風(fēng)峪河上游生態(tài)治理工程設(shè)計

陳 剛

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司）

1 風(fēng)峪河上游概況

風(fēng)峪河流經(jīng)晉源區(qū)，屬汾河一級支流，也是太原市區(qū)的一條主要河流。發(fā)源于太原西部邊山，流域面積56.7 km2，流域長度18.2 km，平均縱坡26‰。其中，平原河道長8.2 km，平均縱坡9.14‰。該河屬于季節(jié)性山洪河道，整個流域均在晉祠泉域范圍內(nèi)，以店頭村為界，下游區(qū)域為晉祠泉域的重點保護區(qū)范圍，上游區(qū)域為一般保護區(qū)范圍。

風(fēng)峪河流域上游地貌大部分為砂頁巖土石山區(qū)，有多處采石場，地表部分面積裸露，多數(shù)為樹林、密灌。據(jù)調(diào)查，流域上游需治理區(qū)共有一級支溝108條，二級支溝226 條，溝壑密度9.6 條/km2。

風(fēng)峪河流域上游土壤為山地黃土質(zhì)褐土性土，有較薄的腐殖質(zhì)層，土體礫石含量較多，土層厚度小于50 cm，肥力中等，土地干旱缺水，水土流失較為嚴重。據(jù)調(diào)查，流域上游植被覆蓋率達86.9%，現(xiàn)有植被大多為人工林和灌草，喬木林以刺槐、油松和側(cè)柏為主，灌木有螞蚱腿子、小葉鼠李、黃刺玫、沙棘和山桃，經(jīng)濟林有蘋果、梨樹、核桃和杏等，草種有蒿草、白羊草等。

2 風(fēng)峪河上游的水土流失與治理現(xiàn)狀

2.1 水土流失狀況

風(fēng)峪河上游區(qū)域的水土流失以水蝕為主，伴隨重力侵蝕，溯源侵蝕是溝道延伸的主要形式。區(qū)域水土流失面積22.85 km2，其中，輕度侵蝕7.90 km2，占34.57%；中度侵蝕8.73 km2，占38.20%；強烈侵蝕3.10 km2，占13.57%；極強烈侵蝕1.71 km2，占7.48%；劇烈侵蝕1.42 km2，占6.21%。年均土壤侵蝕模數(shù)3 693 t/km2，總體土壤侵蝕程度屬中度。產(chǎn)生水土流失的原因，其自然因素主要為暴雨，人為因素主要為開礦棄渣與破壞植被。

2.2 水土保持現(xiàn)狀

經(jīng)過多年努力，至2018年底，區(qū)域累計治理水土流失面積647.32 hm2，其中，修建水平梯田43.56 hm2，營造喬木林105.68 hm2，灌木林408.44 hm2，封禁治理89.64 hm2，有效緩解了較為嚴重的水土流失，改善了生態(tài)環(huán)境。

2.3 目前存在問題

一是部分區(qū)域林草植被覆蓋率較低，難以控制水土流失；二是溝道攔擋工程較少，雨季河水泥沙含量大，淤積下游影響行洪；三是耕地和經(jīng)濟林配套灌溉設(shè)施不足，生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。

3 風(fēng)峪河上游生態(tài)治理的必要性和工程建設(shè)任務(wù)

3.1 必要性

風(fēng)峪河等太原市區(qū)內(nèi)的9 條河道，分別連接?xùn)|山、西山，這是太原市的兩道生態(tài)保護屏障。為了進一步完善城市防洪排澇體系，需從源頭上治理消減洪峰，降低上游洪水對下游的威脅。從源頭的水環(huán)境治理入手，通過植樹造林涵養(yǎng)水源，保障河道恢復(fù)生態(tài)基流，促進河流恢復(fù)其原有的生態(tài)功能，進一步改善汾河水質(zhì)，為晉祠泉水復(fù)流奠定基礎(chǔ)。

3.2 工程建設(shè)任務(wù)

生態(tài)工程建設(shè)的主要任務(wù)，包括：緩洪攔沙，減少流入汾河的泥沙，降低下游洪水總量；改善風(fēng)峪河生態(tài)環(huán)境，營造新的生態(tài)景觀，改善太原中心城市周邊風(fēng)貌，提高環(huán)境承載力；有效蓄存利用汛期洪水，恢復(fù)生態(tài)基流，促進河流恢復(fù)生態(tài)功能，并對晉祠泉進行補水；提高土地利用率，改善農(nóng)村生產(chǎn)條件和農(nóng)民生活環(huán)境。

4 生態(tài)工程建設(shè)規(guī)模與工程設(shè)計

4.1 工程建設(shè)規(guī)模與設(shè)計標準

根據(jù)風(fēng)峪河上游生態(tài)現(xiàn)狀，結(jié)合建設(shè)目標與任務(wù)，確定2019年新增生態(tài)治理面積2 118.76 hm2，具體分項規(guī)模與設(shè)計標準如下：

4.1.1 水保林工程

改造水保林2 089.01 hm2，均為喬木與灌木林。其中，包含原有的其他林地235.48 hm2，灌木林地1 743.14 hm2，其他草地0.10 hm2，裸地110.29 hm2，均通過新造或補植改造為喬木林和灌木林。

4.1.2 水窖工程

修建水窖70 座，同時配套建設(shè)供水管線，保證經(jīng)濟林的灌溉需水和水保林的補植用水。水窖一般采用10 a 一遇24 h 最大暴雨設(shè)計，道路區(qū)水窖采用10 a 一遇6 h 最大暴雨設(shè)計。

4.1.3 谷坊工程

修建石谷坊232 座，設(shè)計標準為20 a 一遇6 h最大暴雨。

4.1.4 滾水壩工程

修建滾水壩7 座，設(shè)計標準為10 a 一遇24 h 最大暴雨。

4.2 生態(tài)工程典型設(shè)計

4.2.1 水窖

根據(jù)灌溉要求、匯流情況以及道路排水溝情況，進行水窖布設(shè)。在林地范圍內(nèi)，根據(jù)地形及道路情況確定水窖的位置，水窖容積選擇30 m3和50 m3。

（1）來水量計算。根據(jù)水窖控制的匯水面積，按下列公式計算來水量：

式中：WL——年來水量，m3；

F——集水面積，m2；

H24——設(shè)計標準為10 a 一遇24 h 最大暴雨量，取91 mm；

φ——徑流系數(shù)，采用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值0.45。

（2）水窖容量計算。采用下列公式：

式中：V——水窖容量，m3；

W——10 a 一遇暴雨24 h 徑流量，m3；

Vs——設(shè)計清淤年累計泥沙淤積量（按3 a 計算），m3；

K——安全系數(shù)，取1.2-1.3。

（3）泥沙淤積量計算。采用下列公式：

式中：Ms——年土壤侵蝕模數(shù)（按治理前的土壤侵蝕模數(shù)考慮），取2 000 m3/km2。

經(jīng)計算，集水面積為800 m2時的水窖容量為48.80 m3，因此確定修建50 m3水窖的集水面積以不超過800 m2為宜；同理，30 m3水窖的集水面積以不超過500 m2為宜。

4.2.2 谷坊

根據(jù)確定的谷坊設(shè)計標準，以其中一小溝道（典型溝道）的谷坊群為例進行典型設(shè)計。該溝長度為196.47 m，高差30 m。

根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，谷坊宜選擇漿砌石結(jié)構(gòu)，壩高4.5 m，頂寬1.5 m，迎水面坡比1∶0.2，背水面坡比1∶1，溢洪口布設(shè)在壩頂。谷坊底部設(shè)結(jié)合槽，尺寸為1.0 m×0.5 m；谷坊下游溝床布設(shè)干砌石護坦防沖，長度為10 m。為防止不均勻沉降及熱脹冷縮對谷坊的破壞，谷坊壩長間隔10 m 設(shè)置一道伸縮縫。谷坊壩上布設(shè)排水孔，背水面設(shè)反濾。

4.2.3 滾水壩

滾水壩工程級別為1 級，在其中一級支溝的溝道中段（典型溝道）設(shè)4 座滾水壩，控制流域面積4.80 km2。典型設(shè)計如下：

滾水壩選擇漿砌石結(jié)構(gòu)，壩高10 m，頂寬2.5 m，埋深2 m，腳趾寬1 m、高1 m，迎水面坡比1∶0.3，背水面坡比1∶0.75（見圖1）；滾水壩下游溝床布設(shè)漿砌石護坦防沖，長度為10 m；為防止不均勻沉降及熱脹冷縮對滾水壩體的破壞，壩段間隔10 m 設(shè)置一道伸縮縫；滾水壩上布設(shè)排水孔，背水面設(shè)反濾。

圖1 滾水壩壩體斷面圖

滾水壩溢流段堰面曲線采用冪曲線，方程為：x1.85=3.171y。上游邊坡1∶0.3，下游邊坡1∶0.7，底部最大寬度10.5 m，上、下游齒墻深1.0 m。為了增加溢流面的抗沖性能，溢流面用C30砼澆筑，厚0.5 m。采用挑流消能，挑流半徑2.12 m，挑射角21.41°。漿砌石護坦長12 m，護坦寬34 m。

4.2.4 造林

對現(xiàn)有的其他林地和灌木林進行補植，同時改造一部分其他草地和裸地為有林地，樹種采用油松、側(cè)柏、山桃、山杏、塔檜和火炬樹等，株行距2 m×2 m。

根據(jù)地形不同，分別采用不同的整地方式。地面坡度小于15°時，采用塊狀整地；地面坡度15°-25°時，采用水平階或水平溝整地；地面坡度大于25°時，采用魚鱗坑整地。

整地規(guī)格：（1）水平溝。溝長4-5 m，上口寬1 m，底寬0.5 m，溝間土埂寬度0.54 m，間距2 m；（2）水平階。階寬1.2 m，階長4-5 m，間距2 m；（3）魚鱗坑。尺寸為1.0 m×0.6 m×0.6 m，栽植坑尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m。

由于該流域處于干旱半干旱地區(qū)，應(yīng)在8-9月份提前整地，利用坑穴蓄積水分，在次年4-5月份進行栽樹。主要栽植技術(shù)詳見表1。

表1 風(fēng)峪溝上游生態(tài)治理宜選樹種造林技術(shù)表

5 生態(tài)治理效益分析

規(guī)劃設(shè)計的生態(tài)工程實施后，風(fēng)峪河流域上游的水土流失治理度和生態(tài)質(zhì)量將大大提高，林草覆蓋率將提高到89.80%。據(jù)測算，治理區(qū)年保土能力可達31.79 萬t，年增加蓄水量344.22 萬m3，新增水面面積28.71 hm2。生態(tài)環(huán)境明顯改善，有利于野生動物的繁衍，減輕面源污染和下游的防洪壓力，并為市民提供休閑、娛樂、觀光于一體的生態(tài)旅游場所，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。