生態文明視角下的干旱地區河流生態修復研究
——以忻州市云中河生態修復為例

勞炳麗

曹 方

1 研究背景

中國是一個水資源嚴重短缺的國家，人均占有量僅為世界人均水平的1/4，而且水資源空間分布不平衡，內陸廣泛存在著干旱和半干旱地區，主要分布在北方六區(指秦嶺淮河以北的東北、華北和西北地區，包括松花江、遼河、海河、黃河、淮河和西北諸河6個水資源一級區)，面積約占全國總土地面積的52.5%。從近10年水資源統計來看，全國平均降水量為646.1mm，水資源總量平均為27413.4億m3(圖1)；而北方六區平均降水量為335.4mm(圖2)，僅為全國平均降水量的1/2，水資源總量僅占全國水資源總量的18.9%[1]。

從2012年起至今，全國已陸續開展國家生態文明試驗區建設，環境治理成效顯著。其中有16個省開展了生態省建設，1000多個市開展了生態市縣建設，生態文明建設已經成為新時代發展的主旋律和國家的重大戰略。

第十九次全國代表大會提出“加強水生態保護，系統整治江河流域，實施山水林田湖生態保護和修復工程，全面提升森林、河湖、濕地等自然生態系統穩定性和生態服務功能”。從近10年水資源和環境資源公報數據來看，水環境、生態環境等全國平均指標已經有所改善，生態文明建設初見成效。近幾年全國范圍內開展了大量有關生態環境修復、河流治理工程的探索和實踐，但針對約占國土面積一半的干旱、半干旱地區水環境和生態環境的研究所占比例較少。目前干旱地區水生態所面臨的實際挑戰包括：生態環境脆弱、水資源短缺、部分河流面臨水量銳減、河道萎縮干枯和荒漠化加劇等。尤其是隨著快速和大規模城市化的推進，部分地區出于對濱水開發建設的迫切性，罔顧水資源嚴重短缺的現實，提出建設大面積水體公園、制定水都與水城等目標定位，更是加劇了干旱地區河流和區域生態環境的惡化，甚至破壞整個地區水系的生態平衡，可以說，水資源短缺已經成為制約干旱地區經濟、社會、生態可持續發展的瓶頸。

圖1 2006—2016年全國水資源總量變化

圖2 2006—2016年全國平均降水量變化

2 河流修復研究綜述

2.1 河流生態修復歷程

國際生態修復協會將“生態修復”(ecological restoration)定義為：幫助恢復已受損、退化或破壞的生態系統的過程。河道本身作為生態系統，具有自我修復的能力，河道生態修復為其提供了一個自我修復的機會和環境，促進并加速整個修復過程[2]。

河流生態修復緣起于以人類為中心的“用水、治水”工程，大規模攔河筑壩、河道裁彎取直工程，破壞了河流的自然形態和水生生境的多樣性，造成河道淤積、水質惡化、河流生態系統服務功能衰退等問題。20世紀30年代，歐美等一些國家首先認識到河流生態環境所面臨的諸多問題，積極開展相關的生態修復研究和實踐。1938年，德國風景園林師塞弗特首先提出了“近自然河流整治”的概念，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理，并以此建構了一套在完成傳統河流治理任務的基礎上，接近自然、低成本并保持景觀美的治理方案，標志著人類對河流實施生態修復的開端[3]。

20世紀中葉，歐洲阿爾卑斯山區相關國家，諸如德國、瑞士等，在河川治理方面的生態工程建設，積累了豐富的經驗。這些國家制定的河川治理方案，注重發揮河流生態系統的整體功能以及河流作為生態景觀和基因庫的作用。20世紀80年代開始的萊茵河治理，則為河流的生態工程技術提供了新的經驗。在美國、日本、澳大利亞等國家，自20世紀至今，有關河流生態修復的研究和實踐也取得了很好的進展。美國陸軍工程師團水道試驗站在1999年6月完成了《河流管理——河流保護和修復的概念和方法》研究報告。日本建設省發布的《河川砂防技術標準(案)及解說》，提出河道岸坡的防護結構有生態和自然景觀等環境功能。澳大利亞水和河流委員會于2001年4月出版了《河流修復》一書，為河流修復工作提供技術指導。

2.2 干旱、半干旱地區河流生態修復研究

縱觀國內外河流生態修復的研究經驗及成果，關于河流生態修復的理論、技術已經相對完善，經驗積累比較豐富。但從修復河流的地域分布來看。研究對象大多局限于氣候濕潤多雨、水環境條件良好的城市和地區。對擁有特殊氣候和水環境的干旱地區河流生態修復的相關研究則相對薄弱，大部分集中在西北部干旱地區的生態問題剖析及實踐研究。

目前，學者對干旱地區區域尺度的水資源和生態環境問題關注較多。王浩等對西北內陸干旱區生態環境及演變趨勢進行了總體評價；王根緒等對50多個西北干旱地區的水資源利用及生態環境問題展開研究；吳夢媛以山西省武鄉縣總規的水資源專題研究為例，分析了北方干旱地區水資源特征、現狀問題及成因，提出了適合北方干旱地區的水景觀營造模式[4]。

3 干旱地區河流生態困境與制約

3.1 概念定義

目前學界對干旱地區定義還尚未有統一標準，通常主要指降水量少、蒸發量大、生態條件較為惡劣的區域。最常見的干旱與半干旱的劃分是以降水量作為標準，年降水量低于250mm的地區劃分為干旱區，年降水量250～500mm的區域劃分為半干旱地區，年降水量高于500mm的區域為濕潤區。同時，中科院自然區劃工作委員會采用干旱度作為全國干濕程度的治標，干燥度小于或等于1.5～2.0為半干旱地區，大于2.0為干旱地區。從地理分布來看，干旱和半干旱地區主要分布在東北、華北和西北等北方地區，尤其是位于青藏高原北側和東北部的西北地區分布著全國85%的干旱和半干旱土地。

3.2 現實生態困境

3.2.1 降雨量少、蒸發量大，導致河道斷流、干旱缺水

通常，河流徑流量與降雨總量的時空分布規律基本一致。干旱地區河流水量主要依靠降雨補給，由于降雨量稀少、蒸發量大，部分干旱地區的年蒸發率高達80%～95%，嚴重影響河川徑流量，導致河流常年水量不足甚至干枯斷流。

3.2.2 土壤沙化，水土流失嚴重，水土涵養性低

由于缺水、干旱等相對惡劣的生態環境，干旱地區的地表植被覆蓋率低，水土涵養能力也較低。而且由于大部分地區土壤沙化嚴重，水下滲迅速，保水性差，水土流失已經成為干旱地區生態環境惡化的首要根源。

3.2.3 河流水量隨季節變化顯著

干旱地區在旱季和雨季的降雨時空分布非常不均衡，季節性變化大。通常在6—9月的雨季總降雨量占到全年降雨量的60%～80%以上，而枯水期降雨量僅占到全年降雨量的20%～40%，這也直接導致河流在雨季和旱季呈現水位落差大、水景觀變化顯著等一系列問題。

3.2.4 過度人工干預與建設，加劇水生態環境惡化

防洪排澇、攔河筑壩等水利工程的建造也加劇了水生態環境惡化。干旱地區由于河道缺水和斷流，部分地區為了營造水景觀，建設水庫，人工閘壩蓄水，破壞了河流的自然形態和水生境的復雜度，使河道自然水文過程的可持續性遭到破壞。

3.2.5 小結

干旱與半干旱地區特殊的水環境條件和氣候特點決定了此類地區生態修復的目標、策略方法和常規的濱水地區有所不同。如果忽視地域自然條件和水文方面的制約，一味效仿南方城市水生態修復和景觀營造模式，必然會加劇河流的生態環境惡化。因此，必須因地制宜采用非常規的修復方式，應對干旱地區的河流生態條件，才能有效修復受損的河流生境[5]。

4 干旱地區河流生態修復路徑探索

4.1 流域復愈：立足流域尺度的生境修復

4.1.1 流域生態結構特征

河流作為一個特定的地理空間單元，是一個包含源頭、上下游，最后到達河口的整體流域單元。作為一個開放的生態系統，河流流域單元由水文循環、土壤、氣候和植物等要素提供生態支持功能，具有一定的生物多樣性、時空結構與營養結構[6]。因此，河流大部分的生態影響產生于河道之外的流域地區。這也直接決定了河流生態修復應該從更大的流域尺度考慮河流的整體生態修復，將河道納入區域綠地水網生態格局中，恢復河流的上下游的雨洪調蓄和凈化功能，修復多級水系河渠、泛洪區的濕地等毛細系統，才能為河流生態系統穩定性提供更好的支持功能[7]。

4.1.2 構建完整的流域生境

從目前對于干旱地區河流修復的實踐來看，大多只停留在對某一河段、河流局部指標的生態修復，缺乏從大尺度流域角度考慮河流的整體生態修復，很難從根本上解決其脆弱的生態問題。

對干旱地區河流生境的修復，首先要實現流域內生態要素的有效連接。以河為生態脈絡，將與河流相關的周邊山水、森林植被等生態斑塊聯系起來，構建完整的山水-河流生態安全格局，才能從更大尺度的生態系統來解決干旱地區的缺水和水土流失問題。

其次，在區域生態安全格局的基礎上，對河流上下游和流域單元內的多級河渠、泛洪區、河漫灘和濕地池塘等進行整體修復，形成自然的河漫灘與河岸系統，改善干旱地區常年缺水、河道萎縮的現狀；同時，重建河流水源涵養、洪水調蓄功能，并增加棲息地生物多樣性，恢復河流自然的水文過程和自然功能，使河道實現再自然化[8]。

4.2 開源節流：考慮區域生態水文平衡的修復模式

充足的水量是維持干旱地區生態系統構成、發展和穩定的根本。如何保障河流的水資源供給，不僅是保證水質和水生態環境良性循環的基礎，同時也是維系區域水文平衡、解決河流干旱缺水、斷流萎縮的關鍵。

有別于傳統濱水地區的生態修復，干旱地區應立足水資源稀缺地區獨特的氣候環境和水文條件，建立符合區域水文平衡的生態修復模式。從水質水量保障、水生態與水安全、保水節水等多角度保障河流水文供給平衡。

4.2.1 開源：多途徑水資源供給

常規河流水的來源主要來自于降雨、地表徑流和地下水等季節性水源，在干旱地區，由于蒸發量過大，季節性水源很難保障河流的水量補給。因此，中水回用、人工補水等非常規水源利用成為解決河道補水的必要手段。結合河流所在地域的氣候特征、水文地質條件和再生水工程利用現狀，采用主水源、補充水源、季節性水源的供給結構，形成多源頭、多途徑的水源補給系統，從而有效保障河流水流量。

4.2.2 節流：節水與保水措施

除了多途徑水資源補給途徑，通過景觀營造強化河流的節水與保水措施，降低用水過程中無意義的消耗，也是維系干旱地區河流水文平衡的必要手段。如采用防滲膜或防滲墻等工程化手段對河床進行防滲處理，盡量減少滲透水量，蓄存河道水量；從植物配置方面選用具有較強抗性(耐旱、保水、防風固土等)的樹種，節約后期景觀維護的用水量。

4.3 在地設計：與季節變化相適應的水景觀設計

干旱地區由于降雨量少、蒸發量大、降雨時空分布不均勻，導致河流水位在旱季和雨季落差較大，旱季常常面臨水量少、水位低、干枯斷流等問題。應對水文季節性變化大的特點，在充分研究河流干濕季度水位、水量變化的基礎上，采用適應季節變化的河流景觀設計手法，構建彈性的濱水景觀。如通過復合型水岸設計、干濕結合的植物配置、季節性景觀活動策劃等，使河道在旱季呈現濕地或溪澗的形態，雨季則以大水面河道景觀為主，形成四季均有景可賞的濱水景觀。

5 忻州云中河生態修復探索

忻州市位于山西省東北部，屬于半干旱的溫帶大陸性氣候，全市多年平均降雨量為425mm，多年平均蒸發量為1561mm，夏季(6—9月)降雨量占全年降雨量的75%，冬季僅占2.2%，降雨時空分布不均衡，干旱指數介于1.5～2.0，是典型的半干旱地區(圖3)。

云中河位于忻州市西北部，河道全長約44km，流域面積424km2，過去的云中河曾是一條綠意盎然、蜿蜒流淌的生態河流。20世紀70年代，云中河沿線開辟為忻州最重要的產糧大區，河道周邊植物被大量清除并替換為經濟農作物；同時，為滿足農業灌溉的需求，河道開展筑壩設閘、建設防洪堤等水利工程。由于云中河周邊常年農耕輪作、設閘筑壩、挖沙取土和耕地侵占等行為，導致河道萎縮、河流廊道破碎化、水土流失嚴重，部分河段常年斷流，河道自然功能基本喪失(圖4)。為恢復河道自然生態功能，改善流域生境系統，為市民提供高品質的濱水休閑空間，忻州市政府展開云中河的生態修復工程。

圖3 云中河蒸發量與降雨量對比

圖4 云中河河道生態破碎化

圖5 云中河每月需水量

5.1 立足區域生態格局，修復流域尺度河流生境

從宏觀流域尺度對河流進行生態修復，通過對流域生態因子(地形地貌、河流水系、植被覆蓋等)疊加分析，以河道為生態骨架，鏈接周邊的云中山、湖泊濕地和林地斑塊等，構建山-河-濕地-林網的整體生態安全格局[9]；其次，沿河岸重新種植本土植物群落，修復和重建流域內被填埋的河渠水系、低洼濕地、河漫灘等毛細系統。移除人工水利設施，恢復流域防洪調蓄、水體凈化、生物棲息的自然功能，重現自然河流的生命力和生境系統。

5.2 多途徑保障水資源補給

據測算，云中河水量缺口為20.9萬～65萬m3，全年平均每月缺水量為42萬m3(圖5)。僅有7、8月豐水期能滿足水量要求，其余10個月均為缺水狀態。針對云中河常年水資源不足的現狀，采用再生水補水+季節性水源+補充水源+應急水源的多途徑補水方式，保障河道的水量與水質。

在多途徑補水的措施中，采用再生水為補水主水源。充分利用城區污水長尾水排放，在河道沿線結合亂掘坑塘設置人工凈化濕地，深度凈化污水廠尾水，使出水水質達到地表水4類的景觀用水標準。

根據人工凈化濕地研究，目前國內外人工濕地主要采用表面流濕地和潛流濕地2種，單個濕地規模控制在5萬m3以內，占地規模不超過15hm2的濕地規模運行效率較高。綜合考慮場地條件，沿河共設置3塊人工凈化濕地，采用表流濕地+潛流濕地的復合式人工濕地系統(圖6、7)。通過再生水結合季節性水源等多樣的補水方式，可為云中河形成約53hm2的河道水景，可實現河道補水量65萬m3/月，每日補水量4.5萬m3/日，5～15天完成一次換水，保證河道水質和水量。

圖6 人工凈化濕地設計

圖7 人工濕地與自然濕地結合，實現多途徑補水

圖8 彈性河道景觀設計

5.3 構建彈性藍綠景觀系統

通過構建一個干濕結合的彈性景觀系統，適應云中河雨季和干旱季節水位變化大的問題。采用生態手段塑造可淹沒的河道濕地景觀。旱季通過不同的植被配置，沿河岸營造豐富的濕地景觀，河道主要呈現溪澗+濕地生態島的景觀意向。雨季和洪水來臨的季節，部分河道、濕生植物沒入水下，呈現大水面河道景觀意向。通過干濕結合的彈性系統，形成隨著季節變化的景觀體系(圖8)。

5.4 應對地域氣候特征與區域水文平衡，合理配置植物群落

忻州地區降雨量少、蒸發量大，土壤沙化，保水性較差，植物生長受到限制。因此，云中河地區的植被生境修復，必須考慮地域氣候和現實場地條件，從區域生態水文平衡出發，合理配置植物群落，選擇保水、抗旱、固土的樹種，加強水土保持力，是生境恢復的關鍵環節。其次，從區域生態水文平衡出發，在植物的選擇上盡量選擇節水的植物，降低景觀后期維護的需水量。優化植被種類選擇,合理配置喬-灌-草比例，降低對區域水文平衡的干擾。

6 結語

河流生態修復不同于常規的濱水景觀設計，通過使用綜合方法，使河流恢復因人類活動的干擾而喪失或退化的自然功能，是一個復雜、動態的生態演變過程。因此涉及生態學、水文工程學、地貌學和風景園林學等眾多學科，是一個綜合交叉的學科領域，需要多專業協同合作共同完成。

尤其干旱、半干旱地區河流生態修復不同于常規地區的濱水景觀設計，這些地區有著特殊的地域性氣候特征、復雜的生態條件和流域結構特征，傳統的河流生態修復手段和常規景觀設計手法很難解決其復雜的生態問題。需要將流域和河段2個尺度的生態修復相結合，才能實現整體、長期有效的生態改善與恢復。一方面，建立河道修復的流域觀念，從更大的尺度去研究干旱地區河流的生境系統，將河流納入區域生態結構當中，從更大地理流域尺度去解決干旱、半干旱地區的生態問題；另一方面，立足干旱、半干旱地區河流面臨的特殊性和現實問題，提出因地制宜、符合地域特征的生態修復模式和策略，才能實現整個河流生態系統的健康運轉。