山區(qū)流域地貌單元水系生態(tài)安全分類治理*
——基于流域生態(tài)學(xué)視角

林小如，賈宇軒，黃友誼，詹麗娜，潘愛豐

浙江省80%的河流為山區(qū)河流。河流不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是生態(tài)系統(tǒng)的重要載體，還是流域防洪體系的重要組成部分。然而，若缺乏對不同地貌單元流域中水系生態(tài)安全規(guī)律的認(rèn)知，往往導(dǎo)致邊治理邊衰退的問題。一方面，山區(qū)流域水系治理達(dá)標(biāo)率低，存在大范圍的治理缺位問題；另一方面也存在過度治理現(xiàn)象。例如，堰會使河流水溫分層影響上游水質(zhì)，水庫會使上游水汽增加，增大降雨量，加重山洪泥石流風(fēng)險。因此，水利工程設(shè)施若缺乏流域生態(tài)學(xué)視角下的生態(tài)安全合理性研判，將可能使水系生態(tài)治理的負(fù)面影響大于正向效益[1]。

浙江省多元化的流域地貌單元具備水系生態(tài)安全問題的典型性和區(qū)域類型的代表性。在氣候變化下的極端天氣問題和地域性流域生態(tài)風(fēng)險的交叉影響下，區(qū)域性的水系生態(tài)風(fēng)險已經(jīng)成為流域災(zāi)害的熱點問題。2020 年梅汛期，浙江連遭9 輪強(qiáng)降雨，浙中北盆地降雨量達(dá)633mm，是洪澇重災(zāi)區(qū)；浙西的丘陵區(qū)由于土壤飽和度高，山體滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，防汛壓力尤其大；同期，浙東則遭受著多發(fā)的地域性洪潮災(zāi)害，超過41 萬人受災(zāi)[2]。面對地域差異性顯著的水系生態(tài)安全風(fēng)險，倘若運(yùn)用單一的治理方法去應(yīng)對具備不同災(zāi)害風(fēng)險特征的流域單元問題，將是粗放和局限的。因此，針對不同類型的山區(qū)流域地貌單元，其水系生態(tài)安全風(fēng)險的典型特征是什么，如何確定因地制宜的科學(xué)治理對策，是亟待解決的關(guān)鍵問題。通過山區(qū)自然地貌類型與水系生態(tài)安全風(fēng)險的關(guān)系梳理，及其與水岸建設(shè)交互特征的定量分析，揭示不同自然地貌類型下水系生態(tài)安全格局的特征規(guī)律，提出山區(qū)各類流域地貌單元水系生態(tài)安全的管控要點。

1 流域生態(tài)學(xué)與流域單元分類治理

1.1 流域生態(tài)學(xué)與山區(qū)流域地貌單元

流域生態(tài)學(xué)（watershed ecology）指出，流域是地球表層系統(tǒng)的一個自然劃分單元，通過水文聯(lián)系將上下游、左右岸連接為一個整體[2]，流域生態(tài)系統(tǒng)的模式、過程與尺度之間有一致性關(guān)系[3]。近年來，隨著人類建設(shè)活動、工農(nóng)業(yè)等干擾因子對河流生態(tài)系統(tǒng)的擾動增加。河流的生態(tài)環(huán)境問題已逐漸從局部問題演變成全流域的問題，諸如流域型水污染、流域性洪潮災(zāi)害、水利工程建設(shè)與生態(tài)保護(hù)矛盾等等。因此，解決流域尺度的生態(tài)環(huán)境問題，必然需要有流域尺度的生態(tài)管控來做支撐[4]。

流域生態(tài)學(xué)中的不同流域單元對應(yīng)著差異化的地質(zhì)地貌、物理過程、生態(tài)特征及復(fù)雜的水岸交互特征，而坡度又是引起水系物理規(guī)律、生態(tài)差異性的關(guān)鍵[5]。《中華人民共和國地貌圖集（1 ∶100 萬）》中劃分的浙江地貌類型及占比為：中起伏度山地（占比56.7%）＞小起伏山地（占比24.3%）＞丘陵區(qū)（占比15.3%）＞大起伏山地（占比3.7%）。據(jù)此，本文將浙江山區(qū)的流域劃分為以下幾種地貌單元：高起伏度山區(qū)、中起伏度山區(qū)、低山丘陵區(qū)（圖1）。

1.2 流域單元分類生態(tài)治理的必要性

在山區(qū)流域的生態(tài)安全研究中，國內(nèi)外水系生態(tài)安全研究包含突發(fā)型災(zāi)害和緩發(fā)性災(zāi)害。針對山洪、泥石流等突發(fā)型自然災(zāi)害，多采用工程防護(hù)型策略。例如，有學(xué)者通過對比分析，明確護(hù)坡工程的要點和方法[6]；另有學(xué)者[7]通過對法國3 個洪水易發(fā)地區(qū)的885 個家庭的調(diào)查，提出洪水風(fēng)險工程管理策略。針對緩發(fā)性災(zāi)害，采用系統(tǒng)預(yù)防型策略應(yīng)對緩發(fā)型生態(tài)問題。例如，Chen,QF[8]以陽河為例，探討北方山區(qū)水系水凈化效率的工程方法。Baldig,BP[9]基于北美很多河道被拉直、拓寬和硬化所產(chǎn)生的生態(tài)問題，提出自然河道設(shè)計（NCD）技術(shù)。在空間干預(yù)策略方面，Li,ZX[10]基于海河流域水土流失等生態(tài)修復(fù)問題，分析了海河流域內(nèi)小流域的不同地理生態(tài)特征，提出水土保持綜合性措施。Lebel,L[11]建立了一套流域水系治理框架及其安全評估模型，并探索了綜合提升型的流域管理措施。然而既有研究在山區(qū)水系生態(tài)風(fēng)險形成的機(jī)制研究多是個案分析，缺乏面向多類型地域的適應(yīng)性規(guī)律和治理策略研究。

2 山區(qū)流域地貌單元的風(fēng)險特征

2.1 山區(qū)水系的自然規(guī)律及風(fēng)險構(gòu)成

不同流域地貌單元受所處的地理位置、地形條件以及氣候的影響，在局部小氣候等自然外力的剝蝕和沉積作用下，呈現(xiàn)著差異化的安全風(fēng)險問題，具體體現(xiàn)在不同流域地貌單元的降水量，流速及下切力、自然災(zāi)害等物理過程中。

高起伏度山區(qū)流域地貌單元水系的水流量小，水源高度依賴降雨、植被蓄水等自然過程，生態(tài)安全的主要風(fēng)險為水土流失和枯季斷流。該地區(qū)的地形起伏大，河床縱坡降在25°～35°之間，這導(dǎo)致局部小氣候下的降水較多。由于水系落差大，下切力強(qiáng)，易形成“V”型河谷。雨季，常常出現(xiàn)急灘和瀑布。而且，山體土壤儲水較少，地表徑流流量小，因而干旱少雨季節(jié)易發(fā)生斷流，雨季易發(fā)生地質(zhì)崩塌等自然災(zāi)害[12]。

中起伏度山區(qū)流域地貌單元水系，水流量和流速大，河床縱坡降大，易發(fā)生山洪泥石流、滑坡坍塌。該地區(qū)流域水系的比降變緩，河床縱坡降一般在25°以下。地下水與地表水供給水量大，下切力量減弱，旁蝕作用增強(qiáng)。堆積作用形成沿岸的階地、洪積扇，河道逐漸拓寬形成連續(xù)的河灣[13]。因此，更易發(fā)生洪水的猛漲猛落，梅汛期的山洪風(fēng)險大。

低山丘陵區(qū)流域地貌單元水系河床縱坡降緩，土壤的水飽和度高，更易淤積故洪澇災(zāi)害多發(fā)。該區(qū)域地勢呈波狀起伏，河床縱坡降在15°以下且河流易呈樹枝狀分布。不同于前兩類流域地貌水系的特點是支流比干流水量發(fā)達(dá)，坑塘洼地、濕地較普遍。由于水動力較弱，水流挾沙能力大，河道易淤積，因而在強(qiáng)降雨時易發(fā)生內(nèi)澇（表1）。

表1 山區(qū)水系分區(qū)段類型的自然特征

2.2 山區(qū)水系的水岸交互與風(fēng)險特征

山區(qū)水系水岸交互是指在一定時期和區(qū)域范圍內(nèi)，在水系維持資源環(huán)境穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的前提下，水系及其周邊環(huán)境與所承載的人類生產(chǎn)、生活、生態(tài)活動之間的可持續(xù)性交互過程。陸域的生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間以及水利設(shè)施是實現(xiàn)人水供需可持續(xù)發(fā)展的載體。識別不同流域地貌類型下的河流水岸交互特征，是實現(xiàn)差異性適配下科學(xué)治理的關(guān)鍵。

在沿河生態(tài)空間方面，利用Arcgis 和Fragstats 對2018 年浙江省高起伏度山區(qū)、中起伏度山區(qū)、低山丘陵區(qū)流域地貌單元的景觀連通度和景觀多樣性進(jìn)行測度。結(jié)果顯示，在景觀連通度方面，呈現(xiàn)高起伏度山區(qū)（91.32）＞中起伏度山區(qū)（85.54）＞低山丘陵區(qū)（65.57）。在沿河建設(shè)用地方面，低山丘陵區(qū)占比最高，為62.4%，高起伏度山區(qū)的建設(shè)用地占比最小，為0.25%。在沿河生產(chǎn)空間方面，農(nóng)業(yè)空間的聚集度呈現(xiàn)：低山丘陵區(qū)（72.8%）＞中起伏度山區(qū)（23.5%）＞高起伏度山區(qū)（3.7%）。工業(yè)空間的聚集度呈現(xiàn)：低山丘陵區(qū)（63.8%）＞中起伏度山區(qū)（36.2%）＞高起伏度山區(qū)（0.28%）。在沿河水利設(shè)施方面，通過統(tǒng)計包含水壩、堰等水務(wù)工程的分布密度發(fā)現(xiàn)，中起伏度山區(qū)＞高起伏度山區(qū)＞低山丘陵區(qū)（圖2）。

圖2 浙江水利工程設(shè)施密度分布

綜上，高起伏度山區(qū)流域地貌單元周圍的建設(shè)用地呈點狀分散分布特征，建設(shè)用地開發(fā)程度低，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用地聚集程度低，所以濱河生態(tài)空間連通度高，生物多樣性強(qiáng)，河流的主導(dǎo)功能是生態(tài)保育、生態(tài)涵養(yǎng)。中起伏度山區(qū)的建設(shè)用地沿河多呈帶狀或指狀聚集，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)建成區(qū)集聚程度較低，水利設(shè)施分布密度高，河流主導(dǎo)的功能是水利能源、水源供應(yīng)。值得說明的是，水利設(shè)施可以一定程度的調(diào)節(jié)氣候并進(jìn)行能源供應(yīng)，但在汛期也可能存在難以預(yù)測的工程地質(zhì)風(fēng)險。低山丘陵區(qū)的沿河建設(shè)用地呈指狀或團(tuán)狀聚集，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)建成區(qū)分布最高，河流主導(dǎo)的功能為水源供應(yīng)，污染消納。低山丘陵區(qū)起伏度最低，沿河建設(shè)空間向河拓展的動力較強(qiáng)，頻繁的填埋、改道等人類活動易侵占季節(jié)性的微小徑流通道，破壞內(nèi)澇調(diào)蓄網(wǎng)絡(luò)（圖3）。

圖3 山區(qū)不同流域地貌單元下的居民點沿河聚居形態(tài)示意

3 山區(qū)水系分類治理要點與策略

3.1 山區(qū)水系分類治理要點

流域生態(tài)學(xué)視角下，山區(qū)水系的生態(tài)安全格局由流域水系的自然生態(tài)特征和水岸交互關(guān)系綜合確定。高起伏度山區(qū)流域水系由于較高的生態(tài)脆弱性，水源更加依賴氣候和植被等外部環(huán)境要素，更加容易發(fā)生枯季斷流，因此其生態(tài)安全的治理需強(qiáng)化育水回水和生態(tài)涵養(yǎng)，進(jìn)而形成自然保育、生態(tài)郊野的水系生態(tài)安全格局。中起伏度山區(qū)的水利設(shè)施最為密集，易發(fā)山洪和內(nèi)澇災(zāi)害，治理重點在于拓容蓄洪和疏水排澇，進(jìn)而形成彈性可淹、韌性水岸的水系生態(tài)安全格局。低山丘陵區(qū)建設(shè)活動的親水性強(qiáng)，河道徑流結(jié)構(gòu)和自然岸線常被侵占或更改，易引發(fā)局部內(nèi)澇，治理要點在于做好疏浚和占補(bǔ)平衡，進(jìn)而形成有機(jī)生長、進(jìn)退有節(jié)的水岸安全格局?；谌惿絽^(qū)流域地貌單元的典型生態(tài)安全風(fēng)險與水岸交互關(guān)鍵問題，分別提出治理目標(biāo)及其對應(yīng)的治理要素（表2、圖4）。

表2 山區(qū)不同流域地貌單元的水系生態(tài)安全分類治理要點

圖4 山區(qū)不同流域地貌單元的水系生態(tài)安全管控要素示意

3.2 山區(qū)水系分類治理策略

3.2.1 高起伏度山區(qū)流域地貌單元水系

高起伏度山區(qū)流域地貌單元水系生態(tài)安全保護(hù)策略是從“河床坡底-河岸植被-森林系統(tǒng)”垂直維度保障河道基流的穩(wěn)定性。第一是河流坡底保育方面，首先，在河床縱坡構(gòu)建具有多樣化基質(zhì)的階梯狀生物滯留帶。不僅能夠為動植物提供棲息地穩(wěn)固水土，還有助于提升局部水動力，促進(jìn)水體的紊動復(fù)氧，提升自凈力。其次，設(shè)置彈性的水位線管控保障河道基流[14]。一方面，以平均生態(tài)基流為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌“枯-豐-洪”水期的最低水位線，從時間上保證水源的穩(wěn)定性。另一方面，統(tǒng)籌地上和地下水位線，保障每個階段要釋放給下一階段的最低水位，避免出現(xiàn)流域上游水量枯竭而下游過盛的極端情況。

第二是河岸植被方面，彈性看待植被覆蓋率。將枯水季節(jié)的河岸帶全部劃為植被覆蓋區(qū)，保證枯水季的河岸仍有較高的植被覆蓋率，維護(hù)河道基流的穩(wěn)定性。其次，在水岸沙地設(shè)置生態(tài)淺坑，雨季吸收水，枯季釋放水。無雨時為植被凹地，降雨時雨水通過地表徑流將雨水或污水匯集至此，通過“植被-土壤層-微生物”完成雨水的“蓄、吸、凈”。再者，設(shè)置生態(tài)雨水緩坡，使雨水在緩慢流動中逐漸被吸收，雨水緩坡下墊面宜通過“自然+人工”措施提升蓄水容量。

第三是垂直的水含蓄系統(tǒng)方面，保護(hù)森林地被物。森林對降雨的分配和水分涵養(yǎng)是從樹冠層、地被覆蓋層、根系土壤層共同作用的，而地被植物是易被忽視的。因此，對粗木質(zhì)殘體和枯落葉層的保護(hù)，可保障垂直森林水含蓄系統(tǒng)的完整性[15]。在開發(fā)模式方面，采取濕地模塊組成的漂浮園路等低環(huán)境影響型開發(fā)模式，降低開發(fā)對環(huán)境的負(fù)影響（圖5）。

圖5 漂浮園路

3.2.2 中起伏度山區(qū)流域地貌單元水系

中起伏度山區(qū)流域地貌單元水系生態(tài)安全保護(hù)策略一方面是拓容蓄洪，從“防災(zāi)-減災(zāi)-適災(zāi)”全周期削減山洪風(fēng)險。在防災(zāi)方面，補(bǔ)充優(yōu)化集水分區(qū)布局。先做自然區(qū)域集水分區(qū)調(diào)研，計算既有集水分區(qū)不同時期需要處理的水量，確定面積和深度，新集水區(qū)優(yōu)先選擇蓄水性強(qiáng)的厚土壤層區(qū)域。對于局部易發(fā)生內(nèi)澇的集水分區(qū)，可利用泵閥設(shè)施和內(nèi)涌水位控制，使場地的蓄水量大于降水量。在減災(zāi)方面，構(gòu)建梯級“雨水減速帶”減緩水速。沿河設(shè)置與徑流通道垂直的梯級雨水“減速帶”，不僅可以減緩水速，還能下滲雨水、凈化污水。在適災(zāi)方面，洪水的小范圍淹沒對岸線有正向生態(tài)效應(yīng)，因此堤防與護(hù)岸的形式應(yīng)具備防沖不防淹的特性[16]。例如，依托不同時期的水位線沿岸設(shè)置階梯狀臺地，不僅可實現(xiàn)對雨水的滯納和消解，還可作為階梯廣場、觀景平臺等休閑空間，實現(xiàn)功能的復(fù)合利用。

另一方面是疏水排澇，從“綠色屋頂-下墊面”垂直消減暴雨徑流量。首先，綠色屋頂或綠色陽臺能夠有效削減暴雨帶來的地表徑流，提升建筑對氣候的適應(yīng)性。其次，建成區(qū)海綿基質(zhì)材料的透水性多層次組合能夠?qū)崿F(xiàn)雨水的下滲與積水的收集。若道路、地面的表層采用透水性瀝青，中下層采用不透水材料，能夠使雨水被迅速吸收，積水實現(xiàn)收集利用[17]。再者，在建筑地坪標(biāo)高方面，依據(jù)水位設(shè)置防澇標(biāo)高分區(qū)。針對歷史內(nèi)澇嚴(yán)重的地區(qū)，計算歷史洪水最高水位線，結(jié)合建筑的防水要求劃分標(biāo)高分區(qū)的等級，一般來說最小應(yīng)超出最高水位線0.6m[18]。

3.2.3 低山丘陵區(qū)流域地貌單元水系

低山丘陵區(qū)流域地貌單元水系生態(tài)安全保護(hù)策略首先是因勢淘污，“產(chǎn)-匯-濾”全鏈條實現(xiàn)增濾減排。在污水“產(chǎn)生”方面，依據(jù)污染物的相互中和作用、水動力情況組合排布排污口。一方面，將排污口設(shè)置于常水位以下[19]，實行離岸深水排放。另一方面，科學(xué)組合不同類型的污染物排放口，中和降低污染濃度。最后，實現(xiàn)“污染源—排放路徑—排污口—受納水體”全鏈條精細(xì)化監(jiān)管[20]，水動力弱的河段嚴(yán)控污染物排放總量。在污水的“匯集”方面，依托地勢高差設(shè)置“厭氧池-跌水生物接觸氧化濕地-生態(tài)池”三級跌落式污水處理路徑，使污水在匯集過程中被緩慢凈化[21]。在污水的“過濾”方面，圍繞建設(shè)用地，構(gòu)建以水文調(diào)控為核心的大濕地過濾系統(tǒng)。利用人工軟質(zhì)濕地駁岸和洼地坑塘將缺失的濕地斑塊補(bǔ)綴，使其能與河湖水文波動的節(jié)律同步過濾污染物[22]。值得說明的是，人工軟質(zhì)濕地駁岸可有效過濾94%以上的氮磷含量[23]。針對污染嚴(yán)重的河段，增加設(shè)置人工漂浮濕地，可有效過濾50%～80%的氮磷含量[24]（圖6）。

圖6 漂浮濕地示意圖

其次是占補(bǔ)平衡，完善優(yōu)化自然徑流結(jié)構(gòu)。首先，韌性修補(bǔ)，優(yōu)化自然徑流結(jié)構(gòu)[17，25]。一方面，針對舊有排澇路徑被開發(fā)占據(jù)的情況，因地制宜地進(jìn)行疏浚補(bǔ)充，利用濕地、洼地來修復(fù)徑流網(wǎng)絡(luò)。另一方面，針對既有排澇網(wǎng)絡(luò)效能不足的區(qū)域，開辟新的徑流路徑。水量較大的徑流通道，要采用碎石下墊面或梯級處理，減小泄洪過程中的二次洪澇風(fēng)險。其次，對于已建成并占據(jù)重要徑流路徑的建筑，以綜合效益最優(yōu)的原則進(jìn)行“成本-效益”分析。若騰退之后成本大于效益，可在防護(hù)工程高于防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)條件下，近期給予保留，所占據(jù)的生態(tài)徑流通道需結(jié)合濕地、灘涂及地形進(jìn)行優(yōu)化完善。

結(jié)語

生態(tài)文明背景下，十四五規(guī)劃提出“國家水網(wǎng)”戰(zhàn)略。浙江省作為全國生態(tài)文明示范省，抓緊改革機(jī)遇，正全力推進(jìn)全域水系精細(xì)化治理。一直以來，山區(qū)水系的治理由于缺乏對不同流域地貌單元生態(tài)風(fēng)險要點的認(rèn)知，導(dǎo)致治理缺位和治理過度等問題。據(jù)此，從流域生態(tài)學(xué)視角，分類探討山區(qū)流域水系的治理要點。研究結(jié)論是（1）高起伏度山區(qū)流域地貌單元需強(qiáng)化育水回水，生態(tài)涵養(yǎng)。（2）中起伏度度山區(qū)流域地貌單元應(yīng)側(cè)重拓容蓄洪，疏水排澇。（3）低山丘陵區(qū)流域地貌單元宜因勢淘污，實現(xiàn)占補(bǔ)平衡。研究可為宏觀的山區(qū)水系治理提供一定的參考。然而，文章對山區(qū)流域的研究更偏定性的空間類型風(fēng)險成因分析和空間管控指引，未來還有待構(gòu)建分類分區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)測評體系，探索一套更為精準(zhǔn)的山區(qū)流域健康安全評估方法[26，27]。

圖、表來源

圖6：參考文獻(xiàn)[26]；

表1：作者基于對參考文獻(xiàn)[7]、[8]、[18] 以及https://kknews.cc/science/l9q6oob.html 的信息進(jìn)行整理繪制；

其余圖、表均由作者繪制。