鄱陽湖五河及湖區(qū)生態(tài)岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系初探

欒華龍，劉同宦，楊文俊，朱孔賢，郭偉杰，渠 庚

(1.長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室， 武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010)

1 研究背景

河湖岸坡及濱水帶是由陸域向水體過渡的交錯地帶，是水-陸生態(tài)系統(tǒng)的功能界面，具有調(diào)節(jié)徑流和微氣候、涵養(yǎng)水土資源、截污凈化、提供生物棲息地等生態(tài)服務(wù)功能[1]。河湖岸坡及濱水帶還是防洪堤岸及港口、碼頭、取水口、橋隧工程等涉水基礎(chǔ)設(shè)施的載體，對沿岸防洪安全及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要支撐作用，產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。然而，隨著臨水城市的高速發(fā)展以及河湖岸線的過度開發(fā)，河湖濱水帶生態(tài)系統(tǒng)受到一定程度的破壞，水生植被退化消失，生物多樣性降低。岸坡及濱水帶過度的、不正確的開發(fā)和使用還阻隔了生物連通，擠壓了生物生存空間[2]，地面硬化使岸坡下滲水量減少，地表徑流攜帶的污染物進(jìn)入水體，威脅河湖水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在生態(tài)文明建設(shè)與生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新要求下，如何統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)境保護(hù)與河湖濱水帶功能開發(fā)，如何恢復(fù)和重建受損河湖岸坡及濱水帶，已成為當(dāng)前生態(tài)水利工程學(xué)領(lǐng)域重要的議題，同時也是河湖生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)的重要內(nèi)容。

岸坡通常指河岸堤頂至常年高水位線之間的邊坡區(qū)域，是防洪堤防、護(hù)岸工程、涉水工程建設(shè)區(qū)域，主要發(fā)揮社會服務(wù)功能；濱水帶通常指洪季常年高水位至枯季常年低水位之間的水位變動區(qū)域，是一些水生動植物的繁衍棲息場所，主要發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能。針對河湖岸坡及濱水帶的理論研究與治理實踐，國內(nèi)外已開展了許多開創(chuàng)性的工作，取得了豐富成果。早在20世紀(jì)60年代，歐美等發(fā)達(dá)國家就開展了河岸生態(tài)修復(fù)的研究與應(yīng)用實踐[3]，例如德國、瑞士等在80年代提出“自然型護(hù)岸”和“親近自然河流”的河岸治理技術(shù)和理念[4];荷蘭在工程實踐中加入“建設(shè)遵循自然”的治理思路[5];日本形成了“多自然型河流”的整治方案[6];美國研發(fā)了“自然河道設(shè)計”技術(shù)，并出版了河岸治理相關(guān)書籍[7]。

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得人們逐漸意識到河岸防護(hù)工程不僅要符合工程設(shè)計原理，同時也應(yīng)從生態(tài)系統(tǒng)角度考慮工程對水岸生境、植物種群、生物廊道等生態(tài)因子的影響，從而引出了生態(tài)護(hù)岸的概念。國外認(rèn)為生態(tài)護(hù)岸是以自然的經(jīng)營管理為理念對傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)岸工程進(jìn)行強(qiáng)化和改造而成的護(hù)岸，強(qiáng)調(diào)在生態(tài)水利工程設(shè)計中應(yīng)該充分運用生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計、自組織的原則構(gòu)建合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[8]。隨著研究的深入，許多學(xué)者認(rèn)識到單一功能的治理手段難以兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其完整性，研發(fā)了基于多目標(biāo)的城市河道生態(tài)化改造和修復(fù)技術(shù)[9]，應(yīng)用于許多重大城市河段綜合治理，取得了顯著的社會效益和生態(tài)效益。

國內(nèi)對河湖生態(tài)岸坡及濱水帶的研究起步較晚，尹澄清[1]在1995年提出了內(nèi)陸水-陸地交錯帶的生態(tài)功能，之后隨著生態(tài)水工學(xué)理論框架的構(gòu)建[10]，對河湖濱水帶的研究進(jìn)入提速期。岳雋和王仰麟[11]基于河岸帶研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)加強(qiáng)河岸帶多要素作用機(jī)制研究，開展多學(xué)科和多種技術(shù)方法集成。夏繼紅和嚴(yán)忠民[12]提出生態(tài)河岸帶的概念和內(nèi)涵，并基于其生態(tài)學(xué)、力學(xué)及社會經(jīng)濟(jì)的特征，將生態(tài)河岸帶的功能歸納為自然保護(hù)和社會保護(hù)，并在縱橫方向上劃定了河岸帶的功能分區(qū)。近十幾年來,隨著河道生態(tài)保護(hù)與修復(fù)受到越來越多的關(guān)注，許多學(xué)者將構(gòu)建的河湖濱水帶治理理論框架逐步轉(zhuǎn)化為生態(tài)化治理的關(guān)鍵技術(shù)，包括生態(tài)護(hù)岸技術(shù)、濱水廊道景觀等[13]。

然而，目前研究大多側(cè)重于濱水帶防洪安全、港口碼頭開發(fā)利用、涉水工程安全等單一功能，對濱水景觀和生態(tài)系統(tǒng)健康的兼顧不足，缺乏面向河湖生態(tài)岸坡及濱水帶的綜合治理技術(shù)體系。本文以鄱陽湖五河及湖區(qū)為研究對象(圖1)，通過辨析河湖濱水帶現(xiàn)狀及存在的問題，提出單項關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)思路，并根據(jù)各項技術(shù)的特點與適用性，初步構(gòu)建河湖生態(tài)岸坡及濱水帶的綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系。

圖1 鄱陽湖區(qū)及五河流域水系Fig.1 Drainage map of the Poyang Lake region and its five major tributaries

2 鄱陽湖五河及湖區(qū)岸坡及濱水帶現(xiàn)狀及問題辨析

2.1 鄱陽湖五河及湖區(qū)概況

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，流域面積16.22萬km2，贛江、撫河、信江、饒河、修水五大河流匯入鄱陽湖，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后匯入長江干流(圖1)。五河多年平均總徑流量1 103億m3，鄱陽湖多年平均出湖徑流量為1 512億m3(1950—2018年)，占長江9%的流域面積，向長江輸送16.9%的水量(占大通徑流量百分比)。鄱陽湖洪枯季水面面積與蓄水容積變幅極大，1952年以來星子站實測最高和最低水位分別為22.52 m和7.15 m，對應(yīng)湖區(qū)水體面積分別為3 703 km2和42.8 km2，相差達(dá)到86.5倍，具有“高水是湖、低水似河”的自然地理特征[14]。湖區(qū)濱水帶的洪枯季水陸交替變化是鄱陽湖形成廣闊濕地的重要原因，大范圍的洲灘、草洲以及環(huán)湖區(qū)分布的眾多碟形湖，為濕地植被、底棲生物、魚類以及候鳥等提供了理想的棲息地，生物多樣性十分豐富。鄱陽湖長達(dá)1 200 km的湖泊岸線分布有廣闊的濕地，臨湖城鎮(zhèn)及蓄滯洪區(qū)還兼有大量圩堤。鄱陽湖及其五河濱水帶構(gòu)成復(fù)雜多樣的生態(tài)廊道，是保障防洪安全、發(fā)揮社會效益、維持生物多樣性等重要功能的載體。

2.2 現(xiàn)狀分析

鄱陽湖五河及湖區(qū)岸坡及濱水帶的地形地貌及其功能需求存在顯著的空間差異。具體來說，湖區(qū)岸坡及濱水帶呈環(huán)湖分布，其面積和分布隨洪枯季湖區(qū)水域面積變化而發(fā)生變化和移動，不同濱水帶生境下土壤、水分條件、出露時間存在時空差異，使得發(fā)育的植被群落各不相同[15]。鄱陽湖五河岸坡及濱水帶受地質(zhì)條件、水文特性、城鎮(zhèn)布局、開發(fā)利用程度等影響而呈現(xiàn)縱橫向差異。在五河干流上中下游典型河段濱水帶開展實地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，上游為山區(qū)性河流，河岸兩側(cè)為山地和植被覆蓋，濱水帶較窄，主要發(fā)揮自然保護(hù)功能；中游沿程丘陵起伏，城區(qū)段濱水帶以人工景觀為主，發(fā)揮社會保護(hù)和休閑娛樂功能；下游地勢平坦、河面寬闊，尾閭濱湖平原地區(qū)，兩岸傍河筑有堤防，兼具自然保護(hù)、社會保護(hù)和休閑娛樂功能。

根據(jù)《長江岸線保護(hù)和開發(fā)利用總體規(guī)劃》[16]及《江西省河湖及水利工程劃界確權(quán)情況調(diào)查報告》，統(tǒng)計分析了五河及湖區(qū)岸線功能分區(qū)的差異(圖2)。結(jié)果表明，贛江和湖區(qū)岸線最長，贛江、信江、饒河干流岸線總體開發(fā)利用區(qū)占比相對較高，撫河、鄱陽湖區(qū)則相對較低且以保留區(qū)為主。此外，在五河流域(含干流及主要主流)及湖區(qū)濱水帶中，贛江堤防岸線最長為1 300 km，信江、鄱陽湖區(qū)、撫河居中，修水、饒河堤防岸線長度相對較短(圖3)。計算表明，信江岸線堤防化比例較高，撫河、鄱陽湖區(qū)居中，修水、贛江、饒河岸線堤防化比例相對較低。

圖2 鄱陽湖五河及湖區(qū)不同岸線功能分區(qū)長度所占 百分比Fig.2 Percentage of length of different shoreline functional zones of the Poyang Lake region and its five major tributaries

圖3 鄱陽湖五河及湖區(qū)流域內(nèi)有堤段岸線長度統(tǒng)計Fig.3 Statistics of the shoreline length of embankments within the Poyang Lake region and its five major tributaries

2.3 問題辨析

受氣候變化與人類活動的雙重影響，鄱陽湖及其五河濱水帶正面臨著日趨嚴(yán)峻的環(huán)境壓力以及一系列水環(huán)境和水生態(tài)問題。五河部分城鎮(zhèn)河段堤防建設(shè)在保障防洪安全方面發(fā)揮了重要作用，但過去對堤防岸坡的生物連通性與景觀性兼顧不足。部分河段的岸坡及濱水帶治理多為單一的綠化造景或某種截污工藝的獨立設(shè)置。但由于地表徑流污染成分復(fù)雜且污染嚴(yán)重，單一的截污凈化工藝難以實現(xiàn)對污染物進(jìn)入水體的有效控制。因此，有必要從單一的綠化植被鋪設(shè)逐漸轉(zhuǎn)化為結(jié)合當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃、生態(tài)系統(tǒng)完整性的濱水帶生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，將岸坡修復(fù)、植被類型組合與濱水景觀有機(jī)結(jié)合，提升河岸帶的截污作用與景觀功能。

此外，據(jù)《2018年全國血吸蟲病疫情通報》[17]，鄱陽湖區(qū)有螺面積占全國的22.98%，螺情疫情仍非常嚴(yán)峻，主要分布在河湖渠系等水邊的洲灘及堤岸區(qū)域。傳統(tǒng)的水利血防、藥物滅螺等措施通過硬化等改造釘螺孳生生境或無差別的藥物毒殺，在滅螺過程中嚴(yán)重破壞了洲灘環(huán)境，降低了植被、魚類等生物的多樣性。隨著生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展理念的不斷深化，傳統(tǒng)的滅螺措施難以兼顧洲灘生態(tài)系統(tǒng)的需求，特別是在鄱陽湖濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)實施的血防措施更需要兼顧生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

3 河湖生態(tài)岸坡及濱水帶治理關(guān)鍵技術(shù)思路

為落實生態(tài)文明建設(shè)，保障鄱陽湖流域社會經(jīng)濟(jì)及環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，針對鄱陽湖五河及湖區(qū)岸坡及濱水帶面臨的突出問題，研發(fā)生態(tài)岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)十分必要，是河湖生態(tài)水利綜合治理的重要組成部分[18]，并為鄱陽湖流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和國家生態(tài)文明試驗區(qū)建設(shè)服務(wù)。

3.1 生態(tài)防洪堤岸模式構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

對鄱陽湖五河及湖區(qū)開展實地調(diào)研，遴選出適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的植被種類，開展理論分析、數(shù)值模擬和水槽實驗，研究揭示了沉水植被與挺水植被在不同流量下的水流特性，提出了考慮高程影響和糙率影響的植被阻水概化方法，建立了不同植被阻水效應(yīng)的計算模式。進(jìn)一步開展了理論分析和數(shù)值模擬，研究不同河道斷面形態(tài)及概化植被對河道行洪能力的影響，揭示了過流能力系數(shù)隨寬度、濕周比與雷諾數(shù)等的變化趨勢。結(jié)合上述研究成果，對自然岸坡和已建堤防分別進(jìn)行生態(tài)建設(shè)和改造，確定堤岸型式和植被方案，在確保防洪能力不降低的前提下提升生態(tài)功能，構(gòu)建具有生態(tài)連通功能的生態(tài)堤岸模式。

3.2 精準(zhǔn)干擾釘螺孳生水利血防關(guān)鍵技術(shù)

通過資料和文獻(xiàn)整理分析， 明晰了鄱陽湖五河及湖區(qū)釘螺孳生環(huán)境和釘螺分布的現(xiàn)狀及近期變化， 近10 a來新增加的釘螺孳生環(huán)境主要集中于鄱陽湖區(qū)。 釘螺種群隨水位橫向擴(kuò)散規(guī)律的結(jié)果表明， 洲灘釘螺密螺線高程會隨著水位的增加而增加， 隨水位降低而降低， 密螺線高程的調(diào)整與水位變化趨勢一致， 幅度小于水位變化幅度。 基于此， 選取了水文、 地形及螺情等資料較為完備的鄱陽湖區(qū)后湖灘作為典型有螺洲灘， 開展水文與螺情的連續(xù)監(jiān)測。 釘螺的孳生、 產(chǎn)卵與孵化存在適宜的表層土壤含水率區(qū)間， 當(dāng)表層土壤含水率低于一定閾值時， 將嚴(yán)重抑制釘螺的生殖發(fā)育。 因此， 通過人工調(diào)控環(huán)境閾值干擾釘螺孳生能夠達(dá)到精準(zhǔn)控螺的目的， 并且不會對洲灘生境產(chǎn)生不利影響。

3.3 岸坡雨污分離凈化關(guān)鍵技術(shù)

通過查閱文獻(xiàn)和室內(nèi)試驗，基于材料抗沖刷性、透水性、污染物攔截率等遴選出鋼渣、陶粒、沸石、火山巖、礫石等宜作為護(hù)坡砌塊裝載用備選填料，從成活率、生物量和污染物去除率等方面篩選出較為適合作為濱水帶護(hù)坡構(gòu)建用候選植物，主要是再力花、梭魚草、鳶尾、水蔥、香根草等挺水植物以及金魚藻、黑藻、苦草、狐尾藻、菹草等沉水植物，構(gòu)建了常水位線以上生態(tài)凈污緩沖帶和常水位線以下水生植物群落帶。將多孔砌塊與可更換凈污器耦合技術(shù)和常水位線上線下緩沖帶構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，綜合污染物攔截率、透水率、植物種類和生長季節(jié)等關(guān)鍵指標(biāo)，提出最佳組合方案，在共青城臨湖區(qū)域開展應(yīng)用試驗，結(jié)果表明生態(tài)護(hù)坡方案能夠?qū)崿F(xiàn)對氮磷等污染物的截留和轉(zhuǎn)化。

4 綜合治理技術(shù)體系初探

河湖岸坡及濱水帶承載防洪、用水、水環(huán)境保護(hù)、景觀等自然及社會服務(wù)功能。在河流縱向上根據(jù)地質(zhì)及地貌形態(tài)差異，分為山區(qū)濱水帶、平原濱水帶及臨湖濱水帶；在河道橫斷面上，分為近岸陸域、濱水區(qū)域和水位變動區(qū)；根據(jù)自然屬性，分為自然濱水帶和人工濱水帶；根據(jù)社會屬性可分為城鎮(zhèn)濱水帶與農(nóng)村濱水帶。河湖岸坡及濱水帶的功能屬性與其空間差異性密切相關(guān)。

基于五河及湖區(qū)濱水帶的空間差異與功能需求， 不同關(guān)鍵技術(shù)的適用范圍不同(圖4)。 生態(tài)防洪堤岸主要是在保障防洪安全的前提下， 針對五河平原和臨湖城市河段， 對新建堤防同時考慮生態(tài)功能或?qū)σ呀ǖ谭肋M(jìn)行生態(tài)化改造， 結(jié)合植被水流特性構(gòu)建岸坡及濱水帶植被群落模式， 實現(xiàn)堤防岸坡的生物連通； 生態(tài)水利血防面向五河尾閭及湖區(qū)洲灘， 針對目前防螺、 控螺措施損害河湖生境的不足， 提出生態(tài)化阻隔釘螺孳生的精準(zhǔn)干擾措施， 維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定； 生態(tài)岸坡凈化主要面向城鎮(zhèn)中小河流及臨湖區(qū)域， 通過改善岸坡工程材料、 結(jié)構(gòu)型式和植被種類， 提升濱水帶的截污能力。 因此， 在確定某一河段濱水帶治理方案時需根據(jù)各關(guān)鍵技術(shù)的適用性， 考慮區(qū)域間的交叉過渡， 實現(xiàn)協(xié)調(diào)治理， 以免出現(xiàn)治理措施實施后對其他相鄰區(qū)域產(chǎn)生不利影響。

圖4 河湖岸坡及濱水帶關(guān)鍵技術(shù)適用性示意圖Fig.4 Schematic diagram of the applicability of key technologies for river/lake bank and waterfront

基于上述單項技術(shù)的適用性及在不同區(qū)域應(yīng)用的協(xié)調(diào)性分析，開展河湖濱水帶縱橫向區(qū)域相協(xié)調(diào)的技術(shù)集成，明確其自然功能和社會功能的需求，解決鄱陽湖五河及湖區(qū)岸坡及濱水帶存在的主要問題，初步構(gòu)建了包括對象層、功能層、技術(shù)層、效果層和應(yīng)用層的河湖生態(tài)岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系(圖5)。該技術(shù)體系具有綜合性、系統(tǒng)性和整體性的特點，能夠?qū)χ卫硇ЧM(jìn)行量化，相關(guān)技術(shù)已在共青城臨湖空間綜合整治、南昌市烏沙河生態(tài)治理方案中開展應(yīng)用試驗，并且適用于其他類似河湖的河岸生態(tài)改造、臨湖空間整治、濱水景觀打造等治理應(yīng)用的多個方面。

圖5 鄱陽湖五河及湖區(qū)生態(tài)岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系框架Fig.5 Frame of the key technology system for comprehensively managing ecological bank and waterfront in the Poyang Lake region and its five major tributaries

5 結(jié) 論

鄱陽湖流域內(nèi)陸域與水體的交錯地帶是防洪堤防、生物廊道、水質(zhì)凈化、洲灘濕地、濱水景觀的主要載體，發(fā)揮重要的自然和社會服務(wù)功能。本文以鄱陽湖五河及湖區(qū)岸坡及濱水帶為研究區(qū)域，開展了綜合治理技術(shù)體系的初步探討，主要結(jié)論如下：

(1)鄱陽湖五河及湖區(qū)濱水帶縱橫向差異顯著，生態(tài)水利功能需求不同，部分城鎮(zhèn)河段防洪堤防建設(shè)對岸坡生物連通性與景觀性兼顧不足，一些河湖岸段濱水帶治理難以針對多成分地表徑流污染物進(jìn)行有效攔截，湖區(qū)血防形勢依然嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的滅螺措施難以兼顧洲灘生態(tài)系統(tǒng)健康。

(2)針對鄱陽湖五河及湖區(qū)在生態(tài)防洪堤岸、生態(tài)水利血防、生態(tài)岸坡凈化等方面存在的突出問題和短板，提出了岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)思路和實施途徑。

(3)分析了單項關(guān)鍵技術(shù)在不同區(qū)域的適用性，考慮區(qū)域間的交叉過渡，初步構(gòu)建了包括對象層、功能層、技術(shù)層、效果層和應(yīng)用層的河湖生態(tài)岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)體系，并在典型區(qū)域開展了應(yīng)用試驗。

由于鄱陽湖水系的復(fù)雜性，以及受氣候變化與人類活動影響而發(fā)生的動態(tài)變化，針對岸坡及濱水帶的生態(tài)治理是需要長期開展的工作，下階段應(yīng)充分考慮社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展對優(yōu)質(zhì)水資源、健康水生態(tài)、宜居水環(huán)境的迫切需求，在貫徹山水林田湖草生命共同體思想的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)河湖生態(tài)岸坡及濱水帶綜合治理關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作，推進(jìn)技術(shù)示范與落地，進(jìn)一步發(fā)揮鄱陽湖五河及湖區(qū)生態(tài)岸坡及濱水帶的社會效益和生態(tài)效益。