城市渠道工程設(shè)計(jì)與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建研究

劉 標(biāo)，姜家良，趙 芳，肖 敏，謝如意，付 雄，孔繁星，馮振鵬，艾慶華

（1.中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430077；2.中國中冶海綿城市技術(shù)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引 言

城市渠道是城市空間和城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，承擔(dān)著防洪排澇、景觀、文化等各類功能，滿足人類生產(chǎn)生活的需要，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。隨著城市的迅速發(fā)展，城市渠道被無序地開發(fā)和改造，同時(shí)，渠道的設(shè)計(jì)多采用傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)岸的建設(shè)思路，這種渠道能夠耐受較高的流速和沖刷，從一定程度上保證了渠道的穩(wěn)定和安全[2]。但是，從生態(tài)文明建設(shè)的角度來看，傳統(tǒng)的渠道設(shè)計(jì)形式基本隔絕了水域和陸域的聯(lián)絡(luò)通道，破壞了城市渠道的自然連通性和生態(tài)多樣性，造成水體自凈能力下降與生態(tài)系統(tǒng)退化，渠道親水設(shè)施缺乏，景觀效果和濱水體驗(yàn)較差。在城市渠道治理過程中，除了要考慮渠道的防洪功能，還需要將生態(tài)治理的理念融入到渠道工程的設(shè)計(jì)中，生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)成為渠道工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，以更好地發(fā)揮渠道的生態(tài)效益。如何貫徹落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展理念[3]、發(fā)揮渠道水生態(tài)效益、保障水生態(tài)空間，是當(dāng)前急需解決的重要問題。現(xiàn)以武漢市九峰明渠流域?yàn)槔?，對渠道現(xiàn)狀及生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析，并針對性地提出渠道工程設(shè)計(jì)與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建方法，以生態(tài)化的理念推動(dòng)渠道建設(shè)，優(yōu)化城市渠道空間。

1 工程概況

九峰明渠位于武漢市，起于高新大道，沿光谷三路西側(cè)蜿蜒北行，橫穿珞喻東路后往北排入東湖，渠道全長約5.4 km，現(xiàn)狀渠道寬15～20 m，渠道水深約1～2 m。本次實(shí)例工程項(xiàng)目的范圍為九峰明渠高新區(qū)段，起于珞喻東路過街箱涵，止于東湖高新區(qū)區(qū)界線（武大鐵路），全長約1.35 km?，F(xiàn)狀九峰明渠局部段受周邊山體及用地的限制，且存在底泥淤積問題，排澇通道狹窄，渠道過水能力不足。另外，渠道存在著一定程度的水環(huán)境惡化問題，渠道水生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。九峰明渠現(xiàn)狀排水設(shè)施如圖1 所示。

圖1 九峰明渠現(xiàn)狀排水設(shè)施圖示

2 渠道工程設(shè)計(jì)

通過該項(xiàng)渠道工程設(shè)計(jì)，使九峰明渠排澇能力滿足城市排澇安全，有效應(yīng)對50 a 一遇暴雨。規(guī)劃整治九峰明渠（珞喻東路—行政區(qū)邊界）匯水面積為2 114.80 hm2，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252—2017）中條款3.0.1 規(guī)定[4]，九峰明渠工程等別為Ⅳ級，渠道上節(jié)制閘為永久水工建筑物，劃分為重要建筑物其級別為3 級。明渠設(shè)計(jì)流量依據(jù)區(qū)域排澇設(shè)計(jì)流量確定，雨水設(shè)計(jì)流量為110.5 m3/s。

2.1 渠道平面設(shè)計(jì)

渠道線路應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)、施工等條件，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。該項(xiàng)工程為現(xiàn)狀渠道整治工程，定線時(shí)結(jié)合現(xiàn)狀情況，在滿足渠道水力銜接順暢的條件下，渠道規(guī)劃中線與現(xiàn)狀中線盡量靠近，以節(jié)省工程投資，提高可操作性。

渠道起點(diǎn)樁號K0+000 位于珞喻東路北側(cè)，終點(diǎn)樁號K1+350 位于行政區(qū)界處武大鐵路線附近，渠道全長1 350 m。渠道沿線共設(shè)置6 個(gè)彎道，其中最小轉(zhuǎn)彎半徑為40 m，最大轉(zhuǎn)彎半徑為150 m。最小轉(zhuǎn)彎半徑出現(xiàn)在規(guī)劃排水走廊轉(zhuǎn)折處，受渠道現(xiàn)狀岸線、左側(cè)黃梅山本體線及右側(cè)基本農(nóng)田的限制，確定采用40 m 的轉(zhuǎn)彎半徑，對該處彎道的左側(cè)岸線采取一定的保護(hù)措施，避免水力沖刷影響岸坡穩(wěn)定。九峰明渠彎道統(tǒng)計(jì)表如表1 所列。

表1 九峰明渠彎道統(tǒng)計(jì)表

九峰明渠東側(cè)5 條現(xiàn)狀支渠分別位于樁號K0+180、K0+540、K0+640、K0+940、K1+340 處，該工程按現(xiàn)狀支渠斷面予以銜接。

2.2 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

2.2.1 計(jì)算方法

設(shè)計(jì)水位計(jì)算采用天然渠道水面線計(jì)算程序推求，計(jì)算原理為伯努利方程，即能量方程，如下式所示。

式中：Z1、V1為斷面1 的水位和流速；Z2、V2為斷面2 的水位和流速；hw為斷面1 到斷面2 之間的水頭損失。

2.2.2 水位計(jì)算

節(jié)制閘上游段規(guī)劃渠底標(biāo)高19.09～19.01 m，規(guī)劃常水位為19.85 m，節(jié)制閘下游渠道規(guī)劃常水位為19.15 m，控制最高水位為20.74～21.59 m，渠道底高程為17.74～19.09 m。渠道水深計(jì)算表如表2所列。

表2 渠道水深計(jì)算表

2.3 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)上位規(guī)劃資料，九峰明渠排水走廊控制寬度為60 m，底寬為22 m，現(xiàn)狀斷面與規(guī)劃斷面相比，需要整體拓寬。拓寬之后斷面形式采用緩坡形式處理，過水?dāng)嗝娌捎蒙鷳B(tài)護(hù)坡，岸坡比采用1∶2。

渠道橫斷面設(shè)計(jì)方案共分為三段：珞喻東路—新建節(jié)制閘段（樁號范圍k0+000～k0+060）、新建節(jié)制閘—基本農(nóng)田段（樁號范圍k0+060～k0+180）、基本農(nóng)田—終點(diǎn)段（樁號范圍k0+620～K1+350）。其中珞喻東路—新建節(jié)制閘段的設(shè)計(jì)排水廊道寬度60 m，該段渠道底寬為22 m，水深2.0 m，邊坡系數(shù)m=2，粗糙系數(shù)n=0.025，坡度i=0.000 65，水面寬度為30 m，上開口寬度為36 m（包含兩側(cè)濱水步道）。在渠道工程設(shè)計(jì)的同時(shí)，還綜合考慮了項(xiàng)目整體的景觀效果。以水景環(huán)境小品、精致的鋪裝地面為表現(xiàn)對象，以各種特色植被綠化為主，輔以流線形的組合造型，形成多種組合的形式各異的植物空間，在打造渠道濱水景觀的同時(shí)，構(gòu)建雨水濕地和雨水滯留設(shè)施等海綿元素，營造出色彩鮮明、清新自然的風(fēng)格。沿線兩岸種植灌木及花草類植物，成自然條帶式布置，形成親水綠化帶，設(shè)計(jì)水位以上設(shè)置綠地及2 m 濱水步道，并適當(dāng)布置游憩設(shè)施，為市民休閑、運(yùn)動(dòng)及娛樂提供綠色場所。珞喻東路—新建節(jié)制閘段渠道設(shè)計(jì)橫斷面圖如圖2 所示。

圖2 九峰明渠珞喻東路—新建節(jié)制閘段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

新建節(jié)制閘—基本農(nóng)田段、基本農(nóng)田—終點(diǎn)段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面根據(jù)地形條件有所差別，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 九峰明渠新建節(jié)制閘—基本農(nóng)田段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖4 九峰明渠基本農(nóng)田—終點(diǎn)段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2.4 渠道邊坡設(shè)計(jì)

根據(jù)九峰明渠所在區(qū)域地質(zhì)條件、渠道功能、渠道形狀、邊坡坡度等具體情況，在選擇護(hù)坡類型時(shí)，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、美觀和生態(tài)性的要求，并同時(shí)具有良好透水性、生態(tài)和環(huán)境親和性，能實(shí)現(xiàn)植生綠化，而且還有一定抗水流沖刷能力。

渠道邊坡的設(shè)計(jì)方式根據(jù)常水位線來確定，常水位線+300 mm 以上至濱水步道護(hù)坡采用蜂巢格室+栽種挺水固土植被形式，常水位線+300 mm 以下護(hù)坡則采用預(yù)制混凝土連鎖制品+ 沉水植物形式，既能保證渠道行洪、排澇功能，又能保證邊坡的穩(wěn)定和安全。

在連鎖混凝土制品以及土基之間布置碎石墊層及透水土工布，允許地下水滲出，從而防止了土體細(xì)顆粒被沖刷帶走形成管涌的現(xiàn)象，保護(hù)邊坡穩(wěn)定性。

渠道護(hù)砌結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 九峰明渠渠道護(hù)砌結(jié)構(gòu)圖

3 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

該項(xiàng)目通過實(shí)施內(nèi)源治理、截污納管、初期雨水控制、增加王家店污水處理廠處理能力等一系列工程措施來消除九峰明渠內(nèi)源和截?cái)嗤庠次廴疚?。在消除各類污染源后，在?xiàng)目建設(shè)范圍內(nèi)通過實(shí)施海綿城市設(shè)施建設(shè)、生態(tài)多樣性構(gòu)建、水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等多種措施來提升渠道污染物削減和水體自凈能力。

為了進(jìn)一步控制城市面源污染對河道水質(zhì)的影響，結(jié)合渠道周圍的地形地貌，建設(shè)了下沉式綠地、植草溝、雨水花園、雨水濕地等海綿城市設(shè)施，充分利用渠道邊坡的空間，進(jìn)行生態(tài)化改造和生態(tài)多樣性的構(gòu)建，充分利用海綿城市設(shè)施中的植物、微生物等的作用實(shí)現(xiàn)污染物的削減和凈化，保證了渠道良好的水質(zhì)環(huán)境。

建立水生態(tài)系統(tǒng)的主要作用是提高水體水質(zhì)凈化能力，增加水體和底泥的溶解氧，改善氧化還原環(huán)境，促進(jìn)水體中懸浮物的沉降，提高透明度，具有重要的生態(tài)效益和景觀價(jià)值。水生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施的控制點(diǎn)主要是在邊坡以及渠底、水面，其中以常水位線作為劃分線，水線以上種植親水性植物，淺水與水陸交接處點(diǎn)綴種植挺水植物為主。

生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施過程中，在渠道22 m 底寬范圍內(nèi)全線種植沉水植物。由于九峰明渠水體現(xiàn)狀透明度較低，沉水植物難以存活，因此該工程選取的是生態(tài)懸浮網(wǎng)工藝進(jìn)行沉水植物的種植。該工藝可以根據(jù)水體情況，合理控制水生植物種植深度；避免藥劑投放，無需改善透明度；無需調(diào)節(jié)渠道水位；可有效抵抗流水沖擊；生態(tài)懸浮網(wǎng)工藝采用無結(jié)網(wǎng)作為附著基，通過前期在附著基上噴涂的固化酶，后期附著基上著生的藻類、原生動(dòng)物、輪蟲及多種微生物形成的復(fù)雜生物膜，能有效降低水體營養(yǎng)鹽濃度。根據(jù)目前九峰明渠的狀況，采用此工藝能大幅度提升水生植物存活率。生態(tài)懸浮網(wǎng)工藝設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖如圖6、圖7 所示。

圖6 生態(tài)懸浮網(wǎng)工藝設(shè)計(jì)圖

圖7 生態(tài)懸浮網(wǎng)實(shí)物圖

挺水植物的種植采用蜂巢格室+ 栽種挺水固土植被形式，保證渠道護(hù)坡的生態(tài)及景觀功能，蜂巢約束系統(tǒng)護(hù)坡是先進(jìn)高分子合金技術(shù)生產(chǎn)的聚合物寬帶，經(jīng)超聲波焊接而成的蜂巢式三維網(wǎng)狀物，與泥土、植被、沙石或混凝土等材料有機(jī)結(jié)合構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和剛度的結(jié)構(gòu)。沉水植物的種植采用預(yù)制混凝土連鎖制品+ 沉水植物形式，在多孔結(jié)構(gòu)上種植固土沉水植被，在兼具生態(tài)性能的同時(shí)可以有效避免水流沖刷。挺水植物和沉水植物的種植方式可以滿足渠道的行洪要求，而且可以較好地實(shí)現(xiàn)防沖刷，保證邊坡穩(wěn)定，為水生植物提供了穩(wěn)定的生長環(huán)境，有利于發(fā)揮渠道的生態(tài)價(jià)值。

由于渠道水位受雨水的影響而經(jīng)常變化，不適宜在渠道邊緣種植沉水植物，所以我們選擇幾種挺水植物搭配種植：蘆葦、香蒲、再力花、千屈菜、水生美人蕉等。

渠道內(nèi)種植的水生植物種類及數(shù)量見表3 所列。

表3 九峰明渠水生植物種類及數(shù)量一覽表

其中，竹葉眼子菜、輪葉黑藻、苦草這三種沉水植物的生長速度較快，在合理密植的情況下，其年吸收總氮的總量分別為1.8、1.15、0.95 kg/m2。按照設(shè)計(jì)的種植面積與密度，在種植存活后兩個(gè)月左右時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到水質(zhì)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié) 語

城市渠道為城市提供了防洪通道，保護(hù)了人民生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也為城市居民提供了優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境和休憩空間。在生態(tài)文明建設(shè)的背景下，城市渠道設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足防洪需求后，搭配植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)渠道綜合治理的目標(biāo)。通過生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與構(gòu)建，持續(xù)去除水體污染物，保持渠道水體水質(zhì)，改善生態(tài)環(huán)境，提高景觀效果，塑造多樣化的渠道生態(tài)空間，實(shí)現(xiàn)城市渠道的可持續(xù)發(fā)展。