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摘 要：在水利工程中，生态堤防设计尤为关键，不仅可以维持河流水平平衡的生态系统，而且可以确保经济社会的可持续健康发展。对此，文章以生态堤防设计作用及原则为基础，以清水县牛头河生态防洪工程为例，重点阐述了如何设计生态堤防，总结经验等内容，以便能够更好地指导实践工作。
关键词：水利工程;生态堤防;设计
中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）08-007-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.004
当前，我国生态环境质量每况愈下，水污染、大气污染等问题层出不穷，嚴重制约了经济社会的可持续健康发展[1]。作为事关国计民生的重大项目，水利工程施工过程中会不同程度地污染或破坏生态环境。为了优化生态环境，水利工程建设开始越来越重视生态环境保护。生态堤防应运而生，并结合水利工程现状进行科学设计，以此来提高整个工程的生态建设水平。
1 生态堤防设计的主要作用
对于传统堤防而言，运用到的材料主要为混凝土、水泥以及沥青等，并采取复合式、自立式，亦或是斜坡式等相关结构型式，在重视经济以及安全的背景下，对河流生态功能造成了影响。在经济社会发展速度逐渐加快的形势下，人民群众的生活水平得到了全面提升，对水利工程的要求也越来越高。基于此，需要在确保防洪安全的同时，对水利工程和居住环境进行优化，确保人们能够拥有舒适的休闲场所，构建养殖渔业、山水田园等相关绿水经济带。
因此，针对堤防生态设计的需求越来越强烈，其在实际运用过程中发挥着重要作用，主要表现为：其一，生态堤防设计能够对水土流失状况进行全面优化，普遍采用柔性结构生态材料，抗震效果显著，可积极适应地基不均匀沉降的情况，确保水利工程安全运行。其二，生态堤防设计符合人与自然和谐相处的理念，满足了群众对生态环境的需求。因生态材料亲水性能较佳，可保障生物与植物健康成长，发挥优化景观环境、净化水质、改善生态环境等功能[2]。其三，生态堤防设计中整合了与水土保持相关的理念，落实好水土保持工作，能够对水环境质量进行全面优化，以此确保当地经济可持续健康发展。其四，生态堤防建设还具有强化土壤、涵养水源的作用。在旱季来到时，能够对地表径流进行有效补充，合理分配与利用水资源。在汛期，其能够有效吸收多余的雨水，防洪功能明显。其五，生态堤防设计可避免过多的泥沙进入河流，确保河道始终保持畅通，预防洪涝等自然灾害发生。
2 生态堤防设计原则
2.1 整体性、安全性原则
生态堤防设计中要突出整体性原则，需要从整个水利工程建设需求出发，关注堤防建设在长期和短期取得的各种效益，在设计之初就要保证堤防与自然充分融合在一起，最大限度提高生态堤防的综合效益。通常来说，水利工程堤防建设发挥着防洪度汛等功能，还要将安全性原则放在重要位置，通过实地考察，掌握地形地势、环境交通等情况，保证在堤防设计中消除安全隐患，为后续施工创造条件，保证取得预期建设效益，也避免出现事故风险。
2.2 因地制宜原则
水利工程生态堤防设计中还要提高对堤线布置的重视程度，对设计者而言，需要坚持“因地制宜”的原则，将河流水域最原始的自然形态保留下来[3]。要以河流原有的蜿蜒形态或者分叉散乱的形态为前提，有针对性地完成生态堤防设计，保证堤防建设与周边环境融为一体。此外，堤防的间距设计也是一项关键内容，要重视为生态系统中各种生物的正常生长与发育提供所需的生态环境，将河流水的净化功能充分体现出来。在堤线布置过程中，要全面考虑到堤型选择，一般情况下，堤型会根据“因地制宜”的基本原则选用当地材料建设。这种方法既能推动生态堤防设计的正常进行，也能满足生态系统的要求，保证后期水利工程能够发挥应有的作用。
2.3 生态效益性原则
在以往的水利工程堤防设计过程中，对自然环境保护与治理的重视程度不够，过于关注河道河流内部问题，忽视了生态系统的稳定性，未采取相应的保护措施。这样，堤防建设后极易发生生态效益不平衡的问题，而生态堤防设计可以解决这些问题。所谓生态效益性原则，就是必须给予自然生灵足够的尊重，按照“生态治水、生态管水”等思路进行，保证工程建设尽可能减少对生态环境带来的影响，能够提高综合效益。要在不破坏河流生物生存需要的基础上，保留水生动植物进行繁衍以及生存的相关场所，使人和自然之间能够和谐共存，形成人水共荣的良好局面。
3 以清水县牛头河生态防洪工程为例
3.1 工程区概况
该工程处于天水市清水县东部低中山区，牛头河是渭河的主要分支。该河流上段分布着森林，植被较多，径流来自于上游，中游河道较为开阔，两岸阶地大多数开垦成耕地，清水县则处于该河流左岸的阶地上;下游穿过峡谷，河道弯弯曲曲，凸岸存在大量耕地，两岸为石山，植被情况一般。
3.2 工程设计
3.2.1 工程总体布置
此工程需要在确保现有堤防防洪标准的基础上，将其逐步改造成生态堤防，设置泄洪槽，其流量控制在21.7m3/s，槽位设计在河道中间，采取塔式宾格石笼结构，泄洪槽到两岸堤防之间设计生态湿地公园，种植相关花卉、搭配园林小品、人行景观道路、广场等。
3.2.2 泄洪槽设计
泄洪槽根据明渠均匀流公式，对水力进行准确计算，主要公式为：
流量：Q=AV=AC Ri=A R2/3i1/2;
谢才系数：C= R1/6;
根据该河流的实际情况与计算公式，计算出泄洪槽宽10m，深度为2.0m。
泄洪槽设计采取塔式宾格石笼结构，底部设计为C20砼栽卵石结构，深2m，宽10m。泄洪槽设计如图1所示。 3.2.3 生态护坡设计
堤距宽度确定。严格按照《堤防工程设计规范》进行设计，并确定该河流近两年的流水流量情况为造床流量。同时，堤距指两岸堤线中心距离，即洪水治导线宽度。稳定河宽计算公式：
其中，B为河槽稳定宽度（m）;Q为造床流量（m3/s），Q50%=86.1（m3/s）;J为河床比降，J=0.005;ε為断面河相系数，ε=7.84。根据计算结果，B=36.46m，再根据河床实际情况，原堤防设计堤距为120m～130m，其堤距均>稳定河宽计算数值，因此沿用旧堤线。
护坡结构选择。基于施工区域规划实际情况，选择采用宾格石笼护坡，因网箱与石块的结合使用具有挠性，植生型宾格石笼具有高柔韧性，能够适应河床变形的情况。同时，具有较佳的透水性，能够长期稳定边坡;具有较强的淤泥性，可保障自然植被健康成长，促使结构同周边环境完全融合，生态效果显著。再加上宾格石笼建设周期较短、施工效率高，同混凝土相比，对环境的影响相对较小。
堤防横断面设计。结合多方实际情况，该堤防堤身采取梯形结构，筑堤材料使用河床砂砾石，填筑密度不得低于0.6～0.62[4]。护坡设计为植生型宾格石笼，边坡为1：1.5，护坡厚度为0.3m，在河床面铺设宽2.5m的宾格石笼，采取水平铺盖的方法，厚度控制在0.3m。植生型宾格石笼则采取六边形双绞合钢丝网，底座采取加筋聚合物的盖板，制作成形生态网垫结构，并喷播高性能生态基材，实现迅速绿化的目标。生态护坡设计如图2所示，植生型宾格石笼结构如图3所示。
3.2.4 生态景观设计
生态景观设计中，应积极种植花卉，搭配园林小品、小广场及人行景观道路，加强绿化。其中，以灌木及矮化的乔木、草皮为主，其是绿化的重点。灌木可选择冬青、黄杨、紫薇、迎春等;乔木可选择棕榈、玉兰、桂花孤植等;花卉可采取丛植、片植、花坛的方式，栽植芍药、郁金香、一串红、波斯菊等;草皮可选择紫花地丁、紫花苜蓿、野牛草等;园林小品可顺着景观道路布置休闲长椅、石桌石凳、景观石堆、垃圾桶等。
4 结语
在水利工程中，生态堤防设计尤为必要，目前我国的相关运用还未成熟，设计技术及能力较为滞后。所以，相关单位及部门必须严格遵照生态堤防设计原则及标准，结合水利工程现状进行科学设计，有力促进水利工程向生态化、科学化的方向发展。
参考文献
[1] 曾曦，朱丹丹，范鸿杰.山区型河流生态堤防设计——以西昌麻柳河为例[J].智能城市，2020，6（22）：7-9.
[2] 欧徽彬.生态堤防设计在水利工程中的应用探讨[J].工程技术研究，2020，5（6）：235-236.
[3] 王震宇.生态堤防设计原则及问题分析[J].水利规划与设计，2018（11）：20-22.
[4] 于晓琳.格宾石笼在生态堤防工程中的适用性分析[J].黑龙江水利科技，2018，46（2）：39-41.
关键词：水利工程;生态堤防;设计
中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）08-007-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.004
当前，我国生态环境质量每况愈下，水污染、大气污染等问题层出不穷，嚴重制约了经济社会的可持续健康发展[1]。作为事关国计民生的重大项目，水利工程施工过程中会不同程度地污染或破坏生态环境。为了优化生态环境，水利工程建设开始越来越重视生态环境保护。生态堤防应运而生，并结合水利工程现状进行科学设计，以此来提高整个工程的生态建设水平。
1 生态堤防设计的主要作用
对于传统堤防而言，运用到的材料主要为混凝土、水泥以及沥青等，并采取复合式、自立式，亦或是斜坡式等相关结构型式，在重视经济以及安全的背景下，对河流生态功能造成了影响。在经济社会发展速度逐渐加快的形势下，人民群众的生活水平得到了全面提升，对水利工程的要求也越来越高。基于此，需要在确保防洪安全的同时，对水利工程和居住环境进行优化，确保人们能够拥有舒适的休闲场所，构建养殖渔业、山水田园等相关绿水经济带。
因此，针对堤防生态设计的需求越来越强烈，其在实际运用过程中发挥着重要作用，主要表现为：其一，生态堤防设计能够对水土流失状况进行全面优化，普遍采用柔性结构生态材料，抗震效果显著，可积极适应地基不均匀沉降的情况，确保水利工程安全运行。其二，生态堤防设计符合人与自然和谐相处的理念，满足了群众对生态环境的需求。因生态材料亲水性能较佳，可保障生物与植物健康成长，发挥优化景观环境、净化水质、改善生态环境等功能[2]。其三，生态堤防设计中整合了与水土保持相关的理念，落实好水土保持工作，能够对水环境质量进行全面优化，以此确保当地经济可持续健康发展。其四，生态堤防建设还具有强化土壤、涵养水源的作用。在旱季来到时，能够对地表径流进行有效补充，合理分配与利用水资源。在汛期，其能够有效吸收多余的雨水，防洪功能明显。其五，生态堤防设计可避免过多的泥沙进入河流，确保河道始终保持畅通，预防洪涝等自然灾害发生。
2 生态堤防设计原则
2.1 整体性、安全性原则
生态堤防设计中要突出整体性原则，需要从整个水利工程建设需求出发，关注堤防建设在长期和短期取得的各种效益，在设计之初就要保证堤防与自然充分融合在一起，最大限度提高生态堤防的综合效益。通常来说，水利工程堤防建设发挥着防洪度汛等功能，还要将安全性原则放在重要位置，通过实地考察，掌握地形地势、环境交通等情况，保证在堤防设计中消除安全隐患，为后续施工创造条件，保证取得预期建设效益，也避免出现事故风险。
2.2 因地制宜原则
水利工程生态堤防设计中还要提高对堤线布置的重视程度，对设计者而言，需要坚持“因地制宜”的原则，将河流水域最原始的自然形态保留下来[3]。要以河流原有的蜿蜒形态或者分叉散乱的形态为前提，有针对性地完成生态堤防设计，保证堤防建设与周边环境融为一体。此外，堤防的间距设计也是一项关键内容，要重视为生态系统中各种生物的正常生长与发育提供所需的生态环境，将河流水的净化功能充分体现出来。在堤线布置过程中，要全面考虑到堤型选择，一般情况下，堤型会根据“因地制宜”的基本原则选用当地材料建设。这种方法既能推动生态堤防设计的正常进行，也能满足生态系统的要求，保证后期水利工程能够发挥应有的作用。
2.3 生态效益性原则
在以往的水利工程堤防设计过程中，对自然环境保护与治理的重视程度不够，过于关注河道河流内部问题，忽视了生态系统的稳定性，未采取相应的保护措施。这样，堤防建设后极易发生生态效益不平衡的问题，而生态堤防设计可以解决这些问题。所谓生态效益性原则，就是必须给予自然生灵足够的尊重，按照“生态治水、生态管水”等思路进行，保证工程建设尽可能减少对生态环境带来的影响，能够提高综合效益。要在不破坏河流生物生存需要的基础上，保留水生动植物进行繁衍以及生存的相关场所，使人和自然之间能够和谐共存，形成人水共荣的良好局面。
3 以清水县牛头河生态防洪工程为例
3.1 工程区概况
该工程处于天水市清水县东部低中山区，牛头河是渭河的主要分支。该河流上段分布着森林，植被较多，径流来自于上游，中游河道较为开阔，两岸阶地大多数开垦成耕地，清水县则处于该河流左岸的阶地上;下游穿过峡谷，河道弯弯曲曲，凸岸存在大量耕地，两岸为石山，植被情况一般。
3.2 工程设计
3.2.1 工程总体布置
此工程需要在确保现有堤防防洪标准的基础上，将其逐步改造成生态堤防，设置泄洪槽，其流量控制在21.7m3/s，槽位设计在河道中间，采取塔式宾格石笼结构，泄洪槽到两岸堤防之间设计生态湿地公园，种植相关花卉、搭配园林小品、人行景观道路、广场等。
3.2.2 泄洪槽设计
泄洪槽根据明渠均匀流公式，对水力进行准确计算，主要公式为：
流量：Q=AV=AC Ri=A R2/3i1/2;
谢才系数：C= R1/6;
根据该河流的实际情况与计算公式，计算出泄洪槽宽10m，深度为2.0m。
泄洪槽设计采取塔式宾格石笼结构，底部设计为C20砼栽卵石结构，深2m，宽10m。泄洪槽设计如图1所示。 3.2.3 生态护坡设计
堤距宽度确定。严格按照《堤防工程设计规范》进行设计，并确定该河流近两年的流水流量情况为造床流量。同时，堤距指两岸堤线中心距离，即洪水治导线宽度。稳定河宽计算公式：
其中，B为河槽稳定宽度（m）;Q为造床流量（m3/s），Q50%=86.1（m3/s）;J为河床比降，J=0.005;ε為断面河相系数，ε=7.84。根据计算结果，B=36.46m，再根据河床实际情况，原堤防设计堤距为120m～130m，其堤距均>稳定河宽计算数值，因此沿用旧堤线。
护坡结构选择。基于施工区域规划实际情况，选择采用宾格石笼护坡，因网箱与石块的结合使用具有挠性，植生型宾格石笼具有高柔韧性，能够适应河床变形的情况。同时，具有较佳的透水性，能够长期稳定边坡;具有较强的淤泥性，可保障自然植被健康成长，促使结构同周边环境完全融合，生态效果显著。再加上宾格石笼建设周期较短、施工效率高，同混凝土相比，对环境的影响相对较小。
堤防横断面设计。结合多方实际情况，该堤防堤身采取梯形结构，筑堤材料使用河床砂砾石，填筑密度不得低于0.6～0.62[4]。护坡设计为植生型宾格石笼，边坡为1：1.5，护坡厚度为0.3m，在河床面铺设宽2.5m的宾格石笼，采取水平铺盖的方法，厚度控制在0.3m。植生型宾格石笼则采取六边形双绞合钢丝网，底座采取加筋聚合物的盖板，制作成形生态网垫结构，并喷播高性能生态基材，实现迅速绿化的目标。生态护坡设计如图2所示，植生型宾格石笼结构如图3所示。
3.2.4 生态景观设计
生态景观设计中，应积极种植花卉，搭配园林小品、小广场及人行景观道路，加强绿化。其中，以灌木及矮化的乔木、草皮为主，其是绿化的重点。灌木可选择冬青、黄杨、紫薇、迎春等;乔木可选择棕榈、玉兰、桂花孤植等;花卉可采取丛植、片植、花坛的方式，栽植芍药、郁金香、一串红、波斯菊等;草皮可选择紫花地丁、紫花苜蓿、野牛草等;园林小品可顺着景观道路布置休闲长椅、石桌石凳、景观石堆、垃圾桶等。
4 结语
在水利工程中，生态堤防设计尤为必要，目前我国的相关运用还未成熟，设计技术及能力较为滞后。所以，相关单位及部门必须严格遵照生态堤防设计原则及标准，结合水利工程现状进行科学设计，有力促进水利工程向生态化、科学化的方向发展。
参考文献
[1] 曾曦，朱丹丹，范鸿杰.山区型河流生态堤防设计——以西昌麻柳河为例[J].智能城市，2020，6（22）：7-9.
[2] 欧徽彬.生态堤防设计在水利工程中的应用探讨[J].工程技术研究，2020，5（6）：235-236.
[3] 王震宇.生态堤防设计原则及问题分析[J].水利规划与设计，2018（11）：20-22.
[4] 于晓琳.格宾石笼在生态堤防工程中的适用性分析[J].黑龙江水利科技，2018，46（2）：39-41.