河岸帶適宜寬度要求與確定方法

夏繼紅，鞠 蕾，林俊強(qiáng)，陳永明，王為木，韓玉玲，胡 玲

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098;2.密西西比大學(xué)國家水科學(xué)計算與工程中心，密西西比州牛津 38655;3.浙江省河道管理總站，浙江杭州 310009)

河岸帶(Riparian Zone)是陸地系統(tǒng)與水域系統(tǒng)之間的過渡帶［1-2］，由于其獨特的邊緣效應(yīng)特點，具有調(diào)節(jié)水流、調(diào)蓄洪水、緩沖污染、提供棲息地、調(diào)節(jié)氣候、提供資源、景觀旅游等自然保護(hù)、生態(tài)保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)價值等功能［3-5］。隨著人們對河岸帶認(rèn)識的進(jìn)一步深入，很多國家越來越重視河岸帶的建設(shè)、保護(hù)和管理，認(rèn)識到保證河岸帶寬度要求是發(fā)揮其功能的關(guān)鍵因子，并對其寬度做出了明確規(guī)定［6］。如，美國自20世紀(jì)60年代末開始河岸帶的研究，制定了河岸帶保護(hù)與建設(shè)導(dǎo)則和條例，提出了包括河岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理模型(REMM)在內(nèi)的多種河岸帶寬度定量計算方法，明確了其寬度范圍［7］。我國自20世紀(jì)90年代末開始重視河岸帶的保護(hù)，但其建設(shè)和管理往往與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建設(shè)開發(fā)之間存在用地之爭，且我國目前還沒有定量劃定河岸帶區(qū)域范圍的方法，使河岸帶寬度得不到保障，無法充分發(fā)揮其功能。因此，定量確定河岸帶區(qū)域范圍是目前河道管理和建設(shè)中迫切需要解決的問題。本文在分析河岸帶動態(tài)過程的基礎(chǔ)上，探討河岸帶寬度的要求和影響因素，歸納國外河岸帶寬度的計算方法和參照值，為我國河流生態(tài)建設(shè)中河岸帶區(qū)域范圍的準(zhǔn)確劃定提供參考。

1 河岸帶結(jié)構(gòu)及動態(tài)過程

河岸帶在地理空間上是典型的三維結(jié)構(gòu)邊緣交界區(qū)［7］。在縱向上，多個功能區(qū)蜿蜒交錯;在垂向上，地表水與地下水相互交換;在橫向上，地表水系統(tǒng)與陸地系統(tǒng)交匯［3］。河岸帶的這一結(jié)構(gòu)特點決定了河岸帶存在著較為復(fù)雜的水文、水動力過程、生態(tài)過程和溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程［8］，如圖1所示。

a.水文、水動力過程。河岸帶主要有徑流和蒸發(fā)2個水文過程。降雨時，雨水在地表形成徑流，一部分形成坡面徑流，匯入地表水;一部分形成土壤滲流，匯入地下水或地表水。無降雨時，在植被和光照作用下，土壤中的水分會蒸發(fā)進(jìn)入大氣。由此可見，河岸帶有三類徑流:岸(坡)面徑流、河流徑流和地下水徑流［3］。徑流流動過程中伴隨著水流交換以及徑流與土壤、植被之間動力作用。如地下水與地表水之間的交換形成潛流，坡面徑流的侵蝕、河流徑流的淘蝕、植被的阻水等動力作用過程［3］。

b.生態(tài)過程。河岸帶是一個獨特的生態(tài)系統(tǒng)，具有較高的生物多樣性，主要棲息著陸生植物、水生植物、哺乳動物、爬行動物、兩棲動物、水生動物以及微生物等［9-10］。各生物之間存在捕食、競爭過程，形成復(fù)雜的食物網(wǎng)，使河岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有完整的物質(zhì)交換、能量流動和信息傳遞的生態(tài)過程［1］。如:植物的落葉殘枝是水生動物的食物來源;很多鳥類喜歡棲息于河岸帶，并以無脊椎動物和小型水生動物為食物來源;陸地哺乳動物常常以河岸帶為運動廊道，沿河獵取爬行、兩棲、水生生物等。

c.溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程。在水動力和生態(tài)過程的作用下，河岸帶內(nèi)的泥沙、有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)、污染等會發(fā)生溶解、輸運、沉積、吸收、分解以及氧化還原等溶質(zhì)遷移與轉(zhuǎn)化過程［11］。有機(jī)質(zhì)包括落葉、殘枝、動物尸體等;營養(yǎng)物質(zhì)主要來自過剩農(nóng)作物肥料的氮、磷、鈣、鎂等;污染物質(zhì)主要來自于農(nóng)藥、交通和居民生活等。

圖1 河岸帶結(jié)構(gòu)及動態(tài)過程示意圖Fig.1 Sketch map of structure and dynamic processes of riparian zone

2 河岸帶適宜寬度要求及影響因素

2.1 適宜寬度要求

河岸帶只有滿足一定的寬度要求，才能有效發(fā)揮其功能。適宜寬度是指滿足特定條件、特定功能要求的河岸帶寬度。通常包括最小、最大、最優(yōu)等寬度要求。(a)最小寬度。最小寬度指滿足河岸帶主體功能的最低寬度要求。不同功能，其最小寬度要求有所差異。如，當(dāng)河岸帶寬度增加到一定程度后，削污效率無明顯增加，這一寬度即為削污最小寬度要求。對于防洪要求較高的河道，滿足防洪安全和河岸穩(wěn)定要求的河岸帶寬度即為河岸帶最小寬度。(b)最大寬度。最大寬度指能滿足所有功能的最大寬度要求。由于河岸帶動物生活范圍較為寬廣，所以最大寬度通常是指當(dāng)岸外可利用土地資源足夠時，滿足河岸帶生物棲息所需的寬度要求。對于某些特殊功能也有其相應(yīng)的最大寬度要求。如，對于可利用土地資源足夠的水源地河岸，滿足削減95%～100%污染和泥沙所需的河岸帶寬度即為最大寬度。(c)最優(yōu)寬度?？傮w而言，河岸帶越寬越有利于防洪安全、保護(hù)資源、削減污染、減少侵蝕。但由于河岸寬度往往會受岸外可利用土地資源空間的限制，所以在建設(shè)和管理中，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)貙嶋H生產(chǎn)需要，選擇最優(yōu)寬度，使其既滿足防洪安全、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)保護(hù)要求，又滿足降低占地的經(jīng)濟(jì)成本要求。

2.2 影響因素

河岸帶寬度主要受坡度、土壤類型、植被類型、降雨量以及岸外土地利用情況等因素影響。(a)坡度。當(dāng)坡度增加時，坡面水流流速將會增加。因此，坡度越陡，滿足流速降低、污染吸收和泥沙沉積所需的河岸帶越寬。很多研究者建議河岸帶建設(shè)中岸坡坡度不宜過大。對于特陡岸坡，應(yīng)在岸外留有足夠的緩沖空間。(b)土壤類型。不同土壤類型河岸帶其寬度要求也不相同。黏性越大的土滲透性越差，越容易產(chǎn)生地表徑流，匯流時間短、較寬的河岸帶才能滿足一定的功能要求。通常較濕潤、酸性較強(qiáng)的土壤能很好地去除氮，較窄的河岸帶即能滿足相關(guān)要求。(c)降雨量。河岸侵蝕、面源污染進(jìn)入河流與降雨量密切相關(guān)。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時，較窄的河岸帶就能有效攔截泥沙和污染;相反，則需要較寬的河岸帶。(d)植被類型。不同植被類型對河岸帶功能的作用效果不同。如，草能攔截61%的硝酸鹽、72%的磷和44%的磷酸鹽。草與喬木混合能去除92%的硝酸鹽、93%的磷、85%的磷酸鹽［12］?？梢姡M合型植被比單一植被河岸帶能更有效地攔截污染，其所需寬度也更小。(e)土地利用。岸外土地利用情況決定了坡面匯流特點、污染類型和污染量。如果岸外為農(nóng)業(yè)耕種區(qū)，則匯流相對較慢，徑流較小，污染主要為面源污染。如果岸外為城鎮(zhèn)居住區(qū)，匯流快，徑流流量大，污染主要為生活污染及路面污染。不同的土地利用方式，其寬度要求也不相同。

3 河岸帶寬度計算方法

準(zhǔn)確確定河岸帶適宜寬度是河岸帶管理和建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，目前主要有統(tǒng)計回歸模型、基于動態(tài)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型、綜合優(yōu)化模型等多種計算方法。

3.1 統(tǒng)計回歸模型

a.單因子回歸模型:單因子回歸模型是單一因子與一定寬度河岸帶功能發(fā)揮效果之間的關(guān)系模型。如，Nieswand等［13］將河岸坡度與寬度作為影響河岸侵蝕、截留泥沙最主要的因子，建立了河岸帶寬度與坡度之間的回歸計算關(guān)系式;Mayer等［14］分析建立了河岸帶寬度與氮素去除率之間的回歸關(guān)系式。

3.2 基于動態(tài)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型

河岸帶的水文、水動力、生態(tài)學(xué)、物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等動態(tài)過程是決定河岸帶寬度的基本驅(qū)動機(jī)制。因此，一些學(xué)者以河岸帶動態(tài)過程為基礎(chǔ)，建立了河岸帶寬度的計算方法。主要包括基于坡面流與泥沙運動機(jī)理的計算模型、基于坡面流與溶質(zhì)運動機(jī)理的計算模型以及綜合多動態(tài)過程的計算模型等。

a.基于坡面流與泥沙運動機(jī)理的計算模型。該模型是通過計算坡面流流速與泥沙沉降速度的對比值，確定能使泥沙有效沉降在坡面上的河岸帶最小寬度［16］:

式中:WRZ——河岸帶寬度，m;S——河岸坡度，°;RRN——氮素去除率，%。

b.多因子回歸模型:多因子回歸模型是考慮坡度、水流、降雨、植被、岸外土地利用、污染源等因子共同作用下，滿足一定功能要求的河岸帶寬度計算模型。如，Hawes等［12］提出了河岸帶寬度與坡度、侵蝕因子之間的回歸關(guān)系式。Cook大學(xué)環(huán)境資源系提出了河岸帶寬度與坡度、坡面流流動時間之間的回歸關(guān)系式［12］。Mander借鑒通用水土流失方程，提出了河岸帶寬度與地表徑流強(qiáng)度、流域坡降、坡度、地表粗糙度系數(shù)、滲透系數(shù)及土壤的吸附能力之間的回歸關(guān)系式［15］。

其中

式中:Fs——安全系數(shù);vs——泥沙沉降速度，m/s;v——坡面流流速，m/s;Ltr——調(diào)整長度，m，通常為3.048 m;n——曼寧系數(shù)。

b.基于坡面流與溶質(zhì)運動機(jī)理的計算模型。該模型是以水流運動方程為基礎(chǔ)，耦合溶質(zhì)動態(tài)方程，計算溶質(zhì)下滲的最大深度，再利用坡度、深度、寬度之間的幾何關(guān)系，計算所需的河岸帶寬度［17］。溶質(zhì)最大下滲深度計算式為

式中:C——溶質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L;t——時間，s;Dsh——擴(kuò)散系數(shù);θ——土壤含水量;Rf——阻滯因子;ˉv——坡面流平均流速，m/s;x——垂向深度，m;H——溶質(zhì)最大下滲深度，m;λ——一階動力衰減系數(shù);C0——溶質(zhì)初始質(zhì)量濃度，mg/L。

c.綜合多動態(tài)過程的計算模型。該模型是在綜合考慮水文、水動力過程，生態(tài)過程，泥沙運動過程，溶質(zhì)運動過程等動態(tài)過程的基礎(chǔ)上，研究不同功能要求河岸帶寬度的計算模型，目前主要有REMM，CREAMS，WEPP等，其中REMM應(yīng)用較為廣泛。REMM將河岸帶橫向分成3個區(qū)，垂向分成3層［8］，模擬水流、泥沙、營養(yǎng)(主要是氮、磷、碳等)、植被生長等在橫向和垂向的動態(tài)變化，預(yù)測不同河岸帶寬度、坡度、土壤特性、植被布置等因素對水質(zhì)、河岸侵蝕的影響。該模型是研究河岸帶邊緣區(qū)動態(tài)特性的專門性模型，已在美國佐治亞蒂弗頓地區(qū)河岸帶管理中得到較好應(yīng)用。但由于該模型需要準(zhǔn)備較多的基礎(chǔ)資料，所以給推廣應(yīng)用帶來了一定的困難。范小華等［18-19］對該模型進(jìn)行了介紹，但未見具體應(yīng)用成果。

3.3 綜合優(yōu)化模型

上述模型僅考慮了滿足功能要求的河岸帶寬度計算方法，但現(xiàn)實中岸外土地資源往往對河岸帶寬度存在一定的限制。如果單純考慮滿足河岸帶功能要求，可能會產(chǎn)生一些不良社會影響，如農(nóng)民失去土地后的社會成本。因此，在劃定河岸帶區(qū)域范圍時應(yīng)綜合考慮功能要求與資源可用程度，協(xié)調(diào)用地矛盾。Sparovek等［20］在綜合考慮河岸帶效益和占用耕地而使農(nóng)民失去土地后的社會成本后，提出攔截泥沙量最大、占地最少的最優(yōu)河岸帶寬度Wop。Wop須滿足:(a)產(chǎn)沙量Sy小于等于目標(biāo)沙量Tsy;(b)WRZ大于等于河岸帶最小需求寬度Wmin;(c)河岸帶占用農(nóng)田面積最小。Cerucci［21］根據(jù)這一假設(shè)提出了河岸帶寬度優(yōu)化模型:

式中:Ci——第 i段河岸帶占地成本，元;Ai——第 i段河岸占地面積，m2;WRZi——第 i段河岸帶寬度，m;Syit——第i段河岸帶t時間產(chǎn)沙量，kg;P——小于目標(biāo)沙量的概率;Pfix——目標(biāo)概率。

4 國外河岸帶寬度參照值

自20世紀(jì)60年代以來，美國、澳大利亞、加拿大、英國等通過制定相關(guān)條例法令和建設(shè)導(dǎo)則，明確規(guī)定了河岸帶寬度范圍，給出了最大寬度和最小寬度的參照值范圍，見表1。

a.美國。目前對河岸帶研究較多的是美國，美國有49個州制定了河岸帶建設(shè)導(dǎo)則，根據(jù)不同類型河道的保護(hù)要求，給出了寬度推薦值［6］。Hawes等［12，15］歸納總結(jié)了美國不同功能要求的河岸帶寬度推薦參照值。

b.澳大利亞。Price等［22］在分析了國家推薦值后指出實際工程中，河岸帶寬度既要考慮產(chǎn)量效益的增加，又要考慮環(huán)境條件的改善，應(yīng)滿足多個目標(biāo)要求，否則會不能滿足功能目標(biāo)要求，或造成資源浪費。

表1 不同國家不同目標(biāo)的河岸帶寬度推薦值范圍Table 1 Recommended riparian zone widths for different functions in different countries m

c.加拿大。Lee等［7，23］歸納了加拿大河岸帶寬度的具體要求。

d.其他國家。英國研究人員發(fā)現(xiàn)，5～20 m寬的植被帶能有效保護(hù)河流棲息地結(jié)構(gòu)及大范圍無脊椎動物的種群。保護(hù)河流及濕地的河岸植被緩沖帶，最小寬度應(yīng)在15～30 m之間［24］。瑞典規(guī)定河岸帶設(shè)置寬度在10～30 m，依設(shè)置地點的敏感度而定。愛爾蘭規(guī)定在中等或較陡的坡地，河岸帶寬度最小為10～20 m，而在侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，寬度應(yīng)在15～25 m之間［24］。

5 結(jié) 論

a.多尺度、多因素綜合優(yōu)化。河岸帶是一個三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，在空間上涉及河段、河流、流域尺度，在時間上涉及現(xiàn)時、短期和長期尺度。既涉及水文、氣象、生物、土壤、地理等自然因素，又涉及社會生產(chǎn)、河岸帶管理以及人文歷史等人為因素。所以河岸帶寬度在定量計算中，應(yīng)綜合考慮多尺度、多因素綜合影響的多目標(biāo)優(yōu)化計算方法。

b.多方法綜合應(yīng)用、相互驗證?，F(xiàn)有的多種河岸帶寬度定量計算方法對研究區(qū)域是適用的，能滿足河岸帶管理要求，但不一定適用于我國。因此我國在應(yīng)用相關(guān)方法時，須多方法綜合應(yīng)用，比較優(yōu)劣，相互驗證。根據(jù)我國河岸帶特點和具體條件，研究適用的綜合方法，為河岸帶建設(shè)和管理提供依據(jù)。

c.3S技術(shù)的動態(tài)決策方法。河岸帶是多尺度、多因素系統(tǒng)，涉及數(shù)據(jù)眾多，涵蓋區(qū)域范圍寬。為能準(zhǔn)確直觀地給出河岸帶寬度，需借助3S技術(shù)，準(zhǔn)確獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，耦合數(shù)學(xué)模型和決策支持技術(shù)，通過GIS系統(tǒng)將決策數(shù)據(jù)與地理圖像相互鏈接，形成全河道，甚至全流域河岸帶適宜寬度的專題地圖，這將是未來河岸帶寬度確定的重要工具和方法。

致謝:衷心感謝美國密西西比大學(xué)國家水科學(xué)計算與工程中心(NCCHE)提供了良好的研究條件和資源，衷心感謝Wu Weiming教授、Altinakar Mustafa教授、Wang Sam SY教授、Wei Zhangping博士等給予的幫助!

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