿河流方向的种植间距。

优选的，所述步骤三中，在所述常水位和所述设计水位之间的河道或边坡上，耐水淹草本的种植间距为40-120cm，灌木的种植间距为100-200cm。

其中，耐水淹草本的种植间距和灌木的种植间距，均指的是沿河流方向的种植间距。

在上述方案的基础上，具体的，所述步骤一之前还包括：获取或计算河流的洪峰流量和洪量；根据河道治理的起点的河底高程以及终点的河底高程，确定纵坡，并建造河堤；采用明渠恒定非均匀流基本方程式，计算河道过流能力。

优选的，所述获取或计算河流的洪峰流量和洪量，具体为：根据十年一遇的24小时的设计暴雨量或二十年一遇的24小时的设计暴雨量，计算河流的洪峰流量和洪量。修复后的河道可满足十年或二十年一遇洪水标准。

需要说明的是，本发明中洪峰流量、洪量、纵坡和河道过流能力的计算或设定方式，均可以采用现有技术实现，以下仅对上述参数计算方式做简要说明。

一、计算河流的洪峰流量和洪量具体为：

根据十年一遇的24小时设计暴雨量、设计净雨深和净雨过程来计算流域产流，以及利用推理公式法计算汇流，最终得到洪峰流量和洪量。

(一)产流计算：

1)计算设计净雨深R_P

根据设计净雨深计算公式计算主雨日的设计净雨深，净雨深计算采用双曲正切模型，公式如下：

式中：th——双曲正切运算符；

t_z为不同频率暴雨的主雨历时，单位为h；

H_P,A(t_z)——主雨历时t_z的不同频率面暴雨量，单位为mm；

R_P——不同频率洪水净雨深，单位为mm；

F_A(t_z)——主雨历时内的流域可能损失，单位为mm。

其中，流域可能损失F_A(t_z)由以下计算公式得到：

式中：S_r,A——流域包气带充分风干时的吸收率，反映流域的综合吸水能力，单位为

K_S,A——流域包气带饱和时的导水率，单位为mm/h；

B_0,P——设计频率为P的流域前期土湿标志(流域持水度)；

t_z——不同频率暴雨的主雨历时，单位为h。

2)主雨日净雨过程计算

①求解产流历时

产流历时t_c的计算公式为：

式中：R_P——用双曲正切模型计算的场次洪水的设计净雨深，单位为mm；

n,n_s——双对数坐标系中设计暴雨时～强关系曲线的坡度及t＝1h时的斜率；

S_P，A——设计雨力，即：在面积A上1h设计雨量，单位为：mm/h；

λ——经验参数；

t_z——不同频率暴雨的主雨历时，单位为h。

②计算损失率μ

式中：n,n_s——双对数坐标系中设计暴雨时～强关系曲线的坡度及t＝1h时的斜率；

S_p，A——设计雨力，即：在面积A上1h设计雨量，单位为：mm/h；

λ——经验参数；

t_c——产流历时，单位为h。

③计算时段净雨深Δh_p,j

Δh_P，j＝h_P(t_j-1+Δt)-h_P(j-1)

h_P(t)＝H_P，A(t)-μt，t≤t_c

式中：h_P(t)——设计时段净雨深，单位为mm；

△t——计算时段，单位为h；

j——时雨型“模板”中的序位编号；

t_j-1——为j时段的开始时刻；

μ——损失率；

t_c——产流历时，单位为h；

H_P，A(t)——时间t的不同频率面暴雨量，单位为mm。

(二)汇流计算：

采用推理公式法计算汇流，推理公式法由设计暴雨、推理产流和推理汇流三个子系统构成。

推理汇流计算包括求解洪峰流量Q_m、流域汇流时间τ及推理洪水过程线。

计算公式为：

h_t＝H_P(t)-μt

式中：Q_m——洪峰流量，单位为m³/h；

τ——流域汇流时间；

h_t——流域汇流时间，单位为h；

t_c——产流历时，单位为h；

A——流域面积，单位为km²；

L——河长，单位为km；

J——河流纵比降，单位为‰；

m——汇流参数；

h_R，P——设计洪水净雨深，单位为mm；

H_p(t)——推理洪水过程线。

根据上述计算结果可得最大24h的洪量。

二、采用明渠恒定非均匀流基本方程式，计算河道过流能力，具体为：

结合河道水流特性，采用明渠恒定非均匀流基本方程式，选取河道糙率以及桥前壅水计算，从而推算河道过流能力。

明渠恒定非均匀流计算公式如下：

Δz＝z₂-z₁＝h_f+h_j+Δh_v

式中：z₁——断面1的水位，单位为m；

z₂——断面2的水位，单位为m；

v₁——断面1的流速，单位为m/s；

v₂——断面2的流速，单位为m/s；

Δh_w——两断面之间的水头损失，单位为m；

α₁——断面1的动能改正系数；

α₂——断面2的动能改正系数；

g——重力加速度，单位为m/s²；

Δz——断面1和断面2水位差(m)；

h_f——沿程水头损失(m)；

h_j——局部水头损失(m)；

Δh_v——两断面河底高差(m)。

具体来说，河道过流能力用于推算河道水面线。按上式由下游向上游逐段进行设计洪水位推算，保证洪峰流速小于不冲不淤流速，即可推求出各断面的洪水水位。

根据对河道的现状产流汇流进行计算分析后，在水流陡或急的位置布设所述的河道内格宾石笼网。

三、根据河道修复起点、终点的河底高程等因素，本着不冲不淤的原则确定纵坡。

在上述方案的基础上，在建造河堤时进行堤防防护步骤，在所述设计水位以下的所述河堤，堤防防护采用护脚和护坡的方式，所述护脚为格宾石笼，所述护坡为格宾网垫护坡；在所述设计水位以上的所述河堤采用草皮护坡。

对边坡进行防护的同时，可种植植被，维护生态多样性。

优选地，堤防防护步骤如下，

在所述设计水位以下的所述河堤，1、完成基坑开挖后，先铺设各10cm厚的碎石垫层、粗砂垫层以及秸料，然后铺放一层350g/m²的复合土工布。

2、间隔0.25m用钢筋绑扎加固格宾石笼。

3、将格宾网垫的笼体铺设于施工面，用约0.3m粒径的石料进行填充，并用细径较小的碎石并覆土来填充孔隙，外露面块石尺寸不小于0.1m。

4、铺设截面尺寸为0.5m×0.5m的纵向网箱护脚，纵向网箱护脚沿河道方向布置。沿着河道方向，每隔15m布设截面尺寸为0.5m×0.5m的横向网箱护脚，横向网箱护脚垂直于河道方向布置。纵向网箱护脚和横向网箱护脚均为格宾石笼。

5、格宾网垫上铺0.3m的种植土，种植土用来种植步骤三所述的耐水淹草本和/或灌木。

在所述设计水位以上，所述河堤朝向河流的一侧种植用于护坡的草皮。在所述设计水位和所述洪水水位之间的护坡草皮上，种植步骤三所述的乔木。

在上述方案的基础上，所述步骤二具体为：

根据所述洪量以及所述河道过流能力，设定所述洪水水位，使得在所述洪峰流量下，河道的洪峰流速小于不冲不淤流速；也就是说，根据所述河道过流能力相关参数及水文计算，保证洪峰流量下的流速小于不冲不淤流速，推算河道10年一遇或20年一遇的洪水水面线。

根据设计洪水频率下的所述洪峰流量时的水位，推算所述设计水位。

根据河流日常的流量以及河道的断面面积，确定所述常水位。

本发明还提供一种河道生态治理系统，采用所述河道生态治理方法实现，在河道内沿河流流向横向间隔设置有至少两个河道内格宾石笼网，所述河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在所述回流水塘内种植有水生植被，在常水位和设计水位之间的河道或边坡上，种植有若干耐水淹草本和/或灌木；在设计水位和洪水水位之间的河道或边坡上，种植有若干乔木。

利用上述河道生态治理方法治理后的河道，不仅能保证河流的适当流动，又不导致由于洪水冲刷形成的淤积，可满足10年一遇洪水标准；利用乔灌搭配布设植物措施，掩盖了护岸原本的单调砼灰色，实现了河道生态景观的多样性，提高了综合生态效益。

在本发明的其中一个具体的实施例中：

选择山西省忻州市静乐县万辉河与宁白线交汇处为试验区。此区域位于黄土丘陵区，长期受到强烈的土壤侵蚀，呈现“洪水期冲刷，小水期淤积”的特点，设计适合当地生态的结构形式和河道生态治理刻不容缓，通过布设河道生态工程，从而达到河道生态修复的目的。按如下步骤进行河道生态治理：

首先，通过10年一遇、24h设计暴雨量，设计净雨深和净雨过程来计算流域产流，以及利用推理公式法计算汇流，得到洪峰流量为79.5m³/s，洪量为110.3万m³。

其次，结合河道水流特性，采用明渠恒定非均匀流基本方程式，选取河道糙率以及桥前壅水，推算十年一遇洪水水位为1224.21m，河底纵坡为9‰，流速为2.316m/s，流量为79.5m³/s。

再次，根据河道修复起点、终点的河底高程等因素，本着不冲不淤的原则确定设计纵坡为9‰。并设置河道的堤防防护，具体为：完成基坑开挖后先各铺设10cm的碎石垫层、粗砂垫层以及秸料，然后铺放一层350g/m²的复合土工布，间隔0.25m用钢筋绑扎加固格宾石笼；将笼体铺设于施工面，用约0.3m粒径的石料进行填充，并用细径较小的碎石并覆土来填充孔隙，外露面块石尺寸不小于0.1m，上铺0.3m的种植土，用来种植草本和灌木植物，然后铺设0.5m×0.5m的纵向网箱护脚，沿着河道方向，每隔15m布设0.5m×0.5m的横向网箱护脚；护坡采用格宾网垫护坡及草皮护坡结合的方式。在护岸工程周边水流产生交汇现象，使得每隔一段形成一个小水塘，引入莎草等水生植被，以恢复生态系统。

然后，基于洪峰流量的计算结果，保证洪峰流速小于不冲不淤流速，进而确定常水位断面高度为15m，设计水位断面高度为24.98m，洪水水位断面高度为36m。根据设计水位断面和洪水水位断面分别确定灌木和乔木的种植范围宽度为4.99m和5.51m，使水和灌草等融为一体，并设计了约为2.2m宽的沿河道。

最后，河岸两边各建设了宽为7m的缓冲隔离防护林带和水源涵养林带，其中，防护林带选择苗高≥150cm，胸径≥3cm的柳树，水源涵养林带选择沙棘，沙棘选用一年生播种苗，苗高≥30cm，地径≥0.6cm。柳树沿河流方向和垂直于河流方向的栽植间距分别为2m和3m，沙棘沿河流方向和垂直于河流方向的栽植间距分别为1.0m和1.5m。

利用依据上述生态修复设计后的河道，不仅能保证河流的适当流动，又不导致由于洪水冲刷形成的淤积，可满足10年一遇洪水标准；利用乔木和灌木搭配布设植物措施，掩盖了护岸原本的单调砼灰色，实现了河道生态景观的多样性，提高了综合生态效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种河道生态治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在河道内沿河流流向横向间隔设置至少两个河道内格宾石笼网，所述河道内格宾石笼网布设在水流陡或急的位置，所述河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在所述回流水塘内种植水生植被；

步骤二，预设洪水水位、设计水位和常水位；

步骤三，在所述常水位和所述设计水位之间的河道或边坡上，种植耐水淹草本和/或灌木；在所述设计水位和所述洪水水位之间的河道或边坡上，种植乔木。

2.根据权利要求1所述一种河道生态治理方法，其特征在于，还包括：

步骤四，在河道的两侧各建设一条沿河道。

3.根据权利要求2所述一种河道生态治理方法，其特征在于，还包括：

步骤五，在每条所述沿河道的外侧，沿靠近河道至远离河道的方向，依次建设缓冲隔离防护林带和水源涵养林带。

4.根据权利要求3所述一种河道生态治理方法，其特征在于，

所述步骤五中，所述缓冲隔离防护林带和所述水源涵养林带的宽度均为5-10m，种植间距均为2-10m。

5.根据权利要求1所述一种河道生态治理方法，其特征在于，所述步骤三中，在所述常水位和所述设计水位之间的河道或边坡上，耐水淹草本的种植间距为40-120cm，灌木的种植间距为100-200cm。

6.根据权利要求1-5任一项所述一种河道生态治理方法，其特征在于，所述步骤一之前还包括：

获取或计算河流的洪峰流量和洪量；

根据河道治理的起点的河底高程以及终点的河底高程，确定纵坡，并建造河堤；

采用明渠恒定非均匀流基本方程式，计算河道过流能力。

7.根据权利要求6所述一种河道生态治理方法，其特征在于，在建造河堤时进行堤防防护步骤，在所述设计水位以下的所述河堤，堤防防护采用护脚和护坡的方式，所述护脚为格宾石笼，所述护坡为格宾网垫护坡；在所述设计水位以上的所述河堤采用草皮护坡。

8.根据权利要求6所述一种河道生态治理方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

根据所述洪量以及所述河道过流能力，设定所述洪水水位，使得在所述洪峰流量下，河道的洪峰流速小于不冲不淤流速；根据设计洪水频率下的所述洪峰流量时的水位，推算所述设计水位；根据河流日常的流量以及河道的断面面积，确定所述常水位。

9.根据权利要求6所述一种河道生态治理方法，其特征在于，所述获取或计算河流的洪峰流量和洪量，具体为：

根据十年一遇的24小时的设计暴雨量或二十年一遇的24小时的设计暴雨量，计算河流的洪峰流量和洪量。

10.一种河道生态治理系统，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述河道生态治理方法实现，

在河道内沿河流流向横向间隔设置有至少两个河道内格宾石笼网，所述河道内格宾石笼网的上游形成回流水塘，在所述回流水塘内种植有水生植被，在常水位和设计水位之间的河道或边坡上，种植有若干耐水淹草本和/或灌木；在设计水位和洪水水位之间的河道或边坡上，种植有若干乔木。

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