一种城市顺直河道内自然型滩岛群人工构建方法与流程

本发明涉及一种城市顺直河道内自然型滩岛群人工构建方法。

背景技术：

近些年来，随着城市化的快速进展，许多城市河流出于土地利用便利和行洪安全的考虑在规划阶段往往进行渠道化和直线化的建设，使其天然形态和走向往往被大肆改变。如将河槽束窄和河岸硬化加快了河水的流速，减少降雨期间径流下渗和截留比例，使峰量增加，峰值提前，河流水质相应恶化。这些渠道化后的河道由于占地、工程量等方面的原因往往使断面规则化、几何化。除使河流冲淤发生变化，对行洪安全造成影响之外，还会导致河流内部地貌多样性的消失，致使自然河流中的主流、支流、浅滩和急流相间的格局发生变化。这种变化直接造成水中生境的退化，河流生物急剧减少或消失。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种城市顺直河道内自然型滩岛群人工构建方法解决了城市河流的渠道化和直线化的建设，造成水中生境的退化，河流生物急剧减少或消失的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种城市顺直河道内自然型滩岛群人工构建方法，包括以下步骤：

s1、根据河相关系和河道的现状地势，得到几种滩岛的初步平面布局；

s2、根据河道的现状地势，建立河道的物理模型；

s3、采用河道的物理模型对滩岛的初步平面布局进行验证，得到最优滩岛的平面布局；

s4、根据最优滩岛的平面布局，采用河道天然材料对边滩和江心洲岛进行构建。

进一步地，步骤s1包括以下步骤：

s11、根据河相关系和稳定河湾公式，初步得到边滩数量和边滩之间的距离；

s12、根据边滩数量和边滩之间的距离，得到河道的现状地势上的几种边滩初步平面布局；

s13、在河道的下游设置江心洲岛；

s14、根据岛屿理论，确定边滩和江心洲岛的面积，得到几种滩岛的初步平面布局。

进一步地，步骤s11中稳定河湾公式为：

lm＝12b

tm＝4～5b

其中，lm为河湾跨度，b为河宽，tm为幅度。

进一步地，步骤s2中河道的物理模型包括：水动力模型和生境模型。

进一步地，水动力模型为：

其中，t为时间，x为笛卡尔坐标系下的横坐标，y为笛卡尔坐标系下的纵坐标，11为水位，h为静置水深，u为流速在x方向上的分量，v为流速在y方向上的分量，pa为当地大气压，ρ为水的密度，ρ0为参考水密度，f为coriolis力参数，sxx、sxy、syx和syy为辐射应力分量，txx、txy、tyx和tyy为水平粘滞应力项，τsx、τbx、τsy和τby为有效剪切力分量，s为源项，us、vs为源汇项水流流速，为沿水深平均的流速。

进一步地，生境模型为：

其中，wua为目标物种有效栖息地面积，n为单元个数，ai为第i个单元的面积，csf(vi，ci，di)为第i个单元的综合的适宜性值，vi为第i个单元的流速，ci为第i个单元的河床地质，di为第i个单元的水深适宜度指数。

进一步地，步骤s4中对边滩进行构建的方法为：在河道岸坡位置由底层至上层依次投放砾石堆，直到与亲水平台持平，并在边滩上游种植水生植物；

所述边滩的底层砾石堆中砾石的粒径为5-10cm；

所述边滩的上层砾石堆中砾石的粒径为15-40cm。

进一步地，步骤s4中对江心洲岛进行构建的方法为：在河道的主河槽的中心位置由底层、中层至上层依次投放砾石堆，在上层上从下至上依次铺放土工布、土层和种植植被，并采用圆木和木桩固定外侧，得到江心洲岛。

所述江心洲岛的底层砾石堆中砾石的粒径为5-10cm；

所述江心洲岛的中层砾石堆中砾石的粒径为15-40cm；

所述江心洲岛的上层砾石堆中砾石的粒径为5-10cm，其上层砾石堆的高度为20cm，其距正常水位10cm的高度；

所述江心洲岛的土层为15cm的高度

综上，本发明的有益效果为：本发明通过以天然河床材料为基础，通过河相关系确定河道内边滩间距和个数，根据岛屿理论确定其面积；江心洲可布置在河道下游，面积大小根据实际情况与岛屿理论确定，并建立了河道物理模型，对其布局进行合理性验证，最终确定最优布局；布设的人工滩岛，提高河流地貌的多样性，这不仅可以为河道提供多样化水力条件，提高生物栖息地质量，而且可以满足河道水质提升的要求，对于河流生态保护与修复有着重要作用。

附图说明

图1为一种城市顺直河道内自然型滩岛群人工构建方法的流程图；

图2为稳定河湾平面形态要素示意图；

图3为河道断面示意图

图4为布局1的边滩与河道的剖面图；

图5为布局2的边滩与河道的剖面图；

图6为布局3的边滩与河道的剖面图；

图7为布局4的边滩与河道的剖面图；

图8为布局5的边滩与河道的剖面图；

图9为布局6的边滩与河道的剖面图；

图10为布局7的边滩与河道的剖面图；

图11为布局8的边滩与河道的剖面图；

图12为滩岛俯视图；

图13为边滩的剖面图；

图14为江心洲岛的俯视示意图；

图15为江心洲岛的剖面图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种城市顺直河道内自然型滩岛群人工构建方法，包括以下步骤：

s1、根据河相关系和河道的现状地势，得到几种滩岛的初步平面布局；

步骤s1包括以下步骤：

s11、根据河相关系和稳定河湾公式，初步得到边滩数量和边滩之间的距离；

步骤s11中稳定河湾公式为，如图2所示：

lm＝12b

tm＝4～5b

其中，lm为河湾跨度，b为河宽，tm为幅度。

s12、根据边滩数量和边滩之间的距离，得到河道的现状地势上的几种边滩初步平面布局；

s13、在河道的下游设置江心洲岛；

在本实施例中：一段长1km，主河槽宽20m的城市河道，河道坡降为0.2‰，河道糙率取0.025，岸坡比和亲水平台宽度如图3所示。

首先，基于河相关系，稳定河湾公式，初步确定边滩的数量。

其次，进行边滩、江心洲数量确定，进行布局。根据稳定河湾公式，知第一个边滩与第三个边滩的距离为12倍的水面宽度，幅度tm为4～5倍水面宽度。

河段底宽18m，河槽开口宽20m，河段长1000m，从第50m处开始，第950m结束，江心洲岛只在河段下游进行布设。结合研究河段稳定河湾公式与断面实际状况，分为以下几种布局，如图4～11所示。

s14、根据岛屿理论，确定边滩和江心洲岛的面积，得到几种滩岛的初步平面布局，如图12所示。

在本实施例中，确定边滩和江心洲岛面积的具体实现方式为：

根据岛屿理论，物种的数目与岛屿面积和离岸距离(针对江心洲岛)之间存在一定的关系。在确定面积时应遵循以下原理：

代表性原理。在实际河段中，应首先确定河流中特有保护物种，查阅其适合生存的环境，在确定面积时加以考虑。

全面性原理。因为研究对象是城市河流，所以确定面积时，应综合考虑。如上述例子中，河槽较窄，考虑河道排水功能，面积不宜过大。

生态性原理。考虑对河流环境的影响，尽可能就地取材和利用河道一些天然的材料。如砾石、圆木等。

s2、根据河道的现状地势，建立河道的物理模型；

步骤s2中河道的物理模型包括：水动力模型和生境模型。

水动力模型为：

其中，t为时间，x为笛卡尔坐标系下的横坐标，y为笛卡尔坐标系下的纵坐标，η为水位，h为静置水深，u为流速在x方向上的分量，v为流速在y方向上的分量，pa为当地大气压，ρ为水的密度，ρ0为参考水密度，f为coriolis力参数，sxx、sxy、syx和syy为辐射应力分量，txx、txy、tyx和tyy为水平粘滞应力项，τsx、τbx、τsy和τby为有效剪切力分量，s为源项，us、vs为源汇项水流流速，为沿水深平均的流速。

生境模型为：

其中，wua为目标物种有效栖息地面积，n为单元个数，ai为第i个单元的面积，csf(vi，ci，di)为第i个单元的综合的适宜性值，vi为第i个单元的流速，ci为第i个单元的河床地质，di为第i个单元的水深适宜度指数。

s3、采用河道的物理模型对滩岛的初步平面布局进行验证，得到最优滩岛的平面布局；

步骤s3的具体实现方式为：根据实际工况，建立水动力模型和生境模型，模型如上。对规划设计的布局方案进行模拟，根据模拟结果，对布局前后的水深流速多样性、河道过水能力、保护物种生存条件(栖息地)、对岸坡冲刷情况等方面进行研究分析，从而确定最优布局。

s4、根据最优滩岛的平面布局，采用河道天然材料对边滩和江心洲岛进行构建。

步骤s4中对边滩进行构建的方法为：在河道岸坡位置由底层至上层依次投放砾石堆，直到与亲水平台持平，并在边滩上游种植水生植物，用于净化水质，如图13所示；

所述边滩的底层砾石堆中砾石的粒径为5-10cm；

所述边滩的上层砾石堆中砾石的粒径为15-40cm。

步骤s4中对江心洲岛进行构建的方法为：在河道的主河槽的中心位置由底层、中层至上层依次投放砾石堆，在上层上从下至上依次铺放土工布、土层和种植植被，并采用圆木和木桩固定外侧，得到江心洲岛，如图14～15所示。

所述江心洲岛的底层砾石堆中砾石的粒径为5-10cm；

所述江心洲岛的中层砾石堆中砾石的粒径为15-40cm；

所述江心洲岛的上层砾石堆中砾石的粒径为5-10cm，其上层砾石堆堆砌的高度为20cm，其距正常水位10cm的高度；

所述江心洲岛的土层为15cm的高度。

滩岛形状可呈现多样化，可为规则形状，也可为不规则的。