（环境工程专业论文）河道治理对水流和净污能力的影响规律及生态效应.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的飞速发展，河流水系面积逐渐萎缩，区域河道的防洪压力逐 渐增大，同时，流域污废水产生量的增加，造成河道水体富营养化不断加重，水 环境质量日益恶化。在河道治理过程中，水利工作者一直以来较为注重河流的行 洪能力的保障和区域防洪的安全，为此强调河道的传统治理工程，即采用混凝土、 浆砌石等硬质材料对河道护岸甚至河床进行衬砌，以加快河水的下泄。环境和生 态工作者重视河流生态治理的工程建设，在水生植物修复、生态河床和护岸建设 方面做出了有益的尝试。但是，生态河道中水生植物及生态护岸，阻塞了河道水 流，威胁着河道的主体防洪功能的安全。因此，如何选择合理的河道治理方法， 选择何种水生植物进行河流生态修复，以及修复到何种程度，建设怎样的河道生 态护岸更有利于河流生态系统的健康，并同时满足行洪功能的需要，对于指导河 流生态系统建设和综合治理具有重要的意义。本文在总结国内外河道治理方法和 特点的基础上，分析了传统河道治理工程对生态环境的影响，并探讨了河道治理 对生态环境影响的原理，提出了适合不同生态特点和功能目标的生态河床及生态 护岸构建技术。主要研究内容和取得研究成果如下： ( 1 ) 探讨了河流传统衬砌工程的特点及其生态影响，阐明了河流生态建设对 其生态系统影响的原理。 ( 2 ) 沉水植物苦草对水流变化关系的研究表明，在苦草区，流经苦草层的流 速呈“旷型分布，其分布规律主要与苦草本身的结构有关，在无苦草区，水流流 速均呈叩型分布，符合半对数关系，表明苦草对河道水流有明显的影响。苦草 对水槽流速的横向分布具有明显影响，在交汇区两边，苦草区和该苦草区同一断 面的无苦草区的流速分布测线在交汇区测线的两边明显的分为两个数值区域，苦 草生长的半断面内流速明显低于无苦草生长的半断面。同一工况、相同水深条件 下，低密度( 1 j c i n x l 5 c m ) 植物区内流速明显高于高密度( 5 锄5 c m ) 植物区。而且， 流量和流速较大的工况下，水体流动受到的影响较大。 ( 3 ) 水生植物对南水北调沿线缓流水体一南四湖的现场研究表明，挺水植 物、沉水植物均对水体的流速产生明显的影响，特别对水平流速的垂向分布影响 显著。同时，将水生植物对水流影响的阻力项引入到3 d 水动力计算模型之中， 摘要 模拟结果表明，在考虑水生植物对水流影响阻力项的计算条件下，流速计算值与 实测值误差较小，而采用替代糙率系数方法来表征水生植物对水流影响的计算条 件下，流速计算值与实测值误差较大，可知如何计算水生植物对水流影响的阻力 因素对模拟计算结果有较大影响。 ( 4 ) 生态河道治理中河道滨水芦苇带在朝东圩港河道野外试验研究的结果 表明，滨水芦苇带对水体中的s s 沉降和磷截留和去除具有明显的作用。而且， 水体中1 1 p 浓度与芦苇密度有关，芦苇密度越大，水体中r p 浓度越低。沉水植 物苦草对模拟水槽中t n 、n 出+ - n 、t p 净化的试验数据表明，同一流速下氮磷 的浓度都有不同程度的降低。但是，t n 、n i - h + - n 、t p 具有不同的最佳净化流速。 ( 5 ) 碎石生态河床对秦淮河污染水体净化试验结果表明，碎石河床对t n 和 n 地+ - n 净化率可达9 0 以上，同时，水体的微生态环境得到良好改善，水体中 微生物种群向清洁型转化。 ( 6 ) 木栅栏砾石笼生态护岸构建的试验结果表明，护岸建成后河段中水环境 质量得到一定程度的改善，其中c o d m 去除率基本在1 0 1 5 ，t n 和t p 的 净化效率大约在1 0 2 0 、1 0 3 0 范围内。同时，生态河道建设后的大型无 脊椎动物出现仙女虫、涡虫和蜒科三种敏感类群，耐污类群降低显著，并且底栖 动物的类群发生了由耐污类群为主向中间类群为主的转化。 不同材料的生态护岸试验结果表明，砾石、生态砖、自然土壤均对氮磷 等净化表现出了显著的去除效果，而且材料的差异对氮净化效果的影响显著。变 渗径的生态护岸试验研究结果说明，水流渗流路线的长度对氮、磷、化学需氧量 和总悬浮固体表现出了明显影响，去除率随着水流渗流路线的增长而增加。 ( 8 ) 卵砾石强化净化生态河道中，河道水流流速、水深等水流条件的变化对 水体中氮净化具有明显影响，水动力特征参数r e 和f r 与氮净化系数k 之间的 相关关系研究表明，卵砾石生态河道中，存在氮降解的最优r e 和f r 范围。 关键词：河道治理，生态河床，生态护岸，水生植物，水动力参数，水体污染物 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h es o c i a le c o n o m y , t h ea 嘲o f r i v e rw a t e rs y s t e m i ss h r i n k i n ga n dr i v e rr e g u l a t i o nf o rf l o o dc o n t r o lb e g ? a 3 m 船d i f f i c u l tg r a d u a l l yi n c e r t a i na r e a a tt h e 鞠m et i m e ，l o t so fw a s t e w a t e l i sd r a i n e di n t or i v e r s ，w a t e r e n v i r o n m e n ta n de u t r o p h i c a t i o na r e g e t t i n gd e 诙i o r a t i o n t h e r i v e r sf l o o d d i s c h a r g i n ga b i l i t ya n dn o o dc o n t r o li nc e i t a i na r e ai sf o c u so fw a t e rc o n s e r v a n c y w o r k e r si nf i v e rr e g u l a t i o n a sar e s u l tt h e ye m p h a s i z et r a d i t i o n a lr i v e rr e g u l a t i o n p r o j e c t s i no t h e rw o r d s ，h a r dm a t e r i a l s ，s u c ha sc o n c r e t ea n dm a s o n r y , a r ea d o p t e dt o p r o t e c tr i v e r b a n ka n dr i v e r b e df o rf l o o dr e l e a s i n g e n v i r o n m e n t a la n de c o l o g i c a l w o r k e r sr e q u e s te c o t o g i c a lc o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n tr c g u h t i o n t h e ym a k e v a l u a b l e a t t e m p t s i n a q u a t i cp l a n t s r e h a b i l i t a t i o na n de c o - b a n ka n de c o b e d c o n s t r u c t i o n b u ta q u a t i cp l a n t si ne c o l o g i c a lr i v e r sa n de c o l o g i c a lr i v e r b a n k so b s t r u c t w a t e rf l o w t h e r e f o r e ，f l o o dp r e v e n t i o na n ds a f e t yo fr i v e r sm a i n l yf a c em e n a c e r e a s o n a b l em e t h o d sf o rr i v e rr e g u l a t i o n , a q u a t i cp l a n t sr e h a b i l i t a t i o na n de c o l o g i c a l r i v e r b a n k sc o n s t r u c t i o nh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et oe c o s y s t e mc o n s t r u c t i o na n d c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to fr i v e t s i nt h et e x t , e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti m p a c to ft h e t r a d i t i o n a lr i v e rr e g u l a t i o np r o j e c t sh a sb e e na n a l y z e d , t h et h e o r ya b o u tt h ei m p a c to f r i v e rr e g u l a t i o np r o j e c t st ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a sb e e nd i s c u s s e d , a n dt h e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f t h ee c o l o g i c a lr i v e ra n de c o l o g i c a lr i v e r b a n kw h i c ha d a p t s t oa l lk i n d so f p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sh a sa l s ob e e np r o p o s e d , w h i c hi sb a s e do n as u m m a r yo ft h em e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fr i v e rr e g u l a t i o ni nt h ew o r l d t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da c h i e v e m e n th a v eb e e no b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) c h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a ll i n e re n g i 埘r i n ga n dt h ee f f e c t so fl i n e r e n g i n e e r i n gt oe c o s y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e d , a n dp r i n c i p l e so f t h ee f f e c t so f r i v e r s e c o l o g i c a lc o n s t r u c t i o n t oe c o s y s t e mh a v eb e e nc l a r i f i e d ( 2 ) t h er e s e a r c ho nt h ec o n n e c t i o nb e t w e 圮nv a l l i s n e r i aa n dv e l o c i t yf l u c t u a t i o n i n d i c a t e st h a tt h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yi ss - t y p ei nt h ev a l l i s n e r i aa r o aa n dt h e d i s t r i b u t i o no f v e l o c i t yi sj - t y p ei nt h en ov a l l i s n e r i aa r e a t h er e s e a r c ha l s oi n d i c a t e s t h a tt h ev a l l i s n e r i ah a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c et ot h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yw h i c hi s h i 摘要 d e t e r m i n e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a l l i s n e r i a w h e nt h ef l o wr a t eo fr i v e r si sl a r g e t h ev a l l i s n e r i ah a sp o s i t i v ee f f e c tt ou p l i f tw a t e rl e v e l ，a n dw h e nt h ef l o wr a t ei sl o w t h ep h e n o m e n ai sn o to b v i o u s ( 3 ) t h ef i l e dr e s e a r c ho nt h ee f f e c to f a q u a t i cp l a n t st on a n s il a k e ，l o c a t e da l o n g t h e 龆s t r a n s m i s s i o nl i n eo f t h es o u t h - n o r t hw a t e rt r a n s p o r tp r o j e c t , i n d i c a t e st h a t e m e r g e n ta n ds u b m e r g e dp l a n t sa l lh a v eo b v i o u se f f e c t st ow a t e rb o d y sa l l 玎僦 v e l o c i t y , e s p e c i a l l ys i g n i f i c a n te f f e c t st ot h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f h o r i z o n t a lv e l o c i t y , a tt h es a m et i m e , t h eh y d r a u l i cr e s i s t a n c eo f a q u a t i cv e g e t a t i o ni si n t r o d u c e di n t ot oa 3 dh y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o nm o d e l 1 1 1 ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tw h e n c o n s i d e r i n gt h eh y d r a u l i cr e s i s t a n c eo fa q u a t i cv e g e t a t i o n , t h e r ei s l i t t l ed i f f e r e n c e b e t w e e nc a l c u l a t e dm a dm e a s u r e df l o wr a t e s , w h i l ew h e nc o n s i d e r i n ga q u a t i c v e g e t a t i o n si n f l u e n c eo nf l o wb ym e a n so fas u b s t i t u t i n gr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t , c a l c u l a t e df l o wr a t e sd i f f e rf r o mm e a s u r e do n e ss i g n i f i c a n t l y t 1 l i sm e a n st h a tt h e r e s u l to fa n a l o gc a l c u l a t i o ni sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ew a yi nw h i c hw ec o n s i d e rt h e h y d r a u l i cr e s i s t a n c eo f a q u a t i cv e g e t a t i o n ( 4 ) i nt h et r e a t m e n to fe c o l o g i c a lf i v e rc o u r s e ，t h er e s u l t so ff i e l ds u r v e y c o n d u c t e do nt h ec h a n d o n g w e i g a n gr i v e ri n d i c a t et h a tr i p a r i a nr e e d sh a v ea s i g n i f i c a n te f f e c to nw a t e rs sp r e c i p i t a t i o na n dt h er e t e n t i o na n dd e p o s i t i o no f p h o s p h o r u s m o r e o v e r , t pc o n c e n t r a t i o ns e e l n st ob er e l a t e dt or e e dd e n s i t y ：t h e h i g h e rt h ed e n s i t y , t h el o w e rt pc o n c e n t r a t i o n t h et e s to nt n n h 4 + - na n dt p p u r i f i c a t i o nb yv a l l i s n e r i ai ns i m u l a t i n gf l u m es h o w st h a tc o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sm a yb ed e c r e a s e dt os o m ee x t e n ta tt h es a m ev e l o c i t yo ff l o w , b u t t h e r ea r ed i f f e r e n t o p t i m a lv e l o c i t i e sf b rt n n h 4 * - na n dt pd e g r a d a t i o n ( 5 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo ne f f e c to fe c o l o g i c a lr i v e r b e dc o n s i s t e do fc r u s h e d r o c k s0 1 1p u r i f y i n gq i n g h u a iw a t e rp o l l u t i o ni n d i c a t e st h a tt h er e m o v a lo ft na n d n h 4 + - nf r o mt h ep o l l u t e dw a t e ra l lr e a c ha b o u t9 0 a tt h es a m el i m e ，t h e m i c r o - e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n to fw a t e rb o d yi s s i g n i f i c a n ti m p r o v e d , a n d m i c r o o r g a n i s mp o p u l a t i o n s i nt h ew a t e rb o d ya l et u r n e di n t ot h ec l e a n t y p e ( 6 ) t h et e s t o nc o n s t r u c t i n ge c o l o g yr i v e r b a n kw i t hw o o d e nf e n c ea n d s t o n e - f i l l e dg a b i o nc a g e si n d i c a t e st h a tt h ew a t e rq u a l i t yi si m p r o v e da f t e rt h e 摘要 e c o l o g i c a lr i v e r b a n ki sc o n s t r u c t e d t h er e m o v a l r a t eo f o o d 地l e v e l so f f t ot h er a n g e o f1 0 - - 一1 5 t h er e m o v a lr a t eo f t ni sb e t w e e n1 0a n d2 0 ，a n dt h er e m o v a lr a t e o ft pi sb e t w e e n1 0a n d3 0 a tt h es a m et i m e , m a c r oi n v e r t e b r a t e s , s u c h 船 n a l s c l i n g n i s 。t u r b e l l a r i a n sa n da e s l m i d e e ，a p p e a ri nt h ew 慨p o p u l a t i o n sw h i c h a r e a b l et oe n d u r ei nt h es e w a g ew a t e rd e e r e a s 若ss i g n i f i c a n t l y p o p u l a t i o n so f z o o b e n t h o s h a v eb e e nc h a n g e df r o mp o p u l a t i o n sw h i c h 瓣a b l et oe n d u r ei nt h es e w a g ew a t e rt o i n t e r m e d i a t ep o p u l a t i o n s t h et e s t a b o u 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i t y , w a t e rd e p t hs i g n i f i c a n t l ya f f e c tr i v e r sp u r i f i c a t i o nc a p a b i l i t yo f c o n t a m i n a n t ss u c ha sn i t r o g e n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh y d r a u l i cp a r a m e t e r s ( r e y n o l d sn u m b e r , f r o u d en u m b e r ) a n dp u r i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t s h o w st h a tt h e r e a r eo p t i m a lr a n g e so fr ea n df rf o rn i t r o g e nd e g r a d a t i o ni nt h ee c o l o g yc h a n n e l s c o n s i s t e do f g r a v e l s k e y w o r d s ：r i v e rr e g u l a t i o n , e c o l o g i c a l r i v e rb e d , v e g e t a t i o n , h y d r a u l i cp a r a m e t e r s , w a t e rc o n t a m i n a n t v 前言 刖吾 河流与人类的生存和发展息息相关。特别是在社会经济发展中水资源的作用 更为突出，城市生活、工业、服务业、公共事业及景观环境的建设和发展都与水 资源不可分割。但是经济的飞速发展、城市规模的不断扩大、人工构筑物不断增 加，使得河流水系面积逐渐萎缩、水体富营养化不断加重、水环境质量不断恶化。 同时，为防止区域洪涝灾害，使上游洪水能在最短时间内下泄，河道通常被混凝 土等硬质材料严密衬砌。严密的衬砌工程阻断了河流生态系统与滨水带生态系统 的联系，破坏了生态系统的完整性，也破坏了河流水体的自净能力，危害了水环 境质量。河流水环境的恶化趋势和水生态系统的受损状况引起社会各个领域的关 注。 近年来，全国开展的国家高新技术“8 6 3 ”项目，针对当前城市水环境恶化状 况，开展了河流生态系统修复技术的理论研究和示范工程建设，在河流水环境治 理和生态修复方面做出了有益的尝试。生态治理后的河流滨水带湿生及挺水植物 的种植阻挡了河道沿岸面源污染物的汇流，对河流水体的污染物净化起到一定的 作用，而且提高了河道水体的景观效果；生态材料的应用，提高了水土界面的 联系，一定程度上满足了河流生态系统与陆地生态系统连接的要求。然而，大量 恢复的河道中水生植物及生态护岸材料，增加了河床糙率系数，阻塞了河道水流， 对行洪安全造成了一定的威胁。 因此，本文对河流治理中的传统混凝土衬砌工程及生态河道建设工程进行了 对比分析，研究两种状况下河道水流条件的特点，探讨生态河道建设对河流行洪 能力的影响程度，通过试验研究生态型河道中不同类型水生植物的污染物净化机 理及效果，对照分析不同生态护岸材料及渗流方式对污染物的截留效应，对指导 河道综合治理方法的选择、生态修复技术的选取提供理论基础和技术支持。 本文的主要创新之处在于： ( 1 ) 通过水生植物对水流特性和污染物净化能力影响规律的试验研究，发现 了河流不同类型、不同密度的沉水植物对河流断面平均流速的垂向、横向分布 规律和氮磷净化具有明显差异：阐明了如何考虑水生植物对水流影响的阻力因 前言 素对模拟计算结果有较大影响。同时，沉水植物密度越大，对泥沙沉降和氮磷 净化越有利。成果为河流水生植物修复和水量水质模拟提供了理论依据。 ( 2 ) 系统分析了生态型河道建设的理论和技术，并将生态型河道建设技术应 用于徐州市荆马河的治理中，通过现场试验和工程实践，探明河流生态护岸建 设中护岸材料和边坡渗径对氮、磷、c o d 啪和s s 的去除过程，得到了不同材料 和渗径对面源污染物的截留净化效果有明显差异的规律，为河道生态护岸建设 和材料选择提供技术理论支持。 ( 3 ) 通过卵砾石生态河道试验研究，揭示出河道水流流速、水深等水流条件 的变化对水体中氮净化具有明显影响，水动力特征参数r e 和f r 与氮净化系数k 之间具有显著的相关关系。得出卵砾石生态河道中，存在氮降解的最优r e 和f r 范围，为河道生态治理提供了理论依据。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：堑叠叁茎冬 学位论文使用授权说明 2 7 年1 2 月廖日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：圣垫塑 2 7 年1 2 月，罗日 1 绪论 l 绪论 1 1 研究背景 河流与人类的生存和发展愚息棚关。在当代社会发展迅速的今天，河流作为重 要的水源地更是发挥了重要的作用一城市发展中水资源的作用更为突出，城市生活、 工业、服务业、公共事业及景观环境的建设和发展都与水资源不可分割，社会经济 发展活跃的城市和地区都必须要有充足的水资源为保障。但是经济的飞速发展、城 市规模的不断扩大、人工构筑物不断增加，使得河流水系面积逐渐萎缩、水体富营 养化不断加重、水环境质量不断恶化。同时，为防止区域洪涝灾害，使上游洪水水 量能在最短时间内下澄。河道通常被混凝土等硬质材料严密树碗。从直观上，村砌 工程破坏了河流及沿岸城市区域的景观环境。而且，严密的衬砌工程阻断了河流生 态系统与滨水带生态系统的联系，破坏了生态系统的完整性和和谐发展，也破坏了 河流承体的自净能力，危害了承环境质量。 河流水环境的恶化趋势和水生态系统的受损状况引起社会各个领域的关注。近 年来，全国开展的国家高新技术“8 6 3 ”项目，在武汉市、苏州市、深圳市等地针对当 前城市水环境恶化状况。进行了城市水域环境污染的成因分析、对策研究，并开展 了河流生态系统修复的示范工程建设，在河流水环境治理和生态修复方面做出了有 益的尝试。环境工作者们也致力于改善河流生态系统结构，恢复河流中水生生物群 落，连通河流与沿岸陆生生态系统，提高河流生态系统对污染物的自净能力和自恢 复能力的研究和探索，得到了很多有益的收获。 生态型河道建设是近年来河流综合治理中备受关注的一种技术形式，其在恢复 河流优美景观环境的同时，更有助子改善河流中水生生态系统的生物多样性，提高 水体净化污染物的能力。并且，生态材料的应用，提高了水一土界面的联系，一定 程度上满足了河流生态系统与陆地生态系统连接的要求。河流滨水带湿生及挺水植 物的种植阻挡了河道沿岸面源污染物的汇流，对河流水体的污染物净化起到一定的 作用；城市河流为提高水体景观效果，在河道中栽植浮水植物( 如睡莲) 对河流景 观环境美化具有重要作用：另外，沉水植物如菹草、黑藻等对水体中营养物质净化 也具有一定的效果，这些植物常用于生态河道建设中水生植物群落的修复然而， 河流生态系统作为区域生态系统中的组成部分，其功能是复合的，并非单一的景观 1 绪论 效果，也不仅仅要保持两个生态系统的有效联系。它还必须是安全的。河流生态系 统需确保其自身在任何水量、水流条件下的安全性，达到基本的河床稳定，断面流 量满足的要求，并且同时要保证对相邻生态系统不构成安全威胁，洪水到来不至于 发生破坏和灭绝的危险。生态河道建设后，河道中挺水植物、浮水和沉水植物对水 流具有较强的阻滞效应，使得河道断面糙率系数增大，水流速度降低，过水能力下 降；生态材料的使用以及生态护岸的构建也大大增加了河床糙率，降低了河道的过 流能力，对河流洪水下泄带来严重影响。鉴于河流生态系统在生物圈内，特别是对 人类生存和生活的重要地位和贡献，本文对河流治理中的传统混凝土衬砌工程及生 态河道建设工程进行了对比分析，研究两种状况下河道水流条件的特点，探讨生态 河道建设对河流行洪能力的影响程度，通过试验研究生态型河道中不同类型水生植 物的污染物净化机理及效果，对照分析不同护岸材料及渗流方式对污染物的截留效 应，为探讨河道护岸形式和生态材料的选择提供了理论基础和依据。 1 2 河道整治的目的、分类及存在问题 1 2 1 河道整治的目的与分类 河道整治工程是为稳定河槽、缩小主槽游荡范围、改善河流边界条件及水流流 态采取的工程措施。河道整治分长距离河段的整治及局部河段的整治。一般情况下， 长河段的河道整治目的主要是为了防洪和航运，而局部河段的河道整治是为了防止 河岸坍塌、稳定工农业引水口以及桥渡上下游的工程措施。主要工程类别有：控导 工程、护岸工程、护滩工程等。控导工程的作用是约束主流摆动范围、护滩保堤， 引导主流沿设计治导线下泄，有利于引水和保护滩地。护岸工程的作用是防止主流 直接顶冲高岸或堤防，防止高岸坍塌，保护高岸、堤防免遭溃决、防止主流改道； 护滩工程主要是防止塌滩而在滩岸线上做的工程。中小河流的整治，一般采取顺直 河道、加大河宽、疏挖河床、修建护岸工程等措施，提高防洪的安全度。其结果， 是项目建设区域珍贵植物消失、深潭及浅滩消失或规模缩小、河宽增加导致水深减 少、断面形状单一化使流速单一化、河床材料单一化、滞流区减少、滩地的平整使 自然裸地减少等。同时，河床坡降的改变使泥沙的输送量、输送形态都发生变化， 从而可能影响到上下游的生息地。为了减轻这种影响，在河道整治线的选择上，应 考虑重要生息地、有大型深潭的弯道、河畔林的保护及濒临灭绝物种的移植等；滩 2 i 绪论 地高程的确定，应考虑其冠水频率及水深；河床坡降的选择，要考虑其对河流冲淤 的影响。 1 2 2 我国河流整治现状及存在的问题 ( 1 ) 目前我国河流整治现状 由于除涝泄洪、水土保持、航运功能、水质改善、环境保护、生态恢复等诸多 方面的要求，国内外城市河道的整治其实一直在不断进行着。最初的河道的整治， 主要着眼于除涝泄洪、水土保持和航运功能要求而进行河道疏浚和护岸建设。由此 而带来的就是城市河道渠化，河道断面形式单一，走向笔直，河道护坡结构也比较 坚硬。从而，它在对保护水的自然清洁和维持人与水环境的和谐方面产生了较大的 影响，对城市生态与城市环境产生了较大的负面作用。随着城市发展和社会进步， 人们开始对人类的生存环境提出了更高要求，对城市河道从污水截流、清淤、底泥 处理、两岸绿化等方面进行整治。两岸护岸的结构主要是仿照园林建设景观护岸、 休闲广场等，国内如成都的府南河、上海的张家浜等。但在日益广泛开展的此项工 作中暴露出了简单化、雷同化和工程化等不利倾向。 ( 2 ) 河流整治存在的问题 目前我国河流整治工程存在的问题主要表现在以下几个方面： 在河流整治中硬化渠道，导致城市生态系统和水环境的破坏 目前，国内城市的河道治理工程片面追求河岸的硬化覆盖，片面强调河流的防 洪功能，而淡化了河流的资源功能和生态功能，破坏了自然河流的生态链，导致生 态环境恶化。为保护城市安全，河堤年年加高，并大量建设钢筋混凝土、块石等直 立式护岸，河流完全被人工化、渠道化，人工与自然的比例失调，破坏了原有的生 态平衡。从生态学角度讲，硬化河床是治标不治本的做法，根本解决不了水污染净 化的问题。河道是有自净能力的，自然的河道有大量的生物和微生物，它们都有降 解水体污染物的作用，植物还可以向水里补充氧气，有利于防止污染。使用水泥衬 底和护坡后，割裂了土壤与水体的关系，使水系与土地及其生物环境相分离，有些 生态功能就会随之消失，失去自净能力河道只会加剧水污染的程度。 河流污染严重使自身生态功能遭到破坏 沿海城市河道一般都具有防洪、排涝、生态环境景观等综合功能。随着改革开 放不断深入，城市经济迅猛发展，河道两岸的土地被开发利用以及城市化步伐的加 3 1 绪论 快，城市河道功能遭到损害；大量工业、生活污水不经处理直接排入河道造成河水 污染严重，导致水质恶化、河道生态环境被破坏。 裁弯取直，改变了自然流态 在河道治理中要顺其自然。从蓄水的功能上说，“长藤结瓜”是较理想的布局， 能较好满足用水要求。但从地形图的规划布置到实地的现状是有一定区别的，不能 过份地强调“裁弯取直”。河道裁弯后，由于河道长度缩短，比降变陡，其上下游河 段要进行调整。主要表现为：上游河段水面比降变陡，流速增加，水流挟沙能力增 大，导致河床冲刷，水位下降；下游河段来沙量增大，洪峰出现的时间提前。这些 调整又会给河道防洪、周围环境带来一些不利影响。主要不利影响是：河势不稳， 河流改道造成两岸群众利益重新分配容易引起纠纷，破坏了河流自然弯曲的美丽景 观。鉴于河道裁弯后所带来的种种不利影响，在欧洲甚至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。因此对裁弯工程一定要慎重。 缩窄河床，湿地面积减少 缩窄河床目的是为了束缚宽浅散乱、主流左右摆动的水流，增加河道水深、流 速，以利于河道输水输沙和航运，同时增加可供开发利用的滩地。河床缩窄之后， 由于流速和水流挟沙能力增大，河床将冲刷下切。河床严重下切可能会危及护岸、 桥基、取水工程和航运等建筑物安全，并降低地下水位。因此，为控制河床下切， 有时不得不采取一些工程措施。河床缩窄之后，河道的槽蓄能力会削弱，加快洪水 传播速度并可能增大下游河道洪峰流量。另外，宽广的河滩地上常分布着许多湿地， 这些湿地是某些生物的栖息地，湿地的消失造成这些生物种群减少。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 河流治理的生态化建设实践和研究进展 ( 1 ) 国外实践和研究进展 日、美、德、瑞士等西方发达国家由于较早地完成了工业化、城市化过程，河流 整治已达到很高的水平，现已进入“生态水利”或“环境水利”的高级阶段阻 。这一阶段 河流管理思想的重要特征是：摒弃经济高速发展时期所形成的“唯效率主义”河流管 理观念，尊重河流系统的自然规律，注重河流自然生态和自然环境的恢复和保护， 使河流的综合服务功能得到充分的发挥。 4 1 绪论 1 9 3 8 年，德国的s e i f e r t 首先提出近自然河溪治理的概念，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 mc 2 3 等提出将自我设计的生态学概念用于工程中，首次提出生 态工程( e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) 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】。之后，瑞士的c h r i s t i a ng l d i 将德国b i t t m a n n 的生物护岸法丰富发展为“近自然工法”，即拆除已建的混凝土护岸，改修成柳树和 自然石护岸，给鱼类等提供生存空间，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c 4 3 01 9 8 3 年，h t o d u m 将生态工程修订为“设 计和实旌经济与自然的工艺技术”巧3 。1 9 8 9 年，美国的m i t s c h 和j o r g e n s o n 6 3 正式 探讨了由h t o d u m 等于1 9 6 2 年首次提出的e c o l o g i c a le 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”，正式 诞生了生态工程这一理论。此后，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，奠定了河流整治生态修复理论基础。 2 0 世纪9 0 年代以来，美国将兼顾生