水利工程建设中生态堤防设计初探

摘要：本文深入探讨了水利工程建设中生态堤防设计的相关内容，首先阐述了生态堤防的设计理念与必要性，剖析了当前生态堤防建设面临的主要问题，详细分析了生态堤防设计的核心要素，通过典型案例展示技术应用效果，旨在为相关研究人员提供一定的参考，同时推动水利工程与生态环境的协调发展。

关键词：水利工程；生态保护；堤防设计

水利工程在保障防洪安全、促进水资源合理利用等方面发挥着至关重要的作用，然而，传统的堤防设计往往侧重于防洪功能，忽视了对河流生态系统的影响，随着人们对生态环境保护意识的不断提高，生态堤防设计应运而生，生态堤防旨在实现防洪功能与生态保护的有机结合，促进水利工程的可持续发展，深入研究生态堤防设计对于推动水利行业的绿色发展具有重要的理论和实践意义。

1生态堤防的设计理念与必要性

1.1核心理念

生态堤防以“自然恢复 + 人工干预”为根本原则，这一原则体现了对自然规律的尊重以及人类合理引导生态恢复的积极作用，在保障防洪功能这一基本前提的基础上，着重强调维持河流生态系统的完整性，河流生态系统是一个复杂的综合体，包括水体、水生生物、陆域生物以及周边的生态环境等多个组成部分，生态堤防设计需充分融合景观生态学与水文动力学的理论知识。景观生态学关注生态系统的空间格局和生态过程，强调生物与环境之间的相互关系，在生态堤防设计中，运用景观生态学原理，能够合理规划堤防的布局和形态，使其与周边自然景观相协调，为生物提供适宜的栖息环境；水文动力学则研究水流的运动规律及其与边界条件的相互作用，通过考虑水文动力学因素，设计出的堤防能够更好地适应水流的变化，保证行洪安全，同时促进水体的自然循环和生态交换。

1.2必要性分析

1.2.1生态保护需求

传统直立式堤防在水利工程建设中曾被广泛应用，然而其对河流生态系统产生了诸多负面影响，直立式堤防的建设导致滩涂面积大幅缩减，滩涂作为河流生态系统的重要组成部分，是许多生物的栖息地和繁殖场所，滩涂的减少使得生物的生存空间受到挤压，许多依赖滩涂生存的物种数量减少，生物多样性下降，此外，传统堤防破坏了河流的自然生态连通性，阻碍了水陆之间的物质和能量交换，河流的自净能力也受到严重影响，因为自然的生态连通性对于河流中污染物的分解和净化起着关键作用，而生态堤防的建设则可以有效修复这些问题，生态堤防通过采用自然材料和生态技术，恢复河流的自然形态和生态连通性，为两栖生物等提供了栖息通道，有利于生物的迁徙和繁殖，促进生物多样性的恢复，同时生态堤防的植被和透水结构能够增强河流的自净能力，改善水质，保护河流生态环境[1]。

1.2.2 可持续发展要求

可持续发展是当今社会发展的重要理念，水利工程建设也必须遵循这一原则，传统的堤防建设大量使用混凝土等材料，不仅对环境造成了较大的压力，而且可能引发一系列次生灾害，例如，混凝土堤防改变了土壤的自然结构和水分循环，可能导致山体滑坡等地质灾害的发生，同时，混凝土结构的不透水性会导致雨水无法自然渗透，增加了地表径流，容易引发洪水和泥沙淤积等问题。生态堤防在建设过程中，通过减少混凝土等传统材料的使用，推广透水材料的应用，能够有效降低工程对局部气候和土壤结构的破坏，透水材料允许水分渗透，有助于维持土壤的湿度和透气性，减少水土流失和山体滑坡的风险。

2当前生态堤防建设的主要问题

2.1技术与设计矛盾

2.1.1部分工程为节约成本采用直立式结构

在一些生态堤防建设项目中，部分工程建设方为了节约成本，仍然采用传统的直立式结构，这种结构虽然在防洪方面具有一定的有效性，但从生态角度来看，却存在严重的弊端，直立式结构切断了水陆之间的生态联系，形成了一道屏障，使得水生生物无法顺利上岸，陆生生物也难以接近水域，导致水陆生态阻隔，这不仅影响了生物的迁徙和觅食，还破坏了生态系统的完整性和稳定性。

2.1.2传统设计偏重防洪功能，忽视生态廊道构建

传统的堤防设计往往将重点完全放在防洪功能上，在规划和设计过程中，忽视了生态廊道的构建，生态廊道是连接不同生态区域的通道，对于生物的扩散、迁徙和基因交流至关重要，例如，河湾、浅滩等自然形态是河流生态系统中重要的生态廊道组成部分，它们为许多生物提供了栖息、繁殖和觅食的场所，然而，在传统设计中，这些自然形态常常被忽视或改变，取而代之的是规则的、笔直的河道和单一的堤防结构，这种设计方式破坏了生态廊道的连续性，使得生物的生存空间被碎片化，不利于生物多样性的保护和生态系统的健康发展。

2.2材料与成本限制

2.2.1生态材料的耐久性不足，且施工成本较高

生态材料在生态堤防建设中具有重要作用，如石笼、植物纤维等材料被广泛应用，然而，这些生态材料普遍存在耐久性不足的问题，石笼虽然具有一定的透水性和稳定性，但长期受到水流冲刷和风化作用的影响，其结构可能会逐渐损坏，植物纤维材料则容易受到微生物分解和自然环境的侵蚀，导致其使用寿命缩短[2]。

2.2.2植被成活率受水文条件影响大，需长期维护投入

在生态堤防建设中，植被护坡是一种常见的生态技术，然而，植被的成活率受到水文条件的显著影响。例如，水位的频繁变化、水流速度的大小以及水质的好坏等因素都会对植被的生长产生重要影响，如果水位过高或过低，可能导致植被被淹死或干旱致死；水流速度过大则可能冲刷植被根系，影响其稳定性，为了保证植被的成活率和生长状况，需要长期的维护投入，这包括定期的浇水、施肥、修剪、病虫害防治等工作，这些维护工作不仅需要专业的技术人员和设备，还需要持续的资金支持，对于一些大型的生态堤防项目，长期的维护投入是一笔不小的开支，这也在一定程度上制约了生态堤防建设的发展。

3生态堤防设计的核心要素

3.1堤线布置与断面设计

3.1.1自然形态模拟

在生态堤防设计中，模拟自然形态是至关重要的环节，自然界中的河道具有宽窄变化的特征，这种变化形成了多样化的生态环境，为众多生物提供了适宜的生存空间，因此，在堤线布置和断面设计时，应尽量保留河道的宽窄变化。设计多样化的断面形式是实现自然形态模拟的关键，复式断面是一种常见的设计形式，它通常由主河槽和滩地组成，在不同水位条件下能够发挥不同的功能，在洪水期，主河槽能够容纳较大的流量，保证行洪安全；而在枯水期，滩地则露出水面，为生物提供栖息和觅食的场所，多级台阶断面也是一种有效的设计形式，这种断面通过设置不同高度的台阶，形成了丰富的水陆过渡带，增加了生物的栖息空间和生态多样性。

3.1.2亲水性设计

亲水性设计是生态堤防设计的重要理念之一，旨在增强人与水的互动，同时促进水陆生态的交互，采用二级挡墙或缓坡结构是实现亲水性设计的常见方法，二级挡墙结构在保证防洪安全的前提下，通过设置较低的一级挡墙，在洪水期可以阻挡水流，而在枯水期，一级挡墙露出水面，人们可以接近水面，感受水的魅力，缓坡结构则是将堤防的坡面设计得较为平缓，使人们能够更方便地走到水边[3]。此外，设置淹没区也是亲水性设计的重要措施，淹没区在洪水期被水淹没，成为水域的一部分，而在枯水期则露出水面，形成湿地环境，这种设计促进了水陆之间的物质和能量交换，为生物提供了更多的栖息和繁殖场所，例如，黄浦江防汛墙的生态孔设计，不仅增加了防汛墙的透水性，还为水生生物提供了栖息和穿梭的通道，同时也为人们提供了观赏水生生物的机会，体现了亲水性设计的理念。如图1：

3.2生态护坡技术

3.2.1植被型护岸

植被型护岸是生态护坡技术的重要组成部分，它通过在堤防坡面种植植物来实现护坡和生态保护的双重目的，分区域种植湿地植物和灌木是植被型护岸的常见做法，湿地植物如芦苇、菖蒲等具有较强的适应水生环境的能力，它们的根系能够固定土壤，防止水土流失，同时，这些植物还能够吸收水中的营养物质和污染物，起到净化水质的作用，在堤防坡面的不同区域，根据水位变化和土壤条件，合理种植湿地植物，可以形成有效的缓冲带；灌木的种植则可以进一步增强护坡的稳定性，灌木的根系更为发达，能够深入土壤，增强土壤的凝聚力，此外，灌木还可以为鸟类等生物提供栖息和觅食的场所，增加生态系统的多样性，通过合理搭配湿地植物和灌木，形成层次分明的植被结构，不仅能够有效保护堤防坡面，还能够营造出优美的生态景观[4]。

3.2.2结构性护坡

结构性护坡是利用特殊的材料和结构来增强堤防坡面的稳定性，石笼填石和格宾网等透水材料是常用的结构性护坡材料，石笼填石是将天然石块填充在钢丝网箱内，形成具有一定强度和透水性的结构，石笼的孔隙率可达 25% - 30%，这些孔隙为鱼类等水生生物提供了栖息和藏身的场所，同时也允许水流渗透，减少水流对坡面的冲刷，格宾网则是一种由高强度钢丝编织而成的网箱结构，同样具有良好的透水性和稳定性。在使用结构性护坡材料时，结合根系固土能力强的植物，如柳树等，可以进一步增强稳定性，柳树的根系发达，能够深入土壤，与结构性护坡材料相互配合，提高堤防坡面的抗冲刷能力，同时，柳树的生长也为生态系统增添了生机和活力。

3.3水文生态修复

3.3.1构建人工湿地与生态浮岛，恢复鱼类洄游通道

人工湿地是模拟自然湿地生态系统构建的人工生态系统，它通过种植水生植物、设置填料等方式，对污水进行净化处理，同时为生物提供栖息和繁殖的场所，在生态堤防建设中，构建人工湿地可以有效地改善水质，恢复河流的生态功能，生态浮岛则是一种漂浮在水面上的人工生态载体，它通过种植水生植物，吸收水中的营养物质，改善水体环境，生态浮岛还可以为鸟类等生物提供栖息和觅食的场所，增加生态系统的多样性[5]。恢复鱼类洄游通道对于保护河流生态系统的完整性至关重要，许多鱼类具有洄游的习性，它们需要在不同的水域环境中完成繁殖、生长等生命活动，然而，传统的堤防建设往往阻断了鱼类的洄游通道，通过在堤防上设置鱼道、涵洞等设施，以及构建人工湿地和生态浮岛，为鱼类提供适宜的洄游环境，有助于恢复鱼类的洄游通道，促进鱼类资源的保护和恢复。如图2：

3.3.2通过流量调控模拟自然水文节律，避免河道渠化

自然水文节律对于河流生态系统的健康发展具有重要意义，河流的流量、水位等水文要素在不同的季节和年份呈现出一定的变化规律，这种变化为生物提供了多样化的生存环境，然而，传统的水利工程建设往往改变了自然水文节律，导致河道渠化，河道渠化使得河道的形态变得规则、笔直，水流速度和水位变化相对稳定，这虽然有利于防洪和航运等功能的实现，但却破坏了河流的自然生态环境，为了避免河道渠化，在生态堤防设计中，应通过流量调控等手段模拟自然水文节律。流量调控可以通过合理设置水闸、泵站等水利设施，根据不同季节和河流生态需求，调节河流的流量，例如，在枯水期适当增加流量，维持河道的生态基流，保证水生生物的生存环境；在洪水期合理控制流量，减轻洪水对堤防和周边环境的压力，通过模拟自然水文节律，能够恢复河流的自然生态功能，为生物提供更加适宜的生存环境，促进生态系统的健康发展。

4结语：

综上所述，生态堤防设计是一项综合性的工程，它涉及到多方面的专业知识和技能，生态堤防的建设需要兼顾防洪和生态保护两方面的需求，而生态保护又是生态堤防建设中最为重要的内容，因此，在进行生态堤防设计时，应坚持以人为本、生态优先的原则，充分考虑当地自然环境和社会经济发展状况，遵循自然规律，采用科学合理的设计方法，促进我国水利工程建设向可持续发展方向迈进。

参考文献：

[1]宋世强，李珍，徐晓娟，等.基于文献计量法的国内堤防生态服务功能评价研究[J].水利信息化，2023，（05）：54-58.

[2]李福来.水利工程中堤防护岸工程施工技术研究[J].中国设备工程，2022，（15）：197-199.

[3]刘硕.生态堤防设计在水利工程中的应用探讨[J].智能城市，2021，7（12）：161-162.

[4]董传海，王冰，李方超.浅谈“海绵城市”规划下构建海堤工程“生态堤防”的探索——以洪梅镇堤防达标加固工程为例[J].水上安全，2023，（10）：64-66.

作者简介：刘泽宇（1992.01）男，汉族，湖南岳阳，硕士，工程师，从事水利工程设计方向工作