河道形態(tài)改造對(duì)城市河流生態(tài)水力性能的影響

唐 杰，陳 垚，程麒銘，劉 非，鄧淋月，袁紹春

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 2.中鐵建發(fā)展集團(tuán)有限公司，北京 100043；3.重慶交通大學(xué)環(huán)境水利工程重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，河流的水文循環(huán)過(guò)程、泥沙輸移和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)受到影響，使得河流水文情勢(shì)和河道形態(tài)發(fā)生顯著改變，造成水質(zhì)惡化，生物多樣性銳減[1-3]，加劇城市河流生態(tài)系統(tǒng)的退化過(guò)程[4]。大多數(shù)河道治理工程采用單一生物化學(xué)手段解決河流水質(zhì)問(wèn)題，缺乏生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)或恢復(fù)預(yù)期目標(biāo)[5-6]，忽視河流自然屬性及過(guò)程的治理模式也將造成生態(tài)結(jié)構(gòu)受損。相關(guān)研究指出，水文情勢(shì)、水力條件和河道地形地貌特征共同決定河流生態(tài)結(jié)構(gòu)[7]，近年來(lái)對(duì)生態(tài)流量和水資源承載力[8]等生態(tài)水文指標(biāo)的研究彰顯了水文情勢(shì)對(duì)于水域生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的重要性，如班璇等[9]采用變化范圍法計(jì)算氣候變化對(duì)大壩下游不同流量的脈沖次數(shù)，指出水文情勢(shì)過(guò)度波動(dòng)不利于水生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；程俊翔等[10]引進(jìn)國(guó)外水文指標(biāo)改變體系，闡述該體系在水文水資源管理實(shí)踐中的應(yīng)用意義；華祖林等[2]提出一種針對(duì)嚴(yán)重城市化的河流生態(tài)水位和流量的計(jì)算方法并證明其可行性，建議采取基于過(guò)程的修復(fù)措施從本質(zhì)上恢復(fù)河流的自然生態(tài)系統(tǒng)。

水力條件也直接影響水生生物群落結(jié)構(gòu)，并驅(qū)動(dòng)著河流生態(tài)功能的演化過(guò)程，已被確定為河流生態(tài)健康的關(guān)鍵調(diào)控因子[11-12]。相關(guān)研究證實(shí)，通過(guò)恢復(fù)河道近自然化形態(tài)來(lái)改善河道水力條件，降低城市水文變化的影響，可修復(fù)城市河流生態(tài)結(jié)構(gòu)[13]。天然河道一般具備完整且復(fù)雜的自然蜿蜒、深潭-淺灘形態(tài)和側(cè)向河漫灘等河道形態(tài)[14]。德國(guó)德萊薩姆河以仿照自然形態(tài)改造廊道結(jié)構(gòu)，構(gòu)建生態(tài)敏感區(qū)以形成高質(zhì)量生境區(qū)，大大提升了生物多樣性[15]；增設(shè)生態(tài)丁壩和生態(tài)護(hù)岸等河道形態(tài)改造措施在國(guó)內(nèi)河道治理工程中也取得較好生態(tài)效益[16-17]。

數(shù)值模擬手段可以在工程實(shí)踐前使河道形態(tài)改造設(shè)計(jì)方案能滿足水力條件的生態(tài)營(yíng)造目標(biāo)，但需要掌握河道形態(tài)改造對(duì)生態(tài)水力條件的影響機(jī)制，在給定的生態(tài)框架內(nèi)進(jìn)行預(yù)模擬[18]，確定最佳河道形態(tài)改造設(shè)計(jì)方案。本文在對(duì)河道河寬、水深和蜿蜒度等地形幾何變量按正弦函數(shù)進(jìn)行振蕩波動(dòng)的基礎(chǔ)上，利用R語(yǔ)言程序包[19-20]生成6種河道數(shù)字地形模型(digital terrain models，DTMs)，采用MIKE模型考察不同河道形態(tài)改造對(duì)河床干擾度τ*、水力形態(tài)多樣性指數(shù)(hydro-morphological index of diversity，HMID)和淺灘緩流生境面積(shallow slow-water habitat area，SSWHA)等生態(tài)水力指標(biāo)的影響，進(jìn)而闡明不同河道形態(tài)改造設(shè)計(jì)方案的生態(tài)有效性，以期為城市河流近自然修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)步驟

為定量評(píng)價(jià)城市河道形態(tài)改造方案產(chǎn)生的生態(tài)水力效應(yīng)，通過(guò)如下4個(gè)步驟來(lái)完成不同河道形態(tài)的數(shù)字模型構(gòu)建及其生態(tài)水力效應(yīng)的數(shù)值模擬評(píng)價(jià)：①選取研究河段(本文以西部(重慶)科學(xué)城境內(nèi)的梁灘河200 m的典型“三面光”渠化河道為研究背景)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取該渠化河道的全深、全寬和坡度等平面幾何參數(shù)，以形成具有代表性的城市化河道地形幾何變量。②利用河道地形合成程序[19]將具有不同地形幾何變量值的河道生成DTMs，包括原始渠化河道以及具有不同水深、寬度和蜿蜒度等幾何變量值的5種形態(tài)重塑河道。在對(duì)河道形態(tài)進(jìn)行重塑設(shè)計(jì)時(shí)，遵循河道形態(tài)的復(fù)雜性，按照自然河流特征進(jìn)行漸進(jìn)式變化，同時(shí)關(guān)注河道設(shè)計(jì)的尺度要求，未對(duì)河道的局部水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研究。③利用MIKE二維水動(dòng)力模型對(duì)生成的河道DTMs進(jìn)行2D水力模型模擬，并根據(jù)模擬輸出結(jié)果對(duì)不同形態(tài)河道的生態(tài)水力效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。④分別根據(jù)τ*、HMID和SSWHA等生態(tài)水力指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)不同形態(tài)重塑河道的河床穩(wěn)定性、水力多樣性營(yíng)造能力和適宜水生棲息地的生態(tài)可獲得性，并對(duì)比分析形態(tài)重塑河道與原始渠化河道的生態(tài)水力性能。

1.2 河道形態(tài)設(shè)計(jì)

在利用“RiverBuilder”R語(yǔ)言包合成數(shù)字河道時(shí)，通過(guò)輸入的控制性參數(shù)、變異性參數(shù)以及選擇的河道地形變異性幾何函數(shù)生成DTMs。其中，控制性參數(shù)為合成河道的初始幾何參數(shù)，包括實(shí)測(cè)獲得的河道長(zhǎng)度、寬度、水深、坡度、橫截面形狀等；變異性參數(shù)包括周期波動(dòng)函數(shù)的振幅、頻率、初相位等，主要用于對(duì)控制性參數(shù)進(jìn)行取值。河道全寬Wbf、河道全深Hbf和河床高程式Zt的計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

y(xi)=assin(bsxri+θs)

(4)

式中：y(xi)為相關(guān)控制函數(shù)值；as、bs、θs分別為正弦分量的振幅、角頻率和相位；xri為直角坐標(biāo)系弧度制對(duì)應(yīng)的位置，rad。

基于梁灘河研究段實(shí)測(cè)的控制性參數(shù)，并參考Anim等[14]河道設(shè)計(jì)案例，根據(jù)原始渠化河道形態(tài)幾何參數(shù)，合成形態(tài)單一的城市化河道DTMs；在該河道DTMs基礎(chǔ)上，根據(jù)河道寬度、蜿蜒度和河床高程的組合變化，創(chuàng)建5種不同河道形態(tài)DTMs，生成不同形態(tài)河道(圖1和圖2)。表1為河道形態(tài)設(shè)計(jì)說(shuō)明，各河道的DTMs控制性參數(shù)相同，包括河道高程為270 m、河道長(zhǎng)度為200 m、河道坡度為0.002 6%、河道全寬為10 m、河道全深為1 m，變異性參數(shù)取值見(jiàn)表2。同時(shí)，為研究控制變量，每種河道形態(tài)控制性參數(shù)取值與初始實(shí)測(cè)的城市化河道保持一致，且同類型變異性參數(shù)取值相同。

(a) U

1.3 二維水動(dòng)力模型

MIKE21水動(dòng)力模塊可用于求解以垂線平均流為對(duì)象的平面流場(chǎng)參數(shù)[21]，已廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、河口與海岸水動(dòng)力及泥沙模擬，本文采用MIKE21模塊完成河道二維水動(dòng)力建模。在建模時(shí)根據(jù)RiverBuilder為每個(gè)河道DTMs生成的數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)分別構(gòu)建矩形網(wǎng)格。其中，每個(gè)網(wǎng)格有200個(gè)縱向節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距為0.4 m，渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式默認(rèn)值0.28，曼寧系數(shù)n取0.04，代表典型的無(wú)植被粗顆粒表面粗糙度[14,22]，分別采用流量和水位作為河道上、下游邊界條件。在確定河道上游邊界時(shí)，先根據(jù)河道DTMs典型斷面計(jì)算出河道濕周和斷面面積，再利用曼寧方程計(jì)算出滿岸流量Qbf，最后按Qbf值遞減原則設(shè)置上游流量邊界值。根據(jù)DTMs提取邊界斷面，再代入上游流量值計(jì)算得出水位-流量關(guān)系曲線來(lái)設(shè)置下游水位。各河道形態(tài)模擬10次后輸出流速V、總水深D、床層剪切應(yīng)力τb和水面高程WSE等信息。采用ArcGIS 10.8對(duì)構(gòu)建的水動(dòng)力模型結(jié)果進(jìn)行處理和分析，用來(lái)研究不同河道形態(tài)對(duì)河流生態(tài)水力性能的影響[23-25]。

(a) U

表1 河道形態(tài)設(shè)計(jì)說(shuō)明Table 1 Description of river course form design

表2 河道形態(tài)設(shè)計(jì)變異性參數(shù)取值Table 2 Variability parameter value of river course form design

1.4 生態(tài)水力指標(biāo)

本文主要探討τ*、HMID、SSWHA 3個(gè)與河流生態(tài)系統(tǒng)功能有直接聯(lián)系的水力特性指標(biāo)，并通過(guò)ArcGIS軟件中Python決策樹(shù)對(duì)二維水動(dòng)力模型輸出柵格進(jìn)行腳本處理后計(jì)算確定。

a.采用τ*表征河床質(zhì)運(yùn)動(dòng)和底棲生物群落擾動(dòng)程度。頻繁的河床擾動(dòng)不僅加劇河道形態(tài)退化與結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，而且也加速河流生物群漂移過(guò)程[26-27]。為定量表征河道河床移動(dòng)潛力與趨勢(shì)，通常采用無(wú)量綱床層剪切應(yīng)力——Shields應(yīng)力，亦稱為河床干擾度τ*來(lái)評(píng)價(jià)河床穩(wěn)定性，其在二維水動(dòng)力模型網(wǎng)格中的計(jì)算公式為

(5)

b.采用HMID表征河道水力多樣性營(yíng)造能力。研究證實(shí)河道內(nèi)流速和水深的空間分布多樣性在維護(hù)河流生物群落多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康方面具有極其重要的作用，滿足河流內(nèi)不同生物群生活史對(duì)策的適宜響應(yīng)[7,29-30]。本研究采用Gostner等[31]提出的HMID指標(biāo)定量表征流速-水深空間分布的水力異質(zhì)性，即根據(jù)流速和水深的變異系數(shù)評(píng)價(jià)河道整體水力形態(tài)多樣性：

HMID=(1+CVu)2+(1+CVd)2

(6)

式中：HMID為HMID指標(biāo)值；CVu、CVd分別為流速和水深的變異系數(shù)。HMID數(shù)值越大，河道水力形態(tài)多樣性越高。

c.采用SSWHA表征河道適宜水生棲息地的生態(tài)可獲得性。淺灘和緩流水生棲息地的可獲得性直接影響依賴該棲息地生物群落的分布和豐度，也促成物種自然進(jìn)化差異，在洪澇條件下能作為水生生物繁殖的適宜棲息地和避難所[1]。相關(guān)研究表明，當(dāng)流速和水深分別為0～0.2 m/s和0～0.3 m時(shí)，可作為鯽魚(yú)等常見(jiàn)魚(yú)類和大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物最適宜生長(zhǎng)水動(dòng)力條件[7,32-33]。本文以此流速和水深范圍作為淺灘緩流生境區(qū)域判定標(biāo)準(zhǔn)，用ArcGIS-Python決策樹(shù)對(duì)MIKE21輸出的流速-水深柵格圖進(jìn)行腳本處理，定位同時(shí)符合流速和水深閾值的網(wǎng)格單元并計(jì)算面積，即為河道SSWHA值。

2 結(jié)果與分析

2.1 河床穩(wěn)定性

(a) 最大河床干擾度變化

2.2 水力形態(tài)多樣性

圖4為河道形態(tài)改造對(duì)HMID的影響。由圖4(a)可見(jiàn)，不同河道形態(tài)下，水力多樣性隨流量大小呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，蜿蜒度對(duì)河道HMID幾乎無(wú)影響，且河道水力形態(tài)多樣性總體上隨流量增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但并非流量越低河道HMID就越高。如U、UW、UM河道在0.25～0.50 m3/s條件下，其HMID隨流量增加反而呈上升趨勢(shì)；當(dāng)流量增至2～12 m3/s區(qū)間時(shí)，HMID則隨流量增加而出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，而其他河道(UD、UWD和UWDM)則緩慢下降，且降幅較低。在高流量(8～12 m3/s)條件下，“深潭-淺灘”式河道(UWD和UWDM)的HMID幾乎是U河道的1.5倍，體現(xiàn)較高的流速和水深空間分布差異性，能保持較高且較穩(wěn)定的水力形態(tài)多樣性；而無(wú)河床高程起伏的河道(U、UW和UM)在不同流量下的流速和水深變化范圍均明顯低于其他河道，導(dǎo)致HMID相對(duì)較小且易受流量變化影響。由圖4(b)可見(jiàn)，U河道添加寬度、水深等幾何變量時(shí)，其HMID總體得到提高，且受流量變化的影響逐漸降低，呈現(xiàn)出更穩(wěn)定的HMID。結(jié)果表明，水深波動(dòng)對(duì)河道水力形態(tài)多樣性的改善強(qiáng)于寬度波動(dòng)，原因是水深波動(dòng)引起橫斷面發(fā)生變化而改變流速，由式(6)可知，河道流速和水深同時(shí)發(fā)生變化時(shí)HMID計(jì)算值顯著增大；而寬度波動(dòng)僅改變流速，并不會(huì)造成河道水深發(fā)生變化。由此可見(jiàn)，以河道HMID作為判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，河床地形起伏的形態(tài)營(yíng)造是影響河流水力形態(tài)多樣性的關(guān)鍵因素。

(a) HMID變化

2.3 適宜生境可獲得性

圖5為河道形態(tài)改造對(duì)SSWHA的影響。由圖5(a)可見(jiàn)，不同形態(tài)河道下，SSWHA具有相似變化趨勢(shì)，均隨流量增加而減少。其中，低流量(0.25～1 m3/s)下，U、UW和UM河道SSWHA較大，顯著高于具有河床起伏地形的UD、UWD和UWDM河道，表明低流量下無(wú)水深波動(dòng)的河道具有更大SSWHA，而河道蜿蜒度波動(dòng)也能在一定程度上增加淺水緩流生境區(qū)域。無(wú)水深波動(dòng)的河道在低流量下較快達(dá)到流速和水深的閾值范圍，且局部拓寬也增加河道橫斷面面積，使得UW河道在低流量時(shí)具有最大適宜生境面積。但當(dāng)流量高于1 m3/s時(shí)，U、UW和UM河道SSWHA急劇下降，當(dāng)流量達(dá)到6 m3/s時(shí)U和UM河道SSWHA已接近0；UW河道在中流量(1～6 m3/s)范圍內(nèi)SSWHA維持較高數(shù)值，但隨著流量超過(guò)8 m3/s，其值開(kāi)始低于UD河道，并隨流量增加而陡降至趨于0。相反，UD、UWD和UWDM河道的適宜生境面積整體上表現(xiàn)出較好穩(wěn)定性，在中、高流量(1～12 m3/s)下，3種河道SSWHA對(duì)流量變化的敏感度低于其他河道。研究結(jié)果表明，在暴雨洪水等流量劇變事件下，具有河床起伏地形的河道更能抵抗河道流量劇變對(duì)水生生物適宜生境區(qū)域的影響，進(jìn)而使其具有保持河道生態(tài)穩(wěn)定性的能力。由圖5(a)(b)可知，U河道在低流量下具有較大SSWHA，但其中位數(shù)僅為179.5 m2，明顯小于UWD和UWDM河道的中位數(shù)生境面積(分別為195.8 m2和209.1 m2)；同時(shí)UW和UD河道的SSWHA中位數(shù)分別達(dá)到最大(145.8 m2)和最小(255.8 m2)，且UW河道的均值也處于最高水平。結(jié)果表明，河道寬度是影響SSWHA可獲得性的關(guān)鍵，增加河道寬度的波動(dòng)性能顯著提高SSWHA。因此，在城市降雨徑流引起的河流流量突增事件頻發(fā)的情況下，增加“三面光”城市渠化河道的寬度波動(dòng)，并輔以河床起伏地形和蜿蜒度，重塑彎曲的“深潭-淺灘”近自然形態(tài)河道，對(duì)于維持河道生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提升河流適宜生境的可獲得性具有重要意義。

(a) SSWHA變化

3 討論

3.1 河道形態(tài)重塑產(chǎn)生的生態(tài)水力效應(yīng)

河道形態(tài)改造對(duì)河流生態(tài)水力性能的影響結(jié)果表明，“三面光”式城市渠化河道因其形態(tài)無(wú)寬度、水深和蜿蜒度的變化而表現(xiàn)出形狀規(guī)則且橫斷面單一，導(dǎo)致河道形成的水力作用較為簡(jiǎn)單，且相較于自然河道，均質(zhì)化河道形態(tài)對(duì)河流水力條件產(chǎn)生不可逆的損害。同時(shí)，河道地形添加的幾何變量越多，河流生態(tài)水力性能越好。當(dāng)河道寬度、水深和蜿蜒度等幾何變量同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，河道對(duì)徑流情勢(shì)變化的敏感性就會(huì)降低，進(jìn)一步證實(shí)河道形態(tài)空間多樣性對(duì)維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要作用[34-35]。本研究?jī)H對(duì)河道的寬度、水深和蜿蜒度等地形幾何變量進(jìn)行研究，且結(jié)果證實(shí)3種幾何變量同時(shí)波動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較好的生態(tài)水力效應(yīng)，但并不代表一味地增加河道地形幾何變量或在某一變量上增加函數(shù)組合進(jìn)行振蕩波動(dòng)，能夠使重塑后的河道產(chǎn)生最優(yōu)水力性能。未來(lái)將對(duì)河道地形幾何變量的優(yōu)化組合進(jìn)行系統(tǒng)研究，以探尋不同河道最佳形態(tài)改造設(shè)計(jì)方案。總體而言，將城市河道形態(tài)幾何變量進(jìn)行連貫性的振蕩波動(dòng)，能產(chǎn)生自然河道所特有的形態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，有效緩減變化水文情勢(shì)對(duì)河流生態(tài)水力條件的影響，將避免河流內(nèi)生物群落在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生退化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市河道近自然修復(fù)的生態(tài)目標(biāo)。

研究結(jié)果表明，將河床均質(zhì)化的城市河道改造為“深潭-淺灘”復(fù)雜形態(tài)時(shí)，河流的生態(tài)水力效應(yīng)得到明顯改善，在此基礎(chǔ)上增加平面蜿蜒度變化形成近自然的河道形態(tài)，可有效提高河道適宜水生棲息地的可獲得性。研究得出，恢復(fù)自然河道特有的“深潭-淺灘”結(jié)構(gòu)可促進(jìn)高、低流量下剪切應(yīng)力的逆轉(zhuǎn)過(guò)程，也有助于高流量下水流在深潭和淺灘間的加速與降速過(guò)程[36]，使河道流速、水深和湍流等水力特性產(chǎn)生時(shí)空分布異質(zhì)性[37]，進(jìn)而有效促進(jìn)河道水生棲息地形成，并提高其生境適宜性。本研究尚不能得出該典型城市河道的最佳形態(tài)改造設(shè)計(jì)方案，但研究已證實(shí)，即使對(duì)“三面光”式城市渠化河道在幾何形態(tài)上進(jìn)行較小幅度的寬度或深度波動(dòng)，也能在一定程度上改善河流的生態(tài)水力條件。總體而言，具有復(fù)雜地形的河道能與水文情勢(shì)形成多重物理機(jī)制過(guò)程，而不同形態(tài)的河道會(huì)以不同方式調(diào)控河道內(nèi)水流過(guò)程，進(jìn)而形成不同形態(tài)的水力條件。研究進(jìn)一步證實(shí)，即使在城市暴雨徑流導(dǎo)致河流水文情勢(shì)發(fā)生明顯改變的情況下，河道地形幾何變量發(fā)生振動(dòng)波動(dòng)也能有效降低河床干擾，減少水流對(duì)河床的沖刷，增大河道內(nèi)水生生物的適宜生境區(qū)域，并提高水力形態(tài)生態(tài)多樣性。

3.2 城市河道形態(tài)改造對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)近自然修復(fù)的能力

將經(jīng)形態(tài)改造后形成的5種河道在高流量(8～12 m3/s)下與U河道在同一斷面的生態(tài)水力指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，并分別用平均增加(+)和平均減少(-)的百分比來(lái)表示(表3)。結(jié)果表明，河道形態(tài)的近自然重塑使河流生態(tài)水力條件得到明顯改善，與U河道相比，形態(tài)最復(fù)雜的UWDM河道下河床干擾度平均減少87.3%，HMID平均提高36.5%，而適宜生境面積平均擴(kuò)大26.9倍。研究中發(fā)現(xiàn)，河道蜿蜒度對(duì)河流3個(gè)生態(tài)水力指標(biāo)影響甚微，原因在于本研究對(duì)蜿蜒度振蕩波動(dòng)僅局限于河道平面形態(tài)，而在河流近自然修復(fù)工程中河道彎曲程度同樣對(duì)河流生態(tài)過(guò)程具有重要作用。

表3 高流量下5種河道形態(tài)與U河道的生態(tài)水力性能差異Table 3 Difference of ecological hydraulic performance between 5 river course forms and U river course under high discharge

研究結(jié)果表明，在河道寬度、河床地形高程和河道中心線上添加正弦函數(shù)進(jìn)行組合振蕩波動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生近自然條件的多樣性水力特征。結(jié)果證實(shí)，對(duì)均質(zhì)化河道進(jìn)行近自然形態(tài)結(jié)構(gòu)重塑，能產(chǎn)生水生系統(tǒng)所需的空間多樣性，進(jìn)而促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)中泥沙輸移、營(yíng)養(yǎng)物擴(kuò)散等自然動(dòng)態(tài)過(guò)程發(fā)生。河流自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，不僅與河道形態(tài)有關(guān)，還受河流水文情勢(shì)的直接影響，有研究表明，城市化下形成的水文情勢(shì)與自然水文情勢(shì)存在較大差異性，在一定程度上加劇河流生態(tài)系統(tǒng)的退化過(guò)程[13]。因此，僅依靠城市河道形態(tài)的近自然重塑，而不考慮城市區(qū)域水文情勢(shì)的近自然恢復(fù)，難以實(shí)現(xiàn)城市河流生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)目標(biāo)。因?yàn)槌鞘薪涤陱搅鞯母淖儭⒓惺降膹搅髋欧拍Ｊ綄?duì)形態(tài)改造河道產(chǎn)生持續(xù)沖刷和破壞效應(yīng)，最終影響形態(tài)重塑河道生態(tài)水力性能的穩(wěn)定性和持續(xù)性。因此，城市河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，不僅需要對(duì)河道形態(tài)進(jìn)行近自然重塑改造，而且還需對(duì)水文情勢(shì)進(jìn)行近自然恢復(fù)(如采用海綿城市建設(shè)理念，減少城市開(kāi)發(fā)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響)，從上述兩個(gè)途徑對(duì)城市河流進(jìn)行近自然恢復(fù)，可實(shí)現(xiàn)河流系統(tǒng)的生態(tài)完整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)河流自然修復(fù)理論，采用數(shù)字河道合成技術(shù)，并結(jié)合二維水動(dòng)力模型定量評(píng)價(jià)河道形態(tài)改造對(duì)城市河流生態(tài)水力性能的影響。結(jié)果表明，“三面光”式城市渠化河道的生態(tài)水力性能隨河道寬度、河床高程、蜿蜒度等地形幾何變量的振蕩變化而不斷改善，且河道空間形態(tài)越復(fù)雜，河道的生態(tài)水力性能越好。河床穩(wěn)定性和HMID主要受河床地形起伏導(dǎo)致的水深波動(dòng)影響，而SSWHA受寬度波動(dòng)影響較大，在高流量(8～12 m3/s)下，相較于未改造的U河道，“深潭-淺灘”式UWD河道形態(tài)構(gòu)造下河床干擾度平均減少88.2%，HMID平均提高37.4%，而SSWHA可增加24.9倍，表明河流的生態(tài)水力條件得到顯著改善；加入蜿蜒度變量的UWDM河道的3個(gè)生態(tài)水力指標(biāo)與UWD河道無(wú)明顯差異，單獨(dú)的蜿蜒度對(duì)河流生態(tài)水力性能影響較小。城市河道的近自然形態(tài)重構(gòu)可大幅降低河道對(duì)流量變化的敏感性，并顯著提高河道生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有助于河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。