基于生態(tài)化河道四維特性的河道綜合治理措施探討

李興德，李浩宇，馬 靜

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

河道，即河水流經(jīng)的區(qū)域，是水生態(tài)環(huán)境的重要載體，是河流生態(tài)系統(tǒng)中的生境組分，扮演著生物支持系統(tǒng)的角色。傳統(tǒng)的河道建設(shè)和治理往往只考慮行洪、灌溉、航運(yùn)等經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)目標(biāo)，忽視了河道的生態(tài)功能，造成了對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應(yīng)。這些脅迫效應(yīng)主要表現(xiàn)在河流的渠道化和非連續(xù)化以及水文情勢(shì)的均一化3個(gè)方面[1]。綜合考慮經(jīng)濟(jì)利益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，基于生態(tài)理念的河道綜合治理措施值得我們?nèi)パ芯亢蛻?yīng)用。

1 生態(tài)化河道的提出

1.1 河道的生態(tài)功能

隨著“人水和諧”理念的普及和生態(tài)水利研究的深入，越來(lái)越多的水利工作者認(rèn)識(shí)到，河道不僅僅具有行洪、灌溉、航運(yùn)等功能，而且還有很重要的生態(tài)功能。河道的生態(tài)功能主要表現(xiàn)在棲息地、通道、屏障和過(guò)濾、源匯等方面[2]。

1.1.1 棲息地功能

棲息地是指各種生物包括人類進(jìn)行正常生命活動(dòng)的場(chǎng)所與外部條件的總和。河道的棲息地功能主要有為生物提供河道水環(huán)境，為各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物提供食物和水源等。很多物種利用河道進(jìn)行覓食、飲水、繁殖等生命活動(dòng)，形成了重要的生物群落。河道的棲息地功能關(guān)鍵受到其寬度和連通性的影響。在河道范圍內(nèi)，增加寬度和提高連通性是提高河道棲息地功能的有效途徑。

1.1.2 通道功能

通道功能是指河道可以作為物質(zhì)運(yùn)移、能量傳輸和信息交換的通路。河道是物質(zhì)運(yùn)移的通路，生物和非生物物質(zhì)借助水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合理分配，沉積物進(jìn)出河道的量和時(shí)間也會(huì)借助合理的河道得到優(yōu)化。河道以多種形式成為能量傳輸?shù)耐ǖ?，水流的重力?shì)能造就形態(tài)各樣的流域地貌，河水可以充分調(diào)節(jié)光照分布。河道也是信息交換的通道，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物生命活動(dòng)的信息都是借助河道進(jìn)行交換的，如中華鱘的溯河產(chǎn)卵。要實(shí)現(xiàn)河道的通道功能必須保證河道的連通性，包括橫向連通和縱向連續(xù)。

1.1.3 屏障和過(guò)濾功能

河道的屏障功能是借助河岸堤防形成獨(dú)立的區(qū)別于陸地環(huán)境的河道水環(huán)境。河道的過(guò)濾作用是指允許能量、物質(zhì)和生物選擇性的通過(guò)。河道的屏障和過(guò)濾功能可以減少沉積物轉(zhuǎn)移，防止水體受到污染。河道的屏障和過(guò)濾功能，主要取決于河道的缺口出現(xiàn)頻率。河道中的斷缺口有時(shí)會(huì)造成過(guò)濾功能的漏斗式破壞。河道缺口處地表徑流過(guò)于集中，容易造成面蝕、溝蝕等破壞，沉積物也會(huì)通過(guò)缺口自由地流入河流中。

1.1.4 源匯功能

“源”是指為其流域內(nèi)其他環(huán)境提供生物、物質(zhì)和能量。“匯”是指不斷地從其周圍環(huán)境中吸收生物、物質(zhì)和能量。河道作為“源”借助兩岸植被向河流中輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，此外河漫灘也是河流泥沙的主要來(lái)源。而在降水過(guò)程中河道又會(huì)匯集整個(gè)流域的徑流，起到“匯”的作用。

1.2 生態(tài)化河道的內(nèi)涵

生態(tài)化河道是指在河道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、治理中綜合考慮工程設(shè)計(jì)和生態(tài)功能要求，利用生態(tài)學(xué)原理和生態(tài)水利工程學(xué)的技術(shù)手段，在人工干預(yù)下能充分發(fā)揮河道生態(tài)系統(tǒng)自組織、自設(shè)計(jì)、自我恢復(fù)能力的生態(tài)健康河流的載體。

在這個(gè)定義里，包含以下幾層含義：一是生態(tài)化河道是人工自然型河道而非純自然河道，“化”體現(xiàn)了人工干預(yù)，“生態(tài)”體現(xiàn)了建設(shè)理念；二是生態(tài)化河道是生態(tài)健康河流的載體，它對(duì)應(yīng)的是河流生態(tài)健康這樣一種狀態(tài)，董哲仁教授給出了河流健康的內(nèi)涵[3]；三是生態(tài)化河道在建設(shè)和治理中既要考慮行洪、灌溉、航運(yùn)等工程設(shè)計(jì)要求，又要考慮棲息地、通道作用、屏障和過(guò)濾作用、源匯等生態(tài)功能的要求；四是生態(tài)化河道不是完全的依靠人工干預(yù)，而應(yīng)該是在工程措施輔助下，利用生態(tài)系統(tǒng)的“三自”能力，緩解水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，盡可能地為河流生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造條件。

生態(tài)化河道不是嚴(yán)格意義上的科學(xué)概念，而是基于河道治理模式提出的。其作用是建立設(shè)計(jì)參照物和評(píng)估準(zhǔn)則體系，在目前沒(méi)有統(tǒng)一工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，給水利工作者提供設(shè)計(jì)參考、生態(tài)效益評(píng)估依據(jù)和生態(tài)水利標(biāo)準(zhǔn)化研究方向。其作為設(shè)計(jì)參照物，目前限于筆者研究水平，只能給出定性描述，定量化表達(dá)有待于進(jìn)一步研究。

2 生態(tài)化河道的四維特性

傳統(tǒng)河道治理中的的渠道化、非連續(xù)化以及河道內(nèi)水文情勢(shì)的均一化，造成了對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應(yīng)?？偨Y(jié)自然河流的共性，不難發(fā)現(xiàn)生態(tài)化河道在縱向、橫向、豎向和時(shí)間上表現(xiàn)出有別于傳統(tǒng)河道的四維特性（如圖1所示）。具體如下：

圖1 河流四維坐標(biāo)

2.1 縱向上，生態(tài)化河道主要具有連續(xù)性、蜿蜒性和生境異質(zhì)性的特征

河流是一個(gè)廊道系統(tǒng)，從源頭到河口均發(fā)生化學(xué)、物理和生物變化。生物物種和群落隨上中下游河道自然條件的變化而不斷地進(jìn)行調(diào)整和適應(yīng)，上游的變化會(huì)對(duì)中下游產(chǎn)生影響。大多數(shù)自然河流上中下游所流經(jīng)地區(qū)的氣象、水文、地質(zhì)地貌條件有很大差別，河流沿縱向形成了急流、緩流、瀑布、跌水等不同的流態(tài)。

自然河道在水流的作用下往往形成彎曲或微彎的形態(tài)，蜿蜒曲折是其基本特征。從局部河段觀察，在河流凹側(cè)，水流的頂沖淘刷造就深潭；而在河流的凸側(cè)，水流減緩，泥沙淤積，形成淺灘。這樣沿河流流向，形成了急流與緩流相間、深潭與淺灘交錯(cuò)的格局（如圖2所示）。

圖2 生態(tài)化河道的蜿蜒性

2.2 橫向上，生態(tài)化河道主要表現(xiàn)為廊道區(qū)域內(nèi)的橫向流通性以及河道橫斷面形狀的多樣性、不規(guī)則性

在河流廊道生態(tài)系統(tǒng)中，河道與周邊區(qū)域之間存在著物質(zhì)流、能量流、信息流等多種聯(lián)系。而在過(guò)去傳統(tǒng)的河道治理中，人們從行洪或航運(yùn)的角度，沿河筑堤，妨礙了水流的橫向擴(kuò)散，形成了一種水體的非連續(xù)狀態(tài)，進(jìn)而割斷了廊道生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流。因此，給河道以空間，保證河道的橫向連續(xù)是河流生態(tài)化綜合治理的一個(gè)重點(diǎn)。

此外，生態(tài)化河道的橫斷面形狀多樣且不規(guī)則。在較寬的河道，深潭與淺灘往往交替出現(xiàn)。河道建成梯形或矩形等幾何規(guī)則斷面，降低了河道的棲息地功能，不利于河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)（如圖3所示）。

圖3 典型自然河道橫斷面結(jié)構(gòu)

2.3 豎向上，生態(tài)化河道主要表現(xiàn)為透水性

透水性保證了河流與地下水的正常交換，河床底質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物體可以通過(guò)孔隙進(jìn)入河流。傳統(tǒng)河道治理往往采用不透水的漿砌塊石或混凝土材料作為河床材料，割斷了河道徑流與地下水之間的連通。生態(tài)化河道要求在輸水要求不高的河段上采用有孔隙的護(hù)底方式，如采用不同粒徑的碎石、卵石等，保證河床的豎向透水性。

2.4 時(shí)間上，要重視河流演變歷史和特征，主要表現(xiàn)為長(zhǎng)期性和周期性

河道的演變具有長(zhǎng)期性，需要對(duì)歷史觀測(cè)資料進(jìn)行收集、整理，以掌握長(zhǎng)期的河流變化過(guò)程與生態(tài)過(guò)程的關(guān)系。人類活動(dòng)對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應(yīng)，往往需要幾十年甚至上百年的時(shí)間才能顯現(xiàn)出來(lái)。同樣，生態(tài)化河道的建設(shè)也需要長(zhǎng)時(shí)間逐步恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能，期望河道生態(tài)修復(fù)短期奏效往往是不現(xiàn)實(shí)的。

河流生態(tài)系統(tǒng)的演變是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，河流生態(tài)系統(tǒng)隨著降雨、徑流變化呈現(xiàn)出脈沖式的動(dòng)態(tài)變化，生物群落交替擴(kuò)展和收縮。生態(tài)化河道的周期性主要表現(xiàn)為河道內(nèi)徑流的豐枯變化和泥沙沖淤變化。

3 河道綜合治理措施

在分析生態(tài)化河道四維特性后，不難發(fā)現(xiàn)在生態(tài)化河道建設(shè)和治理中，很重要的是給河道以空間，提高河道空間異質(zhì)性，恢復(fù)河流連續(xù)性，模擬自然徑流規(guī)律。

3.1 給河道以空間

傳統(tǒng)河道出于行洪的目的，往往建有堤防工程，壓縮了河流的生存空間，導(dǎo)致漫灘區(qū)和洪泛區(qū)的生態(tài)功能退化。生態(tài)化河道要求堤防后靠，此外可以采用兩級(jí)河道的設(shè)計(jì)形式。

通過(guò)降低岸堤高程，橫向連通河道與河漫灘，形成河道大空間。對(duì)于新建岸堤，在堤線布置方面，應(yīng)遵循宜寬則寬的原則，處理好河道行洪、土地利用與生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系。河槽和河漫灘不僅要能滿足行洪要求，還要保持一定的淺灘寬度和植被空間，既為生物的生命活動(dòng)提供棲息地，又有利于河流自凈和地下水地表水交換[1]。

兩級(jí)河道中的上部河道主要用于行洪，下部枯水河道主要用于提高泥沙輸移能力和改善棲息地質(zhì)量。上部河道可設(shè)計(jì)成濕地或開(kāi)發(fā)為親水平臺(tái)，枯水河道可設(shè)計(jì)成蜿蜒形態(tài)，河道應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成復(fù)式斷面（如圖4所示）。兩級(jí)河道往往要比單級(jí)河道寬，從而會(huì)涉及建設(shè)用地等方面的問(wèn)題，需要各方面綜合考慮。

3.2 提高河道空間異質(zhì)性

河道的空間異質(zhì)性主要表現(xiàn)為：上中下游的生境異質(zhì)性，河道縱向的蜿蜒性，橫斷面形狀的多樣性。提高河道空間異質(zhì)性的生態(tài)學(xué)原理是生態(tài)系統(tǒng)的生境異質(zhì)性特征，其措施主要有河道設(shè)計(jì)成蜿蜒形態(tài)，淺灘-深潭序列的修復(fù)和重建[4]，通過(guò)修建堰閘、丁壩、跌水、陡坡等水工構(gòu)造物營(yíng)造急流與緩流相間的格局[5]。橫斷面設(shè)計(jì)采用不對(duì)稱斷面或復(fù)式斷面。此外，廣泛應(yīng)用棲息地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，典型的河道內(nèi)棲息地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括小型丁壩、堆石堰、魚巢、遮蔽物等。這些結(jié)構(gòu)可以削減能量，降低近岸流速，保護(hù)河道岸坡不受淘刷，改善魚類棲息地環(huán)境。其結(jié)構(gòu)類型要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和當(dāng)?shù)氐牟牧锨闆r加以選擇。

圖4 兼親水、蓄水、防洪功能為一體的復(fù)式生態(tài)化河道斷面結(jié)構(gòu)

3.3 恢復(fù)河流連續(xù)性

恢復(fù)河流連續(xù)性的生態(tài)學(xué)原理是生態(tài)系統(tǒng)的整體性特征，即河流是一個(gè)完整的連續(xù)體，上下游、左右岸、河岸河底構(gòu)成一個(gè)連通的、完整的體系。為了保證河流縱向連續(xù)性，對(duì)形成上中下游聯(lián)系障礙的水工建筑物（如大壩）能不建就不建、能少建就少建，對(duì)于不得不建的也要設(shè)置合適的通道（如過(guò)壩魚道）以保證連續(xù)性[6]。

恢復(fù)橫向連續(xù)性的主要措施是生態(tài)護(hù)岸 （坡）技術(shù)。生態(tài)護(hù)岸（坡）是指綜合運(yùn)用工程措施和植物措施對(duì)河道坡面進(jìn)行防護(hù)的一種新型護(hù)岸（坡）形式。生態(tài)護(hù)岸（坡）集防洪效應(yīng)、景觀效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)和自凈效應(yīng)于一體。目前生態(tài)護(hù)岸形式多樣，概括起來(lái)主要有植物護(hù)岸、拋石護(hù)岸、石籠護(hù)岸和連接塊體護(hù)岸等[4]。

恢復(fù)豎向連續(xù)性關(guān)鍵是河床材料的選擇。大部分自然河流的河床材料都是透水的，即由卵石、礫石、沙土等材料構(gòu)成。透水的河床為河道內(nèi)水體提供了滲透通道，保證對(duì)地下水層的有效補(bǔ)給。因此，恢復(fù)豎向連續(xù)性很重要的是改變以往河道“硬質(zhì)化”的做法，選擇具有一定透水性的材料或者做成具有一定透水功能的墊層。

值得一提的是這些措施也是提高河道空間異質(zhì)性的有效措施，因?yàn)橥杆牧系倪x擇有利于形成洞窟、孔穴、縫隙等復(fù)雜的生境，利于生物的休養(yǎng)生息。

3.4 模擬自然徑流規(guī)律

自然狀態(tài)的水文情勢(shì)周期循環(huán)變化，河流生境和生物系統(tǒng)也隨之呈周期變化。在豐水期水生植物占優(yōu)勢(shì)，而在枯水期水生植物衰退、濕地植物迅速成長(zhǎng)，這是一種脈沖式的生物群落交替模式。模擬自然徑流規(guī)律關(guān)鍵是掌握水文過(guò)程與生態(tài)過(guò)程的效應(yīng)機(jī)制，改善現(xiàn)行的水庫(kù)調(diào)度方式，采用兼顧生態(tài)的水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度方法。如，根據(jù)魚類的繁殖習(xí)性，營(yíng)造有利于魚類產(chǎn)卵繁殖的“人造洪峰”等。

4 結(jié)語(yǔ)

河流是流域中的河流，河流的很多性質(zhì)取決于流域的性質(zhì)。以流域?yàn)槌叨冗M(jìn)行河流綜合治理更能反映生態(tài)系統(tǒng)整體性的特征。生態(tài)化河道是現(xiàn)階段及將來(lái)河道建設(shè)的新要求和發(fā)展趨勢(shì)，它預(yù)示著我國(guó)的水利工程建設(shè)已經(jīng)發(fā)展到了“生態(tài)水利”的新階段。目前，生態(tài)化河道的概念還沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，生態(tài)化河道的四維特性還只能定性描述。今后，要在流域尺度下開(kāi)展河流綜合治理，完善生態(tài)化河道的內(nèi)涵，研究生態(tài)化河道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。有理由相信，面對(duì)水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應(yīng)，用生態(tài)的手段來(lái)解決生態(tài)的問(wèn)題，必將從真正意義上實(shí)現(xiàn) “人-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)”這一復(fù)合系統(tǒng)的和諧健康發(fā)展。

[1]董哲仁，孫東亞.生態(tài)水利工程原理與技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2]杜強(qiáng)，王東勝.河道的生態(tài)功能及水文過(guò)程的生態(tài)效應(yīng)[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)2005，3（4）：287-290.

[3]董哲仁.河流健康的內(nèi)涵[J].中國(guó)水利，2005（4）： 15-18.

[4]陳婉.城市河道生態(tài)修復(fù)初探[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2008.

[5]肖林，潘安君，李為民.小河道水環(huán)境修復(fù)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[6]顏宏亮.水工建筑物[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.