深潭的功能及在城市河道治理中的構(gòu)建模式

王兵，劉慧博，李峪，高甲榮?

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持和荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京;2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都)

水資源是人類生產(chǎn)生活的最關(guān)鍵資源，但如今生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，水體污染嚴(yán)重，水資源的保護(hù)和水污染的治理成為現(xiàn)代社會(huì)最關(guān)注的問題之一。河流生態(tài)系統(tǒng)作為淡水資源的主要承載體之一，其健康與否對(duì)保護(hù)淡水資源有著不可替代的作用。城市河流是指發(fā)源于城區(qū)或流經(jīng)城市區(qū)域的河流或河流區(qū)段，也包括一些歷史上雖屬人工開挖但經(jīng)多年演化已具有自然河流特點(diǎn)的運(yùn)河、渠系［1］。目前，我國(guó)城市河流的建設(shè)大多放在防洪抗旱上，或考慮園林建設(shè)，河道斷面結(jié)構(gòu)形式單一化、走向筆直化、河流護(hù)坡硬質(zhì)化比較普遍，致使河流的自然面貌遭到了嚴(yán)重破壞，河流美麗的自然景觀和河流的個(gè)性特征也逐漸喪失殆盡，特別是對(duì)河流的天然生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大破壞［2-4］。近年來，人們對(duì)生活環(huán)境的要求越來越高，原先的城市河道已經(jīng)不能滿足人們對(duì)環(huán)境、景觀的需要，迫切需要對(duì)其進(jìn)行生態(tài)改造。高甲榮［5］、朱國(guó)平等［6］在河道生態(tài)改造的研究中引進(jìn)了歐洲的“近自然治理”［7］思想，通過施用近自然的生態(tài)治理措施對(duì)城市河道的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行改造;但總的來說，我國(guó)的河道生態(tài)治理還處于摸索階段，因此，需要通過對(duì)自然河流的調(diào)查研究，為城市河道生態(tài)改造提供理論基礎(chǔ)。筆者在對(duì)北方季節(jié)性河流深潭生態(tài)功能調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合深潭在景觀、防洪方面的功能，就深潭在城市河道治理中的構(gòu)建前景和構(gòu)建方式進(jìn)行探討，以期為今后城市河流的生態(tài)治理規(guī)劃提供參考。

1 深潭的形成

深潭是河流某一區(qū)域內(nèi)水位較深、河床凹陷的部分，一般與淺灘、跌水對(duì)應(yīng)存在。自然界存在的深潭成因多種多樣，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可大體分為以下幾種形式。

1)跌水沖淘。河流在前進(jìn)方向上有較大水位落差，如瀑布，河水依靠自身和由地心引力轉(zhuǎn)化的動(dòng)能垂直沖淘下游河床，隨著時(shí)間的推移，河床被逐漸侵蝕進(jìn)而在該區(qū)域內(nèi)形成深潭。

2)階梯-深潭。主要發(fā)生在山區(qū)，斷面示意圖見圖1。水流將上部細(xì)致泥沙挾帶到下部，遇到較大石塊(如D、F)水流阻力增大，泥沙沉積，同時(shí)回旋的水流不斷沖刷石塊前方的河床形成深潭(如C、E)［8］。

圖1 階梯-深潭斷面示意圖Fig.1 Ladder-deep pools section diagram

3)河床塌陷。由于河床塌陷，流水進(jìn)駐形成的深潭。一般是由于河流底部地質(zhì)狀況和水流的綜合作用使河床發(fā)生塌陷，或由地震引起的河床塌陷等。

4)側(cè)向侵蝕。側(cè)向侵蝕一般是發(fā)生在河流彎道處，彎道處的環(huán)流較大，使泥沙發(fā)生橫向移動(dòng)，在凸岸形成淺灘，在河流凹岸形成深潭，也稱深槽。

5)水溶侵蝕。是指某段河床的主要構(gòu)成物質(zhì)能夠被水溶解，如石灰?guī)r，在長(zhǎng)年累月的侵蝕過程中形成深潭。這種原因形成的深潭一般深度較深，與地下水相通。

2 深潭的功能分析

為充分了解深潭的功能，對(duì)山東省青島市諸河姜山鎮(zhèn)支流進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，該河段是季節(jié)性河流，夏秋季有常流水，冬春季基本無常流水。選區(qū)依據(jù)是該支流受人為干擾較少，基本保持河道的天然狀態(tài)，調(diào)查數(shù)據(jù)具有說服力。調(diào)查方法是在全面踏查的基礎(chǔ)上，選取從澤口水庫(kù)至杏家澤口河段作為研究區(qū)，篩選受人為干預(yù)較少、接近天然狀態(tài)的樣點(diǎn)河段10個(gè)，10個(gè)樣點(diǎn)河段共含有9處天然深潭。分別在春夏季對(duì)9處深潭的面積、水深、水生物種等進(jìn)行調(diào)查，將數(shù)據(jù)整理在調(diào)查表(表1)中。通過定性和定量分析調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，得出天然深潭的以下幾種主要功能。

2.1 生態(tài)功能

2.1.1 棲息地和水源功能 深潭的棲息地功能主要體現(xiàn)在為水生物種提供棲息地。從表1中可以看出，深潭的深度越深，面積越大，水生物種的種類就越多，這是因?yàn)檩^深的水位，能夠滿足不同魚類對(duì)棲息水層的要求，而較大的水面積能夠提供更多的食物來源。深潭底部被泥、沙、卵石、碎石等覆蓋，多樣的底質(zhì)環(huán)境能夠?yàn)樵S多不同底棲生物提供活動(dòng)場(chǎng)所。從河流縱向上看，河水在經(jīng)過深潭區(qū)域時(shí)流速減小，流出深潭區(qū)域時(shí)流速增加，變化的流速能夠滿足不同魚類生活習(xí)性［9］。另外，由表1可知，當(dāng)河流在枯水期干涸時(shí)，較為淺的深潭已經(jīng)干涸，水生物種都已消失，而面積較大、水位較深的深潭生物變化并不大;因此，可以認(rèn)為，深潭能夠在枯水期為水生生物提供維持生命的水源，具有較好的水源功能。

深潭的水源功能主要體現(xiàn)在季節(jié)性河流上。我國(guó)北方地區(qū)大多位于溫帶和暖溫帶的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降雨多集中在夏、秋季，而冬、春季節(jié)干旱少雨，我國(guó)北方地區(qū)多數(shù)河流屬于季節(jié)性河流，往往在春冬季出現(xiàn)干涸。從表1可以看出，多數(shù)深潭春季不會(huì)干涸;因此，深潭成為許多動(dòng)物在枯水期的飲水源，同時(shí)也能為周邊需水植物提供生長(zhǎng)所需的水分。

2.1.2 增加物種多樣性的功能 深潭增加物種多樣性的功能與其棲息地和水源功能是密切相關(guān)的，多樣的棲息地環(huán)境提供了多樣的生態(tài)環(huán)境，能夠?yàn)椴煌锓N提供生存的基本條件，而深潭的水源功能能夠?yàn)槎喾N動(dòng)植物提供生命所需的水分，從而促進(jìn)了生物物種的多樣性。

2.1.3 改善河流水質(zhì)功能 深潭改善水質(zhì)的方式主要有2種:第一，深潭的存在為不同水生物種提供了棲息環(huán)境，豐富了生物多樣性，而通過多種生物的協(xié)同作用，能夠有效地改善河流水質(zhì);第二，深潭往往與跌水相對(duì)存在，水流從高處急墜到深潭能夠增加天然水體中的氧氣含量，從而使水體中好氧微生物的活力得到增強(qiáng)，在好氧微生物的作用下，河流中的污染物得以分解，最終改善了河流水質(zhì)。

表1 諸河深潭調(diào)查表Tab.1 Zhuhe River channel bars questionnaire

2.2 經(jīng)濟(jì)功能

2.2.1 防護(hù)功能 深潭的防護(hù)功能主要包括2方面:在山區(qū)河流中，自然形成的階梯-深潭系統(tǒng)能增加河床阻力，控制河床侵蝕下切，穩(wěn)定河床和岸坡，有效減少滑坡泥石流發(fā)生;另外，處于河道中潭底較深、面積較大的深潭可以起到類似泥石流停淤場(chǎng)的功能，能夠較好地將大石塊和泥沙攔蓄，減少對(duì)下游的危害。

深潭的防護(hù)功能能夠有效地減少因洪水等災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失，有一定的經(jīng)濟(jì)功能，與此同時(shí)，通過模仿自然界的階梯-深潭系統(tǒng)，既能增加河道行洪安全，又能起到一定的生態(tài)作用。自1980年始，國(guó)外許多國(guó)家就嘗試人工修建深潭配合階梯的模式來治理河流的下切侵蝕。如德國(guó)政府曾斥資40萬(wàn)歐元從Inn河的鄰近山區(qū)運(yùn)輸石塊到該河支流MangfaU河上修建人工階梯-深潭系統(tǒng)，以控制河道的沖刷下切［10］。在意大利北部山區(qū)，為穩(wěn)定大坡度河床，模仿階梯-深潭地貌特性用漂石或大卵石布置擋水壩，成效顯著［11］。

2.2.2 灌溉功能 深潭的另一個(gè)經(jīng)濟(jì)功能體現(xiàn)在灌溉用水上。在華北平原、山東丘陵等地區(qū)分布著許多小型季節(jié)性河流，初春干旱少雨，而又是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分深潭是這些地區(qū)春季灌溉的主要水源之一。部分深潭與泉眼相通，不僅水量豐富，而且獲取較為簡(jiǎn)單，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量和減少灌溉費(fèi)用上有著非常顯著的經(jīng)濟(jì)作用。

2.3 景觀功能

通過了解北京市郊區(qū)近年來的旅游業(yè)發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)水面是能夠吸引游人的一個(gè)很重要因素，這也反映了人們對(duì)水面景觀的需求;而河流深潭所在的位置，往往水面較大，自然景觀非常優(yōu)美，具有很高的景觀價(jià)值:所以，深潭的存在能夠豐富河道斷面形式的多樣性，增加河流整體的景觀價(jià)值，具有較好的景觀功能［12］。

3 城市河道人工深潭構(gòu)建的作用

目前城市河道的主要問題是斷面形式單一，河流兩岸硬化嚴(yán)重，河流內(nèi)部生物多樣性較差，水質(zhì)也較差，為了城市河流的健康發(fā)展和滿足人們對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的需要，迫切需要對(duì)其進(jìn)行生態(tài)改造。在城市河道人為地修建深潭具有以下作用。

1)增加城市河道的物種多樣性:目前城市河道內(nèi)由于人為干擾和破壞，水生物種幾乎滅絕，而深潭水位較深，能夠成為魚類、無脊椎水生物種等躲避天敵的場(chǎng)所，同時(shí)能夠滿足不同物種對(duì)棲息水層的要求，深潭的存在可為恢復(fù)城市河流物種多樣性發(fā)揮較大的作用。

2)增加城市河道斷面形式:王兵等［13］闡述了可以通過心灘、深潭、蜿蜒性相結(jié)合的方式來增加城市河道的斷面形式，深潭作為自然河流的組成部分，人為地在河道內(nèi)修建深潭也符合河道生態(tài)治理的近自然理念。

3)可作為綠化灌溉的水源:調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)深潭能夠?qū)⒂昙镜慕邓畠?chǔ)存到春季;因此，在城市河道內(nèi)修建深潭，以深潭作為城市綠化使用的水源能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的合理配置，而且可以有效地緩解城市的用水壓力。

4)美化城市河流景觀:深潭具有極好的景觀功能，能夠大幅度地提高城市河流的生態(tài)美感，使城市河道更具景觀價(jià)值。

4 城市深潭構(gòu)建的原則及構(gòu)建形式

4.1 基本原則

1)安全性原則:包括河流的行洪安全、堤防安全等;因此，人造深潭要避免雨季施工，同時(shí)深潭的數(shù)量、大小、深度要合適，避免對(duì)岸灘造成破壞。

2)多樣性原則:深潭構(gòu)建形式應(yīng)參照自然界深潭的形成模式，盡量保證深潭結(jié)構(gòu)多樣性，潭底泥、沙、石的多樣性，與階梯跌水、邊灘心灘等組合形式的多樣性，配置水生物種的多樣性。

3)經(jīng)濟(jì)性原則:構(gòu)建深潭必須在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件允許下進(jìn)行，盡量采取簡(jiǎn)便的施工方式，避免過度花費(fèi)。

4)接近自然原則:深潭的形式、深度、位置選擇都應(yīng)盡可能仿造自然狀態(tài)下的深潭，適度采用自然演替的被動(dòng)修復(fù)，以便充分發(fā)揮和利用生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力。

5)景觀適宜性原則:深潭的構(gòu)建要與河流的景觀協(xié)調(diào)一致，通過結(jié)構(gòu)造景、營(yíng)造自然生趣達(dá)到高的藝術(shù)境界。

4.2 構(gòu)建形式

結(jié)合天然河道深潭的形成、分布位置、形態(tài)特征以及城市河道的實(shí)際情況，采用近自然的構(gòu)建方法構(gòu)建深潭，可大致分為淺灘-深潭、跌水-深潭2種形式。

1)淺灘-深潭。自然界河流的河道具有較好的蜿蜒性，深潭、淺灘對(duì)應(yīng)存在，筆者認(rèn)為，可以模擬深潭在自然界中的存在方式來構(gòu)建深潭，淺灘-深潭型深潭構(gòu)建示意圖如圖2所示。

淺灘-深潭型深潭的關(guān)鍵問題在于深潭與淺灘之間距離的確定，根據(jù)S.A.Schumm等［14］的研究成果，適宜的淺灘-深潭間距在3～10倍河道寬度之間，對(duì)于一個(gè)具體的河段，淺灘和深潭的間距變化很大。對(duì)此，根據(jù)M.J.Smith等［15］提出的沖擊型河流的回歸公式來確定淺灘與深潭之間的距離。

式中:L為沿河道2個(gè)淺灘之間的距離，m，為河段總長(zhǎng)度與淺灘數(shù)量之比，一般情況下，近似為彎曲河段的弧長(zhǎng);dr50為淺灘河床材料顆粒的中值粒徑，mm;dp50為深潭河床材料顆粒的中值粒徑，mm;w為河道平均寬度，m;S為河段平均坡降，%。

淺灘-深潭的構(gòu)建形式優(yōu)勢(shì)在于能夠同河道蜿蜒性、淺灘相結(jié)合，增加城市河道的斷面形式，且施工完成后能夠形成優(yōu)美的河道景觀，提高城市河流的物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種構(gòu)建形式將是今后城市河道生態(tài)改造的主要形式。

2)跌水-深潭。跌水是自然界深潭形成的主要原因之一，根據(jù)河道的近自然治理原則，設(shè)計(jì)跌水-深潭型的深潭構(gòu)建形式如圖3所示。構(gòu)建跌水-深潭形式的深潭需要一定的河道落差;因此，主要在位于河道短距離落差較大的位置構(gòu)建，通過開挖河道和構(gòu)建擋水石墻的方式建立，構(gòu)建時(shí)要注意修建人工魚道，為魚類的洄游提供條件。

圖2 淺灘-深潭型深潭的構(gòu)建Fig.2 Deep pool-shoal structure diagram

圖3 跌水-深潭型深潭的構(gòu)建Fig.3 Construction method of ladder-deep pool

跌水-深潭型深潭的優(yōu)勢(shì)在于能夠改善河流水質(zhì)，主要表現(xiàn)為通過修建形式能夠增加河道縱斷面形態(tài)的多樣性，促進(jìn)河流水體紊動(dòng)，增加天然水體中氧氣的含量。在好氧微生物的作用下，河流中的污染物得以分解。同時(shí)跌水也能夠增加河流底部淤泥中的溶解氧含量，這些淤泥中淤積了大量的污染物，增加的底泥溶解氧既可以抑制底泥中氨氮、有機(jī)物的釋放，還能有效去除污染物中的 CODMn［16］。另外，跌水和深潭相配合也能大大增加河道的自然景觀，具有較高的生態(tài)和景觀效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注生態(tài)環(huán)境，城市河流與人類生活息息相關(guān)，因此也受到越來越多的重視。近年來，圍繞城市河道生態(tài)建設(shè)的研究越來越多。通過研究，筆者認(rèn)為，人為地在城市河道修建深潭的方式，可以作為今后城市河流治理的一個(gè)基本手段，對(duì)整個(gè)城市河流的生態(tài)系統(tǒng)也有著積極的意義。

［1］尹小玲，李貴才，劉堃，等.城市河流形態(tài)及穩(wěn)定性演變研究進(jìn)展［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2012，7(31):837-838

［2］宋慶輝，楊志峰.對(duì)我國(guó)城市河流綜合管理的思考［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2002，13(3):377-382

［3］Chin A，Gregory K.From research to application:Man-agement implications from studies of urban river channel adjustment［J］.Geography Compass，2009，3(1):297-328

［4］金建峰.城市河道治理規(guī)劃新思路淺析［J］.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007(13):111

［5］高甲榮.近自然治理:以景觀生態(tài)為基礎(chǔ)的荒溪治理工程［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(1):81-84

［6］朱國(guó)平，王秀茹，王敏，等.城市河流的近自然綜合治理研究進(jìn)展［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2006(1):92-97

［7］Binder W，Juerging P，Karl J.Naturnaher wasserbau merkamale und grenzen［J］.Garten und Landschaft，1983，93(2):91-93

［8］徐江，王兆印.階梯-深潭的形成及作用［J］.水利學(xué)報(bào)，2004(10):48-51

［9］杜強(qiáng)，王東勝.河道的生態(tài)功能及水文過程的生態(tài)效應(yīng)［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2005，3(4):287-289

［10］Anne C.The geomorphic significance of step-pools in mountain streams［J］.Geomorphology，2003，55:125-137

［11］Lenzi M A.Stream bed stabilization using boulder check dams that mimic step-pool morphology features in northern Italy［J］.Geomorphology，2002，45:243-260

［12］劉玫.北京城市河道景觀設(shè)計(jì)技術(shù)的研究［J］.海河水利，2003(6):53-56

［13］王兵，顧嵐，高甲榮，等.河流心灘形成模式與構(gòu)建技術(shù)研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(5):80-83

［14］Schumm S A，Khan H R.Experimental study of channel pattern［J］.Bulletin of the Geological Society of America，1972，83(2):1755-1770

［15］Smith M J，Kay W R，Edward D H D，et a1.AusRivAS:U-sing macro-invertebrates to assess ecological condition of rivers in Western Australia［J］.Freshwater Biology，1999，41:269-282

［16］Pan Gang，Dai Lichun，Li Liang，et al.Reducing the recruitment of sedimented algae and nutrient release into the overlying water using modified soil/sand flocculation-capping in eutrophic lakes［J］.Environ Sci Technol，2012，46(9):5077-5084