基于生態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

（山東農業大學，山東 泰安 271018）

河道，即河水流經的區域，是水生態環境的重要載體，是河流生態系統中的生境組分，扮演著生物支持系統的角色。傳統的河道建設和治理往往只考慮行洪、灌溉、航運等經濟利益和社會目標，忽視了河道的生態功能，造成了對河流生態系統的脅迫效應。這些脅迫效應主要表現在河流的渠道化和非連續化以及水文情勢的均一化3個方面[1]。綜合考慮經濟利益、社會效益和生態效益，基于生態理念的河道綜合治理措施值得我們去研究和應用。

1 生態化河道的提出

1.1 河道的生態功能

隨著“人水和諧”理念的普及和生態水利研究的深入，越來越多的水利工作者認識到，河道不僅僅具有行洪、灌溉、航運等功能，而且還有很重要的生態功能。河道的生態功能主要表現在棲息地、通道、屏障和過濾、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行正常生命活動的場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境，為各營養級生物提供食物和水源等。很多物種利用河道進行覓食、飲水、繁殖等生命活動，形成了重要的生物群落。河道的棲息地功能關鍵受到其寬度和連通性的影響。在河道范圍內，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運移、能量傳輸和信息交換的通路。河道是物質運移的通路，生物和非生物物質借助水流運動進行合理分配，沉積物進出河道的量和時間也會借助合理的河道得到優化。河道以多種形式成為能量傳輸的通道，水流的重力勢能造就形態各樣的流域地貌，河水可以充分調節光照分布。河道也是信息交換的通道，各營養級生物生命活動的信息都是借助河道進行交換的，如中華鱘的溯河產卵。要實現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。

1.1.3 屏障和過濾功能

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

1.1.4 源匯功能

“源”是指為其流域內其他環境提供生物、物質和能量。“匯”是指不斷地從其周圍環境中吸收生物、物質和能量。河道作為“源”借助兩岸植被向河流中輸送營養物質，此外河漫灘也是河流泥沙的主要來源。而在降水過程中河道又會匯集整個流域的徑流，起到“匯”的作用。

1.2 生態化河道的內涵

生態化河道是指在河道規劃、設計、施工、治理中綜合考慮工程設計和生態功能要求，利用生態學原理和生態水利工程學的技術手段，在人工干預下能充分發揮河道生態系統自組織、自設計、自我恢復能力的生態健康河流的載體。

在這個定義里，包含以下幾層含義：一是生態化河道是人工自然型河道而非純自然河道，“化”體現了人工干預，“生態”體現了建設理念；二是生態化河道是生態健康河流的載體，它對應的是河流生態健康這樣一種狀態，董哲仁教授給出了河流健康的內涵[3]；三是生態化河道在建設和治理中既要考慮行洪、灌溉、航運等工程設計要求，又要考慮棲息地、通道作用、屏障和過濾作用、源匯等生態功能的要求；四是生態化河道不是完全的依靠人工干預，而應該是在工程措施輔助下，利用生態系統的“三自”能力，緩解水利工程對河流生態系統的負面影響，盡可能地為河流生態修復創造條件。

生態化河道不是嚴格意義上的科學概念，而是基于河道治理模式提出的。其作用是建立設計參照物和評估準則體系，在目前沒有統一工程設計標準的情況下，給水利工作者提供設計參考、生態效益評估依據和生態水利標準化研究方向。其作為設計參照物，目前限于筆者研究水平，只能給出定性描述，定量化表達有待于進一步研究。

2 生態化河道的四維特性

傳統河道治理中的的渠道化、非連續化以及河道內水文情勢的均一化，造成了對河流生態系統的脅迫效應。總結自然河流的共性，不難發現生態化河道在縱向、橫向、豎向和時間上表現出有別于傳統河道的四維特性（如圖1所示）。具體如下：

圖1 河流四維坐標

2.1 縱向上，生態化河道主要具有連續性、蜿蜒性和生境異質性的特征

河流是一個廊道系統，從源頭到河口均發生化學、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行調整和適應，上游的變化會對中下游產生影響。大多數自然河流上中下游所流經地區的氣象、水文、地質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。

自然河道在水流的作用下往往形成彎曲或微彎的形態，蜿蜒曲折是其基本特征。從局部河段觀察，在河流凹側，水流的頂沖淘刷造就深潭；而在河流的凸側，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、深潭與淺灘交錯的格局（如圖2所示）。

圖2 生態化河道的蜿蜒性

2.2 橫向上，生態化河道主要表現為廊道區域內的橫向流通性以及河道橫斷面形狀的多樣性、不規則性

在河流廊道生態系統中，河道與周邊區域之間存在著物質流、能量流、信息流等多種聯系。而在過去傳統的河道治理中，人們從行洪或航運的角度，沿河筑堤，妨礙了水流的橫向擴散，形成了一種水體的非連續狀態，進而割斷了廊道生態系統的物質流。因此，給河道以空間，保證河道的橫向連續是河流生態化綜合治理的一個重點。

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

圖3 典型自然河道橫斷面結構

2.3 豎向上，生態化河道主要表現為透水性

透水性保證了河流與地下水的正常交換，河床底質中的營養物質和生物體可以通過孔隙進入河流。傳統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。生態化河道要求在輸水要求不高的河段上采用有孔隙的護底方式，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 時間上，要重視河流演變歷史和特征，主要表現為長期性和周期性

河道的演變具有長期性，需要對歷史觀測資料進行收集、整理，以掌握長期的河流變化過程與生態過程的關系。人類活動對于河流生態系統的脅迫效應，往往需要幾十年甚至上百年的時間才能顯現出來。同樣，生態化河道的建設也需要長時間逐步恢復其結構和功能，期望河道生態修復短期奏效往往是不現實的。

河流生態系統的演變是一個動態過程，河流生態系統隨著降雨、徑流變化呈現出脈沖式的動態變化，生物群落交替擴展和收縮。生態化河道的周期性主要表現為河道內徑流的豐枯變化和泥沙沖淤變化。

3 河道綜合治理措施

在分析生態化河道四維特性后，不難發現在生態化河道建設和治理中，很重要的是給河道以空間，提高河道空間異質性，恢復河流連續性，模擬自然徑流規律。

3.1 給河道以空間

傳統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，導致漫灘區和洪泛區的生態功能退化。生態化河道要求堤防后靠，此外可以采用兩級河道的設計形式。

通過降低岸堤高程，橫向連通河道與河漫灘，形成河道大空間。對于新建岸堤，在堤線布置方面，應遵循宜寬則寬的原則，處理好河道行洪、土地利用與生態保護之間的關系。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量。上部河道可設計成濕地或開發為親水平臺，枯水河道可設計成蜿蜒形態，河道應盡可能設計成復式斷面（如圖4所示）。兩級河道往往要比單級河道寬，從而會涉及建設用地等方面的問題，需要各方面綜合考慮。

3.2 提高河道空間異質性

河道的空間異質性主要表現為：上中下游的生境異質性，河道縱向的蜿蜒性，橫斷面形狀的多樣性。提高河道空間異質性的生態學原理是生態系統的生境異質性特征，其措施主要有河道設計成蜿蜒形態，淺灘-深潭序列的修復和重建[4]，通過修建堰閘、丁壩、跌水、陡坡等水工構造物營造急流與緩流相間的格局[5]。橫斷面設計采用不對稱斷面或復式斷面。此外，廣泛應用棲息地加強結構，典型的河道內棲息地加強結構包括小型丁壩、堆石堰、魚巢、遮蔽物等。這些結構可以削減能量，降低近岸流速，保護河道岸坡不受淘刷，改善魚類棲息地環境。其結構類型要根據現場條件和當地的材料情況加以選擇。

圖4 兼親水、蓄水、防洪功能為一體的復式生態化河道斷面結構

3.3 恢復河流連續性

恢復河流連續性的生態學原理是生態系統的整體性特征，即河流是一個完整的連續體，上下游、左右岸、河岸河底構成一個連通的、完整的體系。為了保證河流縱向連續性，對形成上中下游聯系障礙的水工建筑物（如大壩）能不建就不建、能少建就少建，對于不得不建的也要設置合適的通道（如過壩魚道）以保證連續性[6]。

恢復橫向連續性的主要措施是生態護岸 （坡）技術。生態護岸（坡）是指綜合運用工程措施和植物措施對河道坡面進行防護的一種新型護岸（坡）形式。生態護岸（坡）集防洪效應、景觀效應、生態效應和自凈效應于一體。目前生態護岸形式多樣，概括起來主要有植物護岸、拋石護岸、石籠護岸和連接塊體護岸等[4]。

恢復豎向連續性關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、沙土等材料構成。透水的河床為河道內水體提供了滲透通道，保證對地下水層的有效補給。因此，恢復豎向連續性很重要的是改變以往河道“硬質化”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性的有效措施，因為透水材料的選擇有利于形成洞窟、孔穴、縫隙等復雜的生境，利于生物的休養生息。

3.4 模擬自然徑流規律

自然狀態的水文情勢周期循環變化，河流生境和生物系統也隨之呈周期變化。在豐水期水生植物占優勢，而在枯水期水生植物衰退、濕地植物迅速成長，這是一種脈沖式的生物群落交替模式。模擬自然徑流規律關鍵是掌握水文過程與生態過程的效應機制，改善現行的水庫調度方式，采用兼顧生態的水庫多目標調度方法。如，根據魚類的繁殖習性，營造有利于魚類產卵繁殖的“人造洪峰”等。

4 結語

河流是流域中的河流，河流的很多性質取決于流域的性質。以流域為尺度進行河流綜合治理更能反映生態系統整體性的特征。生態化河道是現階段及將來河道建設的新要求和發展趨勢，它預示著我國的水利工程建設已經發展到了“生態水利”的新階段。目前，生態化河道的概念還沒有統一認識，生態化河道的四維特性還只能定性描述。今后，要在流域尺度下開展河流綜合治理，完善生態化河道的內涵，研究生態化河道的建設標準。有理由相信，面對水利工程對河流生態系統的脅迫效應，用生態的手段來解決生態的問題，必將從真正意義上實現 “人-經濟-社會-生態”這一復合系統的和諧健康發展。

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

[2]杜強，王東勝.河道的生態功能及水文過程的生態效應[J].中國水利水電科學研究院學報2005，3（4）：287-290.

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

[4]陳婉.城市河道生態修復初探[D].北京：北京林業大學，2008.

[5]肖林，潘安君，李為民.小河道水環境修復[M].北京：中國農業科學技術出版社，2007.

[6]顏宏亮.水工建筑物[M].北京：化學工業出版社，2007.