用于山区减脱水河道修复的防渗型阶梯-深潭系统的制作方法

本发明涉及河道生态修复技术领域，具体涉及一种用于山区减脱水河道修复的防渗型阶梯-深潭系统。

背景技术：

受历史上多种因素(包括政策、规划、设计、资金、技术水平等)制约，我国早期开发建成至今仍在运行的一些小水电站工程尤其是引水式电站，造成了坝(闸)下河道内水量较自然条件下减少或断流。已有研究表明，减脱水河段的产生，破坏了河流的连通性，影响下游河道生态用水，使水生生物及其生境受到较大损害，此外水量大幅减小也可能使水质变差，引起水生态系统恶化。过去一段时间内，因为小水电站主要建在山区河流，位置相对偏远，人们对其造成的河道减脱水问题关注度不高。但是，随着国家对生态优先和绿色发展的重视，以及公众对水环境、水景观的要求越来越高，水电站发电与下游河道生态用水需求的矛盾日益突出，开展减脱水河道生态修复的需求越来越旺盛。

人工阶梯-深潭系统作为河道水生栖息地修复工程的主要类型之一，在国内外山区河流生态治理中已有少量应用案例(余国安,王兆印,张康等.应用人工阶梯-深潭治理下切河流——吊嘎河的尝试.水力发电学报,2008,27(1):85-9；china,andersons,collisona,etal.linkingtheoryandpracticeforrestorationofstep-poolstreams.environmentalmanagement,2009,43(4):645-661)。其原理是基于对自然阶梯-深潭系统结构及形态的模仿，利用人工抛石、设置丁坝等措施，在河床上构建具有一定挡水、蓄水功能的阶梯-深潭序列，营造相对稳定和多样性的水生生物栖息地，以达到河道生态治理的目的。目前，国内外现有的人工阶梯-深潭系统主要是通过抛石、丁坝等挡水设施，改变河流水体沿河道纵向和横向的流量与流向，以塑造多样性的栖息地(余国安,王兆印,张康等.人工阶梯-深潭改善下切河流水生栖息地及生态的作用.水利学报,2008,39(2):162-7)，但由于未设置防渗保水措施，其无法防止水体沿河床垂向渗漏，因此难以直接应用于渗透性强的减脱水河道生态修复中。

本发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：我国广大山区河流的砂卵质河床渗漏量较大，特别是具有喀斯特地形的山区河流，河床渗漏问题尤为突出。同时，针对山区小水电站减脱水问题开展的现场调研结果表明：①小水电站通过坝(闸)下泄流量极少，下游河道普遍断流；②仅在降雨或洪水后，减脱水河道的一些潭坑内滞留少量水；③由于砂卵质河床渗漏严重，这些滞留的少量水在短期内损失殆尽。因此，若不解决砂卵质河床渗漏问题，减脱水河道内滞留的少量河水也难以蓄存，水生生物必需的基本生存空间或避难场所将无法维持。

因此，针对小水电站减脱水河道生态修复的现实需求以及山区河流的砂卵质河床渗漏问题，设计具有防渗性能的人工阶梯-深潭技术方案，在我国山区小水电站减脱水河道生态恢复以及其他工程扰动下中小河流生态治理方面，具有重要的应用价值。

技术实现要素：

针对上述情况，本发明提出的是一种用于山区减脱水河道修复的防渗型阶梯-深潭系统，其目的旨在克服现有技术存在的缺陷，通过对山区减脱水河道内分布的一些潭坑进行防渗改造，在砂卵质河床上构建兼具防渗、蓄水性能的阶梯-深潭系统，可为山区减脱水河道内鱼类等水生生物提供基本的避难场所，满足河道生态用水需求。

本发明采用如下技术方案：

一种用于山区减脱水河道修复的防渗型阶梯-深潭系统，整体呈凹坑状，包括在山区减脱水河道内设置的具有防渗性能的深潭和挡水性能的阶梯，阶梯采用大小不同的石头以相互嵌套方式堆叠在深潭边缘，所述深潭从下至上依次由坑底砂卵石、衬底小碎石、衬底细沙、防渗层、垫层粗沙和表层砂卵石构成，潭坑深度为0.5～2m。

进一步的，所述深潭的制作步骤如下：

所述坑底砂卵石为潭坑内原有大块卵石或砾石，用衬底小碎石填平坑底砂卵石内随机分布的陷坑，使坑底在河床纵向剖面呈凹陷圆弧形，粒径为1～4cm，在填平坑底砂卵石内陷坑后布设厚度为5～8cm；

衬底细沙作为防渗层的底部衬砌物，布设于衬底小碎石之上和防渗层之下，粒径小于0.35mm，布设厚度5～7cm；

防渗层利用防渗土工布或当地黏土材料进行处理；

垫层粗沙作为防渗层的顶部衬砌物，布设于防渗层上面，粒径为0.5～2mm，厚度5～8cm；

仿照天然河床的砂卵结构，在垫层粗沙之上布设表层砂卵石，使深潭达到水生生物栖息地条件。

进一步的，防渗层选用防渗土工布为1～3mm厚的高密度聚乙烯土工膜；若选用黏土，需结合黏土渗透系数、潭坑水位、保水时间，利用达西定律推算确定压实黏土的厚度。

进一步的，所述表层砂卵石由卵石、砾石、石块、小碎石中的一种或几种组成。

进一步的，阶梯高度为0.5～1m，起拦水、护潭作用。

进一步的，所述防渗型阶梯-深潭系统的大小依据具体河床中现有潭坑形状而定，呈单个布设或多个分散或连续布设，其布设数量依据具体减脱水河道内生态用水需求以及各个潭坑的蓄存水量而定。

本发明的优点和效果在于：通过采用低成本的防渗材料对山区减脱水河道内现有的一些潭坑进行防渗处理，在砂卵质河床上构建兼具防渗、蓄水性能的阶梯-深潭系统，可为鱼类等水生生物提供避难场所，促进生物密度上升和种群数量恢复；在南方山区某典型小水电站坝下约400m的减水河段内分散布设10处人工防渗型阶梯-深潭系统，进行为期6个月的生态修复实验表明：与修复之前相比，单位面积底栖动物密度上升约22％，土著鱼的数量增加约18％；对河道本身影响小，由于只是对减脱水河道内现有潭坑进行适当改造和利用，所建阶梯高度小于1m，不影响河道行洪等；设计简单，施工容易，布设形式和数量因地制宜，无需运行成本，适用于降雨丰富山区的小水电站减脱水河道生态修复，也可应用于降雨少但定期下泄一定流量的坝下游河道生态治理。

附图说明

图1为本发明防渗型阶梯-深潭系统沿河床纵向剖面结构示意图；

图2为本发明单个防渗型阶梯-深潭系统布设于减脱水河道纵向剖面示意图；

图3为本发明单个防渗型阶梯-深潭系统布设于减脱水河道俯视示意图；

图4为本发明多个防渗型阶梯-深潭系统分散布设于减脱水河道纵向剖面示意图；

图5为本发明多个防渗型阶梯-深潭系统分散布设于减脱水河道俯视示意图；

图6为本发明多个防渗型阶梯-深潭系统连续布设于减脱水河道纵向剖面示意图；

图7为本发明多个防渗型阶梯-深潭系统连续布设于减脱水河道俯视示意图。

图中：1—深潭，2—阶梯，3—坑底砂卵石，4—衬底小碎石，5—衬底细沙，6—防渗层，7—垫层细沙，8—表层砂卵石。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明防渗型阶梯-深潭系统沿河床纵向剖面结构示意图，所述阶梯-深潭系统整体呈凹坑状，包括在山区小水电站减脱水河道内设置的具有防渗性能的深潭1和挡水性能的阶梯2，深潭1采用防渗土工布、黏土以及碎石、卵石、沙等材料对河道内现有的一些潭坑进行防渗改造而成，潭坑深度一般0.5～2m；阶梯2采用大小不同的石头以相互嵌套方式堆叠在深潭1边缘，防止洪水对深潭1的冲击破坏，同时起到拦水作用，高度为0.5～1m。

所述深潭1从下至上依次由坑底砂卵石3、衬底小碎石4、衬底细沙5、防渗层6、垫层粗沙7和表层砂卵石8构成，即在坑底砂卵石3上布设一层坑底砂卵石3，坑底砂卵石3上面铺设一层衬底细沙5，衬底细沙5上面布设一层防渗材料形成防渗层6，防渗层6铺设一层垫层粗沙7，垫层粗沙7上面布设一层与自然河床结构基本一致的表层砂卵石8。

所述坑底砂卵石3为潭坑内原有大块卵石或砾石(一般粒径10cm以上)。衬底小碎石4用于填平坑底砂卵石3内随机分布的陷坑，使坑底河床纵向剖面呈凹陷圆弧形，衬底小碎石4粒径为1～4cm，在填平坑底砂卵石3内陷坑后确定布设厚度5～8cm。衬底细沙5作为防渗层6的底部衬砌物，布设于衬底小碎石4之上和防渗层6之下，衬底细沙5粒径小于0.35mm，布设厚度5～7cm。防渗层6利用防渗土工布或当地黏土等材料进行处理，选用防渗土工布为1～3mm厚的高密度聚乙烯土工膜；若选用黏土，需结合黏土渗透系数、潭坑蓄存水位、保水时间等因素，利用达西定律公式推算确定黏土厚度(例如：当黏土系数为0.001m/d、平均水深1m时，如果确保2个月内因渗流导致潭坑水位下降不超过0.5m，则至少需要黏土厚度12cm)。垫层粗沙7作为防渗层6的顶部衬砌物，布设于防渗层6上面，粒径为0.5～2mm，厚度5-8cm。仿照天然河床的砂卵结构，在垫层粗沙7之上布设表层砂卵石8，使深潭1达到水生生物栖息地条件，表层砂卵石8可由大小不同的卵石、砾石、石块、碎石等多种材料构成。

所述阶梯-深潭系统的大小依据具体河床中现有潭坑形状而定，既可单个布设(图2和图3)，也可多个分散布设(图4和图5)，还可以多个连续布设(图6和图7)，其布设数量依据具体减脱水河道内生态用水需求以及各个潭坑的蓄存水量而定。

本发明通过采用低成本的防渗材料对山区减脱水河道内现有的一些潭坑进行防渗处理，在砂卵质河床上构建兼具防渗、蓄水性能的阶梯-深潭系统，可为鱼类等水生生物提供避难场所；对河道本身影响小，由于只是对减脱水河道内现有潭坑进行适当改造和利用，所建阶梯高度小于1m，不影响河道行洪等；设计简单，施工容易，布设形式和数量因地制宜，无需运行成本，适用于降雨丰富山区的小水电站减脱水河道生态修复，也可应用于降雨少但定期下泄一定流量的坝下游河道生态治理。