基于近自然河川治理理念的城市河流治理設(shè)計(jì)研究

才克寧

(凌海市水利事業(yè)服務(wù)中心，遼寧 凌海 121200)

0 引 言

河流與人類社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)，它是維持生態(tài)平衡以及組成景觀體系和生態(tài)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，河流生態(tài)整治與環(huán)境修復(fù)對(duì)促進(jìn)城市生態(tài)建設(shè)發(fā)揮著重要作用[1]。避免或減輕洪澇災(zāi)害給生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的損害為過(guò)去城市河道治理工程的主要目標(biāo)，因此減少河道內(nèi)植物量、高筑河堤、砌石護(hù)坡、裁彎取直和拓寬河道等為傳統(tǒng)的河道治理工程措施，盡可能的增強(qiáng)河道的行洪能力。然而河流作為自然元素和景觀組成，在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，具有提供休閑娛樂場(chǎng)所、美化環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候及創(chuàng)造水生生物生境等生態(tài)服務(wù)功能[2]。隨著人們對(duì)河道景觀、文化生活、生態(tài)環(huán)境要求的不斷提升，綜合考慮各種生態(tài)服務(wù)功能的河流整治與環(huán)境修復(fù)越來(lái)越引起人們的重視。

1940-1950年代，德國(guó)最先提出了以接近自然河流為標(biāo)準(zhǔn)的河流建設(shè)與規(guī)劃理念，這也是“近自然型河流”的發(fā)展起源。隨后，許多國(guó)家反思了河道整治工程對(duì)河流自然環(huán)境的破壞作用，并實(shí)施了以回歸自然狀態(tài)為目標(biāo)的河道整治再改造工程。通過(guò)采取增加河灘面積與河邊濕地、維護(hù)生物多樣性、恢復(fù)河岸水邊植物群落以及修建生態(tài)河堤等措施，保證城市河流的行洪排澇、水資源供給、生態(tài)環(huán)境安全和水清岸綠景美目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這是未來(lái)河流整治與環(huán)境修復(fù)的必然趨勢(shì)。雖然，對(duì)于近自然河流治理目前還沒有形成較為系統(tǒng)、成熟的理論方法，但在保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境和維護(hù)河流多樣性等方面研究學(xué)者的認(rèn)識(shí)基本一致[3-5]。流域生物群落多樣性以河流形態(tài)多樣性為基本前提，在河道整治和環(huán)境修復(fù)中具有重要作用。其中，是否將未來(lái)河道形態(tài)融入到河流整治設(shè)計(jì)中直接決定著修復(fù)工程的成敗。

因此，文章結(jié)合河道形態(tài)設(shè)計(jì)在城市河流治理中存在的主要問題，從河床形態(tài)多樣化的角度歸納了平面形態(tài)與河道斷面設(shè)計(jì)的原則，將現(xiàn)有城市河流按照治理程度的不同進(jìn)行分類，通過(guò)營(yíng)造自然的河流形態(tài)以及設(shè)計(jì)不同形態(tài)的改造方案，逐漸恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)，力求滿足人們對(duì)濱河宜居環(huán)境、人文景觀的親水要求，保障城市可持續(xù)發(fā)展和河流生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[6]。

1 城市河流文章治理現(xiàn)狀

1.1 河道硬質(zhì)渠化治理

現(xiàn)代城市河流的典型特征為人工化、河道渠系化，長(zhǎng)期以來(lái)為增強(qiáng)河道行洪能力和防御城市洪水安全，對(duì)于城市河道的治理往往強(qiáng)調(diào)最大輸水能力和最佳水力半徑，將河岸、河床硬質(zhì)渠化，河流裁彎取直[7]。這些工程治理措施主要強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)灌溉、航運(yùn)通行及洪水排泄等基本功能要求且河道結(jié)構(gòu)形式單一，雖然看上去能夠使得河道景觀干凈、整潔，但完全忽視了河流的多種社會(huì)服務(wù)功能和生態(tài)系統(tǒng)的完整性特征。受人類活動(dòng)干擾河流的自然形態(tài)和生態(tài)景觀功能逐漸消失，人水關(guān)系疏遠(yuǎn)，留下的僅僅是筆直的岸線和高大的防洪墻。

1.2 不良生態(tài)效應(yīng)

不斷的發(fā)展變化是自然河流存在的必然屬性，自然生態(tài)系統(tǒng)在河流形態(tài)完全固定影響下發(fā)生顯著改變，產(chǎn)生的不良生態(tài)效應(yīng)如下：

1)自然多樣性逐漸消失。實(shí)踐表明，完全固定的河流形態(tài)使得城市河流的河間帶、岸線形態(tài)、河床組成、河床形態(tài)等自然多樣性逐漸消失，從而改變了多樣的水流條件。漿砌石或混凝土覆蓋了原本活躍、豐富的生命體系，單調(diào)硬質(zhì)的岸坡不僅對(duì)生物棲息地產(chǎn)生破壞作用，而且阻礙了地下水的補(bǔ)給和水陸系統(tǒng)之間的聯(lián)系[8]。特別是北方地區(qū)，河岸、河床在枯水期完全裸露，河流斷流、生境僵化和棲息地被完全破壞的現(xiàn)象較為常見。

2)割裂生態(tài)系統(tǒng)。水生生態(tài)系統(tǒng)、河間帶和河岸為河流生態(tài)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，三者之間的物質(zhì)能量交換主要通過(guò)徑流的自然水文過(guò)程實(shí)現(xiàn)，從而保持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。然而，硬質(zhì)化后的城市河道成為由兩側(cè)河岸、河底組成的獨(dú)立體，導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)、河間帶、河岸三者之間的連續(xù)性被徹底切斷，寬闊平坦的河床在枯水期裸露在外而汛期水流集中在硬質(zhì)岸坡內(nèi)，水陸系統(tǒng)之間的聯(lián)系被完全阻斷。

3)生物棲息地破壞。微生物、水生動(dòng)物一般生存在草叢間、河灣處，然而原本屬于生物的河流因密不透水的岸坡和平坦筆直的河堤砌石不復(fù)存在。微生物、水生動(dòng)植物因失去了賴以生活的河岸、河床和能量物質(zhì)交換的通道，無(wú)法在水流中實(shí)現(xiàn)種群的繁衍生存而逐漸消失；被混凝土或漿砌石覆蓋的河間帶喪失了蘊(yùn)育生命的能力，河流生存發(fā)展的空間遭受破壞；由于無(wú)法獲取河流的能量補(bǔ)給河岸帶生物的生存能力不斷下降。

2 近自然治理斷面的形態(tài)設(shè)計(jì)

硬質(zhì)渠化改造后的城市河道使得水流無(wú)法自由發(fā)展，被束縛在河道內(nèi)的水流其營(yíng)造豐富生境的能力顯著降低，且河流自然原貌的恢復(fù)以及混凝土、砌石護(hù)岸的拆除往往需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。在此條件下近自然河流治理應(yīng)盡可能的豐富河道斷面形態(tài)，通過(guò)采取生態(tài)工程措施恢復(fù)河流自然環(huán)境和物種多樣性。目前，可將我國(guó)城市河流依據(jù)治理程度劃分為已經(jīng)硬質(zhì)化完畢的河段和規(guī)劃整治的河段，對(duì)此需要對(duì)已整治的河道實(shí)施再次生態(tài)改造和以先進(jìn)理念指導(dǎo)規(guī)劃生態(tài)河道斷面[9]。

2.1 斷面設(shè)計(jì)原則

河流中豐富的地貌，如積水沼地、三角洲、河漫灘、階地、淺灘、深灘及曲流等構(gòu)成了多樣的河流形態(tài)，由此形成的多種生態(tài)因子異質(zhì)性豐富了河流生物群落多樣性，如河床材料構(gòu)成、水深、流速和流量等造就了生境多樣性。在多種因素的綜合影響下河流生態(tài)系統(tǒng)不斷被破壞，其中河流形態(tài)多樣性的消失是引起城市河道環(huán)境惡化的重要因素之一。重新豐富河道形態(tài)是恢復(fù)河流自然特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此近自然河流治理應(yīng)在滿足城市防洪要求的基礎(chǔ)上綜合考慮人文景觀、河流生態(tài)、文化生活等功能需要，在河道斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中營(yíng)造多樣性人水相親的水邊空間和生物棲息環(huán)境。

近自然河流斷面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則如下：形成深灘、淺灘形態(tài)確保水陸之間的過(guò)渡帶；河床寬度適中，不固定河床；為了使河流擁有一定的擺動(dòng)幅度應(yīng)盡避免修建水流淺平的矩形斷面；橫斷面圖不設(shè)計(jì)成直線形，更加重視河流占地窄小區(qū)域的水邊多樣性。

2.2 規(guī)劃整治河段

規(guī)劃整治河段一般位于尚未完全城市化或城市外圍的曲線，在分流城市洪水中發(fā)揮著重要作用。由于這些河段尚未實(shí)施渠化治理工程，所以河流的自然特性還未完全失去。在保證泄洪斷面的基礎(chǔ)上充分利用河流的自然形態(tài)，在整治過(guò)程中設(shè)計(jì)近自然斷面形式。

1)斷面設(shè)計(jì)遵循河流自然演變規(guī)律。天然河流的河床形態(tài)與水流過(guò)程之間具有密切相關(guān)，由于河床組成物質(zhì)的各異性和水流過(guò)程的千差萬(wàn)別才形成了多樣性的河流生境，從而為生物多樣性營(yíng)造良好的環(huán)境。因此，恢復(fù)水流的造床功能可作為近自然河流治理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。多年流量過(guò)程的綜合造床作用與河床演變學(xué)中造床流量的作用基本相同，可在近自然河流設(shè)計(jì)中引入造床流量這一新的概念。河道邊灘高程可通過(guò)合理選擇造床流量這一變量來(lái)確定，然后采取人工措施營(yíng)造邊灘高程以上區(qū)域的河流景觀，在符合城市防洪的斷面內(nèi)塑造邊灘高程以下的河流形態(tài)，最終在長(zhǎng)期的天然水流過(guò)程作用下實(shí)現(xiàn)自然河流斷面的塑造。

可將濕地公園布置在河道匯流或下游區(qū)域，以自然寬淺作為河道斷面的主要形式，低水時(shí)草木茂密、洲灘畢現(xiàn)，高水時(shí)水流漫溢。由此以來(lái)，城市汛期排水的雨水就可以停留在濕地內(nèi)，濕地不僅能夠發(fā)揮凈化水質(zhì)和利用雨洪資源補(bǔ)給地下水的功能，而且可大大減輕城市汛期泄洪壓力。另外，將河流廊道與濕地公園相結(jié)合還可共同組成岸綠、景美、水清的城市景觀。

2)增加斷面類型。水域環(huán)境中深灘、淺灘處于必不可缺的基本條件，由于水流急淺灘河床多分布著有助于藻類生長(zhǎng)的石子。淺灘的細(xì)沙在湍急的水流作用下被沖走，從而使得礫石在河床上的空隙很大且呈懸擺浮擱的分布形式，這就為附著藻類、水生昆蟲等創(chuàng)造了良好的棲息條件，同時(shí)可吸引相應(yīng)的魚類捕食。深灘的泥沙容易淤積且水流相對(duì)緩慢，對(duì)于藻類的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。然而水生昆蟲、藻類等生長(zhǎng)于急流淺灘中的動(dòng)植物被沖入深灘后也就成為了各類生物的覓食地，并且深灘可為躲避捕魚、幼魚成長(zhǎng)和魚類休息等營(yíng)造生長(zhǎng)活動(dòng)空間，同時(shí)為魚類的越冬提供棲息地。

淺灘和深灘是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境多樣的自然河流的基本要素，而且缺一不可。因此，自然河床的創(chuàng)造應(yīng)結(jié)合河流流量、河床構(gòu)成及河床比降等因素。通過(guò)修建形狀自然的河床可形成自然的河灘、水邊，然后開挖河道構(gòu)成多種形式的淺灘、深灘水流。

河流的自然演變存在著獨(dú)特的變化規(guī)律，河床的建造不能完全設(shè)計(jì)為曲線或直線。因此，河床的走向不能采用水邊固定的方法在一開始就確定，要預(yù)留發(fā)展空間并依據(jù)河流演變特性，因勢(shì)利導(dǎo)的逐漸構(gòu)成穩(wěn)定天然的河床。

2.3 已硬質(zhì)化河段設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)許多城市的河流基本已完成綜合整治，應(yīng)充分考慮河流的現(xiàn)狀條件設(shè)計(jì)近自然河流治理方案。有些河段的硬質(zhì)河底在水量較小時(shí)完全裸露，河道治理防洪斷面寬闊且河流生態(tài)系統(tǒng)被破壞，再次實(shí)施生態(tài)化全面治理在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于此類河流應(yīng)結(jié)合河道疏浚要求和原有整治工程現(xiàn)狀，采取生態(tài)工程措施改造河底。通過(guò)少量挖槽或疏浚處理能夠在現(xiàn)有枯水期彎曲水流形態(tài)下就彎或在筆直和槽內(nèi)形成彎曲子河槽，在保留水岸過(guò)渡帶淤積泥沙和部分河道內(nèi)淤積體的基礎(chǔ)上進(jìn)行清理維護(hù)，輔以綠化、規(guī)整、植被種植等措施，豐富河道水流形態(tài)和凈化河流水質(zhì)環(huán)境。由此以來(lái)，不僅可減少河道治理的工程量，而且可恢復(fù)河流自然環(huán)境和生態(tài)功能，形成近自然河流。將多種草皮種植在河槽內(nèi)灘地裸土和岸坡上，從而實(shí)現(xiàn)綠化枯水河槽、無(wú)水綠景美和有水水景美的生態(tài)景觀。

另外，對(duì)于以矩形或梯形防洪斷面為主的穿過(guò)城鎮(zhèn)的河流，由于受岸坡空間和洪水設(shè)計(jì)流量略低等條件限制，城鎮(zhèn)河道設(shè)計(jì)通常窄深?？紤]到防洪斷面過(guò)流能力通常大于常流量，可采用生物材料以常流量為基準(zhǔn)在河底設(shè)置子河槽系統(tǒng)。將森林公園規(guī)劃和岸上綠化帶相結(jié)合，采用綠化混凝土、生態(tài)砌石護(hù)岸等材料修建生態(tài)型河道。

許多城市中心區(qū)河流需要維持一定的景觀水面積，河道一般較窄且已基本完成整治改造，因此自然形態(tài)的河流改造往往存在較大的困難。短期內(nèi)為增強(qiáng)河流生態(tài)功能，可采取增加植物品種、維護(hù)及修建沿河生態(tài)綠化等措施。

3 城市河流近自然平臺(tái)形態(tài)改造

由于城市河流比較注重滿足防洪安全的要求，因此其平面形態(tài)通常束縛于河堤之中，且以順直為主。而在蓄水性方面曲折蜿蜒的自然河流具有明顯的優(yōu)勢(shì)，一方面可為水生動(dòng)植物營(yíng)造良好的棲息地環(huán)境，另一方面提高水生物種多樣性和保障生態(tài)系統(tǒng)完整性發(fā)揮著重要作用。河流生態(tài)修復(fù)以近自然河流和恢復(fù)河道自然特征為目標(biāo)，不僅有助于提升河流的人文景觀欣賞功能，而且可恢復(fù)河流的自然環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水流氣候在小系統(tǒng)內(nèi)的自我平衡。

3.1 平面形態(tài)設(shè)計(jì)原則

主要考慮如下兩方面內(nèi)容設(shè)計(jì)河流平面形態(tài)，①在生態(tài)用水緊張和保證河道行洪安全的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)彎曲穩(wěn)定的河型滿足景觀需求，通過(guò)形成常水位子河槽提高河流的景觀功能；②為維持河流水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和自修復(fù)目標(biāo)，采取多樣的斷面設(shè)計(jì)形態(tài)豐富河道的生境。

應(yīng)遵循如下幾方面原則設(shè)計(jì)河流平面形態(tài)：盡可能的保持河流平面形狀的蜿蜒曲折性，充分利用河流自然走向形成深灘、淺灘交替的平面形態(tài)；盡量保留河畔林、深水潭，在平面設(shè)計(jì)中盡可能的納入沿岸灘地和原河床；賦予河流適當(dāng)?shù)乃茉炜臻g，近可能的保證河道用地寬度。

3.2 平面形態(tài)改造設(shè)計(jì)

城市外圍河流一般尚未全面治理，布局河段自然彎曲而總體平面形態(tài)較為順直。充分考慮河道現(xiàn)狀形態(tài)特征采取連通水體或魚塘措施，在河道內(nèi)形成開闊的水面；另外，還可建設(shè)濕地改善河道景觀與生態(tài)環(huán)境。采取淺灘、深灘相間的措施將防洪河槽建造成彎曲河道形態(tài)，在半徑和弧長(zhǎng)上彎道也用有所改變，在達(dá)到防洪安全標(biāo)準(zhǔn)的條件下創(chuàng)造生物多樣性親水空間。

對(duì)于已整治的常流量較小的城區(qū)段河流，應(yīng)結(jié)合防洪河槽寬度要求和前文斷面設(shè)計(jì)方法，將常流量子河槽布置在防洪河槽內(nèi)形成邊灘、淺灘、深灘交錯(cuò)布置彎曲多變的自然形態(tài)?？刹捎酶善鍪伟镀?，在石塊縫隙中填入裝土壤的草袋，通過(guò)創(chuàng)造河流自由塑造空間形成富于變化、出入微小的自然河流形態(tài)。

4 結(jié) 論

城市河流生態(tài)系統(tǒng)在人類非理性整治影響下被嚴(yán)重破壞，河道硬質(zhì)化、筆直化改造不僅割裂了水陸系統(tǒng)之間的聯(lián)系，切斷了水流生態(tài)系統(tǒng)的能量物質(zhì)交換，而且侵占了水生動(dòng)植物的棲息地，在很大程度上抑制了生境多樣性的形成。

近自然河道形態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)在防洪河道內(nèi)不固定河床，盡可能創(chuàng)造多樣性平臺(tái)形態(tài)和斷面形式，充分利用現(xiàn)有條件使河流擁有擺動(dòng)空間；注重河道岸坡植被、水邊空間、灘地及河槽的保護(hù)，采取彎曲子河槽開挖措施達(dá)到河道形態(tài)多樣的目標(biāo)。城市河流形態(tài)的具體設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)防洪斷面寬窄差別，考慮生態(tài)景觀功能和河道防洪要求，結(jié)合河道治理程度實(shí)施常流量子河槽形態(tài)的多樣性設(shè)計(jì)；對(duì)于已完成硬質(zhì)化整治的河流，可采取岸坡綠化改善濱水生態(tài)系統(tǒng)或營(yíng)造深淺相間的彎曲子河槽措施。