基于自然解決方案在永定河生態修復中的應用簡析

徐愛霞，鄧卓智

(北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)

基于自然解決方案(Nature-based solutions，NBS)指“受到自然的啟發和支持，持續地管理和利用自然或改造的生態系統，以有效和適應性地應對社會-環境挑戰，同時益于人類福祉和生物多樣性”。近年來，國際社會重新重視基于自然解決方案，并應用到應對氣候變化、水安全、水污染、糧食安全、人類健康和災害風險管理等方面。盡管我國迄今很少應用“基于自然解決方案”的概念，但已在海綿城市建設、生態修復等方面實際工作中得到應用。本文梳理了基于自然解決方案在水利領域的主要應用，并結合永定河治理和生態修復，總結分析了基于自然的方案在河道修復和水源地保護等方面的應用，為基于自然解決方案在我國水利領域的進一步推廣和應用提供參考。

1 基于自然解決方案在水利領域的應用

長期以來，人們通常首先選擇建造水利工程設施(“灰色”設施)，改善水資源管理，滿足人們的涉水需求。在這個過程中，經常忽略采用更為環保的傳統或當地知識?；谧匀唤鉀Q方案的應用，不是要用利用生態系統過程和功能的綠色基礎設施取代灰色基礎設施，而是統籌考慮多個目標和利益，確定灰色基礎設施和基于自然解決方案的最合適，最具有成本-效益和可持續性的方案。面對水資源需求的不斷增加，生態環境惡化，以及氣候變化等多方面影響，需要探索新途徑來管理水資源?；谧匀唤鉀Q方案強調與自然的和諧相處，而非斗爭，且通常具有成本-效益和環境、社會和經濟效益。對水利領域，基于自然解決方案已在水量、水質和水災害風險管理方面得到應用，開拓了水資源管理的新視野。

1.1 水量管理

通過管理與水有關的生態系統過程和功能，可以為人們提供“生態系統服務”帶來的益處。所有生態系統服務都依賴于水，但一些特定的生態系統服務又直接影響到產水量。基于自然解決方案主要通過管理降水、滲透、運移和蓄水等，改善可供人們需求的水的分布、時間和數量，從而助力解決供水問題。建設更多水庫受到淤積、可用徑流減少、環境、移民等問題的限制，在許多發達國家具有成本-效益和最可行的建設地點已經被使用，這也限制進一步增加水庫建設。在許多情況下，其他生態系統友好型的蓄水形式，如利用天然濕地、提高土壤濕度、更有效的地下水補給，可能比傳統的灰色基礎設施(如水壩)更具可持續性和成本效益。

基于自然解決方案和灰色基礎設施相結合的我國海綿城市建設，是增加城市可用水量，實現對城市徑流管控的典型例子。通過建設生態排水設施，充分發揮城市綠地、道路、水系等對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，優先利用自然排水系統，有效緩解城市內澇，增加可利用水量(節約水資源)，同時削減城市徑流污染負荷。

1.2 水質管理

水源保護降低了城市水供應部門的水處理成本，并有助于提高農村社區獲得安全飲用水的機率。在城市水源的匯水區，通過對森林、濕地和草地以及土壤和作物的適當管理，可以利用生態系統捕獲和保留污染物以及吸收養分，減少沉積物負荷，其可在保護供水水源水質方面發揮重要作用。在水受到污染的地方，人工建設和自然生態系統都可以幫助改善水質。來自農業的非點源污染，特別是營養元素，仍然是世界性的難題，它也最適合應用基于自然解決方案，因為這可以利用生態系統過程，改善土壤養分，從而降低肥料需求，同時減少徑流或滲透到地下水的營養元素。

城市綠色基礎設施越來越多地被用于管理和減少城市徑流造成的污染。城市中的綠墻、屋頂花園、草地滲透或排水洼地，可以幫助廢水處理和減少雨水徑流。濕地也在城市環境中被應用于緩解受污染的地表徑流和廢水的影響，利用天然和人工濕地實現生物降解或固定一些污染物。對于某些特定化學污染物，基于自然解決方案甚至可能是唯一的處理方案。

1.3 水旱災害風險管理

氣候變化導致的極端降水事件增加，導致有關洪水和干旱災害風險增加。全球范圍內估計約有30%的人口居住在經常受洪水或干旱事件影響的地區，水旱災害損失巨大，且呈增加趨勢。與洪水共存的理念，可以促進基于自然解決方案的應用，綠色與灰色基礎設施相結合的方法可以節省成本，并可大幅降低水旱災害風險?；谧匀唤鉀Q方案用于洪水管理，包括管理滲透和陸地表面流，提高河湖水文連通性，增加蓄水行洪空間，提高洪水蓄滯和排泄能力。

干旱災害并不像有時所描述的那樣僅發生在干旱地區，在通常不缺水的地區也可能發生干旱災害?；谧匀唤鉀Q方案可以緩解干旱災害，主要措施包括提高土壤和地下水在內的區域蓄水能力，以緩解極端缺水時期的影響。降雨的季節性變化為區域蓄水提供了機會，在雨季時的蓄水可為干旱時期的生態用水和人們生產生活用水提供水源。當前自然蓄水(特別是通過土壤、地下蓄水層)減少災害風險的潛力遠未實現。流域和區域尺度的水源規劃，應考慮到地表和地下蓄水等多方案的組合，以在水資源變率不斷增加的背景下取得最優的環境和經濟效果。

2 永定河綜合治理與生態修復

2.1 基于自然解決方案在總體方案中的應用

永定河是海河水系最大的一條支流，由發源于內蒙古自治區興和縣的洋河和發源于山西省寧武縣西南管涔山的桑干河匯流而成，中下游經河北省、北京市、天津市入渤海，全長747km，流域面積4.7萬km2。

永定河是京津冀區域重要水源涵養區、生態屏障和生態廊道。自20世紀70年代中后期，受氣候變化、上游水庫建設、沿岸工農業開發用水需求增加等因素影響，目前存在流域水資源過度開發、環境承載力弱、水污染嚴重、河道斷流、生態系統退化、部分河段防洪能力不足等問題。作為2017年京津冀協同發展的重要任務之一，《永定河綜合治理與生態修復總體方案》(以下簡稱總體方案)得到國家發展改革委、水利部和國家林業局的聯合批復。目前永定河的綜合治理和生態修復工作已正式啟動實施。

總體方案提出把永定河恢復成為“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，再現河道清水長流、湖泊蕩漾漣漪、沿岸綠樹連綿、城鄉山川相融的自然山水風貌的總體目標，確定了河流生態環境需水量及配置方案，從水資源節約與生態用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養與生態建設、水環境治理與保護等方面，提出了重點治理一系列措施。在總體方案中，特別是在具體治理措施方面，充分利用了基于自然解決方案。

2.1.1 河道生態治理修復

針對永定河河道生態退化問題，采取河道主槽整治、河岸綠化、生態護岸、水面恢復等措施，推進河道生態修復，實現“河暢、水清、岸綠、景美”的自然風貌，打造貫穿京津冀晉四省市、連接山區和平原、溝通陸地和海洋的綠色生態河流廊道。

2.1.2 河道防護林建設

永定河河道兩側現有河道防護林0.24萬hm2。通過造林、現有林管護等措施，新建河道防護林面積1.54萬hm2，恢復河道兩岸生態植被，強化河岸水土保持和防風固沙功能，美化河道景觀。

2.1.3 水源涵養林建設

通過上游水源涵養林建設，提高上游地區水源涵養、水土保持生態功能；加強幼齡林撫育管理，推進低質低效林改造，提升森林水源涵養能力；完善自然保護區和森林公園基礎設施與管理能力建設，促進生物多樣性保護。

2.1.4 清潔小流域建設

永定河官廳水庫上游地區現有水土流失面積1.5萬km2，其中中度及以上流失面積5699km2。針對山區水土流失和水環境污染特點，采取溝道整治、水土流失防治、農村生活污染處置設施建設等措施，建設清潔小流域107條，新增水土流失治理面積1384km2，提高河流上游水源涵養能力，減少面源污染負荷，維護重要水源地安全，改善河道水環境，恢復河道服務功能。

2.1.5 重點水源地保護

官廳水庫位于永定河山峽入口處，總庫容41.6億m3，控制流域面積4.34萬km2，是防洪、灌溉、供水、發電等綜合利用的水庫。規劃建設八號橋、媯水河入庫口水質凈化濕地，擴建黑土洼水質凈化濕地，并結合庫濱帶退耕還濕，控制周邊地區污染物輸入，凈化永定河上游及媯水河來水，進一步改善入庫水質。

2.2 基于自然解決方案的八號橋濕地案例

八號橋入庫濕地位于懷來縣豐沙鐵路八號橋下游永定河右岸灘地，與左岸的八號橋水文站隔河相望。永定河沿濕地東部邊界自北向南流過，豐沙鐵路繞行濕地的西部、北部，濕地距永定河匯入官廳水庫的入口處約4km，南北最長約3.5km，東西寬約700m，總面積約3152畝。地勢北部高，南部低，西部高，東部低，高程在477～480m之間。

根據八號橋水文監測資料，永定河入官廳水庫現狀水質為Ⅴ類，主要污染物為總氮和總磷。八號橋濕地作為河道濕地，主要功能是生態恢復和水質凈化，同時作為河北懷來官廳水庫濕地公園恢復區的組成部分，具有科普宣傳教育功能。根據功能定位，規劃建設濕地類型主要以表面流濕地。表面流濕地，污水在濕地的基質表層流動，水位較淺，一般在0.1～0.6m。這種系統與自然濕地最為接近，依靠生長在植物水下部分的莖、桿上的生物膜實現對污水中的絕大部分有機污染物的去除。表面流濕地同時還具有生態功能優越，建設造價低，維護成本低，景觀效果好，最接近自然風貌等特點。

根據現狀高程，整個濕地區順河道方向布局。河道主槽與大秦鐵路、沙蔚鐵路、八號公路橋、豐沙鐵路將整個濕地(場區)分割為十個區域。按照水質凈化要求，濕地充分利用土地面積，發揮濕地凈化效率，對各個區域進行功能劃分，設計水體流線，并將十個區域進行優化組合設計，形成整體水質凈化工程總體布置。各分區濕地照現狀地形地勢為基礎進行土方挖填整理而成，通過開挖引水溪流使河道與濕地連接，自永定河主槽引水，通過蜿蜒的溪流和濕地，使河水在濕地中穿行，實現溪流、深潭、淺水等不同的流動形態，在此過程中實現水體與土壤、水生植物等得充分接觸，增加水的停留時間，實現水體凈化。

通過八號橋濕地，凈化永定河上游來水，凈化規模3m3/s，折合約26萬m3/d。其與黑土洼濕地工程相協調，共同發揮濕地凈化水質效果，使入庫水質達地表水Ⅳ類。未來，隨著上游來水質量的進一步改善，通過八號橋濕地和黑土洼濕地共同作用，有望將入庫水質主要指標提升至地表水Ⅲ類。

3 討論

基于自然方法解決水資源管理問題在國際上重新受到重視，其在提高水資源供應、改善水質、減少與水有關的風險方面得到一定程度的應用。隨著生態文明建設成為我國社會主義現代化建設“五位一體”總體布局的重要組成，“尊重自然、順應自然、保護自然”的生態文明理念的確立，生態環境保護與修復在我國日益受到重視，基于自然解決方案將在河湖生態治理和修復中將進一步得到重視和應用。

在永定河綜合治理與生態修復方案中，基于自然解決方案體現在流域水源涵養區的涵養林建設和清潔小流域建設，河道的生態治理修復和保護林建設，以及水源地保護的設計中，特別是規劃了沿河庫的八號橋濕地和黑土洼濕地等濕地工程，充分利用濕地凈化水質。這顯示了基于自然解決方案在河道治理與生態修復中的應用潛力。

基于自然解決方案通常被認為比傳統的工程(灰色系統)效率更低，或者風險更大，而實際情況可能迥異，這需要結合具體的情況，對基于自然解決方案的水文-生態績效、成本效益等進行公正和有力的評估。同時需要加強基于自然解決方案和灰色基礎設施選項進行正確組合的技術導則、方法和措施的制定。

基于自然解決方案不是萬能藥，其需要與傳統水利工程相互結合，相互補充，相得益彰?；谧匀环椒梢詫崿F的目標是有限的，存在一定的局限性。如認識到生態系統承載能力的有限性，超過壓力閾值(例如污染物和有毒物質增加)將導致對生態系統的不可逆轉的破壞。對工業廢水處理而言，基于自然解決方案不能有效解決一些特殊污染物類型及其負荷，仍需要灰色基礎設施解決。另外，關于基于自然解決方案的一個經常夸大的認識是其具有成本效益，而這應該建立在考慮多種效益的科學評估基礎上，在一些小規模尺度上，基于自然解決方案可能是低成本，但其應用在較大規模尺度上，可能需要大量投資。