基于自然解決方案在永定河生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用簡析

徐愛霞，鄧卓智

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100048)

基于自然解決方案(Nature-based solutions，NBS)指“受到自然的啟發(fā)和支持，持續(xù)地管理和利用自然或改造的生態(tài)系統(tǒng)，以有效和適應(yīng)性地應(yīng)對社會-環(huán)境挑戰(zhàn)，同時益于人類福祉和生物多樣性”。近年來，國際社會重新重視基于自然解決方案，并應(yīng)用到應(yīng)對氣候變化、水安全、水污染、糧食安全、人類健康和災(zāi)害風(fēng)險管理等方面。盡管我國迄今很少應(yīng)用“基于自然解決方案”的概念，但已在海綿城市建設(shè)、生態(tài)修復(fù)等方面實際工作中得到應(yīng)用。本文梳理了基于自然解決方案在水利領(lǐng)域的主要應(yīng)用，并結(jié)合永定河治理和生態(tài)修復(fù)，總結(jié)分析了基于自然的方案在河道修復(fù)和水源地保護等方面的應(yīng)用，為基于自然解決方案在我國水利領(lǐng)域的進一步推廣和應(yīng)用提供參考。

1 基于自然解決方案在水利領(lǐng)域的應(yīng)用

長期以來，人們通常首先選擇建造水利工程設(shè)施(“灰色”設(shè)施)，改善水資源管理，滿足人們的涉水需求。在這個過程中，經(jīng)常忽略采用更為環(huán)保的傳統(tǒng)或當(dāng)?shù)刂R?；谧匀唤鉀Q方案的應(yīng)用，不是要用利用生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施取代灰色基礎(chǔ)設(shè)施，而是統(tǒng)籌考慮多個目標(biāo)和利益，確定灰色基礎(chǔ)設(shè)施和基于自然解決方案的最合適，最具有成本-效益和可持續(xù)性的方案。面對水資源需求的不斷增加，生態(tài)環(huán)境惡化，以及氣候變化等多方面影響，需要探索新途徑來管理水資源。基于自然解決方案強調(diào)與自然的和諧相處，而非斗爭，且通常具有成本-效益和環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益。對水利領(lǐng)域，基于自然解決方案已在水量、水質(zhì)和水災(zāi)害風(fēng)險管理方面得到應(yīng)用，開拓了水資源管理的新視野。

1.1 水量管理

通過管理與水有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)過程和功能，可以為人們提供“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”帶來的益處。所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都依賴于水，但一些特定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)又直接影響到產(chǎn)水量?；谧匀唤鉀Q方案主要通過管理降水、滲透、運移和蓄水等，改善可供人們需求的水的分布、時間和數(shù)量，從而助力解決供水問題。建設(shè)更多水庫受到淤積、可用徑流減少、環(huán)境、移民等問題的限制，在許多發(fā)達國家具有成本-效益和最可行的建設(shè)地點已經(jīng)被使用，這也限制進一步增加水庫建設(shè)。在許多情況下，其他生態(tài)系統(tǒng)友好型的蓄水形式，如利用天然濕地、提高土壤濕度、更有效的地下水補給，可能比傳統(tǒng)的灰色基礎(chǔ)設(shè)施(如水壩)更具可持續(xù)性和成本效益。

基于自然解決方案和灰色基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的我國海綿城市建設(shè)，是增加城市可用水量，實現(xiàn)對城市徑流管控的典型例子。通過建設(shè)生態(tài)排水設(shè)施，充分發(fā)揮城市綠地、道路、水系等對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，優(yōu)先利用自然排水系統(tǒng)，有效緩解城市內(nèi)澇，增加可利用水量(節(jié)約水資源)，同時削減城市徑流污染負荷。

1.2 水質(zhì)管理

水源保護降低了城市水供應(yīng)部門的水處理成本，并有助于提高農(nóng)村社區(qū)獲得安全飲用水的機率。在城市水源的匯水區(qū)，通過對森林、濕地和草地以及土壤和作物的適當(dāng)管理，可以利用生態(tài)系統(tǒng)捕獲和保留污染物以及吸收養(yǎng)分，減少沉積物負荷，其可在保護供水水源水質(zhì)方面發(fā)揮重要作用。在水受到污染的地方，人工建設(shè)和自然生態(tài)系統(tǒng)都可以幫助改善水質(zhì)。來自農(nóng)業(yè)的非點源污染，特別是營養(yǎng)元素，仍然是世界性的難題，它也最適合應(yīng)用基于自然解決方案，因為這可以利用生態(tài)系統(tǒng)過程，改善土壤養(yǎng)分，從而降低肥料需求，同時減少徑流或滲透到地下水的營養(yǎng)元素。

城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施越來越多地被用于管理和減少城市徑流造成的污染。城市中的綠墻、屋頂花園、草地滲透或排水洼地，可以幫助廢水處理和減少雨水徑流。濕地也在城市環(huán)境中被應(yīng)用于緩解受污染的地表徑流和廢水的影響，利用天然和人工濕地實現(xiàn)生物降解或固定一些污染物。對于某些特定化學(xué)污染物，基于自然解決方案甚至可能是唯一的處理方案。

1.3 水旱災(zāi)害風(fēng)險管理

氣候變化導(dǎo)致的極端降水事件增加，導(dǎo)致有關(guān)洪水和干旱災(zāi)害風(fēng)險增加。全球范圍內(nèi)估計約有30%的人口居住在經(jīng)常受洪水或干旱事件影響的地區(qū)，水旱災(zāi)害損失巨大，且呈增加趨勢。與洪水共存的理念，可以促進基于自然解決方案的應(yīng)用，綠色與灰色基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的方法可以節(jié)省成本，并可大幅降低水旱災(zāi)害風(fēng)險?；谧匀唤鉀Q方案用于洪水管理，包括管理滲透和陸地表面流，提高河湖水文連通性，增加蓄水行洪空間，提高洪水蓄滯和排泄能力。

干旱災(zāi)害并不像有時所描述的那樣僅發(fā)生在干旱地區(qū)，在通常不缺水的地區(qū)也可能發(fā)生干旱災(zāi)害?；谧匀唤鉀Q方案可以緩解干旱災(zāi)害，主要措施包括提高土壤和地下水在內(nèi)的區(qū)域蓄水能力，以緩解極端缺水時期的影響。降雨的季節(jié)性變化為區(qū)域蓄水提供了機會，在雨季時的蓄水可為干旱時期的生態(tài)用水和人們生產(chǎn)生活用水提供水源。當(dāng)前自然蓄水(特別是通過土壤、地下蓄水層)減少災(zāi)害風(fēng)險的潛力遠未實現(xiàn)。流域和區(qū)域尺度的水源規(guī)劃，應(yīng)考慮到地表和地下蓄水等多方案的組合，以在水資源變率不斷增加的背景下取得最優(yōu)的環(huán)境和經(jīng)濟效果。

2 永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)

2.1 基于自然解決方案在總體方案中的應(yīng)用

永定河是海河水系最大的一條支流，由發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣的洋河和發(fā)源于山西省寧武縣西南管涔山的桑干河匯流而成，中下游經(jīng)河北省、北京市、天津市入渤海，全長747km，流域面積4.7萬km2。

永定河是京津冀區(qū)域重要水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道。自20世紀(jì)70年代中后期，受氣候變化、上游水庫建設(shè)、沿岸工農(nóng)業(yè)開發(fā)用水需求增加等因素影響，目前存在流域水資源過度開發(fā)、環(huán)境承載力弱、水污染嚴(yán)重、河道斷流、生態(tài)系統(tǒng)退化、部分河段防洪能力不足等問題。作為2017年京津冀協(xié)同發(fā)展的重要任務(wù)之一，《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》(以下簡稱總體方案)得到國家發(fā)展改革委、水利部和國家林業(yè)局的聯(lián)合批復(fù)。目前永定河的綜合治理和生態(tài)修復(fù)工作已正式啟動實施。

總體方案提出把永定河恢復(fù)成為“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，再現(xiàn)河道清水長流、湖泊蕩漾漣漪、沿岸綠樹連綿、城鄉(xiāng)山川相融的自然山水風(fēng)貌的總體目標(biāo)，確定了河流生態(tài)環(huán)境需水量及配置方案，從水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置、河道綜合整治與修復(fù)、水源涵養(yǎng)與生態(tài)建設(shè)、水環(huán)境治理與保護等方面，提出了重點治理一系列措施。在總體方案中，特別是在具體治理措施方面，充分利用了基于自然解決方案。

2.1.1 河道生態(tài)治理修復(fù)

針對永定河河道生態(tài)退化問題，采取河道主槽整治、河岸綠化、生態(tài)護岸、水面恢復(fù)等措施，推進河道生態(tài)修復(fù)，實現(xiàn)“河暢、水清、岸綠、景美”的自然風(fēng)貌，打造貫穿京津冀晉四省市、連接山區(qū)和平原、溝通陸地和海洋的綠色生態(tài)河流廊道。

2.1.2 河道防護林建設(shè)

永定河河道兩側(cè)現(xiàn)有河道防護林0.24萬hm2。通過造林、現(xiàn)有林管護等措施，新建河道防護林面積1.54萬hm2，恢復(fù)河道兩岸生態(tài)植被，強化河岸水土保持和防風(fēng)固沙功能，美化河道景觀。

2.1.3 水源涵養(yǎng)林建設(shè)

通過上游水源涵養(yǎng)林建設(shè)，提高上游地區(qū)水源涵養(yǎng)、水土保持生態(tài)功能；加強幼齡林撫育管理，推進低質(zhì)低效林改造，提升森林水源涵養(yǎng)能力；完善自然保護區(qū)和森林公園基礎(chǔ)設(shè)施與管理能力建設(shè)，促進生物多樣性保護。

2.1.4 清潔小流域建設(shè)

永定河官廳水庫上游地區(qū)現(xiàn)有水土流失面積1.5萬km2，其中中度及以上流失面積5699km2。針對山區(qū)水土流失和水環(huán)境污染特點，采取溝道整治、水土流失防治、農(nóng)村生活污染處置設(shè)施建設(shè)等措施，建設(shè)清潔小流域107條，新增水土流失治理面積1384km2，提高河流上游水源涵養(yǎng)能力，減少面源污染負荷，維護重要水源地安全，改善河道水環(huán)境，恢復(fù)河道服務(wù)功能。

2.1.5 重點水源地保護

官廳水庫位于永定河山峽入口處，總庫容41.6億m3，控制流域面積4.34萬km2，是防洪、灌溉、供水、發(fā)電等綜合利用的水庫。規(guī)劃建設(shè)八號橋、媯水河入庫口水質(zhì)凈化濕地，擴建黑土洼水質(zhì)凈化濕地，并結(jié)合庫濱帶退耕還濕，控制周邊地區(qū)污染物輸入，凈化永定河上游及媯水河來水，進一步改善入庫水質(zhì)。

2.2 基于自然解決方案的八號橋濕地案例

八號橋入庫濕地位于懷來縣豐沙鐵路八號橋下游永定河右岸灘地，與左岸的八號橋水文站隔河相望。永定河沿濕地東部邊界自北向南流過，豐沙鐵路繞行濕地的西部、北部，濕地距永定河匯入官廳水庫的入口處約4km，南北最長約3.5km，東西寬約700m，總面積約3152畝。地勢北部高，南部低，西部高，東部低，高程在477～480m之間。

根據(jù)八號橋水文監(jiān)測資料，永定河入官廳水庫現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅴ類，主要污染物為總氮和總磷。八號橋濕地作為河道濕地，主要功能是生態(tài)恢復(fù)和水質(zhì)凈化，同時作為河北懷來官廳水庫濕地公園恢復(fù)區(qū)的組成部分，具有科普宣傳教育功能。根據(jù)功能定位，規(guī)劃建設(shè)濕地類型主要以表面流濕地。表面流濕地，污水在濕地的基質(zhì)表層流動，水位較淺，一般在0.1～0.6m。這種系統(tǒng)與自然濕地最為接近，依靠生長在植物水下部分的莖、桿上的生物膜實現(xiàn)對污水中的絕大部分有機污染物的去除。表面流濕地同時還具有生態(tài)功能優(yōu)越，建設(shè)造價低，維護成本低，景觀效果好，最接近自然風(fēng)貌等特點。

根據(jù)現(xiàn)狀高程，整個濕地區(qū)順河道方向布局。河道主槽與大秦鐵路、沙蔚鐵路、八號公路橋、豐沙鐵路將整個濕地(場區(qū))分割為十個區(qū)域。按照水質(zhì)凈化要求，濕地充分利用土地面積，發(fā)揮濕地凈化效率，對各個區(qū)域進行功能劃分，設(shè)計水體流線，并將十個區(qū)域進行優(yōu)化組合設(shè)計，形成整體水質(zhì)凈化工程總體布置。各分區(qū)濕地照現(xiàn)狀地形地勢為基礎(chǔ)進行土方挖填整理而成，通過開挖引水溪流使河道與濕地連接，自永定河主槽引水，通過蜿蜒的溪流和濕地，使河水在濕地中穿行，實現(xiàn)溪流、深潭、淺水等不同的流動形態(tài)，在此過程中實現(xiàn)水體與土壤、水生植物等得充分接觸，增加水的停留時間，實現(xiàn)水體凈化。

通過八號橋濕地，凈化永定河上游來水，凈化規(guī)模3m3/s，折合約26萬m3/d。其與黑土洼濕地工程相協(xié)調(diào)，共同發(fā)揮濕地凈化水質(zhì)效果，使入庫水質(zhì)達地表水Ⅳ類。未來，隨著上游來水質(zhì)量的進一步改善，通過八號橋濕地和黑土洼濕地共同作用，有望將入庫水質(zhì)主要指標(biāo)提升至地表水Ⅲ類。

3 討論

基于自然方法解決水資源管理問題在國際上重新受到重視，其在提高水資源供應(yīng)、改善水質(zhì)、減少與水有關(guān)的風(fēng)險方面得到一定程度的應(yīng)用。隨著生態(tài)文明建設(shè)成為我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)“五位一體”總體布局的重要組成，“尊重自然、順應(yīng)自然、保護自然”的生態(tài)文明理念的確立，生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)在我國日益受到重視，基于自然解決方案將在河湖生態(tài)治理和修復(fù)中將進一步得到重視和應(yīng)用。

在永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)方案中，基于自然解決方案體現(xiàn)在流域水源涵養(yǎng)區(qū)的涵養(yǎng)林建設(shè)和清潔小流域建設(shè)，河道的生態(tài)治理修復(fù)和保護林建設(shè)，以及水源地保護的設(shè)計中，特別是規(guī)劃了沿河庫的八號橋濕地和黑土洼濕地等濕地工程，充分利用濕地凈化水質(zhì)。這顯示了基于自然解決方案在河道治理與生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用潛力。

基于自然解決方案通常被認為比傳統(tǒng)的工程(灰色系統(tǒng))效率更低，或者風(fēng)險更大，而實際情況可能迥異，這需要結(jié)合具體的情況，對基于自然解決方案的水文-生態(tài)績效、成本效益等進行公正和有力的評估。同時需要加強基于自然解決方案和灰色基礎(chǔ)設(shè)施選項進行正確組合的技術(shù)導(dǎo)則、方法和措施的制定。

基于自然解決方案不是萬能藥，其需要與傳統(tǒng)水利工程相互結(jié)合，相互補充，相得益彰?；谧匀环椒梢詫崿F(xiàn)的目標(biāo)是有限的，存在一定的局限性。如認識到生態(tài)系統(tǒng)承載能力的有限性，超過壓力閾值(例如污染物和有毒物質(zhì)增加)將導(dǎo)致對生態(tài)系統(tǒng)的不可逆轉(zhuǎn)的破壞。對工業(yè)廢水處理而言，基于自然解決方案不能有效解決一些特殊污染物類型及其負荷，仍需要灰色基礎(chǔ)設(shè)施解決。另外，關(guān)于基于自然解決方案的一個經(jīng)?？浯蟮恼J識是其具有成本效益，而這應(yīng)該建立在考慮多種效益的科學(xué)評估基礎(chǔ)上，在一些小規(guī)模尺度上，基于自然解決方案可能是低成本，但其應(yīng)用在較大規(guī)模尺度上，可能需要大量投資。