城市水體生態(tài)修復設計方法探討

陳 杰，景袁媛，胡 楊，陶 亮

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

0 引言

近年來人類活動對城市水體生態(tài)系統(tǒng)的正常結構性和功能性造成了較大的干擾，這種干擾往往超出生態(tài)系統(tǒng)承受能力的范圍，導致水體生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生不可逆的變化、退化或崩潰，這就是生態(tài)學意義上的脅迫。帶來脅迫效應的人類活動主要有水污染、超量用水、土地利用方式變化、對湖泊和河流灘地的圍墾、生物入侵等。

目前世界上對地表河流、湖庫水體污染的治理所采取的技術主要有三類：一是物理方法，即通過工程措施進行機械除藻、疏挖底泥、引水稀釋等；二是化學方法，如加入化學藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉淀、加入石灰脫氮等；三是生態(tài)修復，如放養(yǎng)控藻型生物、構建人工濕地和水生植被等。本文主要從生態(tài)修復的角度探討城市水體的設計方法。

1 水體生態(tài)修復概念

城市水體指城市內受到人類活動影響的水體如河流、湖泊等，是包括土地、水體、動植物、微生物的復雜的生態(tài)系統(tǒng)。

美國土木工程師協(xié)會對于河流生態(tài)修復的定義如下：河流生態(tài)修復是這樣一種環(huán)境保護行動，其目的是促使河流系統(tǒng)恢復到較為自然的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，河流系統(tǒng)具有可持續(xù)特征，并可提高生態(tài)系統(tǒng)價值和生物多樣性。本文所指的水體生態(tài)修復是使河湖生態(tài)系統(tǒng)恢復到與未被破壞前的近似狀態(tài)，且能夠自我維持動態(tài)均衡的復雜過程；其對象是城市河湖水體，其目標是構建健康的生態(tài)系統(tǒng)，其手段是近自然的人工干預結合生態(tài)系統(tǒng)自我延續(xù)與自我修復。

2 水體生態(tài)修復設計思路

2.1 理水的概念

本文提出“理水”的概念，并將其作為設計原則在整個工程設計中貫通、執(zhí)行。理水，即理清水的規(guī)律，尊重其自然屬性，包括流量、流速、流態(tài)、水質等。實際案例中，理水即先對水的各自然屬性進行統(tǒng)籌梳理（例如行洪安全、水量平衡、水質分析、流態(tài)模擬等）；摸清問題后，將河流作為一個生態(tài)系統(tǒng)進行修復，其目標在生態(tài)，核心在水；最后借用、拓展理水措施來提供視覺愉悅及活動空間，讓公眾有更直觀的感受。

2.2 設計過程

2.2.1 設計范圍與研究范圍

盡管接到設計任務時我們已明確水體修復的范圍及對象，但水并不是孤立存在的，需堅持整體性原則，適當擴大研究范圍，含以下幾部分：

（1）上、下游。盡管各河段在河流形態(tài)、環(huán)境狀況、功能及生態(tài)狀況上具有差異，但卻相互影響，形成一個整體。

（2）城市水系。從城市角度來說，河流與城市地面、地下徑流、城市水資源調節(jié)系統(tǒng)（如水庫、蓄水池等）、城市雨水系統(tǒng)共同構成了城市水系。

（3）生態(tài)系統(tǒng)。不僅指河床或者水線以內部分，河道與河岸、河流與濱水空間以及各種水生、陸生動植物與人類共同形成一個復雜的河流生態(tài)系統(tǒng)。

（4）城市空間。河流保護與城市土地利用、邊緣效應分析、非建設用地的規(guī)劃等都密切相關。

2.2.2 基礎資料收集

包含但不僅限于以下幾部分：

（1）規(guī)劃資料。任何工程設計都必須符合上位規(guī)劃，包括所在區(qū)域總規(guī)、控規(guī)、水環(huán)境專項規(guī)劃、藍線規(guī)劃、公園綠地規(guī)劃、環(huán)衛(wèi)規(guī)劃等。

（2）地形、地貌、用地性質。自然條件、地理位置不同，使水體的形態(tài)特征、水流水質狀態(tài)有明顯差異；城市格局的差異也使得水體的功能定位及保護目標不一樣。因此從水體修復角度來說，措施不能生搬套用，要因地制宜。

（3）水文氣象。包括常水位、洪水位，平、豐、枯水期的流量、流速，降雨、蒸發(fā)等氣象資料等。

（4）現(xiàn)場調查。調查前應先熟悉已收集到的資料，在進行調查時才能重點分明，達到事半功倍的效果。現(xiàn)場踏勘記錄表可參考表1的格式及內容。

2.2.3 查找問題、分析問題

按照理水的設計思路，基礎資料收集后應對水環(huán)境現(xiàn)狀進行綜合評估，包括行洪安全、水體形態(tài)、水量水質、水生生物等板塊，發(fā)現(xiàn)問題后對癥下藥。

（1）行洪安全。城市化后，許多河流水體的主要功能發(fā)生了變化，我們應首先評價水體是否受洪水威脅，是否需對其功能進行重新定位，以明確修復目標。

（2）水體形態(tài)。河流形態(tài)多樣性是流域生態(tài)系統(tǒng)生境的核心，是生物群落多樣性的基礎，單一的形狀、硬化的河道使得生物賴以生存的自然特征消失。對河流形態(tài)的評估為水體修復提供重要依據(jù)。

（3）水量平衡。是指對水體各類水量的收入和支出進行計算分析，以確定水體是否能提供一定的水資源量，實現(xiàn)其水體功能并保障水體自身生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，常以月為基本單位，其計算結果可作為形態(tài)設計的依據(jù)，如流量達不到生態(tài)基流量，則應考慮補水、蓄水、保水等措施。水量平衡如圖1所示。

圖1 水量平衡分析示意圖

（4）水質評價。富營養(yǎng)化污染、重金屬污染或單一的工業(yè)污染，其修復措施大不相同，通過對水體中各污染因子進行監(jiān)測，可針對性地提出水質修復方案。

（5）水生生物。生物群落一是指示水質的重要指標，二是健康水生態(tài)系統(tǒng)的主要特征，通過對其現(xiàn)狀評價，可以得知水體的生態(tài)系統(tǒng)破壞程度。

（6）周邊環(huán)境。一是流域內的匯水面積情況，是否導致水源不足或水源污染；二是水體周邊土地利用情況，確定是否有用地條件進行生態(tài)修復。

2.2.4 功能定位與目標

基于生態(tài)學的理念，城市水體通常由傳統(tǒng)行洪、灌溉為主的功能轉向生態(tài)、景觀為主的功能，其目標是構建安全、宜人、健康的水生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水與城、城與人、人與水、水與自然的和諧相處。

3 水體生態(tài)修復設計方法

前文已經(jīng)對水體修復的設計思路及設計過程做了宏觀描述，簡單來講，在定位水體功能、收集基礎資料后，對水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境進行了系統(tǒng)評估，摸清了水體的本底資料，此節(jié)是利用理水的概念，對各板塊設計方法進行較深入的探討。

3.1 行洪安全

確保城市河流的防洪功能是生態(tài)修復及景觀建設的前提和保障。傳統(tǒng)防洪視洪水為猛虎，工程總以建設快速排洪為目標，而忽略洪水過后將是干旱。換個角度來說，洪水實際上是一個補水和蓄水的機遇，應樹立生態(tài)防洪的治水理念。結合形態(tài)設計，在城市上游規(guī)劃季節(jié)性滯洪濕地，營造微地形，調整用地結構，充分發(fā)揮大地的天然蓄水器功能，盡可能留住洪水，洪水過后，水又從大地蓄水器中不斷對河流進行補充，保障河流基本需水量（見圖 2）。

表1 現(xiàn)場踏勘記錄表

圖2 生態(tài)防洪斷面圖

3.2 污染控制

河流污染治理必須控制污染源頭，對工業(yè)廢水、生活污水和垃圾進行很好的人工處理。一般治理措施分工程措施和非工程措施。

（1）工程措施有清淤工程、截污干管及污水處理廠、垃圾收集與處理土壤改良等工程。

（2）非工程措施。多部門協(xié)作（特別是水利、環(huán)保、市政），建立統(tǒng)一的指揮機構，取得協(xié)同效應；引入第三方機構提供咨詢、工程、管養(yǎng)等領域的專業(yè)化、一體化服務，明確各部門及專業(yè)機構的責、權、利，建立長效管理機制，實現(xiàn)社會治水、社會管水；引導公眾參與，發(fā)揮公眾及民間公益團體在管理環(huán)境中的作用。

3.3 形態(tài)設計

生物群落與生境的統(tǒng)一性是生態(tài)系統(tǒng)的基本特征。河流形態(tài)多樣性是流域生態(tài)系統(tǒng)生境的核心，是生物群落多樣性的基礎。因而水體生態(tài)修復工程的形態(tài)設計至關重要，其目的是使得河流形態(tài)多樣性。

3.3.1 水流規(guī)劃

水流規(guī)劃是指對水體的來路、去向及流經(jīng)的路徑進行梳理、設計，以保障水量、改善水質、生態(tài)修復為前提。

對于河流，其上下游明顯，水流規(guī)劃工作相對簡單，一般只是對河流兩側的濕地、駁岸、淺灘等水流進行設計，使上游來水經(jīng)過濕地植物從而使其水質得以過濾、凈化；而對于相對封閉的湖泊水體，水流規(guī)劃工作相對復雜且重要，應先行于平面、縱斷面及橫斷面設計工作。水流規(guī)劃從小說，可以起到保障水量、改善水質之作用；從大講，對健康水生態(tài)系統(tǒng)的構建起到基本保障作用。

3.3.2 形態(tài)設計模型

自然的水體因為水流對泥沙的侵蝕、搬運與堆積，呈現(xiàn)各種河灣、淺灘、深潭等多樣的形態(tài)，這些形態(tài)更有利于穩(wěn)定、消能、凈化水質以及生物多樣性的保護，也有利于降低洪水的災害性和突發(fā)性。而城市水體因為防洪、用地等原因，很多河流被截彎取直，湖泊修筑硬質堤岸減少了生態(tài)的臨界面，大大降低了生物的多樣性。

下面從三維視角來具體闡述水體的形態(tài)設計（見圖3）。設定X軸為水流方向軸線，則Y軸為穿過水體兩岸的軸線，Z軸為豎向標高，可以清晰表達水深與河床（或湖底）的高低。坐落在XY軸線上的圖形即為水體的平面設計，XZ軸上的圖形則為水體的縱斷面，而YZ軸方向的面就是水體的橫斷面。在實際設計中，河流的平面形態(tài)、橫縱斷面的設計是相互交叉進行，互為前提的。

圖3 三維視角下的水體形態(tài)設計示意圖

3.3.3 平面設計

因此在城市水體的平面形態(tài)設計上，通過模擬河流或湖泊的原生形態(tài)，根據(jù)上一個階段對水流的規(guī)劃及景觀需求，設計河道或湖泊的線形及寬度，形成河灣或半島（下文用彎曲個數(shù)表示），從而得出合理的平面形態(tài)。

而在水流規(guī)劃中影響平面形態(tài)最主要的三個因素分別是水流方向、水流速度與水質要求。在水體的平面形態(tài)主要走向與水流方向一致的基礎上，通過對水流速度的設計要求，可以決定河流或湖泊彎曲個數(shù)的多少及岸線的平整度。水體彎曲個數(shù)少、岸線平整度高、躁率低，則水速快；水體彎曲個數(shù)多、岸線平整度低、躁率高，則水速慢。對水質的要求也會影響這個水體的平面形態(tài)，在一定的用地范圍內，對水質的要求越高，那么水體流域的長度則會越長，以提供更多處理水質的生態(tài)單元，則彎曲個數(shù)也會越多。

3.3.4 縱向設計

縱向設計即為設計坐落在XZ軸上的圖形，可以清晰地推導與表達水底的標高以及各水位的關系。

天然河流的河床由于水流和泥沙的相互作用，會產(chǎn)生不定期的沖刷和淤積，形成交替次序的淺灘和深潭。大量研究表明，河流淺灘和深潭的位置是相對的，隨河流主河床的擺動而發(fā)生相應改變。淺灘和深潭的組合是河流保持動能水力平衡、穩(wěn)定水力配置的一種方式，深潭的水頭蓄積區(qū)和淺灘的水能消散區(qū)也是大型無脊椎動物和魚類的棲息地以及產(chǎn)卵場所（見圖4）。

圖4 縱向設計示意圖

且水體的縱向變化與平面形態(tài)也具有密切的關系，半島、凸起的岸線因泥沙淤積易形成邊灘，凹進去的岸線區(qū)域受到?jīng)_刷易在水底形成深潭，在順直段便會有淺灘出現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 河流形態(tài)多樣性示意圖

因此我們在進行水體的縱向設計時，應遵循自然水體的地貌特征與運動規(guī)律，按上述分析進行淺灘和深潭的布置。

3.3.5 橫向設計

橫向設計為坐落在YZ軸上的圖形，即常說的橫斷面。橫向設計主要表述水底的坡度、寬窄以及兩岸的護坡方式。

湖或河床在自然情況下，水流會將其沖刷成拋物線的穩(wěn)定形狀，因此在具體設計時，可以此為參考，對相應的斷面進行設計，如圖6所示。

圖6 橫向設計示意圖

根據(jù)河岸穩(wěn)定、過流能力要求以及生態(tài)營造要求，設計水體岸線護坡，如生態(tài)石籠、生態(tài)磚/魚巢磚等構件、天然材料墊、土工布回包、土工格室、間插枝條的拋石護岸、杉木樁、椰殼纖維捆扎等（見圖 7）。

圖7 河湖護岸生態(tài)工程做法圖（單位：mm）

3.4 生物多樣性修復

水體形態(tài)修復之后便是生物多樣性修復，以形成可持續(xù)的多樣性的生態(tài)系統(tǒng)。具備完善生態(tài)系統(tǒng)的水體有調節(jié)徑流、調蓄水量、去除污染、提供生物棲息地等生態(tài)特征。

生物多樣性的修復是指整個河道或湖泊的本地生物物種的修繕與復原，使生態(tài)系統(tǒng)恢復到原生狀態(tài)并具有自我管理的能力。生物多樣性的修復需要對河道生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能以及影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能的物理過程、化學過程、生物特征有充分的認識。

3.4.1 生物本地化原則

生物經(jīng)過幾十億年的自然選擇，本地化的物種具有不可替代的優(yōu)勢，它們適應了當?shù)氐墓庹?、氣候、溫度等自然條件，并相互聯(lián)系、相互作用，形成最穩(wěn)定最完美的生境。因此在進行生物多樣性修復前，就應對現(xiàn)場的自然環(huán)境（光照、溫度、氣候、降雨量等）以及本地生物（植物、動物、微生物）進行前期調查與研究，對生物間的相互作用與能量傳輸有充分的理解與認識。

在修復生物多樣化時，遵循生物本地化的原則，最大化選擇本地物種，綜合考慮植物、動物與微生物的相互作用，并按照其生態(tài)特征進行規(guī)劃與設計。如果出于景觀或功能性考慮，對于區(qū)域內已馴化的物種，在充分認識到其在生態(tài)系統(tǒng)中的位置與作用后，可適當進行設置并應長期觀察它對生態(tài)系統(tǒng)的作用。

3.4.2 生物棲息地營造

生物棲息地指可供生物良好生長的環(huán)境，包括植物棲息地、動物棲息地、微生物棲息地。

3.4.2.1 植物棲息地

水體生境具有復雜的生態(tài)系統(tǒng)，其中最典型的生態(tài)界面就是水與陸地相接的生物面。因此在城市水體中，植物的棲息地包括三種環(huán)境：水生環(huán)境、陸生環(huán)境、水陸相接的環(huán)境。

水生環(huán)境中生長的植物一般分為挺水、浮水、沉水三類植物。這三類植物的生長與水深、水底土壤條件、水質、水流速度等息息相關。水深嚴格的選擇著能生長的植物種類，比如荷花中小株型只適于20～60 cm的水深，大株品種水深也不能超過1.7 m。而水底土壤最好是用原生境的土壤，其富含的微生物及化學成分最適宜此生態(tài)系統(tǒng)，能與植物進行良好的能量交換，但在城市水體中，很多水底土壤或是被污染，或是被渠化，已經(jīng)失去了原有土壤生境，因此需要根據(jù)前期調研的結果進行重新設計。設計過程包括清淤（或拆掉渠化面），設計水底標高，用級配礫石與河沙來模擬水底土壤環(huán)境（根據(jù)水質需求添加沸石等化學試劑），以此來滿足微生物與水生植物的生長要求。

陸生環(huán)境指河水或湖泊岸邊離水岸線至少10m以外的位置，可根據(jù)洪水位線來確定其位置，陸生環(huán)境土壤含水量等指標應與標準的陸地環(huán)境一致。陸生環(huán)境下生長的植物主要為中生植物，即不能忍受嚴重干旱或長期水澇，只能在水分條件適中的環(huán)境中生活，陸地上絕大部分植物皆屬此類。陸生環(huán)境中的植物設計主要遵循土壤與光照要求，喬灌草搭配種植，根據(jù)植物的形態(tài)和生態(tài)特征進行植物環(huán)境的設計。

水陸相接的生境因其復雜性與特殊的生態(tài)價值，是水體生物多樣性修復的重點。此生境指水面與陸地相交接的界面，是整個陸生環(huán)境向水生環(huán)境過渡的區(qū)域。在城市水體中往往以生態(tài)駁岸、濕地的面貌呈現(xiàn)，適宜生長的植物主要為濕生植物。因此在生態(tài)駁岸或濕地床設計的過程中，植物設計就應參與其中，通過相互調節(jié)來確定駁岸與濕地床的設計形式。比如石籠的駁岸，便可在石籠中添加帶濕生植物種子的土壤，而杉木樁形式的駁岸應根據(jù)植物需要調節(jié)木樁后的土壤生境以適宜植物生存。

3.4.2.2 動物棲息地

與植物棲息地一樣，動物的棲息地也分為水生環(huán)境、陸生環(huán)境、水陸相接的環(huán)境。

城市水體中水生環(huán)境的動物主要為魚蝦、昆蟲、浮游類生物等。它們的生存條件與水質、水量、水速、食物、天敵等密切相關，同時它們也反過來影響著水質、植物的生長等。因此應根據(jù)前期的調研選擇本地物種，對主要影響其生存的條件進行透徹的理解，比如其在水中生存的區(qū)域、食物、繁殖需要的條件、主要的天敵等，然后對其生存環(huán)境進行近一步設計，土壤微生物含量、水中的溶氧量以及水生植物（既可為食物也可為繁殖場所）的選擇。

陸生環(huán)境的動物主要為鳥、蛇、鼠、昆蟲、菌類等。它們生境的營造最重要的因素之一是植物，植物可以成為它們的食物，也是它們休息和游戲的場所。因此第一步通過前期調研對周邊現(xiàn)有物種進行充分的了解，然后選擇場地需要的本地物種；第二步對植物（不僅指陸生植物，同樣也包括濕生植物）進行合理的搭配，為其營造可健康生存的“房子”；第三步梳理其在生物鏈中的關系，合理調節(jié)其食物與天敵的設置使生態(tài)系統(tǒng)達到平衡。

水陸相接的生境中動物主要為兩棲類的動物如蛙、蛇等，因此在設計此類動物棲息地時要綜合考慮陸地與水兩個條件因素。同樣分調研選擇、設計“房子”、設置并平衡食物與天敵三個步驟。

3.4.2.3 微生物棲息地

微生物的種類受土壤、水質、水速、光照等因素影響，而土壤是絕大多數(shù)微生物的棲息地。我們在生物多樣性的修復中，一般不會刻意地選擇微生物，而是根據(jù)動植物的生長環(huán)境監(jiān)測微生物數(shù)據(jù)從而判斷生境的情況。

3.5 自我設計與自我修復

生態(tài)系統(tǒng)的自我修復是指對生態(tài)系統(tǒng)停止人為干擾，以減輕負荷壓力，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力與自組織能力使其向有序的方向進行演化，或者利用生態(tài)系統(tǒng)的這種自我修復能力，輔以一定的人工措施（如人工魚道設置、濕地植物人工收割等），使遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復或使生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)方向發(fā)展。這是一個較為漫長的過程。

4 結語

早期的城市河道整治主要考慮防洪安全，進行了大規(guī)模的裁彎取直，對河床進行硬化處理，改變了原河道的天然形態(tài)和自然走向，顯然河道中許多生物賴以生存的自然特征消失，這些傳統(tǒng)的工程建設對水體生態(tài)系統(tǒng)形成了不同程度的脅迫。

本文提出的城市水體生態(tài)修復則是通過生境多樣性的打造，恢復水體的生物多樣性，從根本上保護和恢復水體的生態(tài)環(huán)境。城市水體的生態(tài)修復也應結合上下游、周圍用地等多方面進行生態(tài)修復的規(guī)劃、設計和運行管理。