美國河流近自然化綜合治理措施初探及其借鑒

徐 云 乾

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635； 2.廣東省山洪災害防治工程技術研究中心，廣州 510635)

1 美國河流近自然化整治措施的發展歷程

1983年，美國的生態學家H.T.Odum結合生態學與工程學理論，提出了“生態工程”的概念[1]。1989年，兩位美國學者Mitsch和Jorgensn對于生態工程的概念進行了研究并對其給予了定義[2]。生態工程的理念不斷被應用于土木工程，逐步形成了“多自然型河道生態修復技術”的理論。1998年，美國聯邦河溪生態修復組織制訂了《河溪廊道修復原則》手冊，并被采用為國家工程手冊的第653部分(NEH-653，2001修訂)。該手冊系統地闡述了河流廊道的特點、過程、功能以及河流廊道的干擾因素以及修復的方法，并認為美國在今后的水資源開發管理工作中應優先考慮河道的生態恢復[3]。2007年，美國農業部發布了《河溪修復手冊》，被采用為國家工程手冊的第654部分(NEH-654)，該手冊提供了一整套的河流修復的理論和實踐指導，是美國近30年來河流整治技術的理論與技術總結。該手冊系統的闡述了河流修復的目標與風險，河流調查與評估，河流整治修復設計的過程，河流水文與水動力設計，河流整治設計與實施指導，同時提供部分地區河流整治的成功案例參考。

美國河流水資源管理模式也相應發生轉變，經濟、生態和文化等多個方面逐步融入河流管理中，使河流管理模式發展為與自然相協調的可持續河流管理理念。1961年成立的特拉華河流域管理體制是由流域內紐約州、新澤西州、賓夕法尼亞州和特拉華州的立法機關和國會倡導，經四個州的州長和肯尼迪總統批準成立。它超越了行政區劃的限制，實現了中央與地方、地方與地方之間的協調。

2 河流近自然化綜合治理的提出

廣東省部分河流經過人工改造，水利工程脅迫河流，具體表現為河流渠化，失去了縱向，橫向的連續性，與周邊生態系統的物質和能量交換被割斷。經過人工改造的河流已經形成了一個新的河流生態系統，河流上的水利設施已經成為河流修復的重要約束條件，完全恢復到河流未受到人類工業化干擾前的狀態是不合適的，需要權衡人類的經濟社會需求與自然生態的需求，在承認人類對于水資源利用合理性的同時，強調要保護自然環境質量。在適度的人工干預并充分發揮自然生態自我修復功能的基礎上，達到建設一個具有河流地貌多樣性和生物群落多樣性的動態穩定、可以自我調節的河流系統。本文在結合美國新澤西州學習交流所見所聞所學的基礎之上，提出了“河流近自然化綜合治理”的概念。

河流近自然化綜合治理是指針對功能退化的河流，結合非工程措施、綠色或灰色工程措施，改善河流的防洪能力、控制河流泥沙輸送、保護跨河基礎設施、穩定河岸、改善河域內生物棲息條件、改善水質、提高河流的休閑和供水功能。

3 近自然化綜合治理的主要措施

3.1 河流近自然化綜合治理的任務

河流近自然化綜合治理的任務主要有4項：水質改善，水文情勢改善，河流地貌修復，生物多樣性的恢復與維持。

水質改善是河流近自然化綜合治理的前提條件；水文情勢改善不僅要考慮生態基流，還要考慮自然水流的流量過程恢復，以滿足河道生態系統內各生物的基本需水量；河流地貌形態修復主要是改善河流受到的地貌形態改變如水利工程導致的河流橫向和縱向的生態阻隔、河流渠道化、河流漫灘侵占、無序采砂等；生物群落多樣性的恢復的關鍵是河流棲息地的維護和完善。

3.2 非工程措施

3.2.1 河流健康評價

一條健康的河流是穩定的，可持續的，隨著時間的進程能保持活力并且能維持其組織及自主性，受到外界脅迫后容易恢復。河流近自然評價是河流近自然研究治理的重要方面和前提條件。

20世紀90年代以前，美國科學家需要利用專門的儀器收集實驗數據對河流的健康狀況進行評估，需要花費大量的時間和金錢，公眾無法參與到具體的工作中。之后，一些研究者提出如果能通過一系列的目視標準和設計簡單的問題來評估河流的健康，可以讓更多的未受過專門科學訓練的普通公眾參與到河流健康評估的工作中來。

美國目前采用的是多指標評價法來評價河流的自然健康狀態。1998年，美國農業部下屬的自然資源保護協會發布了《河流目檢評估草案》(見圖 1原版的簡化指導手冊)，并被采用為國家生物手冊的614部分(NBH 614)，手冊系統地闡述了健康河流的標準及分類，并提出了河道現狀、水文變化、河岸現狀、河岸生物的數量和質量、水體外觀、水體富營養化情況、人類廢棄物、魚類洄游障礙物、無脊椎水生動物棲息地、無脊椎水生動物群落、鹽度等16個目檢標準，每個標準10分為滿分，參與評價的各項評分加權平均后為該河流健康評分，以10分為滿分，將河流分為5個等級：1～2.9分為嚴重退化，3～4.9分為差；5～6.9分為一般；7～8.9分為好；9～10分為優。

圖1 美國農業部發布的河流健康目視評估標準簡化指導手冊(原版)Fig.1 SVAP2 Clipboard Guide by NRCS (original version)

3.2.2 流域綜合管理

流域管理體制是指流域管理機構設置、權限分配、職責范圍劃分、機構運行和協調機制。美國較為成功的流域綜合管理是以流域為單元，將流域上中下游、左右岸、干支流、水質與水量、地下水與地表水、治理開發與保護等作為一個完整的系統，對流域內的資源全面實行協調、有計劃、可持續地開發與管理。

美國較有代表性的流域管理體制有兩種：①職權高度集中的流域管理體制，由職權高度集中的流域管理機構實施流域管理，以美國田納西河流域管理局為代表；②協調式的流域管理體制，管理機構的職責主要是對規劃、政策和水量分配進行協調，以美國特拉華河流域管理委員會為代表。

位于美國新澤西州的特拉華河流域管理委員會于1961年創立，是一種典型協調式綜合管理體制，實現了流域管理和區域管理的統一。

特拉華河流域委員會在流域水資源開發、利用、保護及水污染控制、自然生態保護、土地利用管理方面具有廣泛的權利，委員會不只是協調機構，而且是權力機構，可以制定方針、政策、法規，決定流域內的有關事務。其權利具體表現為：水資源分配方面，各州可以按規定分配水，但超過規定的取水，必須要經委員會批準；干旱期水資源的分配由委員會負責，這樣就能保證最優先的用水項目，避免上游水的過度利用而影響河流的最小流量和州之間的用水矛盾；在水污染控制方面，委員會統一制定控制標準，河口區去除率要達85%，支流達到92.5%，不管是工業還是市政污水，都一視同仁；各州頒發的排污許可證，必須符合流域的統一要求。新項目一律經委員會批準，而州沒有新項目批準權等等。

3.3 工程措施

3.3.1 基于LWD的河道整治技術

美國地廣人稀，村鎮河流大部分完全或基本保持自然狀態，人類活動影響較小，基本上未建有具有控制能力的水利工程。局部河段常貫穿人口較為密集區和部分工業集聚區，水質較易受污染，生態系統自我修復能力較弱。其治理理念是盡量保持河道的自然狀態，盡量減少混凝土等硬質不透水材料的應用，治理過程中盡量使用天然建筑材料原木、樹樁、塊石或利用自然植被等穩定河岸、構筑低堰等。

近年來，大型木石工法(Large Woody Debris, LWD)在美國河流修復領域十分流行。LWD在森林管理領域，是指自然傾倒在河流中的影響河流自然流動和河岸穩定的原木殘體。在河流修復領域，利用LWD影響水流和河岸的原理，LWD專指一種工法，通過在河岸及河道中布置合適的原木及塊石(圖2)，達到改善河流水文情勢、河岸穩定和營造生物棲息地的目的[4]。相對于不透水的硬化混凝土和漿砌石擋墻，LWD是一種近自然化的工法，但不適用于建造較高的堤壩。LWD優點如下：近自然化、無害化、就地取材易于施工、造價低、使用壽命較長。

圖2 LWD設計理念Fig.2 Typical design of the LWD

3.3.1.1 基于LWD的河岸防護技術

河岸穩定可采用自然復式斷面設計，并利用山間易于取材植物根系來穩定河岸；針對有防洪要求且基礎沖刷嚴重的河道堤岸，可使用松木樁或原木提高堤防安全性和抗沖能力，而且投資也不大；在沖刷嚴重部位如河道凹岸設置以原木、塊石為建筑材料的微型丁壩(圖3)，形成自然淺灘、深潭，盡量減少由于工程施工對原地貌的擾動和對生態環境的破壞。

圖3 河道整治使用的木石護岸Fig.3 LWD using in the river restoration

3.3.1.2 基于LWD的河床修復技術

村鎮河流洪水具有高水位、持續時間段、流量相對集中的特點，而且對河岸沖刷嚴重：可以利用原木或塊石建設微型堰壩，提高河床及河岸穩定性和抗沖能力，允許洪水漫堰，在上游形成深潭，在下游形成淺灘，塑造多樣性的地貌。這種微型堰壩其高度一般不超過30 cm(圖 4)，不影響魚類洄游，是一種防沖不防淹的微型堰壩[1]。

圖4 大壩拆除后的河道中設計梯級防沖低堰Fig.4 The drawings of the low weir

3.3.2 基于LID的城市雨水管理技術

20世紀90年代末，美國馬里蘭州與西雅圖市政府同時提出了低沖擊開發技術(Low Impact Development，LID)的暴雨管理技術。

LID是指以保證城市原有的生態環境作為城市開發合理性的重要參考標準，即城市資源應被最低限度的被開發，城市環境應被最小程度的改變，保持城市原有的生態湖泊和河流，盡可能的維持城市中的綠地景觀資源，保障城市生態水環境系統的流暢運行與安全循環。同時，城市的基礎設施建設，尤其是建筑和道路設計建設中，運用屋頂花園和透水磚，并在新建的城市綠地中運用下掛綠地，促進水資源的收集、凈化和循環利用。從而大幅度減少城市在暴雨時產生的地表雨水徑流，最大程度減少降雨尤其是暴雨對城市系統的危害。

LID出現20多年來，技術不斷發展更新，已經形成了一套成熟的水利計算和建造技術的體系，列入LID目錄的技術已有10多種，目前比較常用的有生物滯留池/雨水花園[6](圖5)、綠屋頂、可滲透/漏路面鋪裝系統[1]、雨水桶和雨水池(圖6)等。

圖5 雨水花園典型斷面設計Fig.5 Typical section of the rain garden

3.3.3 河道大壩拆除

大壩從幾個方面割裂了河流廊道，為河流生物的遷移和能量的交換形成了物理和溫度障礙，干擾了內河、陸地和海洋系統間的相互關系等。改善河流被縱向阻隔的水文情勢，減少大壩所帶來的不利影響和恢復受損的生態系統常常是拆除大壩的一個重要原因。在美國，大壩拆除始于1912年，主要是位于支流上的小壩、老壩，服役期在70～100年，包括早期建設的用于造紙業、紡織業、灌溉、供水等目標的小型水電站等。這些工程多為經過長期的運行，已喪失了原設計的功能，許多工程已不適應現代化大工業生產的需要。從大壩安全管理的角度出發，考慮工程自身的安全和對下游帶來的潛在的危險以及加固費用高等原因，在做了詳細的分析比較后選擇了拆除方案。根據美國河流組織的統計，從20世紀20年代到2014年，美國共拆除大壩1 185座(圖7)。從拆除大壩的高度來看，拆除的基本上是小型壩，平均高度不超過8 m，最高高度為60.96 m[8]。

圖6 左：雨水收集桶，右上：綠色屋頂，右下：透水鋪裝生態停車場Fig.6 left: Rain barrel, right top : green roof, right bottom : design guidelines for porous asphalt with subsurface infiltration

圖7 1920s以來美國拆壩數量及其高度的變化Fig.7 The trends of the quantity and height of the dam removal from the 1920s

對下游河岸、河口和河灘的泥沙補給是大壩拆除的一項重大生態效益。但在大多數情況下，大壩拆除后泥沙等沉積物會迅速涌向下游地區，造成河流渾濁度上升，危害河流中的魚類、水藻等水生物，同時小顆粒泥沙比表面積大，易吸附污染物質，因此經常需要在拆壩原址范圍內建設梯級低堰，來緩解沉積物快速下沖[9]。

位于美國卡羅拉多州的艾維紐大壩的拆除和河流修復項目設計[1](圖 8)在主河道設置了三個功能分區，分別是河道中間梯級微型堰壩、河道左側魚道及河道右側的生物棲息地，以達到保護上游橋墩、改善河流水文情勢和保護魚類洄游的綜合目的。

圖8 美國卡羅拉多州的艾維紐大壩拆除及河道修復初步設計Fig.8 Colorado Avenue Dam Proposed Paddle Trail Improvements Preliminary Design

4 對廣東省的借鑒

4.1 廣東省河流概況及治理現狀

廣東省境內水系發育、河流眾多，中小河流眾多，河道總長達3.66 萬km，集水面積在50～3 000 km2的中小河流共有1 211 條。廣東省江河流域主要分為珠江流域、粵西沿海諸河、粵東沿海諸河及韓江流域。

傳統的中小河流治理，大多采用修建堤防、護岸、清淤等單一的工程措施，沒有采用有針對性的考慮河流近自然化的綜合整治措施。

4.2 非工程措施建議

(1)根據國內外經驗，建立民眾可廣泛參與、具有實際可操作性的基于多指標評價法的健康河流評價標準。

(2)河流綜合治理需要建立各部門如水利、環保、國土、林業、農業、交通、城建、旅游等部門的共同參與機制，在河流的開發者、保護者及社會公眾之間達成河流健康標準的共識，建立矛盾解決協調機制和評價體系。

(3)在河流開發建設過程中，確保公眾的知情權、參與權與決策權。面向公眾及時發布和更新河流開發、河流現狀等信息，召開項目立項、立法等聽證會和咨詢會。廣泛傳播人與自然和諧的理念，推動并開展河流生態保護的相關志愿者行動。

(4)進一步提升水利信息公開程度。美國與水利工程相關的社會經濟狀況、地形、洪水風險圖、雨情、河流水位流量、預報信息、水利工程運用情況等詳細信息均可以從互聯網上免費查詢獲取，真正體現了水利工作的公益性。

(5)從大流域層面開展對河流的綜合治理，不僅僅局限在河流的空間尺度內進行。

(6)加強河流綜合治理完成以后的管理、監測和評價總結工作。

4.3 工程措施

(1)對于農村鄉鎮區域河流段，河道淤積或沖刷較嚴重的河段，河道基本維持自然狀態，結合清淤疏浚和生態護坡進行治理，根據周邊環境的生態情況，采取一些與生態環境相協調的措施，如大型木石工法(Large Woody Debris, LWD)措施。

(2)對于城鎮區域河流兩岸多為居住的集中地區，治理措施注重防洪排澇措施、低影響開發(Low Impact Development，LID)和生態環境保護有機結合。

(3)拆壩可能是消除大壩對河流自然生態系統負面影響的最直接有效的方法。但要成功修復河流的自然水文情勢，并不單單靠拆壩就能完成。大部分的河流不只受一種外在因素的影響，因此需要采取附加措施。拆壩需要與其他的河流保護和修復措施共同實施。

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[1] Odum H T. Systems Ecology; an introduction [J]. 1983.

[2] Mitsch, W.J., and S.E. Joergensen. Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology. United States: New York[M]. NY (US); John Wiley and Sons, 1989.

[3] 吳阿娜.河流健康評價：理論、方法與實踐[M].上海：華東師范大學，2008.

[4] Booth D B, Montgomery D R, Bethel J. Large woody debris in urban streams of the Pacific Northwest[C]∥Effects of watershed development and management on aquatic ecosystems, LA Roesner (Editor). Engineering Foundation Conference, Proceedings, Snowbird, Utah. 1996:178-197.

[5] Southerland W B, Reckendorf F R, Renner D M. Engineered Log Jams Post Project Appraisal for Streambank Erosion and Salmonid Habitat in Washington State[C]∥International Symposium on Erosion and Landscape Evolution (ISELE), 18-21 September 2011, Anchorage, Alaska. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2011:73.

[6] Maplewood Public Works. Rain Gardens on Maplewood Street Reconstruction Projects[Z]. 2007.

[7] Betty T. Rushton. Low-Impact Parking Lot Design Reduces Runoff And Pollutant Loads[J]. Journal Of Water Resources Planning And Management, 2001,(5):172-179.

[8] The H John Heinz Ⅲ Center for Science Economics and the Environment. 退役壩拆除的科學與決策[M]. 蔡躍波, 譯. 北京:中國水利水電出版社, 2008.

[9] Stanley E H, Doyle M W. Trading off: the ecological effects of dam removal [J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2003,1(1):15-22.

[10] Gary M. Lacy, Mike Harvey. Colorado Avenue Dam Proposed Paddle Trail Improvements Preliminary Design Report[R]. Colorado: Recreation Engineering and Planning, 2010.