水利水电工程师关于河道综合治理工程设计

一、项目概况

北川河由于河床比降大，水流湍急，洪水因暴雨形成，陡涨陡落，峰量高，历时短，又多发生在夜晚，防不胜防。本次北川河治理防洪标准采用百年一遇，百年一遇洪峰流量430m3/s。查阅北川河多年的泥沙统计资料可知，北川河泥沙含量并不大，但是泥沙颗粒非常细，小于0.05mm细颗粒占65.7%，夏季水色黄浊，感官较差，影响景观效果。而这一季节正是人们渴望亲水的季节，水质制约着西宁市人居环境的改善，也不利于提升城市品位和旅游形象。因此，市委市政府提出了“清水入城”的总体要求。对于超细颗粒泥沙的沉淀处理方案也成为本项目的一个难点和挑战。

二、工程设计总体方案

1.泥沙沉淀方案

从项目基本情况可以看出，要实现“清水入城”的总体目标，核心是解决水色黄浊的问题，也就是超细颗粒的沉淀问题。北川河水量丰沛，多年平均流量17.4m3/s，汛期7—9月，月平均流量大于30m3/s，若对全部天然来水进行沉淀处理后再进入城区，难度非常大。因此，对泥沙的处理方案总体思路确定为“以排为主、按需处理”，在工程总体布局上，将河道分为内河和外河，内河是城区的生态景观核心，外河在城区外侧，肩负着防洪保安的作用，根据河道位置和功能的不同区别对待，仅对内河所需的生态水量进行沉沙处理，保证内河为清水，外河仍然以泄洪排沙为主。经计算，从水环境角度，内河所需生态水量为2.7m3/s。也就是说，只对这一部分水量进行泥沙处理，其余水量通过外河排走。根据工程实际情况，对常规泥沙处理方法、排沙漏斗、超磁工艺等泥沙处理方案进行了比较。(1)常规沉沙池方案常规沉沙池多用于灌溉、供水、引水发电等，为减少田间淤积或降低水轮机、水泵磨蚀而设，多用于处理0.05mm以上的泥沙。沉沙条渠可根据进出口建筑物控制，对泥沙沉降进行一定调节，使沉降效果较好，但长度大、占地大。经初步计算，本工程若采用传统沉沙条渠，处理2.7m3/s的流动水量，需要池长8.1km、水深2.5m、宽200m。针对西宁市区用地紧张的情况，常规沉沙条渠池是不适用的。(2)排沙漏斗清水分离装置排沙漏斗对粒径大于0.5mm的泥沙排除率接近100%，对粒径为0.5～0.05mm的泥沙可排除90%以上。排沙耗水量平均仅占总引水量的3%～5%，但是常规排沙漏斗对小于0.05mm的泥沙沉降率不理想。近年，周著教授等科技工作者在常规排沙漏斗的基础上，针对小于0.05mm以下粒径的泥沙，进一步研制出了排沙漏斗清水分离装置，可对超细颗粒的浑水进行沉淀、分离，达到很好的效果，但仅在农村饮水等少量工程中应用，还没有较大流量的实际工程经验。排沙漏斗清水分离装置的优点：占地小，无须外加动力，运行管理简单，排除泥沙直接冲走，不需清淤。缺点是需要较大的高差，对本工程而言，需要8m左右的高差。(3)超磁工艺处理高浊度水超磁工艺处理高浊度水的工作原理是：浑水经提升至混凝反应池，与一定浓度磁粉均匀混合，形成以磁粉为“核”的微磁絮团;混凝反应池出水流入超磁分离设备，在高强度磁场作用下，磁性微絮团吸附在磁盘上，磁盘在旋转过程中絮团被带出水面，通过位于水面之上的刮渣条将吸附的絮团从磁盘上刮离，实现微磁絮团与水体的分离，出水返回景观水体。由磁盘打捞出来的微磁絮团经磁回收系统实现磁粉和非磁性污泥的分离，磁粉循环使用，污泥进入污泥池，处理或外运。本处理方案的优点是占地小，处理效果好，且有保证。缺点是投资大，后期运行费较高。(4)沉沙方案及建议根据以上比较分析，沉沙条渠占地大，不适用于本工程，本工程可以采用湖泊形沉沙池，通过对沉沙池出口节制闸进行控制，采用静置沉沙的方式，以利于细颗粒悬移质的沉淀，当分水闸放水入沉沙池沉淀至水变清后，再向景观水系内河放水。根据工程实际情况推荐方案：主沉沙池选用静置沉沙方案，同时在岸边建设1个1m3/s的排沙漏斗浑水分离清水装置试验工程，进行悬移质泥沙处理实验，若实验效果较好，可在大沉沙池淤积满后不进行清淤，作为后期利用土地。

2.工程总体布局

从防洪角度来讲，汛期时应以“泄”为主，最好保持河道通畅，排泄泥沙，安全度汛，但是汛期水量大、不稳定，水质浑浊，景观效果差。如果主河道多级蓄水形成水面，汛期运行操作复杂，存在安全隐患，水质问题同样难以处理。项目组通过对泄洪、景观河道结合的方案，双层河道方案，河道分槽方案，分离河道方案进行了多方位比选，选择了分离河道方案，即泄洪与生态景观河道分离布置，分为内河和外河。外河在城区外侧，以泄洪功能为主;内河布置在主城区侧，以生态景观功能为主。

三、外河设计

西宁市地形呈现“四山夹三河”的“十”字形分布，市区位于河谷地带，市区的土地资源非常紧张。外河设计防洪标准为100年一遇，流量为430m3/s。为防洪安全，外河需要足够大的过流断面。但洪水是有一定几率的，北川河多年平均流量仅17.4m3/s。鉴于此，本次设计创造性提出“利用河底空间资源，考虑洪水几率，河底生态化”的治理方案。首次尝试在国内打造北方河流的“清溪川”模式。考虑不同流量状态的几率性和其呈现的效果及用地资源的紧张状况，设计外河底宽40m，河底设子槽，子槽宽16～25m，深1.2m，可保证夏季一般流量下不出子槽，使子槽两岸滩地成为人们的亲水活动场所。子槽采用格宾石笼防护，在满足较大的抗冲流速下兼具一定的生态性，利于水生植物生长。沿子槽间隔设置亲水台阶与景观平台，充分利用了河底空间资源;两岸采用台阶状分级处理，亲水节点位置降低单级台阶高程，有利于安全疏散。

四、内河设计

内河为生态景观河道，全长4.6km，无防洪任务。在内河设计中，以景观为主线，生态理念贯穿始终，营造了蜿蜒曲折、跌水、深潭、浅滩等多样化生境，采用了自然石、木桩、自然缓坡等透水、多孔隙的生态护岸形式。在岸边5m宽范围内，水深0.3～0.5m，保证人们的亲水安全。北川河纵坡较陡，由于河道纵比降较大，全段高差约25m，为保证景观效果，需要形成水面，设计共布置6级蓄水建筑物，采用溢流堰的形式，设计提出“一堰一景”的目标，结合城市历史、周边环境，打造了灵活多样的溢流堰形式，使其成为工程的新亮点。

五、滨水景观

滨水地带是城市景观的核心，更是城市文化的展示之地。以生态的视角打造北川河，通过大面积的风景林和生态修复，形成绿色廊道;以“水”为线索，以纯朴大气的高原生态湿地环境为基底，打造西宁周边最大的综合性湿地休闲文化旅游区;以青海和西宁文化为亮点，形成线性的文化展示廊道，最终实现“生态之河、绿色廊道、以水兴城、城河一体”的目标。沿河景观分区由北向南以历史时间为脉络，可分为5个景观区(园)：①远古神话园。以远古文化及昆仑文化为线索，讲述远古时期5000年前马家窑文化及汉代以前的古羌文明，结合昆仑文化的神奇传说，共同演绎中华民族共有的精神家园和文明根基。以祭天圣地、西王圣母、盘古开天、古羌忆事、文明碎片等节点和雕塑一一展示。②感悟静思园。以高原生态湿地环境为基底，将现状水面扩大，并形成大小不一的多个岛屿、半岛，增加水体的流经长度和过水面积。在湿地西侧，以生态科普湿地展示景观为主，结合木栈道、生态亭廊、观鸟塔等建筑，还原自然的生态湿地环境。湿地东侧是以养生休闲为主要内容，以宗教带给人的感悟为主题，根据从各个宗教中提取出的共同要素———对宇宙的思索、对人生的思考等精神探索，构建整个园区的支线，将整个园区营造成一片静逸的“心灵圣地”。③河湟史诗园。分别设置了西平初现、铜印鉴古、河湟驿路、烽火连台、墙影昔现、古道交融、文成西行等节点，以历史的发展线索来展示西宁的历史变迁，结合特定时期出现的重大历史事件，展现河湟地区及北川的地域文化，展示西宁深厚的历史积淀及其对中华民族文化史的重大影响，给人以历史的厚重感和身为西宁人的自豪感。④民族文化园。以多族合鸣、水筑圣境、医显五源、草原盛会等节点展现各民族的辉煌历史文化、民族之间的团结友爱。⑤夏都魅力园。以大水面为中心，商业、绿地、广场等沿水边布局，结合上位规划，在水面的西侧滨水地带规划有三个多层商业建筑群，在建筑群的南北两侧形成两个大型节点，分别取意于昆仑金镶玉和银镶玉，即灵泉彩韵和会商聚宝。在大水面东侧，与西侧相呼应，形成一个以昆仑玉为主题的大型圆形景观空间。以现代的设计手法、景观元素来展现新时代的西宁魅力。

六、结语

城市河道水生态治理涉及诸多方面的问题，是规划、水文、水工、景观、市政等多学科的融合，是一项十分复杂的综合性系统性工作。本工程在建设前期方案及后期建设过程中，业主、城市规划单位、水利工程设计单位、景观工程设计单位、市政工程设计单位等进行了多次沟通和协调，最终拿出了相对合理、科学、可操作的方案，为北川河工程的顺利实施奠定了基础。北川河的设计，在保证河流安全的基础上，响应了水生态文明设计理念，通过多角度、多专业的协调和统筹规划，实现了“清水入城”的目标，营造了“水清、岸绿、景美”的水景观，形成了“亲水、近绿、怡人”的生态环境新格局，是设计人员对城市河道水生态设计的一次大胆尝试与探索。

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