风峪河上游生态治理工程设计

陈 刚

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司）

1 风峪河上游概况

风峪河流经晋源区，属汾河一级支流，也是太原市区的一条主要河流。发源于太原西部边山，流域面积56.7 km2，流域长度18.2 km，平均纵坡26‰。其中，平原河道长8.2 km，平均纵坡9.14‰。该河属于季节性山洪河道，整个流域均在晋祠泉域范围内，以店头村为界，下游区域为晋祠泉域的重点保护区范围，上游区域为一般保护区范围。

风峪河流域上游地貌大部分为砂页岩土石山区，有多处采石场，地表部分面积裸露，多数为树林、密灌。据调查，流域上游需治理区共有一级支沟108条，二级支沟226 条，沟壑密度9.6 条/km2。

风峪河流域上游土壤为山地黄土质褐土性土，有较薄的腐殖质层，土体砾石含量较多，土层厚度小于50 cm，肥力中等，土地干旱缺水，水土流失较为严重。据调查，流域上游植被覆盖率达86.9%，现有植被大多为人工林和灌草，乔木林以刺槐、油松和侧柏为主，灌木有蚂蚱腿子、小叶鼠李、黄刺玫、沙棘和山桃，经济林有苹果、梨树、核桃和杏等，草种有蒿草、白羊草等。

2 风峪河上游的水土流失与治理现状

2.1 水土流失状况

风峪河上游区域的水土流失以水蚀为主，伴随重力侵蚀，溯源侵蚀是沟道延伸的主要形式。区域水土流失面积22.85 km2，其中，轻度侵蚀7.90 km2，占34.57%；中度侵蚀8.73 km2，占38.20%；强烈侵蚀3.10 km2，占13.57%；极强烈侵蚀1.71 km2，占7.48%；剧烈侵蚀1.42 km2，占6.21%。年均土壤侵蚀模数3 693 t/km2，总体土壤侵蚀程度属中度。产生水土流失的原因，其自然因素主要为暴雨，人为因素主要为开矿弃渣与破坏植被。

2.2 水土保持现状

经过多年努力，至2018年底，区域累计治理水土流失面积647.32 hm2，其中，修建水平梯田43.56 hm2，营造乔木林105.68 hm2，灌木林408.44 hm2，封禁治理89.64 hm2，有效缓解了较为严重的水土流失，改善了生态环境。

2.3 目前存在问题

一是部分区域林草植被覆盖率较低，难以控制水土流失；二是沟道拦挡工程较少，雨季河水泥沙含量大，淤积下游影响行洪；三是耕地和经济林配套灌溉设施不足，生产潜力难以充分发挥。

3 风峪河上游生态治理的必要性和工程建设任务

3.1 必要性

风峪河等太原市区内的9 条河道，分别连接东山、西山，这是太原市的两道生态保护屏障。为了进一步完善城市防洪排涝体系，需从源头上治理消减洪峰，降低上游洪水对下游的威胁。从源头的水环境治理入手，通过植树造林涵养水源，保障河道恢复生态基流，促进河流恢复其原有的生态功能，进一步改善汾河水质，为晋祠泉水复流奠定基础。

3.2 工程建设任务

生态工程建设的主要任务，包括：缓洪拦沙，减少流入汾河的泥沙，降低下游洪水总量；改善风峪河生态环境，营造新的生态景观，改善太原中心城市周边风貌，提高环境承载力；有效蓄存利用汛期洪水，恢复生态基流，促进河流恢复生态功能，并对晋祠泉进行补水；提高土地利用率，改善农村生产条件和农民生活环境。

4 生态工程建设规模与工程设计

4.1 工程建设规模与设计标准

根据风峪河上游生态现状，结合建设目标与任务，确定2019年新增生态治理面积2 118.76 hm2，具体分项规模与设计标准如下：

4.1.1 水保林工程

改造水保林2 089.01 hm2，均为乔木与灌木林。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，均通过新造或补植改造为乔木林和灌木林。

4.1.2 水窖工程

修建水窖70 座，同时配套建设供水管线，保证经济林的灌溉需水和水保林的补植用水。水窖一般采用10 a 一遇24 h 最大暴雨设计，道路区水窖采用10 a 一遇6 h 最大暴雨设计。

4.1.3 谷坊工程

修建石谷坊232 座，设计标准为20 a 一遇6 h最大暴雨。

4.1.4 滚水坝工程

修建滚水坝7 座，设计标准为10 a 一遇24 h 最大暴雨。

4.2 生态工程典型设计

4.2.1 水窖

根据灌溉要求、汇流情况以及道路排水沟情况，进行水窖布设。在林地范围内，根据地形及道路情况确定水窖的位置，水窖容积选择30 m3和50 m3。

（1）来水量计算。根据水窖控制的汇水面积，按下列公式计算来水量：

式中：WL——年来水量，m3；

F——集水面积，m2；

H24——设计标准为10 a 一遇24 h 最大暴雨量，取91 mm；

φ——径流系数，采用当地经验值0.45。

（2）水窖容量计算。采用下列公式：

式中：V——水窖容量，m3；

W——10 a 一遇暴雨24 h 径流量，m3；

Vs——设计清淤年累计泥沙淤积量（按3 a 计算），m3；

K——安全系数，取1.2-1.3。

（3）泥沙淤积量计算。采用下列公式：

式中：Ms——年土壤侵蚀模数（按治理前的土壤侵蚀模数考虑），取2 000 m3/km2。

经计算，集水面积为800 m2时的水窖容量为48.80 m3，因此确定修建50 m3水窖的集水面积以不超过800 m2为宜；同理，30 m3水窖的集水面积以不超过500 m2为宜。

4.2.2 谷坊

根据确定的谷坊设计标准，以其中一小沟道（典型沟道）的谷坊群为例进行典型设计。该沟长度为196.47 m，高差30 m。

根据当地条件，谷坊宜选择浆砌石结构，坝高4.5 m，顶宽1.5 m，迎水面坡比1∶0.2，背水面坡比1∶1，溢洪口布设在坝顶。谷坊底部设结合槽，尺寸为1.0 m×0.5 m；谷坊下游沟床布设干砌石护坦防冲，长度为10 m。为防止不均匀沉降及热胀冷缩对谷坊的破坏，谷坊坝长间隔10 m 设置一道伸缩缝。谷坊坝上布设排水孔，背水面设反滤。

4.2.3 滚水坝

滚水坝工程级别为1 级，在其中一级支沟的沟道中段（典型沟道）设4 座滚水坝，控制流域面积4.80 km2。典型设计如下：

滚水坝选择浆砌石结构，坝高10 m，顶宽2.5 m，埋深2 m，脚趾宽1 m、高1 m，迎水面坡比1∶0.3，背水面坡比1∶0.75（见图1）；滚水坝下游沟床布设浆砌石护坦防冲，长度为10 m；为防止不均匀沉降及热胀冷缩对滚水坝体的破坏，坝段间隔10 m 设置一道伸缩缝；滚水坝上布设排水孔，背水面设反滤。

图1 滚水坝坝体断面图

滚水坝溢流段堰面曲线采用幂曲线，方程为：x1.85=3.171y。上游边坡1∶0.3，下游边坡1∶0.7，底部最大宽度10.5 m，上、下游齿墙深1.0 m。为了增加溢流面的抗冲性能，溢流面用C30砼浇筑，厚0.5 m。采用挑流消能，挑流半径2.12 m，挑射角21.41°。浆砌石护坦长12 m，护坦宽34 m。

4.2.4 造林

对现有的其他林地和灌木林进行补植，同时改造一部分其他草地和裸地为有林地，树种采用油松、侧柏、山桃、山杏、塔桧和火炬树等，株行距2 m×2 m。

根据地形不同，分别采用不同的整地方式。地面坡度小于15°时，采用块状整地；地面坡度15°-25°时，采用水平阶或水平沟整地；地面坡度大于25°时，采用鱼鳞坑整地。

整地规格：（1）水平沟。沟长4-5 m，上口宽1 m，底宽0.5 m，沟间土埂宽度0.54 m，间距2 m；（2）水平阶。阶宽1.2 m，阶长4-5 m，间距2 m；（3）鱼鳞坑。尺寸为1.0 m×0.6 m×0.6 m，栽植坑尺寸为0.6 m×0.6 m×0.6 m。

由于该流域处于干旱半干旱地区，应在8-9月份提前整地，利用坑穴蓄积水分，在次年4-5月份进行栽树。主要栽植技术详见表1。

表1 风峪沟上游生态治理宜选树种造林技术表

5 生态治理效益分析

规划设计的生态工程实施后，风峪河流域上游的水土流失治理度和生态质量将大大提高，林草覆盖率将提高到89.80%。据测算，治理区年保土能力可达31.79 万t，年增加蓄水量344.22 万m3，新增水面面积28.71 hm2。生态环境明显改善，有利于野生动物的繁衍，减轻面源污染和下游的防洪压力，并为市民提供休闲、娱乐、观光于一体的生态旅游场所，具有显著的经济效益和社会效益。