河道整治工程對河流生態(tài)的影響及對策研究

王 興

(北票市水利規(guī)劃勘測設(shè)計院，遼寧 朝陽 122100)

0 引 言

我國水利事業(yè)的快速發(fā)展，在很大程度上帶動了航道疏浚、河道整治工程的不斷發(fā)展。準確掌握河流生態(tài)環(huán)境對河道整治工程的響應(yīng)，應(yīng)用新型生態(tài)工程材料滿足生態(tài)需求的治河理念，對構(gòu)建人類與河流新型和諧關(guān)系極其重要。趙銀軍等通過研究河流多樣性地貌特征，給出了修復(fù)水生態(tài)的方法；徐江等以深灘為例，探究了山區(qū)河流階梯穩(wěn)定河床的作用及其響應(yīng)生態(tài)的功能；董哲仁等探究了生態(tài)效應(yīng)與洪水漲落之間的關(guān)系[1,2]。鑒于此，文章通過分析河流生態(tài)系統(tǒng)對河道整治工程的響應(yīng)，從生態(tài)和諧的角度提出行之有效的整治對策。

1 河流生態(tài)環(huán)境特點

支持生物生存的非生物環(huán)境(生境)以及分解者、消費者、生產(chǎn)者(生物)是保證生態(tài)系統(tǒng)完整性的兩個必備條件，故河流生態(tài)系統(tǒng)也要有相同的組成結(jié)構(gòu)。生物、生境以及河流形態(tài)多樣性為河流生態(tài)系統(tǒng)特點的主要體現(xiàn)，為滿足行洪、灌溉、航運、供水等要求，在河流上修建的各種河道治理工程，直接影響著河流邊界條件。在發(fā)揮導(dǎo)控泥沙、水流功能的同時，工程對河流生境多樣性和河床自然演變也會帶來極大的干擾，并在一定程度上阻礙河流內(nèi)的能量、物質(zhì)交流，對水生物種以及生態(tài)多樣性造成影響[3]。

1.1 河床邊界的環(huán)境特點

河流生態(tài)系統(tǒng)與周圍陸地之間的聯(lián)系非常密切，水域與陸域系統(tǒng)之間的能量傳導(dǎo)、物質(zhì)交換持續(xù)不斷的進行，故屬于一種動水生態(tài)系統(tǒng)[4]。水陸交匯面(河床)的異質(zhì)性較高，較單一的生存環(huán)境河床邊界周邊的環(huán)境明顯更優(yōu)，其具有更為豐富的生物群落。在水陸交界處生長著陸生、沉水與挺水植物，棲息著兩棲動物、遷徙鳥類、魚類及水禽。

河流與灘地間的物質(zhì)交換，汛期洪水的漫攤效應(yīng)發(fā)揮著巨大作用，主槽水位在洪水來臨時上升，洪水攜帶的魚類、微生物及懸浮物或溶解質(zhì)等大量有機和無機營養(yǎng)物質(zhì)漫流進入河灘；昆蟲、種子、果實、植物莖葉為淹沒范圍內(nèi)的進攤魚類提供食物，而水鳥、陸生和兩棲生物的食物來源于淺灘魚類，殘枝落葉、植物根莖被藻類與微生物分解，而幼魚與小型水生動物又以微生物為食；洪水退去后洪泛區(qū)陸域植物，其養(yǎng)料補給來源于水體中攜帶的腐殖質(zhì)和泥沙，而灘區(qū)水流又攜帶陸生生物腐殖質(zhì)回歸主槽；洪水漲落存在類似于風向標的信息流功能。遷徙動物的行為特征、陸生生物與水生動物的繁衍、魚類產(chǎn)卵與洄游、鳥類遷徙等活動與洪水漲落密切相關(guān)，自由漫灘洪水為洪泛區(qū)一些植物發(fā)芽和種子傳播提供條件，種子在洪水回落、上漲過程中落淤萌芽和傳播。

1.2 不同河流形態(tài)的環(huán)境特點

1)河道縱向形態(tài)。沖擊性河流一般存在蜿蜒曲折的自然屬性，彎彎曲曲的河流為非生命物質(zhì)、水生生物生存提供了有利的時空轉(zhuǎn)換條件。針對河道形態(tài)，其自然條件下的演變周期為“趨彎→取直→趨彎”。蜿蜒的河流促使河道內(nèi)出現(xiàn)多種水流現(xiàn)象，如環(huán)流、緩流、急流等，交匯的各種流態(tài)又形成復(fù)雜的跌水、旋渦等流態(tài)，對促進垂向與平面上紊動水流中各種物質(zhì)的交換、傳遞這些復(fù)雜流態(tài)發(fā)揮著積極作用。上層水體中魚類和鳥類排泄物、落入水面的落葉等有機物進入下層水體后被微生物分解，而下層經(jīng)過微生物分解的床面營養(yǎng)物質(zhì)又被帶入上層水體，從而為生態(tài)系統(tǒng)能量交流和浮游生物生長提供“養(yǎng)分”。

2)河道橫向形態(tài)。對于深槽與淺灘交替分布的天然彎曲河道，其深槽有利于保護河床、維護水道、消耗水能，河道縱比降調(diào)整的節(jié)點為淺灘洪沖枯淤。含氧量高、光照充分的淺灘水體適合水生動植物的生存，并為兩棲類、鳥類等動物提供適宜的棲息地。分解與存儲有機物的區(qū)域以深槽為主，微生物能夠分解有機物并提供維持生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)。深水提供的自由廣闊空間適合魚類的生長，因光照、溫度等環(huán)境條件沿水深方向存在明顯差異，為形成多樣化動植物群落創(chuàng)造有利條件。

2 河道整治工程的影響

2.1 護岸護灘工程

修建的護岸、護攤工程有利于穩(wěn)定河道邊界和保護灘地，一般將邊坡利用剛性抗沖材料固化，這使得邊界物理形狀和生境條件發(fā)生較大變化，對河流水體與原有河床土體的聯(lián)系起到阻斷作用，水陸系統(tǒng)之間出現(xiàn)阻隔[5]。堤防的修建具有保護灘地的功能，同時也會給洪水的自然漫灘帶來阻礙，生態(tài)系統(tǒng)的能量流通功能和漫灘洪水的物質(zhì)信息交換能力大大減弱。

一般地，天然河床由黏土、沙土、卵石和礫石等組成，其不同粗細程度的泥沙能為魚類產(chǎn)卵提供場所，并為小型水生生物、微生物提供良好的棲息地，對于周邊水系的聯(lián)通透水性也發(fā)揮著積極作用。然而，對河床硬化處理的河道整治工程，大大降低了河床的過水性與多孔性，河流對地下水的縱向補充和沼澤土壤、濕地的橫向擴展起到阻斷作用。所以，河床硬化處理嚴重破壞了周邊動植物的生存環(huán)境，由于生存條件的改變許多物種甚至消失不見，河流生態(tài)系統(tǒng)整體受到較大影響。因河床、邊坡、河岸的硬化使得微生物的生存與交換環(huán)境出現(xiàn)變化，魚類產(chǎn)卵場所及食物來源受到破壞。

2.2 河道形態(tài)整治

1)河流的縱、橫斷面形態(tài)。河流生態(tài)系統(tǒng)受河道整治工程的影響主要體現(xiàn)在：①河道渠劃、邊岸固化，對“趨彎→取直→趨彎”的河流自然演變趨勢產(chǎn)生影響；②工程上、下游河勢變化受整治工程控導(dǎo)水流的影響；③自然調(diào)整的沖積河流橫斷面受幾何簡化設(shè)計斷面的限制顯著。

2)護灘和護岸工程一般利用混凝土塊、塊石等耐沖蝕材料，這對河流趨彎取直和自然演變屬性產(chǎn)生影響；為保證航運安全有時使河道渠化整治，有的裁彎取直整治工程大大改變了河流坡度和縱向形態(tài)，河流趨直使得其蜿蜒的基本特性受到限制。此外，流態(tài)單一河流，其復(fù)雜的流態(tài)受傳統(tǒng)整治工程消失不見，空氣與水體間的交換明顯減弱，各種物質(zhì)在水體內(nèi)的時空交換功能下降。

3)為增強河道的通航功能，航道整治工程通常以幾何規(guī)則形式(如梯形)改造河床斷面；對深灘、礙航的淺灘采取拋石處理、疏浚開挖等措施，從而改善流態(tài)。河床形態(tài)經(jīng)硬化處理后更為單一，雖達到通航要求卻嚴重破壞了河流生境多樣性；另外，硬化處理后的邊坡、河岸、河床，破壞了遷徙鳥類的親水環(huán)境、魚類產(chǎn)卵以及食物來源場所，微生物生存和交換的空間環(huán)境也發(fā)生了極大的改變。

4)生物多樣性。河道整治工程明顯減弱了復(fù)雜渦旋、急緩流交匯和回流功能，河岸硬化、河流縱坡趨緩以及護灘工程，在一定程度上阻礙了灘槽水沙交換和洪水漫攤效應(yīng)。實踐表明，傳統(tǒng)河道整治降低了河流生境多樣性，其影響生態(tài)系統(tǒng)的范圍較廣。河道整治工程實施后，只能在小范圍內(nèi)實現(xiàn)河流的能量交換與物質(zhì)交流，而與周邊生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)交換則難以實現(xiàn)，這大大降低了生態(tài)環(huán)境的異質(zhì)性，增強了生物鏈的脆弱性，一旦某個環(huán)節(jié)斷裂將打破整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

3 影響對策

3.1 適度的河道整治

流域孕育河流、承接雨雪，河流則為流域輸送各種養(yǎng)分、泥沙、水流，帶來滋潤萬物的水體，因此流域與河流密不可分、相互依存。各地的人類活動、氣候條件和自然地理因子等存在明顯差異，所以不同地區(qū)的河流也各具特色，并形成的內(nèi)在規(guī)律性(河性)。因此，充分了解河性、水環(huán)境特征、河床演變特點，方可對河道整治工程科學(xué)設(shè)計、規(guī)劃以及與河流系統(tǒng)和諧相處。

河流系統(tǒng)存在環(huán)境適應(yīng)性、層次性、目的性、相關(guān)性和集合性5種基本特性，這些特性應(yīng)作為河道治理的根本要求，并且河流自然演變受河道整治的干擾應(yīng)該是適度的。。因此，河道整治不僅要考慮人類需求、河床演變規(guī)律，還要兼顧河流系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和生態(tài)需求。

河道整治工程要順應(yīng)河勢、強調(diào)宏觀控制以及預(yù)留一定的自由度，從而更好的促進河流生態(tài)治理。局部河道要避免過大的改變河道斷面特性和平面形態(tài)，充分考慮整體需求，并對河道局部邊界進行合理調(diào)整，通過面、線、點的呼應(yīng)形成有效治理工程體系，最大程度的減少對河流的干涉度；河流生境敏感區(qū)要注重自然環(huán)境的保護，充分考慮工程使用材料、規(guī)模、位置等。

3.2 環(huán)境友好型整治工程

綜合考慮維護生態(tài)環(huán)境與河道治理的生態(tài)和諧新理念，其在河道整治工程中的應(yīng)用日趨廣泛。例如，針對單純防洪堤的整治工程，河槽萎縮淤積，控導(dǎo)工程標準低、體系不完善，河流生態(tài)功能退化，河灘成為荒漠地，垃圾、污水隨處可見。

利用塊石護坡、鉛絲石籠護根和丁壩治理險工段，運用透水護坡整治一般堤段，迎水坡、背水坡以種草和種植灌木為主，對城市濱河環(huán)境的美化起到重要的作用，通過分區(qū)種植林草和建成濕地保護區(qū)，從而改善灘區(qū)環(huán)境，以不妨礙行洪為基準沿主槽修建綠道，為河流生態(tài)治理和環(huán)境保護提供一個很好的返利。

3.3 生態(tài)型河道整治材料

傳統(tǒng)工程材料對生態(tài)環(huán)境往往造成較大的影響，如漿砌石、混凝土等硬質(zhì)材料的使用，給水土之間的交流帶來阻礙，從而導(dǎo)致河流自凈功能的喪失及生態(tài)平衡的破壞；此外，由于整體性低和無法適應(yīng)地基沉降，工程中利用的硬性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，嚴重時還會造成工程失事。在河道整治工程中采用生態(tài)護坡等生態(tài)型材料，對于保護和恢復(fù)河流及周邊生態(tài)系統(tǒng)具有明顯成效。

1)加筋麥克墊?，F(xiàn)階段，河道治理中比較常見的材料為加筋麥克墊，其主要組成有高孔隙率的護墊、高強度鋼絲網(wǎng)格、聚丙烯。這種材料的柔韌性較好，對不均勻沉降地基的適應(yīng)性較強，其糙率與自然河岸類似，對河流的原有流態(tài)與阻力條件不產(chǎn)生影響。為防治雨水對土地表面的沖刷侵蝕鋪設(shè)抗侵蝕性較強的護墊，對土壤落淤、增加濕地、吸收熱能以及促進植物生長起到積極的作用，并且有利于防止草粒的沖刷流失[6]。鋼絲網(wǎng)格、護坡植物、根系和護墊共同構(gòu)成復(fù)合保護層，此時岸坡防沖能力將進一步提高。相對于混凝土、漿砌石等材料，該生態(tài)護坡能夠達到與其相當?shù)淖o岸作用，有利于維護河岸自然面貌。材料的多孔隙結(jié)構(gòu)可以維護地下水與河水的交換通道暢通，保持水陸之間的能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)交換順暢，同時有利于水土保持以及竣工后植被的恢復(fù)生長，水的自凈功能得以維持，為水生、陸生動物提供事物來源、庇護所和棲息地。

在洪峰期5h內(nèi)或者洪水持續(xù)時間達到60h時，加筋麥克墊的抗沖流速可以達到6.0m/s、3.6m/s，洪峰期內(nèi)其抗沖能力較強，考慮安全儲備正常使用情況下邊坡流速不宜超過1.5m/s。在邊坡防護、生態(tài)護岸等河道工程中，該材料的生態(tài)效益較高[7]。

2)植生護墊及格賓網(wǎng)籠防護。植生護墊又稱雷諾護墊，該結(jié)構(gòu)厚度小而面積大，利用一定尺寸的填充石料和雙絞合金屬網(wǎng)組成，各單元格之間被間隔1m的隔板分開。矩形格賓網(wǎng)籠的主要構(gòu)成有填充石料和雙絞合金屬網(wǎng)，利用更粗的鋼絲處理面板邊緣，各單元格之間用隔1m的隔板分開；此外，網(wǎng)袋結(jié)構(gòu)可以利用雙絞合鋼絲網(wǎng)編制而成。格賓網(wǎng)結(jié)合雷諾護墊的生態(tài)護坡具有較高的抗沖穩(wěn)定性，且恢復(fù)河流生態(tài)的能力較強，其流速的容許區(qū)間3-6m/s，該材料的水力特性和技術(shù)指標如表1。

對于邊岸防護的河道整治工程這些材料的適用性較好，有利于穩(wěn)定航道、控制河勢和防止河岸沖刷，其具有水下施工簡便、安裝簡單、填充速度快等優(yōu)點[8]。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸和抗沖流速

3)工程材料特點。其一，整體性與柔韌性：對于不均勻沉降的地基材料的網(wǎng)狀柔韌性結(jié)構(gòu)具有轎廂的適用性，在抗地震、抗凍脹的地區(qū)其適用性更加明顯；這種利用多纏繞、雙絞合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較高的強度，相鄰單元絞合后即使有鋼絲斷裂，也不會影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。其二，環(huán)境親和性：多孔結(jié)構(gòu)的生態(tài)材料，其良好的透水性為河流與周邊環(huán)境的信息交流提供條件，對于促進親水性樹木以及灌木的生長這種多孔的材料結(jié)構(gòu)起到積極作用，并在一定程度上改善周邊的環(huán)境；此外，與天然河流相差不大的邊界阻力，可以為原有動植物繁衍、生長提供良好的條件。其三，經(jīng)濟可行且施工邊界：這種工程材料有利于機械化操作，材料結(jié)構(gòu)獨立且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)適用于水下施工；除鋼材外的其他材料可以就地取材，如石料等，其成本投資少，將這種新型材料應(yīng)用于河道整治工程能夠節(jié)約10%的成本，且后期的維護費用基本不需要[9]。

4 結(jié) 論

1)多樣性的生物群落和良好的生境為維持河流生態(tài)系統(tǒng)正常運行的必備條件，傳統(tǒng)的河道治理增強了岸坡穩(wěn)定性、保證了沿河安全、提升了航運能力，但受限于傳統(tǒng)的工程材料，以及對維護河流生態(tài)系統(tǒng)與河道治理間的協(xié)調(diào)性認識不足，給河流生態(tài)系統(tǒng)和生境帶來許多負面影響。

2)在充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)特點、河性的基礎(chǔ)上實施的河道生態(tài)整治工程，可以從生態(tài)和諧的角度適度的整治河道。對河流生境敏感區(qū)盡量選用生態(tài)工程材料，在河道整治工程中給予一定的的自由度。

3)生態(tài)材料的整體性、柔韌性較好，其生態(tài)修復(fù)的功能較強，為實現(xiàn)生態(tài)、工程效益的最大化，需要進行有利于河流生態(tài)系統(tǒng)平衡以及滿足河道治理標準的規(guī)劃設(shè)計，結(jié)合實際情況因地制宜的選擇合適的生態(tài)工程材料。