基于生態(tài)水工學(xué)的農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)體系構(gòu)建

趙進(jìn)勇，王 琦，彭文啟，張 晶，于子鋮

（中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

農(nóng)村水系是振興鄉(xiāng)村綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展、建設(shè)鄉(xiāng)村水生態(tài)文明的重要依托。近年，國家和地方雖然高度重視農(nóng)村水系治理工作，但河湖萎縮、水質(zhì)惡化、生態(tài)退化等現(xiàn)象仍然普遍存在。現(xiàn)有已開展的治理工作，在改善和恢復(fù)天然河流的自然屬性、恢復(fù)河湖多樣性水文地貌條件、引導(dǎo)河湖生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)等方面，還存在欠缺?；诖耍岢龌谏鷳B(tài)水工學(xué)的農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)體系，旨在促進(jìn)各地實踐中，形成生態(tài)健康、自然美感、承載鄉(xiāng)愁的農(nóng)村水系特征，提升農(nóng)村地區(qū)水系生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

一、治理理念及原則

生態(tài)水利工程學(xué)（簡稱“生態(tài)水工學(xué)”）是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求的原理與技術(shù)方法的工程學(xué)科?；谏鷳B(tài)水工學(xué)的農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)是指根據(jù)農(nóng)村水系特征，基于生態(tài)水工學(xué)理論方法，在充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)功能基礎(chǔ)上，在河流地貌形態(tài)、水系格局、岸坡防護(hù)、棲息地加強及生態(tài)文化景觀等方面采取各類工程或非工程措施，促進(jìn)形成生態(tài)健康、自然美感、承載鄉(xiāng)愁的農(nóng)村水系特征，提升農(nóng)村水系生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，同時使已經(jīng)人工化、渠道化的河流廊道恢復(fù)原有的自然特征。這種自然化不是對原有河流的完全復(fù)原，也不是創(chuàng)造一條新的河流，而是恢復(fù)河流廊道的自然屬性和主要生態(tài)特征。

農(nóng)村水系治理應(yīng)遵循“協(xié)調(diào)發(fā)展、生態(tài)完整、順應(yīng)自然、適度引導(dǎo)”的原則。其核心是尊重農(nóng)村地區(qū)自然規(guī)律和社會發(fā)展規(guī)律、順應(yīng)和保護(hù)自然，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。協(xié)調(diào)發(fā)展指的是河道治理應(yīng)服從流域綜合規(guī)劃、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、水資源保護(hù)規(guī)劃、水生態(tài)修復(fù)規(guī)劃及其他各類水污染治理、水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃等；生態(tài)完整是指滿足和兼顧水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性，涵蓋基本水生態(tài)要素，包括水文情勢、河湖地貌形態(tài)、水體物理化學(xué)性質(zhì)和生物群落等；順應(yīng)自然河流自然化治理應(yīng)充分認(rèn)識到生態(tài)系統(tǒng)的“自組織、自設(shè)計”功能，通過對水生態(tài)系統(tǒng)的全面評估和健康診斷，識別主要脅迫因子，在重點生態(tài)要素上采取修復(fù)措施；適度引導(dǎo)指的是在設(shè)計時能依靠生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)功能，通過對生態(tài)系統(tǒng)的適度良性干擾，采取“引導(dǎo)性”設(shè)計方法，使河流生態(tài)系統(tǒng)向健康方向演替。

二、自然化治理體系

農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)體系包括河道擬自然地貌形態(tài)恢復(fù)、水系連通、自然型岸坡防護(hù)、河道內(nèi)棲息地改善技術(shù)及生態(tài)文化景觀構(gòu)建技術(shù)等。

1.河道擬自然地貌形態(tài)修復(fù)

河道擬自然地貌形態(tài)修復(fù)技術(shù)指河流地貌縱向、橫向、垂向的擬自然化修復(fù)，主要包括河流平面形態(tài)、河道斷面及河道縱坡設(shè)計。

（1）平面形態(tài)構(gòu)建

鄉(xiāng)村自然河流的平面形態(tài)往往表現(xiàn)為蜿蜒性、多樣性及與河漫灘之間的連通性。已經(jīng)渠化的河流也可以在原有基礎(chǔ)上對河道進(jìn)行平面蜿蜒性構(gòu)建，可采用復(fù)制法、類比法、經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬等方法?；謴?fù)過程可采用直接改造方式，也可通過修建適宜的河流內(nèi)建筑物（如丁壩）以自然力方式使河流在多年沖淤變化中逐漸形成穩(wěn)定的彎曲形態(tài)。計算蜿蜒型河道參數(shù)常采用水文地貌經(jīng)驗關(guān)系公式。在計算出蜿蜒型形態(tài)各項參數(shù)以后，就可以以此繪制河流主槽深泓線。于子鋮在北京市南沙河河流最佳蜿蜒度研究中采用了數(shù)值模擬探討了河流不同平面蜿蜒形態(tài)與流速水深分布多樣性、所選特征魚類適宜生存流速水深以及河流的行洪安全要求三方面之間的關(guān)系，從而確定了該河流的最佳蜿蜒度。恢復(fù)河流的蜿蜒性，不僅使渠化河流恢復(fù)其自然蜿蜒程度，還恢復(fù)與老河灣、蓄滯洪區(qū)、灘區(qū)之間的連通性，使修復(fù)后的河流重新獲得深潭、溪流、淺灘等地貌單元，改變已經(jīng)退化的灘地和洼地條件。

（2）自然型河道斷面設(shè)計

自然河流斷面具有多樣性特征，大部分河流斷面是非對稱的，深淺不一，斷面形狀隨河流分布位置及類型各有不同。斷面多樣性是河流生物多樣性的重要支撐，河流橫斷面修復(fù)應(yīng)具有深潭、淺灘、河漫灘及錯落有致的植被群落。以往人工改造的河流，往往采取梯形、槽形等幾何對稱斷面，而且沿河保持不變，損害了棲息地的多樣性，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)不同程度的退化。

河道斷面設(shè)計原則如下：①河道斷面應(yīng)能滿足行洪需要，特別是設(shè)有堤防的河道，應(yīng)保障設(shè)計洪水作用下的行洪安全。②盡可能采用接近自然河道的幾何非對稱斷面，即使采取對稱斷面也應(yīng)采取復(fù)式斷面。③選擇適宜的斷面寬深比，防止淤積或沖刷。④蜿蜒型河道布局設(shè)計，應(yīng)符合深潭-淺灘序列規(guī)律，形成緩流與急流相通、深潭與淺灘交錯的格局。⑤根據(jù)河流允許流速選擇河床材料類型和粒徑。⑥斷面設(shè)計與河濱帶植被恢復(fù)或重建綜合考慮。⑦通過歷史文獻(xiàn)分析和野外調(diào)查獲得數(shù)據(jù)資料是重要依據(jù)。

（3）河道縱坡設(shè)計

自然河流在縱坡上大多呈現(xiàn)階梯狀態(tài)，不論是順直的山溪山澗，還是帶有深潭—淺灘序列的蜿蜒河流，因此在自然型河道治理中應(yīng)盡量避免對河床進(jìn)行單一縱坡開挖?？v坡是決定河流形態(tài)的關(guān)鍵要素，山區(qū)河流往往由于過大的縱坡，河流下切嚴(yán)重，若不采取措施將加劇兩岸崩岸風(fēng)險。根據(jù)修復(fù)河段的蜿蜒度變化和泥沙沖淤關(guān)系，需要調(diào)整、確定修復(fù)河段合理坡降。確定河流縱坡可通過：①選擇修復(fù)工程附近天然河道，并具有近似流量和泥沙特征，可參考該河段進(jìn)行修復(fù)設(shè)計。②根據(jù)待修復(fù)河段附近河谷和蜿蜒度確定河道坡降。

大尺度的河流縱坡能反映河流演變趨勢，如河段縱剖面反應(yīng)水庫蓄水引起的景觀變化和泥沙淤積；小尺度縱坡顯現(xiàn)地形地貌細(xì)節(jié)，包括河床地貌特征（如深潭、淺灘和江心洲等）和人工建筑物信息。流域尺度上的縱剖面反應(yīng)河流總坡降，其數(shù)值將根據(jù)河流基準(zhǔn)面變化和地殼上升速度進(jìn)行調(diào)整。對于修復(fù)工程，應(yīng)按河道進(jìn)行實地測量，測量點選擇橫斷面深泓線位置，范圍應(yīng)擴展到修復(fù)河段上游下游，并包括深潭、淺灘和工程結(jié)構(gòu)。

2.水系連通技術(shù)

河湖水系連通性是水生態(tài)完整性五大生態(tài)要素特征之一。水系連通是水系內(nèi)物質(zhì)流、物種流和信息流等生態(tài)過程，在不同水期時河流縱向、橫向和垂向的物理連通和水文連通。物理連通是基礎(chǔ)，反映河流地貌結(jié)構(gòu)特征；水文連通是河湖生態(tài)過程的驅(qū)動力。物理連通和水文連通相結(jié)合，共同維系棲息地的多樣性和生物多樣性。

恢復(fù)河湖水系連通性的措施包括工程措施和管理措施。在縱向連通性修復(fù)方面，包括魚道工程、堰壩拆除、引水式電站生態(tài)改建等；管理措施有兼顧生態(tài)保護(hù)的水庫優(yōu)化調(diào)度方法。解決水網(wǎng)阻隔問題的工程措施是建設(shè)水網(wǎng)連通工程，管理措施為水閘群的優(yōu)化調(diào)度。在側(cè)向連通性恢復(fù)方面，針對河湖阻隔問題的工程措施是建設(shè)河湖連通工程，針對河流-河漫灘系統(tǒng)阻隔問題，可采取堤防后退、連通河漫灘孤立濕地和水塘等措施，管理措施是岸線管控制度及立法執(zhí)法等。在垂向連通性恢復(fù)方面，采用減滲控滲等措施解決地表水與地下水交換問題。

3.自然型岸坡防護(hù)技術(shù)

河岸侵蝕和河道側(cè)向遷移是重要的自然地貌過程，但在人為活動影響下，可能造成侵蝕加速。因此，必要情況下需要對河流岸坡進(jìn)行加固或修建堤防。自然河岸系統(tǒng)穩(wěn)定性來自于河漫灘和河岸植被的相互作用，也是河流棲息地條件的重要部分。堤岸保護(hù)應(yīng)以修復(fù)河流自然功能為主旨，以不阻礙長期自然水流過程發(fā)生為基本條件。農(nóng)村水系岸坡防護(hù)可以有兩種方法，一種是以護(hù)岸加固為目的通過適當(dāng)?shù)姆绞皆黾幼o(hù)岸抗侵蝕和坍塌能力，另一種是通過增加河岸防護(hù)結(jié)構(gòu)粗糙程度來削減水流沖擊，減緩水流流速的方式來保護(hù)堤岸，這種情況往往也同時創(chuàng)建具有沖刷、沉積、覆蓋的復(fù)雜水力條件和恢復(fù)河岸植物群落，具有恢復(fù)河岸棲息地的作用。自然型岸坡防護(hù)技術(shù)往往同時具有這兩方面作用，其結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)護(hù)岸基礎(chǔ)上利用植物和天然材料進(jìn)行防護(hù)，既能提供良好的棲息地條件，也能改善自然景觀。常規(guī)新建自然型岸坡防護(hù)技術(shù)主要包括天然植物護(hù)岸、石籠類護(hù)岸、木材-塊石類護(hù)岸、多孔透水混凝土構(gòu)件及組合式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 自然型岸坡防護(hù)技術(shù)匯總

很多農(nóng)村地區(qū)的河道采用硬質(zhì)護(hù)岸技術(shù)，需要對其進(jìn)行生態(tài)化改造。目前有針對硬質(zhì)坡式護(hù)岸的原位植生式生態(tài)化改造護(hù)岸結(jié)構(gòu)（專利CN208649992U），可直接在硬質(zhì)護(hù)岸的表面進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，使護(hù)岸結(jié)構(gòu)具有透氣、透水等性能，并滲透植物生長所需的營養(yǎng)，從而恢復(fù)河岸的植被，為生物提供良好的棲息場所。另外鄉(xiāng)村河流由于流經(jīng)多處村鎮(zhèn)農(nóng)田，往往承接大量生活污水、尾水及面源污染物，可應(yīng)用多單元岸坡型濕地水質(zhì)凈化技術(shù)（專利CN208292818U）處理。

4.河道內(nèi)棲息地改善技術(shù)

河流地貌形態(tài)的多樣性決定了沿河棲息地的有效性、總量及復(fù)雜性，也影響與植被相關(guān)的遮陰效應(yīng)和水溫效應(yīng)。研究表明，河流生物群落物種多樣性與棲息地異質(zhì)性存在正相關(guān)關(guān)系。在河流廊道尺度上，不同類型棲息地的空間異質(zhì)性為種群動態(tài)、種間關(guān)系、群落演替以及干擾傳播等多種生態(tài)過程提供了基礎(chǔ)。這種空間異質(zhì)性主要表現(xiàn)為兩個方面，一是水文和水力學(xué)因子時空分布及其變異性；二是地貌上各種成分的空間配置及其復(fù)雜性。河流棲息地包括河道內(nèi)棲息地、濱河帶棲息地、河漫灘棲息地以及季節(jié)性洪水濕地等，自然河流是與各棲息地保持良好連通的有機物高效利用系統(tǒng)。河流環(huán)境中的結(jié)構(gòu)設(shè)計可能涉及較多的特定場地分析，因此一般無法建立通用的設(shè)計程序，需根據(jù)場地和河道條件、面臨的風(fēng)險及復(fù)雜程度確定評估最大沖刷深度、材料尺寸、水力條件等設(shè)計要素選取最為適合的計算方法和工具。

（1）礫石和礫石群

礫石和礫石群已經(jīng)在北美農(nóng)村地區(qū)成功地用于改善魚類棲息地，在河道中放置單獨的礫石或礫石群會產(chǎn)生不同的水深、基質(zhì)和流速，從而增加河床棲息地多樣性。礫石應(yīng)以隨機模式放置，以復(fù)制自然水流條件，且不會顯著改變整體水流狀態(tài)。通過將礫石的水力影響保持在較低或中等水平，產(chǎn)生局部沖刷，同時將意外風(fēng)險，如河床或河岸過度沖刷、碎屑堆積、上游沉積和回水、較高的水面雍高以及增加的河道切灘風(fēng)險降至最低。因此，不允許巨礫堵塞河道，且其應(yīng)在河道斷面中保持相對較低的位置。美國俄勒岡州高速公路部門建議，在河流橫截面上礫石的放置應(yīng)不能阻塞超過1/3的通道面積，合理限制值應(yīng)在20%到30%。聯(lián)邦高速公路管理局建議，如果河道的坡度小于3%，低流量時河流過流能力減少應(yīng)不超過1/5。

（2）生態(tài)堰壩

生態(tài)堰壩是一種低矮的結(jié)構(gòu)，通常由跨越河道寬度的礫石和圓木組成。放置大塊木材和圓木能加速帶有河岸森林河流的自然恢復(fù)，也可用于提高切灘河道的穩(wěn)定性，同時提供額外的棲息地效應(yīng)。形成石堰的巨石通過在單個巖石之間聚集水來改變水流的方向，在平面上形成一個指向上游的拱，其最低點位于拱的頂端。這種結(jié)構(gòu)可以通過對河道深泓線重定向，控制河道的斷面形狀或改變和維護(hù)其寬深比，防止護(hù)岸侵蝕，同時創(chuàng)建一個適宜魚類棲息床的沖刷池，將低流量集中到更深、更窄的河槽，以改善平底河床中的魚類通道，回水上游增加淺灘水深，并實現(xiàn)自然分選沉積物。除了其他用途外，石堰還可以用于控制陡坡下切。應(yīng)盡量選擇有棱角的巖石，因為它能夠緊緊地鎖在一起，以防止在高速水流沖擊下發(fā)生移動。

（3）河床基質(zhì)重構(gòu)

當(dāng)目標(biāo)河段位于水庫大壩下游，由于水庫攔水?dāng)r沙，使得下游河道的來沙大幅度減少，就有必要對河床基質(zhì)材料進(jìn)行重新鋪設(shè)。鋪設(shè)原則是：①具有足夠的穩(wěn)定性，保持河道泥沙沖淤平衡?？⒐ず蠼?jīng)長期運行，河流縱坡及橫斷面都不會發(fā)生重大變化。②提高河流棲息地質(zhì)量，為保護(hù)物種提供良好的棲息地條件。③提高美學(xué)價值，創(chuàng)造優(yōu)美的水景觀環(huán)境?；|(zhì)鋪設(shè)的一般步驟包括調(diào)查評估基質(zhì)現(xiàn)狀基質(zhì)材料構(gòu)成、類型（卵石、砂礫石、沙質(zhì)土、砂黏土、淤泥等）、材料特征（粒徑、角狀、嵌入程度）等，根據(jù)河床基質(zhì)的歷史狀況和發(fā)生的退化如渠道化、淤積、建筑垃圾傾倒，確定河床穩(wěn)定性及河勢穩(wěn)定性，選擇同一流域未被干擾的河段，比照參考其河床基質(zhì)材料狀況，同時明確生物種群清單及其棲息地需求，確定河道修復(fù)目標(biāo)。深潭-淺灘序列是自然蜿蜒性河流的主要特征，深潭的基質(zhì)是顆粒較細(xì)的泥沙，淺灘河床是由粗礫而密實的卵石構(gòu)成，修復(fù)時宜根據(jù)淺灘急流段鋪設(shè)礫石和卵石，尤其是具有尖角的礫石應(yīng)具有相當(dāng)比例以利于礫石之間咬合。在急流河段布設(shè)大卵石、大漂石可以形成一系列小型堰壩魚梁，創(chuàng)造適宜的魚類棲息地。

5.生態(tài)文化景觀構(gòu)建技術(shù)

在景觀美學(xué)功能區(qū)營造自然景觀，利用河湖水域岸線空間創(chuàng)造親水環(huán)境，使河湖成為休閑、運動、科普、文化教育的公共空間，充分發(fā)揮農(nóng)村水系獨有的美學(xué)和文化功能。河湖景觀應(yīng)明確河流—湖泊—濕地流域總體格局中的空間景觀定位，保持湖泊景觀與廊道景觀、濕地景觀的有機融合，形成既聯(lián)系又各具特色的自然景觀格局。河湖濱岸應(yīng)采用景觀協(xié)調(diào)性較好的護(hù)岸形式，植物搭配主次分明，富于四季變化，增添岸坡綠色，避免采用單調(diào)的傳統(tǒng)混凝土或漿砌石護(hù)岸結(jié)構(gòu)，同時滿足道路、人行步道通行要求。盡量減少商業(yè)設(shè)施和建筑物，避免對自然景觀的破壞或環(huán)境污染。在景觀美學(xué)功能區(qū)，適當(dāng)布設(shè)親水平臺、棧道以及觀鳥臺和小型自然博物館等設(shè)施。對于建有多個魚塘的河湖濱岸帶可改造為多塘濕地。將魚塘的塘埂拆除至水面以下僅保留塘基，并利用拆除石料就地形成緩坡微地形。塘內(nèi)每間隔一定距離清理塘基，使塘內(nèi)外溝通，塘基呈散落狀分布。底泥污染較重的魚塘應(yīng)先清淤，并種植挺水、浮葉及沉水植物。 ■