（农业工程专业论文）官厅水库库滨带塌岸成因与治理技术初步研究.pdf

中国农业大学t 程硕士学位论文摘要 摘要 库滨带是水库的天然保护屏障，对截流面源污染有着重要的作用。官厅水库塌岸常年发生， 严重破坏了库滨带应有的功能，并带来诸多问题。开展官厅水库塌岸类型、主要影响因素、塌岸 发展趋势及治理技术的研究，对官厅水库库滨带功能恢复与保护、保障官厅水库的安全运行具有 重要意义。 1 通过对官厅水库塌岸观测资料进行研究分析，研究塌岸产生的主要机理和影响因素及其 分布规律。依据塌岸严重程度的不同将库区塌岸划分为严重，中等、轻度三种塌岸段，其中严重 塌岸段长1 2 9 3 5 k m ，中等塌岸段长1 9 9 3 2 k m ，轻度塌岸段长1 9 2 1 4 k m 。 2 通过对官厅水库塌岸进行预测分析，定量估计水库塌岸范围。结果表明：预测塌岸土地 损失面积为2 6 7 k m 2 。若不及时采取有效措施进行治理，塌岸将会继续发生，造成更大危害：加 快水库淤积，减少水库兴利库容，降低水库的调节能力，从而也相应地缩短水库的使用寿命。 3 在总结库滨带塌岸加固整治与绿化试验资料和借鉴国内外经验的基础上，提出经济、合 理的生态技术与新型护坡结构相结合的塌岸综合治理技术。4 7 7 5 m 以下采用连锁板护坡形式的工 程措施，以上采用生态防护措施，构建库滨塌岸生态防护系统。当4 7 7 5 m 4 7 9 5 m 之间天然地 形为缓坡时，种植固土能力较强的灌木及草本植物；当4 7 7 5 m 4 7 9 5 m 之间为陡坡或陡坎时， 采用土工管袋防护。在中、高型陡坡断面采用加筋土挡墙，高程至4 7 9 5 m ，墙后回填土上种植不 同品种的灌、乔植物。治理塌岸长度为5 2 0 8 1 k i n ；治理范围为水位变化区域：4 7 3 0 m 4 7 9 o m 高程范围；治理方案总投资估算为2 8 ，8 0 4 万元。该综合治理方案的实施会获得显著的社会效益、 生态环境效应和一定的经济效益。 关键词：官厅水库，库滨带，塌岸，治理技术，生态环境 中国农业大学t 程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb u f f e rz o n ei san a t u r a lb a r r i e rf o rr e s e r v o i r , w h i c hc a l lp r o t e c tt h er e s e r v o i rb e p o l l u t e db yn o n - p o i n ts o l l i c ep o l l u t i o n 1 1 1 el a n d s l i d eo f t e nh a p p e n si nt h eb u f f e rz o n eo f t h eg u a n t i n gr e s e r v o i r i td e s t r o y e dt h ef u n c t i o n so ft h eb u f f e rz o n ea n dc a u s e dl o t so f t r o u b l e s 田l es t u d yo nt h ec a l 1 t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fl a n d s l i d ew i l l b es i g n i f i c a n tf o rr e s u m i n gt h ef u n c t i o n so f t h eb u f f e rz o n ei ng u a n t i n gr e s e r v o i r 1 n 地s t u d ys h o w st h a tt h el a n d s l i d ei nt h eb u f f e rz o n eo fg u a n t m gr e s e r v o i rc a n b es e p a r a t e di n t os e r i o u s ，m i d - g r a d ea n dl o w - g r a d ez o n e sb ya n a l y z i n gt h er e a s o n so f l a n d s l i d et a k i n gp l a c ea n do b s e r v a t i o nd a t 孔n 坞s e r i o u sz o n ei s1 2 9 3 5k ml o n g , t h e m i d g r a d ez o n ei s1 9 9 3 2k m a n dt h el o w - g r a d ez o n ei s1 9 2 1 4 k m 2 t h es t u d ys h o w st h a tt h ea r e ao fl a n d s l i d ez o n ei nc m a n t i n gr e s e r v o i ri sa b o u t 2 6 7 k m 2 i fw ed on o t h i n ga b o u tt h i st h el a n d s l i d ew i l lc o n t i n u et oo c c u r a n dm a k em o r e h a r m t h e6 u 叩p r o c e s sw i l ld e c r e a s ec u b a g eo ft h er e s e r v o i ra n dr e d u c et h er e g u l a t i n g capability 3 t h es t u d yg i v e st h ee c o l o g i c a la n de c o n o m i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yf o rt h e l a n d s l i d ei nt h eb u f f e rz o n eo fg u a n t i n gr e s e r v o i rb ys u m m a r i z i n gt h et e c h n o l o g yo f l a n d s l i d ea n de x p e r i m e n td a t a t h ec a s e m a t eb o a r ds h o u l db eu s e db e l o wt h ea l t i t u d eo f 4 7 7 5 m a b o v et h i sa l t i t u d e ，t h ee c o l o g i c a lt e c h n o l o g yw i l lb eu s e dt op r o t e c tt h eb u f f e r z o n e a n dt h es h r u ba n dg r a s sc o u l db eu s e di f t h e r ei sal i t n es l o p eb e t w e e nt h ea l t i t u d eo f 4 7 7 5a n d4 7 9 5 mb e c a u s et h e yc a l lh o l dt h es o i l n l cs o i l - b a ga n dr e i n f o r c i n gs t e e lb a r w a l ls h o u l db eu s e di nc u t b a n ka tt h i sa l t i t u d e n 坞a r b o ra n ds h r u bw i l lb ep l a n t e db e h i n d t h ew a l l t h el a n d s l i d eb a n ki nw a t e rc h a n g e dz o n eb ef a t h e r e di s5 2 0 8 1 k ml o n g n e a l t i t u d ei sb e t w e e n4 7 3 0a n d4 7 9 o r e 1 1 l et o t a li n v e s t m e n to ft h i sp r o j e c ti sa b o u t2 8 8 0 4 m i l l i o ny u a n n l es o c i a l , e c o l o g i c a la n de c o n o m i c a lb e n e f i tw i l lb en o t a b l e k e yw o r d s ：c m a n t m gr e s e r v o i r , b u f f e rz o n e ，l a n d s l i d eb a n k , t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , e c o - e n v i r o n m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：耋知上 时间： 2 习年月妇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 砻纪远 仂 0 ， 卯，叼柳 中国农业大学t 程硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 官厅水库是新中国成立后兴建的第一座大型水库，工程于1 9 5 1 年1 0 月开工，1 9 5 4 年5 月竣工， 1 9 5 5 年7 月正式蓄水运行。水库控制流域面积4 3 4 0 2 k m 2 ，占永定河流域面积的9 2 8 ，是永定河治 理及其流域开发的大型控制性水利工程，是首都北京的主要供水水源之一 水库原设计总库容2 2 7 亿i l l 。由于泥沙淤积等因素的影响，官厅水库防洪标准曾由千年一遇 降低至1 j 3 7 0 年一遇，成为全国第一批重点病险水库。1 9 8 7 年，官厅水库进行改扩建，大坝加高7 m ， 坝顶高程增至4 9 2 m ，总库容达4 1 6 亿m 3 ，防洪库容2 9 9 亿m 3 ，使防洪标准提高为千年一遇。 官厅水库建成五十多年来，发挥了巨大的防洪、供水，发电等社会与经济效益。但是，官厅 水库还存在一些问题，并产生了一些不利的影响。主要存在问题：入库水量锐减、水体污染、泥 沙淤积及库区周边塌岸。 官厅水库库岸总长约2 2 0 k m ，主要是砂土质岸坡，稳定性较差，再加上风浪和冰冻作用，建 库以来就塌岸不断，尤其是在水库高水位运行时，塌岸现象尤为严重，塌岸分布总长约5 8 7k m 。 从上世纪5 0 年代初期，库岸坍塌几乎年年发生，桑园、官厅、小南辛堡、土木、狼山等乡镇的二 十余个村寨和黑土洼林场月亮岛累计塌岸面积达2 3 3 k m 2 ，损失百年海棠树2 5 株，枣树2 0 株，山 杏4 7 0 0 余株，成材杨柳树3 4 0 0 余株，毁坏扬水站8 座，林场专用公路2 k m 。塌岸己给库区周围村镇 造成巨大经济损失，造成库区周围的耕地逐年减少，而当地农民承包的耕地坍塌后，生活条件更 加艰苦，致使农民难以承受，在一定程度上已引起库区周边的社会安定问题。 目前，小七营、度假村、北寨库岸仍处于不稳定状态或极限平衡状态，如不及时采取有效措 施进行治理，水库塌岸还会继续发生。官厅水库的塌岸主要带来下列问题： ( 1 ) 水库塌岸范围内大部分为农田和经济林。多年塌岸已使农民赖以生存的有限耕地日益 减少。损失惨重，而今后塌岸必将给当地农民带来更大的经济损失 ( 2 ) 按汛后最高蓄水位4 7 9 m ，最低水位取汛限水位4 7 6 m 预测。水库仍将有几十米至百余米 宽度的塌岸发生。如塌岸进一步发展，必将使野康公路、丰沙铁路，京包铁路大桥遭受严重 破坏，从而直接威胁这些公路、铁路的运行安全。 ( 3 ) 水库运用过程中因塌岸问题，有时不得已减少蓄水，严重影响水库效益的发挥。例如 1 9 9 5 年汛后，为了减少塌岸的不利影响，水库不得不向下游放水，弃水4 3 亿立米。水库塌岸的发 生严重影响了水库防洪和蓄水等正常功能的发挥。 ( 4 ) 官厅水库历来是北京市第二大水源地，但多年来，这一水源地一直受到水体污染、泥 沙淤积和水量减少三大问题的困扰，使其不得不降格为工业和城市环境用水。水库塌岸的发生不 仅加快了水库淤积，减少了水库兴利库容，降低了水库的调节能力，从而也相应地缩短了水库的 使用寿命 综上所述，库岸如不尽快进行治理，塌岸将继续发生。塌岸的继续发生，将使库区周边农民 赖以生存的耕地进一步减少。因此，为保护农民的耕地。保证公路、铁路的运行安全，减少水库 因塌岸造成的淤积，使水库能够正常发挥防洪和蓄水等功能。确保库区周边社会安定秩序，为当 中国农业大学t 程硕士学位论文第一章绪论 地经济发展创造有利条件，开展对官厅水库库滨带塌岸成因和机理及其综合治理技术的研究具有 重要的现实意义。 1 2国内外研究现状 1 2 1 国内外库滨带研究状况 库滨带( 或称湖滨带) 是水库水陆生态交错带( a q u a t i c - t e r r e s t r i a le c o t o n e ) 的简称，是 湖泊的天然保护屏障，与湖泊水体唇齿相依，没有湖泊也就没有湖滨带，失去湖滨带的湖泊生态 系统是不完整的，极易受到外界的损害。湖滨带的合理建设对于控制水库面源污染具有重要的意 义。根据联合国教科文组织( u n e s c o ) 的人与生物圈计划( m a b ) 委员会对于生态交错带的定义： 湖滨带是湖泊流域中水域与陆地相邻生态系统间的过渡地带，其特征由相邻生态系统之问相互作 用的空间、时间及强度所决定。 库滨带是湖泊生态系统受人类活动影响最敏感的部分。从生态系统的观点来看，库滨带是陆 地生态系统和水域生态系统之间的个重要的生态交错带。在非生物生态因子的环境梯度以及地 形和水文学过程的作用下，矿物质、营养物质、有机物质和有毒物质必须通过各种物理、化学和 生物过程通过湖滨带才能流入湖泊水体“1 。因此，库滨带是湖泊水体的一道重要的保护屏障，是 健康的水库、湖泊生态系统的重要的组成部分。库滨带的功能可以包括3 个方面：环境功能、生 态功能和经济美学功能。其中环境功能包括截污和过滤功能，改善水质功能，控制沉积和侵蚀的 功能。 由于水域与陆地交错地带在系统间的特殊地位，近年来，国际环境学界发起生态交错带 ( e c o t o n e ) 的全球性研究正迅速地从基础研究、应用研究向开发应用转化”1 。 国外对库滨带的研究较早，上世纪8 0 年代，国际环境学界发起生态交错带( e c o t o n e ) 全球 性研究”。其中于1 9 9 0 一t 9 9 6 年进行“内陆水陆地交错带在景观管理和恢复中的作用”大型国际合 作研究、目的集中于水域的管理。 n a i m a n 等研究发现构成大片景观的陆地和水域生态系统都是开放的系统，物质、能量通过交 错带向邻近的系统流动。流动的媒介是水、空气和生物。水陆交错带的作用类似于半透膜对物质 的选择性透过作用“1 。 p o p j o h n 等发现河岸5 0 m 宽的森林能有效地截流来自农田的泥沙和养分。其他研究者发现湖 边的灌木和革本植物也有类似的作用m ， 美国佛罗里达大学森林资源保护学院博士k h l e e 等人根据美国农业部自然资源保护局的 3 9 3 号、3 9 1 号标准，通过设置田间试验对复合缓冲带在天然降雨条件下从农地上拦截氮、磷和泥 沙的能力进行了研究。结果表明，运用浓密的、本地的暖季草与木本植物相结合的缓冲带，拦截 非点源污染物质的效果较明显”1 。 在国内，对湖滨带开展的研究较多湖滨带是水陆生态系统间的一个过渡与缓冲区域，具有 保持物种多样性，调节物质流和能量流、稳定相邻生态系统和净化水体、减少污染等功能“。其 环境意义不容忽视。这个缓冲区域若因被过度开发利用而萎缩，湖泊的生态环境就会变得极其脆 弱而易发生变化” 尹澄清等发现水陆交错带的人工多水塘系统具有很强的截流来自农田的径流和非点源污染 2 中国农业大学丁程硕士学位论文第一章绪论 物的生态功能。 1 2 2 国内外关于湿地方面研究状况 1 9 5 3 年，德国的m a xp l a n c k 研究所首先采用人工湿地净化污水，该研究所的s e i d e l 博士在 研究中发现芦苇能有效地去除无机和有机污染物。上世纪6 0 年代末，s e i d e l 和k i e k u t h 合作并 于1 9 7 2 年提出根区理论“( 采用栽种芦苇的水平潜流湿地使有机物降解，硝化反硝化去除n ， 沉淀去除p ) ，该理论的提出掀起了人工湿地研究与应用热潮。与此同时，美国的国家空间技术实 验室研究开发了“厌氧微生物和芦苇处理污水”复合系统1 。 湿地是指地表经常过湿或被浅水体( - - 般深度小于3 m ) 淹盖的部分，生长着水生一湿生生物 群，土壤具有泥炭层或潜育层，所构成的水陆复合生态系统“”作为地球表层一类重要的地理综合 体。湿地是库滨带生态系统的一个重要组成部分，对入湖水体有明显的净化作用，其巨大的环境 调节功能、生物多样性、旅游和科研等价值在2 0 世纪日益受到全球的关注。 人工湿地污水处理系统在上世纪8 0 年代得到了迅速发展，仅丹麦就建立了3 0 多个人工湿地污 水处理厂，英国s e s e mt r e n e 公司的人工湿地污水处理厂从上世纪8 0 年代末的3 处迅速发展为现在 的1 0 0 余处“”。北美自上世纪7 0 年代开始对不同设计的人工湿地进行了广泛的试验研究。 上世纪8 0 年代末和9 0 年代初在英美相继召开了人工湿地研讨会，提出了许多有关污水净化机 理和处理系统参考设计规范及数据“。 目前对人工湿地的处理机理已经取得了基本一致的认识：利用系统中基质水生植物一微生物 的物理，化学、生物的三重协同作用，通过基质过滤、吸附，沉淀、离子交换，植物吸收和微生 物分解来实现对污水的高效净化。关于人工湿地中的基质、植物和微生物对有机物、n 、p 、s s 、 重金属、病原体等详细的处理作用，国内外已经有众多学者进行了详细的阐述1 。 我国进行湿地处理系统研究较晚，在叫二五”期间开始人工湿地研究。但主要还是机理性的研 究，大致落后发达国家十余年，应用上也相对迟缓，应用实例较少首例采用人工湿地处理污水 的研究工作始于1 9 8 7 年，由天津市环境保护研究所建成的占地6 h m 2 的处理规模为1 4 0 0 m d 的芦苇 湿地工程3 。上世纪9 0 年代又在深圳建成了白泥坑人工湿地示范工程。此后，国家环境保护局与 中国科学院各单位相继采用人工湿地处理污水进行过一系列试验。官厅水库于2 0 0 3 年兴建了黑土 洼人工湿地示范工程。目前，人工湿地的研究和应用正方兴未艾 1 2 3 库岸及河道生态治理防护方面研究状况 1 9 3 8 年德国的s e i f e r t 首先提出近自然河流治理的概念，它是指能够在完成传统河流治理任务 的基础上可以达到接近自然、经济并保持景观美的一种治理方案“。 1 9 6 2 年由h t o d u m 等提出将自我设计( s e l f - - o r g a n i z i n ga c t i v i t i e s ) 的生态学概念应用于工程 中，首次提出生态工程( e c o l o g i c a l 画n r i 嘞的概念“”，并将生态工程定义为“人运用少量辅助 能而对那种以自然能为主的系统进行的环境控制”1 9 6 5 年德国的e r n s tb i t t m a n n 在莱茵河用芦苇 和柳树进行了生物护岸实验。 上世纪7 0 年代末，瑞士z 0 r i c h 州河川保护局建设部的c h r i s t i a ngi d i 将德国b i t l m a r m 的生物护岸 法丰富发展为j 匠自然工法”，即拆除己建的混凝土护岸，改修成柳树和自然石护岸，给鱼类等生 3 中国农业大学t 程硕七学位论文第一章绪论 物提供生存空间，把直线形河道改修为具有深渊和浅滩的蛇形弯曲的自然河道，让河流保持自然 状态“”1 9 8 3 年h t o d u m 将生态工程修订为“设计和实施经济与自然的工艺技术”。 1 9 8 9 年美国学者m i ts c h 和j o r g e n s n 正式探讨了由h t o d u m 等1 9 6 2 年首次提出的e c o l o g i c a l e n g i n e e r i n g 的概念并定义为“为了人类社会和其自然环境两方面利益而对人类社会和自然环境的 设计”，进一步完善了生态工程这一理论“”。之后，又不断论证了将生态学原理运用于土木工程 中的理论问题，奠定了受损河岸生态修复的理论基础。 上世纪9 0 年代以来，美国研究者将兼顾生物生存的河道生态恢复作为水资源开发管理工作必 须考虑的项目。 1 9 8 6 年日本开始学习欧洲的河道治理经验。近l o 年来日本逐渐改修已修建的河流混凝土护 岸，在理论、施工及高新技术的各个领域丰富发展了“受损河岸生态修复技术”。日本在学术上称 之为“应用生态工学”；行政上，建设省河川局将其称为“多自然型河川工法( n a t u r e - o r i e n t e df i v e r e n g i n e e r i n g m e t h o d ) ”或“近自然河) t v e 法( n e a r n a t u r e r i v e r e n g i n e e r i n g m e t h o d ) ”，现已成为- - 1 7 成 熟的技术加以推广并应用到道路、城市等领域，统称为“近自然工法( n e a rn a t u r ee n g i n e e r i n g m e t h o d ) ”“当今欧美经济发达国家已普及了“受损河岸生态系统修复技术”，以实现、再生“自 然与人的和谐共处”的水生态环境，近年逐渐推广应用到世界各国。 我国近年来对自然河岸带植被结构和功能以及管理的生态学研究备加关注”。“。董哲仁等已 深刻认识到在水利工程设计和施工中对生态环境的影响，正在努力探索修复受损河流生态系统的 技术手段”“。虽然我国已经逐渐认识到在水利工程设计和施工中对生态环境的影响，但关于因 水利工程导致受损河岸的生态修复研究却很少，正处于研究的起步阶段。 自上世纪7 0 年代开始，西方发达国家就开展了相关的研究和实践，以保护自然湿地并恢复退 化的湖滨带、河岸带。我国虽然起步晚一些，但发展很快，目前湖滨带生态恢复研究已受到广泛 重视，并从实验阶段转向实际应用阶段。例如，中国科学院南京地理与湖泊研究所和中国环境科 学研究院分别在云南滇池和洱海开展了湖滨带生态恢复工程，以抑制蓝藻生长，改善水质和岸带 景观。 目前我国库岸生态系统受损严重。库岸生态系统受损的根本原因在于水利工程设计上，传统 技术的核心是工程结构的安全性及耐久性，材料主要是施工性好，耐久性强的混凝土或钢筋混凝 土。其缺点在于没有考虑人工构造物对生物及其生态环境的影响，由此产生的结果是自然河流形 态的直线或渠道化和河岸、库岸的混凝士化，其必然导致河流的生态作用越来越小，水质恶化、 生境的丧失或被阻断、物种减少等河流生态系统的退化“”4 1 。 近年来，我国水利工作者已深刻认识到水利工程对生态系统的影响，但是在水利工程的施工 和设计上仍然存在着很多问题。河道治理及水库护岸工程在很大程度上仍然采用传统的规划设计 思想和技术。即使是中小河流，河流护岸仍然只是考虑河道的安全性问题，以混凝土护岸为主， 而没有考虑工程建筑对河流环境和生态系统及其动植物、微生物生存环境的影响“。因此，对河 流、湖泊护岸工程生态设计的研究是护岸工程生态修复的主要技术环节，可为将来河流、湖泊护 岸工程提供技术参数。通过对护岸工程进行生态设计达到人与自然和谐共处的目的。设计是否满 足设计假设目标。必须通过实践加以验证、补充和修正。通过设计、实践与验证的反复才能达到 有序建设河岸、湖滨生态系统的目的。 在国内，叶春等进行了洱海湖滨带生态修复设计原则与工程模式的研究，研究了湖滨带生态 4 中国农业大学工程硕士学位论文第一章绪论 修复技术。在分析洱海湖滨带生态现状的基础上，对湖滨带类型进行了分类，并对全系列和半系 列的湖滨带生态修复进行了物理基底、生态恢复等研究。根据湖滨带的生态环境功能和人类对湖 滨带的利用，提出了洱海湖滨带生态修复的8 种适用模式 卢宏玮等进行了湖滨带生态系统恢复与重建的理论、技术及其应用的研究。包括湖滨带生态 系统恢复与重建的理论、目标、及对健康生态系统的判定方法，湖滨带生态系统恢复与重建技术： 模拟技术、工程技术和管理技术 湖滨带生态修复设计实际上就是协调人与自然的关系。通过对湖滨带特征的分析，引起湖滨 带结构破坏和功能退化的主要因子是水流及与其相关的物质循环，主要原因是人类活动的强烈干 扰。因此，去除干扰、通过调节生物、生境及它们之间的相互关系来改善水流和物质循环的状况 是湖滨带生态修复技术的关键。 洱海、太湖等也探索性对湖滨带实施了生态修复与治理。主要措施：重污染区底泥的生态疏 浚，减少底泥释放二次污染；利用浮床陆生植物治理典型富营养化水域，利用生物吸收、降解， 继而富集营养盐，净化水质；建立环湖湿地保护带；生态渔业工程，有效控制过度养殖，恢复湖 泊生态良性循环；恢复和重建湖滨带水生植被，实现长效生态管理和调控等。 在许多地区，由于人类不适当的活动，水陆交错带正在变得脆弱。其脆弱的主要标志是交错 带群落的简单化，生物多样性降低、生物量减少；交错带坡度增大，宽度减少；交错带以沉积为 主变为以冲刷为主，并引起更多的堤岸崩塌，水域淤积加剧；交错带土壤的有机质减少，微生物 过程减慢，交错带对全球变化等冲击更加敏感。一个脆弱的水陆交错带不能使陆地和水域生态系 统保持稳定”1 。 塌岸是库滨带遭到破坏的结果。水库塌岸是由多种因素综合作用下产生的，其中库岸的物质 组成及土层性质是水库塌岸的内在因素。波浪及库水位变化是水库塌岸重要的控制性因素。水库 塌岸造成了很大的经济损失，并引发了一系列的环境和社会问题，对塌岸进行治理非常必要。塌 岸治理过程中，应根据不同的地质条件因地制宜，采取经济合理的治理措施”。 在塌岸研究方面，其工程防护技术研究相对较成熟，如三门峡水库已进行了多年的塌岸治理 工作。但在塌岸生态治理技术方面还有欠缺。 以往国内外在河岸湖岸防护工程中多采用浆砌或干砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块体等 结构形式，在城市河道护岸工程采用较多的是直立式混凝土挡士墙。采用这些结构形式在保持岸 坡的稳定性、防止水土流失以及保证防洪安全等方面起到了一定的作用，但这些技术多数仍是从 保护岸坡结构稳定的角度来研究，并没有考虑其对环境、生态的影响，在不同程度上对景观环境 和生态产生了不良的影响，造成水体与陆地环境恶化和生态破坏。这一问题越来越受到人们的重 视，国内外工程技术人员已开始研究生态型护岸技术 综上所述，目前虽然国际上对库滨带生态系统功能的研究较早，但较多都停留在对库滨带某 一局部功能的研究，缺乏对其进行定量化，系统化的研究，仅对库滨带生态系统的功能有较为初 步的认识。目前国内对库滨带的研究处于起步阶段。总体来看，我国已经逐渐认识到在水利工程 设计和施工中对生态环境的影响，但关于因水利工程导致受损河岸的生态修复研究却很少，对库 滨带生态修复与治理的研究还处于开端，导致应用方面的迟缓。 随着水资源的缺乏尤其是水环境的污染状况的加剧，人们对于非点源污染的治理和库滨带的 保护和建设重视起来，迫切需要这方面的理论支持，因此。对库滨带生态系统的修复和治理技术 5 中国农业大学t 程硕+ 学位论文第一审绪论 方面的研究，有助于我们更全面地了解库滨带，为水库水生态环境保护和治理提供理论依据等， 具有重要的现实意义。 1 3研究内容和方法 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 官厅水库塌岸成因分析及分布规律 对官厅水库塌岸观测资料进行整理分析，研究塌岸产生的原因及其影响因素；对塌岸进行严 重程度分级及其分布规律研究。 ( 2 ) 官厅水库塌岸发展预测 采用佐洛塔廖夫作图法对官厅水库塌岸进行预测分析，并用卡丘金公式法进行校核。定量估 计水库塌岸范围，某一岸坡地段塌岸宽度和速度，某一期限内和最终的塌岸宽度，为综合治理技 术方案的研究提供依据。 ( 3 ) 库滨带塌岸综合治理技术方案 针对官厅水库塌岸类型、地质条件、生态环境、水库运行等情况，结合工程技术与生态治理 措施，研究适宜的塌岸综合治理技术。 1 3 2 研究方法 本文在塌岸观测资料收集整理、典型调查的基础上，利用多学科理论与方法，采用微观分析 与宏观分析结合、理论研究与实验研究相结合，定性分析与定量分析相结合、现状分析与发展趋 势相结合等研究方法，进行有关机理方面和库滨带塌岸治理生态技术方案研究。 通过本科题目的研究，为塌岸治理及库滨带生态建设提供可以借鉴的工程技术模式，提供技 术支持和理论依据。 6 中国农业大学t 程硕十学位论文第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 i 第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 2 1 官厅水库概况 2 1 1工程概况 官厅水库位于永定河上游，地处河北省怀来县和北京市延庆县境内，距北京市约8 0 k m ，是新中 国成立后兴建的第一座大型水库。是一座以防洪、供水、发电、灌溉等综合利用的大型水利枢纽， 是首都北京的重要供水水源之一水库于1 9 5 1 年动工，1 9 5 4 年建成，水库总库容4 1 6 亿m 3 ，防洪库 容2 9 9 亿m 3 。水库建成运行5 0 余年，为保障北京，天津及永定河下游的城市发展和经济建设做出了 巨大贡献。 官厅水库永定河上游有桑干河、洋河两大支流，分别发源于山西省宁成县和内蒙古自治区兴和 县，流域北接蒙古高原，南屏恒山及五台山，海拔高程1 5 0 0 2 0 0 0 m ，坝址以上控制流域面积 4 3 4 0 2 k m 2 ，占永定河流域面积的9 2 ，内含内蒙、山西、河北，北京等省市的2 7 个县市。官厅水库 流域图、全景图分别见图2 1 和图2 - 2 。 2 1 2 气象特性 水库流域位于欧亚大陆东部中纬度地带，大陆性气候明显。冬季较长、干燥寒冷、盛行西北风， 夏季较短，春秋多风沙，冷暖变化显著。多年平均降水量为4 2 6 m m ，降水量年际变化大，年内分配 不均，主要集中在6 9 月，占年降水量的7 9 4 。 多年平均气温为9 4 c ，气温年际变化不大，而年内变化较大，冬季一月份平均气温7 7 ，夏 季七月份平均气温2 4 3 c ，绝对最高气温达到4 2 2 ，绝对最低气温- 2 3 3 ；多年平均风速为 3 0 m $ ，最大风速2 4 0 m s ，多年平均最大风速1 3 6 m s 。分别见表2 一l 和2 - 2 。 2 1 3 水文特性 官厅水库位于中纬度地带，大陆性季风特征明显，暴雨天气主要发生在6 9 月的汛期，特别是7 、 8 两个月，在个别环流异常的年份，9 月也有较大暴雨出现。 流域内降雨多以暴雨形式出现，且以局部暴雨为主，历时不长，一般在三天以内，但也有范围 广、强度大、历时长的大暴雨发生。如历史上的1 8 0 1 年特大暴雨，6 月前后在海河流域持续j 4 0 余天。 这年永定河的强暴雨发生在6 月初，这类暴雨很容易造成地区性大洪水。 据官厅站实测资料统计，该流域的洪水由暴雨形成，年最大洪水一般发生在6 9 月，尤其是7 、 8 两个月发生次数最多，如官厅站洪峰流量在1 8 0 1 、1 8 9 3 、1 9 1 7 、1 9 2 4 1 9 4 4 、1 9 4 9 1 9 9 7 年共7 3 年中有6 3 年，占8 6 。洪水暴涨暴落，多呈复峰形状，单峰较少。从洪水过程线来看，大致可分为 峰商量小型、峰低量大和峰、量平均型。 洪水的年际变化很大。据官厅水库1 9 2 5 1 9 4 4 、1 9 4 9 1 9 9 7 年共6 9 年实测资料统计，最大洪水 年份洪峰流量为4 0 0 0 m 3 s ( 1 9 3 9 年) ，最小洪水年份洪峰流量仅8 9 4 m 3 s ( 1 9 9 3 年) ，最大与最小洪 7 餐 皿 s 里 董 耀 世 * 睦 缸 叮 h 墨 中国农业大学工程硕士学位论文第二章官厅水库摩滨带塌岸观测及分布特征 囝 篁 雷 世 * 蛙 柚 冀 圈 器神砖饕姆 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 表2 - 1 官厅水库流域气温特征裹 注 怀来县气象站1 9 6 1 4 1 9 8 0 1 9 8 9 1 9 9 8 年莨抖统计 峰流量之比达4 5 倍。五天洪量最大年份为7 5 m l m s ( 1 9 3 9 年) ，最小年份为o 1 1 亿m 3 ( 1 9 9 3 年) ，最大、 最小洪量之比为6 8 倍。 2 1 4 冰情 根据官厅水库1 9 5 5 1 9 6 0 。1 9 6 2 1 9 9 1 年冰情观测资料统计，岸冰开始日期：最早l o 月2 5 日， 最晚1 月1 日；结束日期：最早3 月6 e t ，最晚4 月4 日；封冻开始日期：最早1 1 月1 4 日，最晚1 月1 日； 结束日期：最早2 月1 4 日，最晚4 月4 日。岸冰发生最多天数1 9 6 3 1 9 6 4 年为1 6 1 天，最少天数1 9 5 8 1 9 5 9 年为8 6 天，多年平均天数为11 8 天 2 1 5地形地貌 官厅水库地处延怀断陷盆地中，区内地貌形态主要包括水库、河流阶地、洪积扇、台地等。 官厅水库库岸周长约2 2 0 k m 。水库的水面宽度受地形控制变化较大，怀来县老君庄以西水面宽 度为1 5 2 o k r a ，以东宽达5 o 5 5 k m ，进入延庆县境内水库库面宽度又逐渐变小。 水库蓄水后，河流的一级阶地及部分二级阶地己被库水淹没，水库两岸残留部分二级阶地。以 京包铁路桥为界，铁路桥以下，阶面宽度较小，一般为几十米到数百米不等；铁路桥以上，阶面宽 l o 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 度相对较大，库区左岸为1 0 3 o k m ，库区右岸宽度1 5 5 o k r a 水库两岸的山前地带，连续分布着大小不等、形态完整的洪积扇和洪积扇裙( 或称山前倾斜平 原) ，扇面半径小者l 3k m ，大者可达5 7 k m 洪积扇前缘地面高程一般在5 0 0 m 以上，在洪积扇的 近山前地带，冲沟发育，形成较为典型的黄土梁、峁地貌。 在库区两岸分布有洪积坡积物构成的台地，地面高程在5 0 0 m 以上，其形成早于洪积扇或河流阶 地，为延怀盆地间歇升降运动的产物。 本地区地表土每年1 1 月开始冻结，次9 4 月份解冻，土层冻结深度为0 7 0 9 m 。 2 2塌岸观测及影响因素分析 2 2 1 塌岸观测 官厅水库从1 9 5 5 年蓄水后，塌岸现象就开始发生根据塌岸现象发生地点和严重程度选择以北 寨、施庄子、定州营、园艺场、辛窑等五地区为重点观测区，布设观测断面，断面布设原则： ( 1 )按各区库滨带组成物质的分布情况，依不同类型选择有代表性的地段分别布设断面，以 便研究同样外力作用下，库滨带物质的组成不同，塌岸的程度及速度也不同。 ( 2 )断面间距l o o 5 0 0 m ，依塌岸情况进行调整。 依据以上原则，布设观测断面。现选取其中6 个典型断面作为研究对象，典型断面布置见图2 3 。 图2 - 3 官厅水库塌岸观测断面布置示意图 中国农业大学工程硕士学位论文第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 从1 9 9 9 年起，官厅水库蓄水量锐减，蓄水量不足1 5 亿，塌岸也很少发生，故本文以1 9 5 4 1 9 9 9 年为研究期。观测断面塌岸演变过程见表2 - 3 及图2 - 4 2 - 9 。 表2 - 3 塌岸演变观测成果表 2 2 2 岸缘变形及分析 l i 水库运行水位 官厅水库蓄水水位1 9 8 0 年以前变幅较大，最高水位为4 7 , 8 ：6 2 m ，一般多在4 7 3 4 7 7 m 之间变化； 1 9 8 0 1 9 9 9 年变幅不大，除1 9 8 0 年水位最高达4 7 8 8 3 m # b ，一般在4 7 3 4 7 7 m 之间运行。官厅水库历 年水位情况见表2 4 和图2 - 1 0 。 2 、岸缘变形 1 ) 1 9 5 3 1 9 5 5 年8 月，库水位最高为4 6 6 m ，该高程与建库前河谷高漫滩顶面高程接近，在此 期间水库曾数次泄空，再者，每次蓄水水位持续时间不长，动力作用时间短，故水库塌岸不明显。 2 ) 1 9 5 5 年1 2 月中旬1 9 5 6 年3 月中旬，水库结冰期。结冰期间，塌岸极为轻微；解冻期间， 库岸坍塌十分严重，此现象在以后年份中皆重复出现。 3 ) 1 9 5 6 年3 5 月，水位上升至4 7 7 m ，5 月下旬下降至4 7 6 m 。在此期间，正处强风季节，故 塌岸程度严重，例如在北寨度假村处( 妫l 0 0 8 + i 1 ) 岸线后退2 3 m 。1 9 5 6 年为水库塌岸最剧烈的一年 4 ) 1 9 5 7 年，库水位较1 9 5 6 年低，波浪作用主要是对老塌落物质的运移及浅滩再造，塌岸轻微。 5 ) 1 9 5 8 1 9 5 9 年，库水位在4 7 2 3 6 4 7 5 5 8 m 之间运行，高水位出现于1 9 5 9 年9 月1 2 月， 适逢强风季节，塌岸较为活跃。 6 ) 1 9 6 0 1 9 9 9 年，库水位多在4 7 8 m 以下运行。水库塌岸进入稳定发展阶段，塌岸与水库运行 水位密切相关。 根据上述观测资料和2 0 0 0 年天津勘测设计院勘察实测资料分析，可得： ( 1 ) 建库以来最大塌岸宽度约1 6 0 m ，一般塌岸宽6 0 9 0 m 。其中，1 9 5 9 年以前，塌岸宽度 在2 7 1 1 2 0 7 m ，其塌岸速率为4 5 2 0 1 m a ； 1 2 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 圈2 4 施庄子一永干l 0 0 5 塌岸演变过程 1 9 9 9 岔 图2 - 5 旋庄子一永千l 0 0 8 塌岸演变过程 图2 - 6 北寨一妫l 0 0 5 塌岸演变过程 1 3 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 高程m 高程m 囝2 7 游乐园一妫l 0 0 8 + i 一1 塌岸演变过程 高程m 图2 - 8 园艺场一杨r 0 0 1 塌岸演变过程 围2 - 9 定州营一定l 0 0 1 塌岸演变过程 1 4 中国农业大学工程硕士学位论文第二章官厅水库库滨带塌岸观测及分布特征 表2 _ 4 官厅水库历年库水位汇总表 1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月 1 2 月 1 9 5 5 年4 4 7 04 5 0 84 5 7 94 6 254 6 1 ，54 6 0 94 5 7 ，34 5 8 6 4 6 6 14 6 9 34 7 1 24 7 2 3 1 9 5 6 年4 7 3 04 7 3 54 7 4 14 7 6 ，44 7 6 34 7 5 14 7 5 34 7 5 04 7 7 8 4 7 7 84 7 7 94 7 7 7 1 9 5 7 年4 7 7 34 7 7 24 7 6 94 7 7 7 4 7 7 84 7 7 04 7 6 04 7 5 04 7 6 24 7 6 ，44 7 6 44 7 6 4 1 9 5 8 年4 7 5 5 4 7 5 14 7 6 04 7 6 94 7 5 44 7 3 i4 7 2 44 7 384 7 4 84 7 5 74 7 5 94 7 5 8 1 9 5 9 年4 7 5 9 4 7 5 44 7 5 74 7 7 64 7 7 74 7 634 7 4 94 7 6 34 7 8 54 7 8 64 7 8 44 7 8 1 1 9 6 0 年4 7 7 24 7 6 ，84 7 7 34 7 7 24 7 5 64 7 3 34 7 1 74 7 0 84 6 984 7 1 64 7 25 4 7 2 4 1 9 6 1 年4 7 2 34 7 2 74 7 3 b4 7 6 04 7 554 7 3 84 7 2 24 7 2 1 4 7 3 64 7 4 84 7 5 94 7 6 3 1 9 6 2 年4 7 6 04 7 6 34 7 6 44 7 7 34 7 7 3 4 7 6 1 4 7 3 9 4 7 3 64 7 1 84 7 0 84 7 1 14 7 1 2 1 9 6 3 年4 7 1 8 4 7 2 04 7 2 64 7 3 04 7 2 44 7 194 6 9 84 6 8 54 7 1 44 7 1 94 7 2