美國河流岸線修復的實踐與啟示
——以哈德遜河可持續水岸線項目為例

唐慧超

洪 泉*

岸線(Shoreline)在地理學上的意義通常是指一定水位下水域與陸域的交界線，隨著濱水岸帶開發活動的增多，人們對岸線的認識逐步突破了地理學的概念，認識到岸線也是一種資源，岸線包括一定范圍水域和陸域空間的國土資源，是水土結合的特殊資源[1]。中國“十三五”規劃中明確提出要構建“自然岸線格局”，自然岸線已經上升為與草原、濕地和森林具有同等重要地位的生態空間和自然資源，被列為國家生態文明建設的重要目標[2]。

20世紀90年代以來，我國對河流生態修復愈加重視，在近自然化河道設計[3]、生態河堤建設[4-5]等方面已取得了一定研究成果。當前岸線修復正處于工程治理向生態修復轉變的階段[6]，制約岸線生態修復的主要因素在于：相關設計方法和技術體系的研究較為薄弱[7]；本底生態、水文數據不足[8]；水利、生態、環境保護與風景園林等學科間的合作交流有限，以及缺乏健全的實施機制[9]等。

美國自20世紀60年代已認識到河流生態環境面臨的諸多問題，積極開展生態修復的相關研究與實踐活動[10]。1989年，2位美國學者Mitsch和Jorgensn提出了生態工程的定義[11]，而后逐步將“生態工程”的方法應用于河道生態修復。1998年，美國將《河溪廊道修復原則手冊》(Stream Corridor Restoration Principles,Processes and Practices)納入《國家工程手冊》，其中提出，美國在今后水資源開發管理中須優先考慮河流生態恢復[12]。近幾十年來，美國河流修復項目激增，有學者建立了美國國家河流修復科學分析(NRRSS)數據庫，涵蓋了37 099個河流修復項目[13]。基于修復實踐，在岸線的生態系統評價、工程技術、設計方法、修復后評價等領域開展了廣泛研究[14-16]。多個州也結合自身情況制訂了具體的岸線修復導則、指導手冊[17-19]。研究和實踐表明，在適當的位置通過自然途徑進行岸線修復，可為野生生物提供棲息地，修復富營養化污染，減輕水浪和暴風雨對岸線的影響，并增強濱水社區抵御颶風的防災韌性[20]。

美國在岸線修復方面的經驗和技術對于我國有借鑒意義，其中“哈德遜河可持續水岸線項目”較為典型，曾獲2015年美國環保署頒發的環境質量獎，這也是環保署向公眾頒發的環保領域的最高獎項[21]。該項目的成功經驗對于回應我國當前岸線修復中面臨的技術、數據、協作、實施等問題有較高的參考價值。因此本文以該案例為對象，從岸線生態與工程技術研究、空間信息支持、實踐示范、項目評估4個方面進行深入分析，以期對我國水域岸線的研究、保護、修復和管理工作有所幫助。

1 項目介紹

1.1 項目背景

哈德遜河(Hudson River)位于美國紐約州，長507km，發源于阿迪朗達克山脈(Adirondack Mountains)的云淚之湖(Lake Tear of the Clouds)，流經哈德遜河谷后向南匯入紐約港，流入大西洋，是北美重要的水路，也是紐約州的經濟命脈。哈德遜河河口①長約246km，屬于潮汐河口，其范圍自特洛伊水壩(Troy Dam)至大西洋(圖1)。河口是地球上生物多樣性最為豐富的地區之一，哈德遜河河口地區擁有豐富的自然資源，為魚類、鳥類等多種野生動物提供了棲息地，與沿岸居民的生產生活關系密切，對周邊區域發展影響重大。

圖1 哈德遜河河口區域地圖(洪泉改繪自參考文獻[23]2)

哈德遜河國家河口研究保護區設立于1982年，致力于河口的研究、管理及教育，隸屬于美國國家河口保護區研究系統(NERRS)，是紐約州唯一的國家級河口研究保護區。自2008年起，該保護區啟動了哈德遜河可持續水岸線項目(Hudson River Sustainable Shorelines Projects，HRSSP)，旨在為政府提供科學的水岸線管理途徑，以及應對氣候變化的適應性措施，以維護哈德遜河河口水岸地區重要的自然功能[22]。在最新修訂的《哈德遜河國家河口研究保護區管理規劃(2019—2024)》中，HRSSP仍是其重要的項目組成[23]53。

1.2 HRSSP簡介

哈德遜河可持續水岸線項目主要由NERRS資助，屬于NERRS科學合作類項目，該類項目通過對科研項目進行常規資助，為沿海管理問題提供科學的支持與解決途徑。HRSSP項目的實施由哈德遜河國家河口研究保護區牽頭，主要參與方包括卡里生態系統研究所(Cary Institute for Ecosystem Studies)、紐約州環境保護局哈德遜河河口項目組和史蒂文斯理工學院(Stevens Institute of Technology)等[24]。

所謂“可持續水岸線”是指在水岸線的管理實踐中，力圖保護水岸帶(shore zone)的野生動植物棲息地、生態效益、戶外休閑價值、社區生活質量及相關水務，從而保障后代的發展[25]。HRSSP作為科研性質的實踐項目，有七大目標：1)描述河口與岸線的現狀與未來特征；2)確定岸線管理項目的生態、工程及經濟權衡；3)闡釋岸線決策和機遇；4)展示創新的水岸線及最佳管理實踐；5)創建岸線決策工具，并促進多方溝通；6)構建成功案例的監測方法；7)研究強風暴對岸線性能的影響[26]。

2 HRSSP項目組成

研究發現，HRSSP項目形成了“理論研究-場地分析-修復實踐-評估反饋”的完整閉環，從而推動項目能夠有效實施。以下從岸線生態與工程技術研究、空間信息支持、示范案例庫建設、項目評估4個方面進行分析。

2.1 全面系統的理論支持——岸線生態與工程技術研究

岸線對于人類和自然均有著重要價值。人類可以利用水岸帶開展多種娛樂活動，并依據情況，適度進行基礎設施建設。而水岸帶也是魚類、鳥類、爬行動物、兩棲動物和無脊椎動物的多個生命階段的重要棲息地。HRSSP項目的重要基礎工作之一，便是對岸線生態與工程技術進行系統性的研究。相關科研成果可以概括為3個方面：自然與人工岸線對生態的影響比較[27-28]、岸線修復方案的總結與適宜性評估[29-30]，以及應對未來氣候變化的修復方案評估[31](表1)。這些研究成果為修復方案的制定和修復技術的推廣提供了強有力的理論支持。

2.2 準確高效的場地分析——空間信息支持

厘清岸線侵蝕的現狀與成因是修復的關鍵。HRSSP的空間信息數據庫為了解哈德遜河岸線的侵蝕現狀、分析其成因，從而進行適宜的修復設計提供了全方位的支持。在該項目中，空間信息數據不僅包括傳統的地形高程、自然資源等地理信息數據，還包括岸線的物理作用力數據和分析模型[32](表2)。為了實施有效的岸線穩固措施，需要充分考慮岸線受力情況，相關數據包括哈德遜河冰凍氣候數據，船尾、風浪、冰、風暴潮和海流等作用力數據。以上數據的獲取與分析主要由史蒂文斯理工學院提供技術支持。

表1 HRSSP水岸帶生態與工程技術研究主要成果匯總

表2 支持哈德遜河水岸線設計的空間信息數據構成

HRSSP空間信息數據是向公眾免費開放的，這是因為美國聯邦指令要求，由聯邦資助的組織和項目應主動向公眾公開其數據與信息[33]，同時由于HRSSP屬于NERRS科學合作項目，按照該項目的數據共享計劃(NERRS Science Collaborative Data Sharing Plan)要求，研究過程中如若產生新的研究數據或監測數據，除受到法律、法規、政策或安全的限制外，須在項目完成后向公眾免費開放，或收取最低的數據服務費[34]。充足的空間數據資源有助于相關人員更準確地理解場地特征及影響場地的外力作用，進行高效的場地分析，并以此為依據選擇適當的水岸線修復技術，完善決策過程。

2.3 持續更新的修復實踐——示范案例庫建設

該項目的示范案例主要通過評選產生，即由示范點網絡咨詢委員會(Demonstration Site Network Advisory Committee)通過評分系統進行篩選，已建成或規劃中的項目都可以申請評選。目前，已有8個項目被納入HRSSP示范案例庫(表3)。這些案例代表了水岸線項目的最佳管理實踐，其所采用的岸線穩定技術，可以保持并增強岸線的生態服務功能，提高岸線應對氣候變化的適應性，與傳統岸線修復技術相比也更為經濟。入選案例通過HRSSP項目平臺進行展示，具體內容除了包括項目建設成本、規劃設計方案、實施過程等基本信息外，還包含方案的經驗教訓、建成后的持續評估。后者可以讓人們更好地理解可持續水岸線修復技術如何控制水岸侵蝕，為循證設計提供依據。

表3 HRSSP示范案例

2.4 科學評價項目成效——項目評估

在項目修復前、后進行標準化評估，對于檢驗項目是否實現修復目標至關重要[13]。HRSSP對于示范案例岸線的物理和生態性能進行了持續的觀測與評估，并在2018年9月發布了《哈德遜河可持續水岸線快速評估手冊》。該評估手冊由卡里生態系統研究所、史蒂文斯理工學院等單位合作完成，可用于建設前、后的評估。在建設前評估水岸線結構的物理和生態性能現狀，從而做出有效設計決策；在建成后追蹤修復后的岸線績效，監測其持續性與變化，從而評估設計方案的適宜性[35]。

基于水岸的場地條件，通過簡單易行的評估方式(表4)，土地管理員和岸線設計人員即可獲得基準數據。例如相關工作人員可以在手冊指引下測量水岸結構在風暴過后的性能變化，并將其與傳統的硬化岸線保護措施進行比較，從而提出更有依據的岸線處理方法。該手冊的評估方法具有普適性，同樣適用于哈德遜河沿岸以外的其他地區。

表4 《哈德遜河可持續水岸線快速評估手冊》的主要評估內容

綜上，河流岸線修復是需要多方合作的系統工程。全面系統的理論研究，準確且高效的場地評估，選擇適當的修復技術，再通過長期監測評估岸線修復成效，使得哈德遜河岸線修復工作得以有效實施。此外，為加強學科間的合作交流，哈德遜河國家河口研究保護區自2016年起組織了網絡培訓與研討會，并將其被納入美國注冊規劃師、生態修復師、風景園林師及工程師的繼續教育培訓體系。培訓內容涉及岸線的修復技術、政策管理，讓項目參與者能夠更及時、全面地學習相關的技術、工具與研究成果。

3 示范案例介紹

伊索普斯草原保護區(Esopus Meadows Preserve)的示范點項目建成于2006年9月，并在2007年進行了維護。該項目充分利用自然元素，將40m的硬質岸線重建為自然岸線，在幾次颶風過后表現良好，是通過生態方式提高岸線穩定性的典型案例[36]，曾在HRSSP網絡培訓與研討會中作為成功案例進行技術推廣。

3.1 場地原狀與設計目標

該地區是哈德遜河河口最大的潮坪之一，風光秀麗，同時也用于魚苗繁殖。改造前場地岸線為磚石駁岸，侵蝕明顯(圖2)，沿岸的棲息地也受到了負面影響。該項目旨在為哈德遜河綠道水上游線建造停靠點，同時把場地恢復為更自然、更美觀的狀態。

圖2 伊索普斯草原保護區示點改造前[37]

3.2 設計方案

項目設計理念是最大限度地利用本地材料來模仿自然岸線。首先，拆除磚石駁岸后，沿高潮線放置石塊作為基底，以防大潮(spring tide)的影響。然后在石基上方，放置軟質石籠以重建和穩定坡岸(圖3)。軟質石籠用土工織物包裹土壤和巖石，土工織物由椰殼纖維編制而成，可完全生物降解。在軟石籠之間混種天然灌木物種以穩定土壤，通過種植多種植物，降低植物退化或死亡的風險。

圖3 2006年5月軟質石籠施工中[37]

項目建成6個月后，場地岸線遭到暴風雨襲擊，由于植物的生長情況還不足以固定堤岸，約5/6的軟石籠塌陷并向下傾斜。在2007年4月的場地修復中，設計人員延續了受損后的坡度，采用防侵蝕織物墊固定坡面，并通過活枝扦插補種植物。

3.3 項目評估

項目建成后，研究人員對場地的水岸帶條件和生態功能進行了評估，內容包括水岸長度、水岸彎曲度、坡度、底物覆蓋率、植被類型和高度、高地土地利用情況等，以上數據將用作后續評估的基準。對場地還進行了風波與氣象影響觀測，以評估風浪、積冰對于侵蝕的影響。事實表明，場地在2011年颶風艾琳(Irene)和熱帶風暴李(Lee)，以及2012年的颶風桑迪(Sandy)中表現良好(圖4)。

圖4 2012年11月堤岸經受住了颶風桑迪的考驗[37]

利用紐約港觀測及預報系統(NYHOPS)數字化模型對場地經歷的3場風暴及颶風進行了浪高與水位模擬(圖5、6)，對比場地海拔高度，發現場地僅在桑迪期間被淹沒，但此次颶風對場地的影響較為有限[38]。結合場地考察，認為該項目岸線修復成效良好的主要原因：一是充分生長的根系對植被穩定和水岸線抗侵蝕作用突出，而這也表明為新建岸線提供臨時性保護措施的重要性；二是在2007年暴風雨過后，將塌陷后的堤岸坡度作為設計依據，使得修復后的岸線更具耗散性，不易受到直接波的沖擊(圖7)。

圖5 颶風艾琳、李、桑迪期間的伊索普斯地區的模擬浪高[38](洪泉改繪自參考文獻[38])

圖6 颶風艾琳、李、桑迪期間的伊索普斯地區的模擬水位高度(洪泉改繪自參考文獻[38])

圖7 2020年7月植物充分生長，水岸線狀況良好(唐慧超攝)

4 借鑒與啟示

HRSSP項目的理論與技術研究、工作方法與實施經驗為我國的岸線修復提供了借鑒，主要包括以下3個方面。

4.1 基于自然的修復途徑應以科學性為前提

HRSSP項目將岸線修復工作的科學性放在第一位。岸線生態與工程技術的研究為基于自然的修復途徑提供了堅實的理論基礎。在設計階段，基于場地數據的分析模型和決策系統為設計提供準確的數據支持，使得設計過程更趨理性。在項目建成后，對場地進行持續監測，及時評估風暴等災害對場地的影響，并將評估內容與方法進行總結，編制成評估手冊進行專業教育與技術推廣，為日后的循證設計提供依據。我國目前對水岸建設及岸線修復后的持續評估與經驗總結不足，相關實踐多為論證設計而非循證設計，應重視岸線修復前、設計中、建成后，以及工作全過程的科學性。

4.2 加強空間信息系統數據庫的建設與共享

岸線修復設計以水文、地形、自然資源等空間信息數據為基礎，這些數據對于理解岸線侵蝕現狀及其成因、重建濱水地帶野生動植物棲息地至關重要。美國的地理信息系統數據庫建設較為完善，許多州都建立了自己的數據庫，并按照美國的相關法規要求免費對公眾開放[39]，如哈德遜河的相關研究可以通過紐約州地理信息系統交互平臺直接獲取哈德遜河河口數據和地圖集[40]。

目前我國缺少對公眾開放的空間信息系統數據庫，而研究人員和規劃設計者也常常面對因數據缺乏導致工作不能深入的尷尬境地。數據的獲取、整理與保存都需要大量的科研經費支持，而高質量的數據庫建設與開放共享，不僅可以避免重復性的基礎性調研工作和經費浪費，還可以有效提升科研效率與深度[41]。建議我國政府相關機構在對濱水城市水岸帶進行保護與修復的工作中，制定統一的數據收集標準，建立信息收集、更新機制，加強空間信息系統數據庫建設與共享。

4.3 加強多方合作與交流

HRSSP是由紐約州環境保護局的哈德遜河國家河口研究保護區負責，而作為項目主要參與方的卡里生態系統研究所與史蒂文斯理工學院，為項目的數據獲取、建模、分析及評估提供了重要支持，也為項目的長期監測提供了有力保障。科研單位不僅為政府管理機構提供了技術支持，也為設計單位的實踐工作開展奠定了重要基礎。岸線修復涉及政府管理機構、科研單位、規劃設計機構、工程施工企業等眾多單位的合作與協同，應將岸線的修復技術、管理政策等內容納入相關工作人員線上或線下的職業教育培訓，使得相關人員能夠全面認識工作的科學性，從而加強不同行業、學科間的交流。

致謝：感謝美國康奈爾大學區域與城市規劃系George R. Frantz教授對本文寫作和場地調研提供的幫助。

注釋：

① 河口為河流注入海洋、湖泊或其他河流的結合地段。