流域生態(tài)修復(fù)科學(xué)性思考

張 莉，明 卉

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210000； 2.北京大學(xué) 建筑與景觀設(shè)計(jì)學(xué)院，北京 100871)

1 基于自然解決方案的流域生態(tài)修復(fù)

目前，流域生態(tài)修復(fù)已成為我國(guó)重要工作之一，基于自然解決方案的流域生態(tài)修復(fù)提倡依據(jù)生態(tài)學(xué)理論，采用科學(xué)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，即在人工措施的引導(dǎo)下，利用自然規(guī)律進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)及修復(fù)。聯(lián)合國(guó)世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature)一直以來(lái)都在積極倡導(dǎo)基于自然的解決方案，即人類受到大自然的啟發(fā)和支持，兼顧成本和效益，同時(shí)提供環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，并有助于增強(qiáng)抵御能力。此方法基于限制因子、干擾演替、地帶性分布規(guī)律、洪水脈沖、河流連續(xù)體等理論體系，在對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文、土壤、地貌、?dòng)植物進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究后，通過(guò)促進(jìn)自然因素的影響作用達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)目的，以此提供可持續(xù)、高性價(jià)比、多功能和靈活的生態(tài)系統(tǒng)。

近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展并完成了多類流域水環(huán)境和生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目，并取得了顯著成效。但在流域生態(tài)修復(fù)實(shí)踐中，仍面臨著多專業(yè)不能夠深度融合的問(wèn)題，從而導(dǎo)致該類實(shí)踐未能實(shí)現(xiàn)流域整體生態(tài)功能最大化的目標(biāo)。

流域生態(tài)修復(fù)是一個(gè)需由不同領(lǐng)域的科學(xué)研究指導(dǎo)進(jìn)行多專業(yè)合作的實(shí)踐。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，流域地表水、地下水、生物多樣性、農(nóng)田、林地等系統(tǒng)需要同步考慮，研究者們要理解土壤與地下水、森林與碳匯、地下水與河流生態(tài)基流等自然要素的關(guān)聯(lián)。理解科學(xué)原理后再進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)才能打破目前工程項(xiàng)目存在的單一領(lǐng)域工作思維，使規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目由以工程技術(shù)優(yōu)先的工程措施方向轉(zhuǎn)向以調(diào)整流域內(nèi)各自然要素之間相互關(guān)系的生態(tài)型工程方向，譬如由傳統(tǒng)水利改變?yōu)樯鷳B(tài)水利。國(guó)務(wù)院辦公廳也在2021年提出了“遵循自然規(guī)律，統(tǒng)籌自然生態(tài)各要素，以自然恢復(fù)為主，輔以必要的人工措施，增強(qiáng)各項(xiàng)舉措的關(guān)聯(lián)性和耦合性”的要求[1]。我國(guó)也已經(jīng)有很多基于自然的成功修復(fù)案例[2]。

筆者在大量實(shí)踐后認(rèn)識(shí)到流域生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)是流域生態(tài)規(guī)劃，而流域生態(tài)規(guī)劃的基礎(chǔ)是流域水文規(guī)劃。流域生態(tài)修復(fù)的根本是修復(fù)流域水文循環(huán)，而流域水文循環(huán)需要以水文規(guī)劃為核心。流域水文規(guī)劃的基本方法是要了解降雨過(guò)程，并將降水在時(shí)間和空間上進(jìn)行規(guī)劃，土地規(guī)劃會(huì)影響降水在時(shí)間和空間上的分布。

2 流域生態(tài)修復(fù)相關(guān)的理論體系

2.1 流域生態(tài)學(xué)

2.1.1 流域是各種生態(tài)系統(tǒng)的疊合

流域生態(tài)學(xué)的研究對(duì)象是流域生態(tài)系統(tǒng)，主要分析流域內(nèi)生物和非生物成分的相互關(guān)系。在生態(tài)學(xué)中，流域是生態(tài)學(xué)的一個(gè)單元，是地貌景觀生態(tài)單元的載體。這里的地貌景觀單元是指由相互作用的生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌構(gòu)成，常以流域?yàn)閱挝徊⒅貜?fù)出現(xiàn)的地理特征[3]，其中包含地形、山脈、河流、湖泊、濕地、植被等多種生態(tài)系統(tǒng)相互重疊。因此，需要將流域內(nèi)的山水林田湖草作為統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)要素管理、規(guī)劃和設(shè)計(jì)，尤其需要在國(guó)土空間規(guī)劃中集約使用土地，達(dá)到生態(tài)價(jià)值最大化。

2.1.2 水是影響最大的因子

流域生態(tài)系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的，水是流域生態(tài)系統(tǒng)中的重要元素。由于流域系統(tǒng)會(huì)受到降雨和水文周期的影響，且其中所有要素都受到生物、非生物間能量流動(dòng)和物質(zhì)交換的影響，各個(gè)要素之間的相互作用會(huì)影響流域的整體健康[4]。生物因素是指動(dòng)物、植物、微生物等生命體，非生物因素則包括水、地形、土壤、陽(yáng)光、空氣等，非生物因素決定了生態(tài)系統(tǒng)的類型、動(dòng)植物的分布以及人類的土地利用。

生態(tài)學(xué)理論認(rèn)為限制陸生群落初級(jí)生產(chǎn)力的因子有光照、二氧化碳、水分及土壤養(yǎng)分，其中水分變化最大，因此對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響也更大[5]。在進(jìn)行流域生態(tài)修復(fù)時(shí)研究者們要充分利用雨水資源，收集并管理雨水，調(diào)節(jié)水文對(duì)場(chǎng)地的影響，并將水作為自然修復(fù)的基礎(chǔ)。一旦土壤中有足夠的水分，土壤中飽含的原生種子就會(huì)很快發(fā)芽，植被系統(tǒng)則開(kāi)始修復(fù)并逐漸演替，3～4 a內(nèi)就會(huì)初見(jiàn)成效，動(dòng)物也逐漸出現(xiàn)。魚(yú)類系統(tǒng)大約需要5 a，陸生動(dòng)物系統(tǒng)的恢復(fù)則需要7～10 a或者以上的時(shí)間[4]。筆者在長(zhǎng)期的實(shí)踐中充分利用了水這一關(guān)鍵的非生物要素做濕地及礦山類項(xiàng)目的生態(tài)修復(fù)，并總結(jié)了基于水文修復(fù)的濕地公園設(shè)計(jì)步驟[6]。

2.2 基于流域生態(tài)學(xué)核心理念的的自然解決方案

基于自然的解決方案的原則包括生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方法(生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)工程和森林景觀恢復(fù))；與生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的方法(基于生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)、基于生態(tài)系統(tǒng)的緩解和基于生態(tài)系統(tǒng)的減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn))；基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)方法(自然基礎(chǔ)設(shè)施和綠色基礎(chǔ)設(shè)施方法)；基于生態(tài)系統(tǒng)的管理方法(綜合沿海區(qū)管理和綜合水資源管理)；生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)方法(基于區(qū)域的保護(hù)方法，包括保護(hù)區(qū)管理)[7]，其中與流域有關(guān)的包括自然基礎(chǔ)設(shè)施NI(nature infrastructure)和綠色基礎(chǔ)設(shè)施GI(green infrastructure)屬于NbS(Nature-based solutions)核心概念[8]。具體措施包括流域措施及河道措施，譬如水源涵養(yǎng)管理、滯洪區(qū)規(guī)劃管理、濕地保護(hù)與修復(fù)、保持河道寬度、河流修復(fù)、海綿城市等。基于自然的解決方案尤其有助于應(yīng)對(duì)極端氣候下產(chǎn)生的超標(biāo)雨水并增加城市韌性。其核心是理解水文規(guī)劃，水文規(guī)劃的核心是理解水文循環(huán)及降雨過(guò)程。

2.3 流域水文循環(huán)

2.3.1 流域水大循環(huán)及小循環(huán)

水循環(huán)分為海陸間的大循環(huán)及陸地內(nèi)的小循環(huán)。有數(shù)據(jù)顯示全球?qū)嶋H每年有4萬(wàn)km3的水流到海里，真正可利用的徑流總量只有約1.25萬(wàn)km3[3]。這是由于大多數(shù)河川徑流位于人口稀少的地區(qū)，或以季節(jié)性洪水形式出現(xiàn)而難以利用。如果能夠?qū)⒂晁粼诹饔虻耐寥?、森林、濕地、湖泊?nèi)，則可加強(qiáng)流域內(nèi)的小水文循環(huán)過(guò)程，加大流域水資源的利用。

流域系統(tǒng)各要素之間有著緊密的關(guān)聯(lián)，因此要保護(hù)整個(gè)流域的自然要素，如含水層、濕地、地下水、沼澤、小溪、河口、森林、農(nóng)田及山地。水循環(huán)的周期很短，水在大氣中的平均循環(huán)周期約為10 d，在河流中為20 d，在土壤中約為30 d[9]，土壤內(nèi)存貯著流域內(nèi)最大的淡水資源，被稱為水銀行(water bank)。但人類活動(dòng)極大地改變了水文過(guò)程，因此研究者們需要通過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)讓更多的雨水存儲(chǔ)于土壤，將地表水、地下水統(tǒng)籌考慮，恢復(fù)近自然狀態(tài)下的水文循環(huán)。

2.3.2 地下水與地表水循環(huán)

流域內(nèi)的土地是“海綿”，起到了調(diào)節(jié)地表水和地下水平衡的作用，而河流兩側(cè)及流域內(nèi)的森林、濕地、土壤等都是補(bǔ)給地下水資源的重要媒介[10]。因此需要保護(hù)流域中的濕地、湖泊、植被、土壤等要素，以提高流域的“海綿”功能。

降雨時(shí)大量的雨水被植被截留，或滲入充滿孔隙和有機(jī)物的健康土壤中，或流入濕地、湖泊中，溢流的雨水最終排入河流。滲入土地中的雨水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)變成地下水回補(bǔ)河流，這就是河流生態(tài)基流的來(lái)源。正常情況下，生態(tài)基流不應(yīng)通過(guò)人工補(bǔ)水來(lái)補(bǔ)充，而是應(yīng)該在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)河流上游的森林保護(hù)與植被修復(fù)等措施提高流域的水源涵養(yǎng)能力。

水源涵養(yǎng)優(yōu)劣主要取決于林地枯落物攔蓄降水、土壤儲(chǔ)水和林冠層截留降水3個(gè)方面[11]，雨水可以為植物供水，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的水文運(yùn)動(dòng)，部分雨水逐漸下滲到潛水層，從而涵養(yǎng)地下水。地下水會(huì)在不同位置變成泉水、溪流，從而在降雨后長(zhǎng)時(shí)間為森林、野生動(dòng)物和人類提供穩(wěn)定的水源。

與天然次生林相比，原始天然林具有更高涵養(yǎng)水源、碳匯、生物多樣性保護(hù)等重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[12]。但現(xiàn)實(shí)條件下原始天然林的恢復(fù)相對(duì)較難，因此要盡量恢復(fù)天然次生林[10]。這是由于天然次生林富含大量植被和厚的健康土壤層。這個(gè)健康的土壤層是森林碳匯和水源涵養(yǎng)最重要的要素。

綜上，研究者們需要了解地下水及土壤方面的知識(shí)，與地下水專家共同完成地下水規(guī)劃，再通過(guò)土地利用規(guī)劃，對(duì)地表敏感區(qū)及植被進(jìn)行保護(hù)及修復(fù)，協(xié)助地下水回灌。

2.4 河流生態(tài)系統(tǒng)的核心理念

在理解了流域生態(tài)的基本要素及水分的重要性后，需要對(duì)流域水文過(guò)程進(jìn)行更深入的理解，以便提供基于自然的解決方案。比較重要的河流概念包括河流的四維聯(lián)通特性、河岸帶、河流連續(xù)體、洪水脈沖等。

2.4.1 河流的四維連通特性

河流具有四維聯(lián)通特性，具體包含從源頭到河口的連通、河流與兩岸土地的連通、地表水與地下水的連通以及河流在時(shí)間維度的連通。水流從源頭到河口的過(guò)程中經(jīng)歷多重結(jié)構(gòu)變化。山頂往往是流域的源頭，山頂?shù)臍鉁剌^低，水蒸氣變成雨水降落，因此山頂?shù)闹脖弧⑼寥赖茸匀毁Y源需要被保護(hù)[13]。水源縱向的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生源頭、轉(zhuǎn)移帶、沉積帶三個(gè)區(qū)域[14]。橫向的流動(dòng)過(guò)程也會(huì)橫跨河道、洪泛平原和山坡。河流和溪流不斷地與地下水層相互作用，包括交換水源、非生物和生物物質(zhì)。除此之外，時(shí)間也是重要的維度，因?yàn)楹恿骱拖魇遣粩嘧兓?。上述縱向的、橫向的和垂直的結(jié)構(gòu)也是隨著時(shí)間的推移不斷變化的系統(tǒng)。

2.4.2 河岸帶

河岸帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡帶，利用河岸帶防洪，可以減少加高式河道堤防。河岸帶可以控制水土流失、防止河床沖刷、減少泥沙進(jìn)入河道、利用緩沖帶植物的吸附和分解作用，減少來(lái)自農(nóng)業(yè)區(qū)的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入河道[15]。河岸帶也為鳥(niǎo)類等野生動(dòng)物提供了棲息地。筆者建議盡量保留河岸帶兩側(cè)的林下或堤坡的原生植被，并反對(duì)建設(shè)純混凝土的主河槽。

增加河流生態(tài)性最有效的方法是保證河流廊道及過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾取?河流廊道存在多種定義， 此處指常水位之外的河岸空間。 較為理想的河流廊道寬度為100 a一遇的自然斷面， 歐洲有些地方甚至執(zhí)行200 a一遇的標(biāo)準(zhǔn)。 建議我國(guó)流域也建立全面的分級(jí)河岸帶系統(tǒng)， 對(duì)自然河流走廊進(jìn)行規(guī)劃保護(hù)。 如果在規(guī)劃設(shè)計(jì)中加寬河流廊道， 則有條件保護(hù)河岸植被及河岸帶； 增寬過(guò)水?dāng)嗝妫?也更有利于河道防洪達(dá)標(biāo)。 建議規(guī)劃師、 工程師們盡量加寬河流藍(lán)線， 或者在設(shè)計(jì)階段將藍(lán)綠空間統(tǒng)籌考慮。

2.4.3 河流連續(xù)體

Vannote等[16]提出了河流連續(xù)體的概念， 是指河流生態(tài)系統(tǒng)沿著縱向會(huì)逐漸變化。從源頭到河口，河流縱坡和能量輸入方式的變化，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)組成不同,從而使得河流內(nèi)生物群落不同。 在此基礎(chǔ)上， 董哲仁等[17]提出了“河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體性概念模型”， 抽象概括了河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的主要特征， 既包括河流生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)部分之間相互聯(lián)系、 相互作用、 相互制約的結(jié)構(gòu)關(guān)系， 也包括與結(jié)構(gòu)關(guān)系相對(duì)應(yīng)的生物生產(chǎn)、 物質(zhì)循環(huán)、 信息流動(dòng)等生態(tài)系統(tǒng)功能特征。

2.4.4 洪水脈沖

周期性的洪水是流域生態(tài)系統(tǒng)中常見(jiàn)的自然干擾，對(duì)水生生物的群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性都起到了重要作用。周期性的水位劇烈變化是洪水脈沖的核心特征。洪水脈沖的過(guò)程是刺激魚(yú)類洄游、產(chǎn)卵、維持棲息地和提供食物來(lái)源的關(guān)鍵要素。水位變化劇烈的水陸交接帶是多種動(dòng)物的生活、繁殖的空間，由于水位的變化為其提供了更多樣的生境空間和更豐富的餌料來(lái)源，因此水陸交接帶具有極高的生態(tài)價(jià)值[18]。

3 基于自然解決方案的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

3.1 以流域?yàn)閱挝?，以流域水文?guī)劃為主導(dǎo)的多專業(yè)協(xié)同規(guī)劃

以流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行水文規(guī)劃既可以減少防洪排澇工程投資，又是生態(tài)修復(fù)的重要基礎(chǔ)。從管理者角度來(lái)說(shuō)，流域水文規(guī)劃投入成本少、復(fù)合經(jīng)濟(jì)效益高。筆者長(zhǎng)期堅(jiān)持水文規(guī)劃與生態(tài)水利結(jié)合的防洪排澇，盡量減少純混凝土的防洪排澇工程。水是流域生態(tài)系統(tǒng)中能流和物流的載體，在維持整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)平衡中占主導(dǎo)地位。流域水文過(guò)程是由陸地水文、地下水文過(guò)程共同決定的[19]。水文規(guī)劃需要透徹理解降雨事件，并能通過(guò)空間規(guī)劃，在不同降雨情景下控制雨水的時(shí)空分布。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)一定要以流域?yàn)閱挝?。?guó)外學(xué)者經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐后，認(rèn)識(shí)到以流域?yàn)閱挝坏墓芾砜梢愿茖W(xué)地統(tǒng)籌各個(gè)自然要素之間的關(guān)系。1987年美國(guó)將整個(gè)國(guó)家分級(jí)進(jìn)行流域管理，每個(gè)流域有一個(gè)水文單位代碼 (Hydrologic Unit Code)。整個(gè)分級(jí)流域系統(tǒng)有四級(jí)，最大的一級(jí)有21個(gè)流域，用兩位數(shù)字表示。最小的是8位數(shù)字表示的小流域，流域面積從幾百到幾千平方英里。各個(gè)州還可再細(xì)分流域，有的州有11位及14位代碼，11位代碼流域大約359 km2,14位代碼流域大約77.7 km2。每個(gè)流域都有智慧監(jiān)測(cè)，即時(shí)可看到流域的降雨及干旱情況及洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。2014年，美國(guó)發(fā)布了流域工作方法手冊(cè)[20](Watershed Approach Handbook)來(lái)指導(dǎo)流域綜合管理。

3.2 流域水文規(guī)劃的具體措施

3.2.1 管理每一個(gè)小流域并保護(hù)上游溪流

在我國(guó)，清潔小流域的概念類似于美國(guó)的水文單位系統(tǒng)中的第五級(jí)，其面積原則上在200 km2左右。流域內(nèi)大部分的水資源來(lái)自上游[21]，這些溪流的健康是反映整個(gè)河流健康的重要標(biāo)志，因此小流域的保護(hù)和治理非常關(guān)鍵。美國(guó)在2015年發(fā)布了《河流和濕地與下游水域的連通性：科學(xué)證據(jù)的回顧與綜合》[22]闡述了源頭溪流、上游小溪流以及濕地與下游水體在物理、化學(xué)及生物特性上的關(guān)聯(lián)性。

在小流域治理時(shí)，亟需采取自然的措施，以生態(tài)水利方法及流域綜合治理的理念來(lái)做小流域的建設(shè)，減少人工堤防的修建。這些小流域得到保護(hù)和修復(fù)后，可以更多地保護(hù)水資源，補(bǔ)充地下水。我們需要做好每一個(gè)清潔小流域規(guī)劃，再將所有的清潔小流域一起統(tǒng)籌管理。

3.2.2 連接河流與泛洪平原

自然的河流一般是蜿蜒型且有較寬的泛洪平原。但在過(guò)去，人們?yōu)榱丝焖倥潘３⒑恿鹘貜澣≈薄，F(xiàn)在我們要意識(shí)到“雨水是資源”，讓雨水留在流域內(nèi)。筆者建議借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃時(shí)盡量保留100 a一遇洪水的河道自然斷面[23]，在有洪泛區(qū)的地方增加河流寬度，將洪泛區(qū)包含在河流藍(lán)線內(nèi)。如果洪泛區(qū)內(nèi)有農(nóng)田、牧場(chǎng)或森林，城市管理者和公眾也要接受洪泛區(qū)內(nèi)農(nóng)田、牧場(chǎng)、森林被淹的可能性，允許一些雨水的滯留，增加生態(tài)價(jià)值并回灌地下水。

泛洪平原可以增加防洪能力，凈化水質(zhì)、提供動(dòng)物棲息地，泛洪平原同時(shí)可以回灌地下水并包含地下含水層[24]。在規(guī)劃中要盡量多地保護(hù)河道兩側(cè)的土地和流域內(nèi)的溪流，以打通地表水和地下水系統(tǒng)之間的連接。

3.2.3 濕地、淺水沼澤和湖泊的保護(hù)

流域內(nèi)具有蓄洪功能的濕地、沼澤、湖泊對(duì)水資源利用、地下水補(bǔ)給、生物棲息地保護(hù)具有重要意義。濕地是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡性地帶，土壤浸泡在水中的特定環(huán)境下，擁有水生和陸生環(huán)境都不具備的生態(tài)服務(wù)功能，是流域內(nèi)生態(tài)最敏感、最獨(dú)特、生物多樣性最密集的區(qū)域。濕地的功能包括凈化水質(zhì)、雨洪調(diào)蓄、提供野生動(dòng)物棲息地、提供生態(tài)景觀、碳匯價(jià)值、回灌地下水等。濕地占全球陸地面積的6%～9%，但其產(chǎn)生碳匯占陸地總量的35%，保護(hù)和恢復(fù)濕地有助于緩解全球變暖和氣候變化[25]。我國(guó)已經(jīng)對(duì)濕地保護(hù)進(jìn)行了立法，下一步需要加強(qiáng)濕地圖斑的修正，包含更多需要保護(hù)的濕地。

3.2.4 增加調(diào)蓄濕地及設(shè)施

洪水峰值出現(xiàn)的時(shí)間和土地性質(zhì)、土壤性質(zhì)、植被等生態(tài)環(huán)境有很大的關(guān)系。不同的生態(tài)環(huán)境會(huì)讓雨水的滲透時(shí)間、滯留時(shí)間不同，對(duì)峰值出現(xiàn)的時(shí)間和洪峰流量也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在平坦地區(qū)，降雨峰值出現(xiàn)得較晚，而比較陡的流域中，峰值出現(xiàn)得較急[7]。研究表明在河流上游做調(diào)蓄濕地可以更有效地消減洪峰[26]。因此筆者建議在合適的條件下多做蓄洪設(shè)施，將峰值的雨量?jī)?chǔ)蓄起來(lái)再慢慢釋放。如修建山塘既可以用于灌溉以減少水土流失，也可以有效消減洪峰。一般來(lái)說(shuō)，排水系統(tǒng)做得越完善的地區(qū)，峰值出現(xiàn)得越早；有組織排水系統(tǒng)比較缺乏的地區(qū)一般通過(guò)地表徑流排水，峰值會(huì)出現(xiàn)得較晚[7]。

3.3 流域中重點(diǎn)區(qū)域的保護(hù)

生態(tài)極重要區(qū)是指那些對(duì)土壤保持、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、生物多樣性、產(chǎn)品提供、人居保障具有重要作用的區(qū)域[27]，尤其是山頂和水陸交界帶區(qū)域，在實(shí)際規(guī)劃過(guò)程中需要將其完整保留。泛洪平原屬于重要生態(tài)區(qū)應(yīng)該被保護(hù)。從生態(tài)系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，如果能夠?qū)⑺邢衩?xì)血管一樣微小的溪流、濕地、地下水回灌區(qū)、泛洪平原等保護(hù)下來(lái)，就會(huì)形成不同的生態(tài)斑塊和生態(tài)廊道，從而提高生物多樣性。

在我國(guó)以往的高速城市化發(fā)展過(guò)程中，很多生態(tài)要素的價(jià)值沒(méi)有被充分考慮到。筆者建議選擇生態(tài)本底較差的區(qū)域做城市建設(shè)，并保護(hù)生態(tài)極重要區(qū)，含農(nóng)田和泛洪平原，這應(yīng)該成為國(guó)土空間規(guī)劃基本的原則之一。

3.4 降雨事件、水文分析及城市分級(jí)水系統(tǒng)

3.4.1 流域水文規(guī)劃的計(jì)算原理

降雨數(shù)據(jù)分析是水文規(guī)劃的基礎(chǔ)，即降雨事件、水文、城市分級(jí)水系統(tǒng)的計(jì)算。筆者希望盡可能多地將降雨儲(chǔ)存起來(lái)，這就需要我們了解大雨、中雨、小雨在各個(gè)小流域的匯水過(guò)程。在實(shí)際的操作過(guò)程中可以把暴雨高峰期雨水徑流的流量通過(guò)濕地、雨水花園等蓄洪設(shè)施儲(chǔ)存，待洪峰過(guò)后，再將雨水排出，這對(duì)消減洪峰，提高雨水利用率、控制收納水體污染和排水調(diào)度都有積極作用。許多大城市的排水系統(tǒng)相對(duì)完善，雨水在幾十分鐘內(nèi)排空。如果想要提升城市抵御洪水的能力，就要將超出排水能力的降雨暫存在排水系統(tǒng)外，在管線的水位降低后，再讓雨水進(jìn)入管線。以較小設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的管網(wǎng)加上雨水調(diào)蓄空間來(lái)增加更多的防洪排澇能力，這就需要做降雨分析。

流域范圍內(nèi)的防洪排澇是圍繞洪峰時(shí)間來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，大流域因?yàn)槊織l支流的長(zhǎng)度和面積不同，每條支流的峰值出現(xiàn)時(shí)間也不同，在下級(jí)河流匯流的時(shí)候可以錯(cuò)峰。因此要根據(jù)不同的流域地理類型進(jìn)行水文規(guī)劃。

3.4.2 分級(jí)排水系統(tǒng)的管理方法

水文規(guī)劃的核心是設(shè)計(jì)分級(jí)排水系統(tǒng)，將小排水系統(tǒng)、大排水系統(tǒng)及雨水水質(zhì)系統(tǒng)綜合考慮[10]，就整個(gè)城市雨水系統(tǒng)而言，從小微海綿設(shè)施到河流系統(tǒng)規(guī)劃都會(huì)對(duì)整個(gè)城市的排水系統(tǒng)起到重要作用。

歐美國(guó)家一般會(huì)通過(guò)復(fù)合型防洪措施的疊加達(dá)到防洪要求，形成城市整體的應(yīng)對(duì)能力。不期待憑借排水系統(tǒng)抵御50～100 a一遇的洪水。筆者認(rèn)為在流域水文規(guī)劃中要將河道、海綿設(shè)施等城市分級(jí)水系統(tǒng)統(tǒng)籌管理，最終目的都是使開(kāi)發(fā)地區(qū)盡量接近于自然的水文循環(huán)。

3.5 基于自然解決方案的生態(tài)型河道

過(guò)去，人們認(rèn)為洪水是自然災(zāi)害，以水利工程設(shè)施應(yīng)對(duì)洪澇災(zāi)害。隨著極端氣候的出現(xiàn)及超標(biāo)降雨的頻繁出現(xiàn)，各地的防汛抗洪壓力不斷加大，傳統(tǒng)的工程做法及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)亟待改變。從孔隙化理論的角度來(lái)說(shuō)，人工的混凝土河道造成去孔隙化，降低生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。而自然的河道則存在著各種各樣的孔隙，從而可以為各類生物提供棲息空間。河流生態(tài)性設(shè)計(jì)從非生物因素方面主要是河道的形態(tài)，如蜿蜒的河道、漫灘、深潭、瀉湖等；自然的水文條件方面，如流速、常水位、枯水位、周期性的洪水脈沖等；自然的河道河床和駁岸。在此基礎(chǔ)上筆者提出以下方法。

3.5.1 藍(lán)綠空間統(tǒng)籌規(guī)劃

河流藍(lán)線和綠線是城市規(guī)劃的控制要素，在防洪排澇工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)中應(yīng)將藍(lán)綠空間統(tǒng)籌考慮。河流的流量近似等于水面平均寬度、水深、流速三者的乘積，因此，假定在流量、流速不變的情況下，水面平均寬度和水深成反比。在不改變藍(lán)線范圍的情況下，工程上通常采取加高堤岸的方法來(lái)滿足更高的防洪水位，但如果充分發(fā)揮藍(lán)綠空間統(tǒng)籌規(guī)劃的作用，通過(guò)加寬河道來(lái)確保河道防洪能力，則無(wú)需加高堤岸。

3.5.2 增加河道蜿蜒度

筆者在設(shè)計(jì)中常常將已被裁彎取直的河道重新恢復(fù)為曲折蜿蜒的形態(tài)，以期恢復(fù)其自動(dòng)力過(guò)程[28]。建議拆除河道的混凝土邊界，允許河道進(jìn)行適當(dāng)遷移，并依據(jù)河流空間實(shí)際情況建設(shè)復(fù)雜的河道形態(tài)。

3.5.3 增加粗糙系數(shù)及河漫灘的植物種植

流速的大小與粗糙系數(shù)有關(guān)，流速和糙率成反比。在傳統(tǒng)河渠中河道兩側(cè)水泥抹光，表面光滑，底部為混凝土，這種河道的糙率很低，流速更快。而生態(tài)型河道則恰好相反，流速慢的河道中的水力沖刷對(duì)堤岸的破壞更小，自然河道也有助于提升生態(tài)環(huán)境水平。

根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中河漫灘的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)河床中水流速為0.8 m/s左右時(shí)，進(jìn)到河漫灘后流速降到了0.3 m/s。這是由于河漫灘有很多植被，植被對(duì)流速有很大的消減作用。蘆葦、柳樹(shù)、竹子都有削峰功能，距蘆葦?shù)厣嫌味?，縱段距離0.8 m處，當(dāng)水深3.0 m時(shí)，可抗約2 m/s的流速;除此之外蘆葦還可以削減波峰能量的60%～80%，竹子也可以削減波峰能量的60%～70%，種植竹子可以將流速?gòu)?.2 m/s消減到0.4 m/s，當(dāng)水流到達(dá)了柳樹(shù)種植的地方可以再消減到0.5 m/s[29]。由此可見(jiàn)植物可以起到消減流速和波峰能量的作用，同時(shí)還有生態(tài)價(jià)值。

3.5.4 大粒徑的石塊做護(hù)堤

在日本的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，選擇20 cm粒徑的石塊做護(hù)堤應(yīng)對(duì)3～5 m/s的流速，選擇10 cm粒徑的石塊可以應(yīng)對(duì)2～3 m/s的流速，石塊越大形成的流速越大,導(dǎo)致護(hù)堤更陡。因此建議保留卵石作為河道護(hù)堤。

3.5.5 保護(hù)主河槽的生態(tài)性

平灘流量通常被認(rèn)為是將河道填滿到河漫灘或邊灘灘緣高度時(shí)的河槽流量，一般對(duì)應(yīng)1～2 a一遇行洪標(biāo)準(zhǔn)，類似我國(guó)的主河槽概念，其具有非常高的生態(tài)價(jià)值。但是很可惜?？吹焦こ處熢谥骱硬圩鲇操|(zhì)化堤岸。在國(guó)外的生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目中，平灘流量行洪空間內(nèi)的河道及兩側(cè)的生態(tài)修復(fù)得到更多關(guān)注，避免在主河槽出現(xiàn)硬質(zhì)堤岸。

3.5.6 自然生態(tài)型岸線設(shè)計(jì)

建議在需要水利堤岸的地方，由工程河堤轉(zhuǎn)向自然河堤，經(jīng)過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)建造生態(tài)型防洪河道。盡量保護(hù)河邊的農(nóng)業(yè)生態(tài)用地，允許該區(qū)域在雨季被淹沒(méi)，增加土壤肥力，回灌地下水。筆者從國(guó)土空間規(guī)劃的角度提出2種管理方法:第一，允許該區(qū)域進(jìn)行耕種，但并不把該區(qū)域劃歸為農(nóng)業(yè)用地;第二，將其劃歸為農(nóng)業(yè)用地，但在雨季允許該區(qū)域被淹沒(méi)，保留其生態(tài)性。

3.6 流域水質(zhì)管理與農(nóng)業(yè)土地健康

我國(guó)流域水質(zhì)管理的做法是分流域考核，有的河道水質(zhì)污染超標(biāo)，有的河道水質(zhì)非常好，平均后很多國(guó)考、省考斷面關(guān)鍵指標(biāo)可以達(dá)標(biāo)。河道中的潛流層(礫石層)有很強(qiáng)的凈化作用，同時(shí)河流廊道能有效去除污染物及截留沉積物[30]。但是河流的自凈能力需要很長(zhǎng)的時(shí)間、空間才能起作用。國(guó)外研究顯示，河道在經(jīng)過(guò)污水廠排污流動(dòng)一周后(約80 km)，水質(zhì)及生物量才可能恢復(fù)至排污前[2]。

此外，城市及農(nóng)田的面源污染是我們下一階段需要解決的問(wèn)題。建議充分利用海綿城市及藍(lán)綠空間融合的方式解決這一問(wèn)題。農(nóng)田面源污染小部分是地表徑流污染，大部分是經(jīng)過(guò)淋溶進(jìn)入地下水的氮污染[6]。對(duì)此，需要對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行土壤健康管理。

研究表明，河岸帶的林地能夠去除農(nóng)業(yè)污染流入河道的地下水中的大部分硝酸鹽,因此河岸帶植被對(duì)去除農(nóng)業(yè)面源污染有著積極作用[14]。其中7.6 m寬的河岸帶對(duì)降低地表徑流和地下水滲出中的氮、磷起到有效作用，寬度達(dá)到16.8 m則可以做到減少沉積物。當(dāng)寬度達(dá)到20 m時(shí)可以減少60%～70%以上的氮，達(dá)到30 m可以減少85%的總氮和氨氮[31]。河岸邊的原生植被具有良好的水土保持功能，且對(duì)氮、磷的吸收和水質(zhì)凈化起到積極作用[32]，河流中的沉水植物及附于河卵石表面的微生物膜可以有效降低水中污染物的含量。

我國(guó)在完成黑臭水體的治理后，下一步水質(zhì)提升的任務(wù)同樣艱巨。投入設(shè)備和梳理管網(wǎng)等工程手段無(wú)法持續(xù)保證地表水四類或者更好的水質(zhì)。需要更系統(tǒng)的水質(zhì)統(tǒng)籌譬如“每日最大總污染物負(fù)荷法”及利用自然界的生物處理能力來(lái)提升水質(zhì)，譬如河流的自凈能力、濕地、植被、土壤、海綿設(shè)施等對(duì)面源污染物進(jìn)行去除。

“每日最大總污染物負(fù)荷法”是美國(guó)管理水質(zhì)的一種方法。這個(gè)方法根據(jù)水體目標(biāo)，分析水質(zhì)及水量，將每日可以承受的污染物量分配給面源污染及點(diǎn)源污染，由此決定每條支流的水質(zhì)要求及治理方案。局部地方水質(zhì)可以劣于考核段面的要求，譬如美國(guó)的污水處理廠在下游有很大河流自凈能力的情況下允許出水水質(zhì)劣于我國(guó)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從歐美其他國(guó)家來(lái)看，面源污染是未來(lái)水質(zhì)進(jìn)一步提升的主要壓力，會(huì)影響生物多樣性進(jìn)一步提升。一般來(lái)說(shuō)，水質(zhì)越好，生物多樣性越高。目前國(guó)際上一般以大型無(wú)脊椎動(dòng)物作為水質(zhì)的指示物種。

水質(zhì)提升的下一個(gè)階段則要充分利用海綿城市及河岸帶的功能，其中城市建成區(qū)的面源污染去除主要利用海綿城市的功能，而鄉(xiāng)村區(qū)域則主要利用土地管理及和河岸帶管理的功能。海綿城市實(shí)踐下一階段的目標(biāo)應(yīng)包含面源污染的去除及韌性城市建設(shè)。雨水污染物的去除是澳大利亞水敏感城市設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一，而北歐一直在使用藍(lán)綠系統(tǒng)融合來(lái)提高城市韌性，解決超標(biāo)雨水的防洪排澇問(wèn)題。

土壤是植物和微生物的能量循環(huán)和物質(zhì)流動(dòng)的環(huán)境。農(nóng)田除了基本的生產(chǎn)功能外，同時(shí)提供養(yǎng)分再循環(huán)、碳匯、水分調(diào)節(jié)、水體質(zhì)量、生物多樣性及棲息地、空氣質(zhì)量調(diào)理、疾病緩解等生態(tài)服務(wù)功能及農(nóng)業(yè)休閑等娛樂(lè)功能。土壤退化和城市化是土地資源減少的主要原因。實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)中，農(nóng)業(yè)用地因其對(duì)土壤質(zhì)量、保水能力等具有特別高的要求，應(yīng)優(yōu)先被保護(hù)。農(nóng)業(yè)種植的方法對(duì)地表及地下水水質(zhì)產(chǎn)生很大影響。國(guó)際上的研究表明無(wú)翻耕種植、混合種植、土壤覆蓋植被不裸露等做法可以大幅提升土壤健康并且提高農(nóng)田產(chǎn)量[6]。

3.7 廊道寬度及棲息地的大小是保護(hù)生物多樣性的核心要素

流域內(nèi)的生物多樣性保護(hù)原則依據(jù)Forman提出的景觀生態(tài)學(xué)理論“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式[33]。建設(shè)原則為“目標(biāo)物種及生態(tài)廊道的位置和寬度是規(guī)劃的核心”，生態(tài)廊道越寬越好，以滿足多種生物的遷徙和生存需要；流域規(guī)劃需要建立包含本土物種的棲息地體系，并要充分考慮山脊棲息地、高地棲息地、濕地棲息地及水生棲息地；建議每個(gè)國(guó)家公園的面積不低于數(shù)百平方公里，以滿足大型及瀕危物種的棲息要求。

此外要優(yōu)先保證目標(biāo)物種擴(kuò)散廊道的寬度及位置。在目前的一些規(guī)劃中，經(jīng)?？梢砸?jiàn)到幾十米寬的生態(tài)廊道，實(shí)際上這種尺度的生態(tài)廊道規(guī)劃價(jià)值不高。大型哺乳動(dòng)物需要的廊道寬度至少在1 km以上，其生存領(lǐng)域面積也在幾十到上百平方公里[34]。但由于自然干擾或人類活動(dòng)，大面積連續(xù)分布的棲息地被分成多塊小面積且不連續(xù)的小斑塊，導(dǎo)致野生動(dòng)物種群數(shù)量減少，甚至某些種類在小斑塊中消失。在自然保護(hù)區(qū)以及生物棲息地的保護(hù)與規(guī)劃中，基于島嶼生物地理學(xué)理論，假如每個(gè)小保護(hù)區(qū)支持同樣的物種，我們可以將多個(gè)小面積的保護(hù)區(qū)合并為一個(gè)大的保護(hù)區(qū)以容納更多的物種。但是如果每個(gè)保護(hù)區(qū)的保護(hù)物種是異質(zhì)性的，則需要保留若干個(gè)不同的保護(hù)區(qū)，其總體的保護(hù)效果超過(guò)一個(gè)大的保護(hù)區(qū)，能容納更多的物種[4]。

河流兩岸的規(guī)劃設(shè)計(jì)要考慮生物對(duì)棲息地、廊道的寬度要求。生物多樣性敏感區(qū)及其廊道是重要物種的棲息地和基因廊道，寬度至少應(yīng)為 1 km[32]，且需要在道路穿過(guò)棲息地和廊道的區(qū)域增設(shè)生態(tài)橋梁和生態(tài)箱涵。此外，筆者在之前的研究中就提到建議不要在河流兩側(cè)規(guī)劃連續(xù)的機(jī)動(dòng)或非機(jī)動(dòng)車道，以保證生物活動(dòng)不受干擾。

目標(biāo)物種是對(duì)棲息地敏感度高的物種，即滿足了目標(biāo)物種的需求，也就滿足了其他物種的需求。在實(shí)際項(xiàng)目中，生態(tài)學(xué)家一般優(yōu)先選擇1～2種哺乳動(dòng)物和2～3種鳥(niǎo)類作為目標(biāo)物種。此外也可以根據(jù)場(chǎng)地性質(zhì)和必要性選擇兩棲爬行類、魚(yú)類(以洄游性為主)和昆蟲(chóng)類物種。目標(biāo)物種及生態(tài)廊道的位置和寬度是規(guī)劃的核心，設(shè)計(jì)中需要預(yù)留出充足的動(dòng)物遷徙和生存空間，又要考慮未來(lái)發(fā)展需求，集約利用土地。在植物規(guī)劃中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)水文環(huán)境和地形，利用土壤中的種子庫(kù)，讓自然做工，自發(fā)形成植物的動(dòng)態(tài)演替。

4 結(jié)論與建議

針對(duì)全球流域尺度的水資源保護(hù)和氣候危機(jī)等環(huán)境問(wèn)題，科學(xué)性的流域生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃的理論和方法對(duì)流域的健康可持續(xù)發(fā)展提供了豐富的研究途徑和思路。以生態(tài)要素研究為本底，將整個(gè)流域范圍內(nèi)的生物和非生物要素統(tǒng)籌規(guī)劃，協(xié)調(diào)人類活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的關(guān)系是當(dāng)下的重要課題。

流域是各種生態(tài)系統(tǒng)的疊合，因此河流治理要與河岸帶的土地關(guān)聯(lián)，這是流域生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵目標(biāo)。理解生態(tài)要素之間的關(guān)系，對(duì)流域生態(tài)規(guī)劃及生態(tài)修復(fù)大有裨益。用基于自然的解決方案做防洪排澇項(xiàng)目，可以提升生物多樣性，因?yàn)樯锒鄻有耘c水文、土壤、地形、植被等要素強(qiáng)關(guān)聯(lián)。除此之外，農(nóng)業(yè)用地具有很高的生態(tài)價(jià)值，可以作為生物多樣性的重要組成部分。為了科學(xué)地規(guī)劃設(shè)計(jì)，各專業(yè)人士需要理解流域內(nèi)生態(tài)功能之間的關(guān)系，理解山水林田湖草沙等自然要素之間的關(guān)系，各領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師在協(xié)同規(guī)劃后，可以集約使用生態(tài)用地，從而釋放出更多的建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)效益的最大化。