基于近自然化和海綿城市理念下的城市河道生態修復

歐陽小平

（中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

近年來，城鎮化進程和城市規模的快速推進和擴大，使城市河流承載的環境壓力不斷加大，導致城市水體不同程度地存在富營養化甚至發黑發臭的現象，河流生態失去平衡、生態系統逐漸退化，與追求居民健康的美麗城市環境和目標背道而馳［1-3］。同時，隨著城鎮化建設步伐的不斷加快，城市地面硬化面積的增加、降水下滲量的減少，導致排水斷面難以滿足城市雨季排水需求，河道水質、水量變化相對較大，部分城鎮出現嚴重內澇等現象［3，4］。2018 年，習近平總書記在《打好決勝全面建成小康社會三大攻堅戰》中，明確指出水體環境治理是標志性重大戰役之一。因此，為了保障城市系統和諧運行和可持續發展，迫切需要對城市河流污染進行科學治理和修復。

在過去十余年，我國各級政府采取有效措施，加大城市水環境治理力度，投入了大量資金和精力用于城市河道治理，尤其是2015 年頒發的“水十條”拉開了大規模水環境綜合治理行動的帷幕，在城市水環境生態保護和治理方面已經取得了明顯的效果，比如截至2020 年底，全國地級及以上城市黑臭水體消除比例達到98.2%。但是，距離城市水環境水質穩定、水體生態功能達標、實現生態宜居城市等要求還存在較大差距［5］。水環境治理是個復雜的系統工程，在治理修復過程中存在操之過急和形式主義的表現，為了短期見效做表面文章，不惜成本，例如采取臨時大水稀釋沖淤、清淤疏浚，或是單純投撒藥劑、曝氣等措施［6］，往往難以從根本上修復水體污染。同時，河流人工化造成的后續問題也十分突出，主要表現為渠道化、園林化、商業化，使原本自然、生態的河流形態和景觀愈發單調和千篇一律，例如為了行洪安全和岸坡穩定過度提高河流堤岸的高度和坡度，出于道路交通和成本考慮將彎曲的河流人工渠道化和直線化，同時采用砌石、鋼筋混凝土、預制塊等硬質化材料用于河道底質和岸堤建設。這些傳統措施造成了自然河流的渠道化和非連續化［7］，破壞了河流的縱向連續性和橫向的連通性，阻礙了河流與河漫灘之間的水文聯系，阻隔了與周邊環境的物質和能量交換［8］，導致河流形態多樣性、河流生態系統生物多樣性水平的降低，而且水污染修復效果穩定性和持續性不強，缺乏后期持續科學的管理和維護［9］。隨著認知水平的提升，人們逐漸認識到傳統水利和水體修復工程的弊端及其帶來的負面影響，也深刻地認識到水環境保護與河流治理不僅要滿足河流泄洪、防洪、灌溉等水資源配置方面要求，在考慮工程設計原理的同時，也要符合生態學原理，滿足生物多樣性和自然景觀要求。因此，河道修復的思路和指導理念轉變勢在必行，回歸自然和生態成為現代治理方向的理性選擇，使生態系統在生態修復后逐漸趨于平衡，并逐漸恢復到受干擾前的自然狀態，具備自我凈化和調節能力，提高生態系統完整性，包括它的物理完整性、化學完整性和生物完整性［10-12］。

“河流近自然化修復”理念從20 世紀80 年代被提出后，其對應涵義和技術日漸豐富和完善，在許多國家得到改進和應用推廣。近自然化修復的核心理念是強調尊重人與自然的和諧，重視恢復河流生態系統河道原有的狀態。與此同時，海綿城市的理念及其應用優勢，也開始為人們在城市河道修復過程中所關注。近年在全球氣候變暖背景下極端天氣頻發背景下，一些城市發生短時強降雨引發城市內澇和次生災害。比如2021 年7 月在鄭州發生的特大暴雨，形成嚴重的城市內洪澇、河流洪水、山洪滑坡等災害，造成巨大的生命和經濟財產損失，而且短時暴雨激增產生的水體污染影響了居民飲用水安全和生態系統安全。海綿城市強調雨水資源的循環利用，在城市雨水的自然存儲、滲透和凈化方面與河道生態修復存在共性。目前，國內在近自然化和海綿城市理念在城市河道修復中的應用實例和前景研究較少，且缺乏系統完善的理論解析與工程應用總結。本文將敘述近自然化與海綿城市理念的發展歷程，并闡述與城市河道修復技術的聯系，并通過國內典型案例，總結兩者交叉理念在河道生態修復中的科學性與應用前景，進一步提煉近自然化與海綿城市共性理念及其優勢，以期為城市的河道治理和生態修復提供理論借鑒。

1 近自然化和海綿城市理念發展歷程

1.1 近自然化理念

西方國家指出“河流再自然化”概念的核心涵義是倡導將河流修復到接近自然的程度，并優先考慮恢復河流生態功能［13］。歐洲萊茵河沿岸國家在“萊茵河行動計劃”基礎上接著又進一步開展了“萊茵河2020 和2040 行動計劃”，主要目標包括使得鮭魚恢復達到種群自然繁衍水平、河流水質持續改善和防洪效果改善等［14］。而美國，通過《河流修復手冊》的發布，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，將河流水資源管理模式貫徹到經濟、生態和文化等多個方面［8］。日本在1980年代提出建設多自然河川的方針，指出河川整治目標應由單一的河川整治向以恢復河川自然屬性的水邊環境建設發展［15］。由此可見，國外關于河流自然化治理也經歷了不同階段的認知，也是在逐步完善和更加科學化。

城市河道近自然化是在滿足一定城市基礎設施功能的基礎上，通過生態工程技術和空間營造策略，以自然為導向，以城市安全和防洪安全為前提，恢復河道自動力過程和部分生態服務功能的一種景觀塑造方式［12，13］。混凝土水泥、鋼筋混凝土、砌石、預制塊等硬質化材料作為河道護岸和底質材料是導致河流生態系統惡化的重要原因［16］。目前，該思路已被各國普遍否定，且一些國家開始付諸行動將以前鋪設的河床和岸堤硬質材料拆除［17］，用自然材料如礫石、土壤加植被所代替，用于逐步恢復河道岸堤和底質的自然狀態［18］，提高水生生物物種之間的物質、能量和信息交流。比如，美國拆除了洛杉磯河上的混凝土硬質河道，瑞士在河流保護法規中規定優先使用自然生物材料用于治理河道，而法國進一步規定在進行城市河道建設時，要求地面的不透水面積≤3.3%［19］。同時，政府和學者逐漸開始重視生物棲息地的維護和管理，將生物多樣性納入到評估河流修復效果中［20］。本文前面提及的“萊茵河2020 和2040 行動計劃”，大幅提高了萊茵河生態系統功能，恢復了鮭魚棲息地和數量，并實現河道的生態聯通和生物多樣性的增加［14］。在國內，王薇和李傳奇［21］提出了河流生態修復的概念和技術，并重點從河流廊道的空間結構和生態功能角度分析了其應用前景。王沛芳等［22］強調需要全方位重構城市的水生態系統，并提出了水安全、水環境、水景觀、水文化和水經濟“五位一體”的建設模式。董哲仁［7，12］提出“生態水利工程學”概念，強調水利工程在滿足人類社會的需求同時，也要考慮環境中生物多樣性需求。遵循“基于自然的解決方案”理念，葉芝菡等［23］開發了由滲濾型邊灘、生態跌水和近自然河溪構成的河流多生境自然塑造技術及系統，并在北運河流域的再生水河道臺頭溝實施了工程應用與示范，對氨氮、總氮、總磷和化學需氧量的平均削減率分別為62.15%、47.46%、48.50%和70.84%；同時，河道生境質量得到改善，生境類型由不足3 種提升至超過8 種，河道底棲動物的種類數量和多樣性指數增加。由此可見，近自然化生態修復理念有助于恢復河道水文連續性，重塑河流蜿蜒曲折風貌和岸堤優美自然景觀，增加河流生物多樣性指數，逐步恢復其本來生態功能和價值［24］。

盡管近自然化理念在一些國家的概念和主要涵義有所不同（圖1），但共同強調了傳統水利工程和水體修復工程措施中存在的不足和弊端，一致認為應該尊重自然客觀規律，重視河流生態系統的平衡調節能力和生物多樣性資源的恢復與重建，并通過適當的科學的人工干預與維護將受損的河道系統逐步恢復到本來的自然形態與面貌。我國河流的近自然化研究已經開展了二十余年，主要集中于河流生態方面，針對河流生態系統的治理提出了諸多深入的整治措施和技術手段［25］。而在與民眾最密切的、關注最高的城市河道修復方面，相關的近自然化理論與實踐研究較少，是未來的研究重點。

1.2 海綿城市

西方國家早在20 世紀50 年代已建立了比較成熟和完善的雨水管網排水系統，但是隨著城市人口的不斷增加與城區面積規模的蔓延，仍然逐漸出現水資源短缺、城市內澇、雨水徑流污染、水生態環境惡化等問題。據此，一些國家進行了探索與實踐改進，提出了旨在控制降雨徑流和改善城市河流水生態環境的雨洪管理理論，比如“最佳管理措施”和“低影響開發”（美國）、“水敏城市設計”（澳大利亞）、“可持續排水系統”（英國）等（圖2）［26］。我國在城市雨洪管理和控制利用方面的研究起步較晚，直到80年代才在這個領域開展較為系統的理論研究和工程實踐。目前政策法規還不夠完善，今后應結合我國城市自身特點和現狀，借鑒發達國家的經驗和觀念，結合城市規劃方案，提升城市雨洪管理和利用水平［27，28］。

由于城市人口和工業密集，地表水資源總量較少，我國城市普遍存在水資源短缺和水環境污染問題。因此，在研究初期主要針對如何提高城市雨水資源利用率，而近年在氣候變暖背景下極端氣候頻發，加上城市水環境污染日趨嚴重，逐漸開始將重心向雨洪調控和污染控制轉移，并進一步提出“海綿城市”概念。海綿城市理念強調雨水資源的綜合整治，使城市通過植被、地表徑流等自然措施，將雨水通過吸、蓄、滲水、凈水、釋放蓄存等途徑加以凈化與利用，使之呈現出類似海綿的彈性特征，并逐步成為解決城市水生態、水安全、水環境等問題的一項重要措施［27］。海綿城市核心理念強調從源頭削減、過程傳輸和末端治理三個途徑對河道進行生態修復和治理［28］，不僅能夠確保城市排水防澇安全，還能促進城市雨水資源的利用和水環境保護，促進環境可持續發展。2014年，住建部發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》，提出了各層面規劃中海綿城市及低影響開發系統的內涵及構建方式、規劃控制目標的執行情況等內容，并明確了在設計、施工和維護管理過程中對低影響開發系統的具體要求（圖2）。

北方城市偏重雨水資源的蓄集利用，而南方城市則更注重河道周邊水系的穩定和城市水環境質量的提升［29］。我國城市河道存在河岸硬化、水生態功能弱化、易澇等問題。國內相關研究主要將低影響開發雨水系統應用于城市建設中，先后將武漢、重慶、廈門、南寧等城市作為海綿城市建設試點工作，通過自然與人工相結合，協調好水循環系統，實現城市與水生態環境的有機結合［30，31］。經過多年的實踐研究，發現修建低勢綠地和植被緩沖帶等可有效削減地表徑流量，凈化、蓄積、利用地表初期雨水，減少市政管網和河道水體中污染物［31］。在原有蓄水池的基礎上，拓寬原有河道水系，利用閘門控制、人工和自然凈化等方式調蓄凈化地表水體，連接引河建立水體循環與雨洪調蓄相結合的水系，不斷完善排水系統緩解城市澇災風險，充分發揮河道疏通和排泄功能［31］。武漢巡司河水環境修復是在滿足城市防洪、排澇、調蓄等基礎設施功能的前提下，增強城市河道豐水期彈性，對主干道進行污染治理和水質提升，提高水流速度，緩解雨季水面漲速過快問題，改善人居環境和城市水生態環境，提高環境承載能力，形成城市獨特的水體景觀和水上游覽通道，滿足城市防洪、排澇、調蓄水質指標的同時，使得河道水體基本符合地表水V 類標準，并有利于逐步恢復河道水體的植物多樣性［32］。工程實踐中采取的水量控制措施主要包括滲水鋪裝、下凹式綠地、雨洪滯蓄水庫的地下蓄水池和蓄水量控制等；水質治理措施主要有雨水口截污裝置、植被緩沖帶、排水草溝、泥沙過濾裝置、懸浮物滯留池、雨水花園和濕地等［33，34］。

目前，我國海綿城市建設已初見成效，針對不同氣候、城市特點的海綿城市規劃、設計、建設手段也已經逐步完善。與此同時，西方國家的經驗表明在生態雨洪管理的過程中，職責清晰的組織架構、嚴格的立法和政策支撐均必不可少，通過逐步制定相關規范標準，形成完善的技術標準，可為我國城市海綿城市建設提供理論和指導支撐。目前，我國海綿城市建設已由試點探索轉為經驗總結，今后研究重點轉為如何可持續推進海綿城市建設和后期運維管理，重視海綿城市建設對緩解城市局部熱島效應、節約建筑能耗、美化地表和河岸緩解等方面的功能，并進一步通過政策支持和導向促進海綿城市建設的推廣。

2 案例分析-阜陽市河道修復

2017 年，《阜陽市海綿城市專項規劃》出臺，旨在通過水環境和水生態改造提升工程，解決阜陽市內河水系黑臭以及水生態持續惡化等問題。同年，通過“控源、截污、清淤、調水、管理”治水組合拳，將城市河道治理與近自然化和海綿城市理念有機結合，實施阜城水系綜合整治PPP 項目。該項目于2020 年12月順利通過了國家生態環境部、住建部省住建廳等上級部門的考核驗收，表明阜陽市城市黑臭水體整治工作取得了明顯成效。下文將簡要介紹阜陽城市水系整治過程中涉及與近自然化以及海綿城市相關的理念與措施。

2.1 河道近自然化與海綿城市設計

在河道近自然化理念指導下，穩定河岸坡腳，減少河岸侵蝕，盡可能少使用混凝土結構。采用生態擋墻+坡面的復式斷面拓寬城市河道，考慮到東清河北段現狀河寬基本符合要求，河底有部分淤積，排澇能力不達標，可為水生物棲息和繁衍提供場所。在部分河段采用仿木樁、圓木樁等加固河道岸堤，以提高岸坡穩定性以及護岸與水連接段的視覺效果。有些河道岸邊設計大型礫石和凹槽洞穴，為魚類和其他水生動物提供產卵和庇護，為水生生物棲息地恢復創造前提條件。通過處理河床底基質營造河道深潭淺灘的局面，營造出豐富的河岸異質環境，供魚類及底棲生物棲息。在西清河和一道河之間實施水系連通工程，保障水系的疏通和激活，并適當補充河道水流，確保水體流通和循環（圖3）。而潁東、潁南的一些沒有與其他水系相連，或存在斷頭現象的河道，通過實施閘、壩、堰等建設工程，實現水系相連和活水流動的局面。在容易遭受洪澇的河段建設排澇泵站，提高城區防洪排澇能力。在流速較慢的城市河道內，布置曝氣式人工浮島，改善河道水體污染物降解條件，提高水體自我凈化能力，為水生生物恢復和生物多樣性提高奠定基礎條件。

圖3 近自然化和海綿城市理念在阜陽市水環境修復中的具體體現Fig.3 The embodiment of the near-naturalization and sponge city concept in the aquatic restoration of Fuyang City

另一方面，立足海綿城市和低影響開發建設理念，設計生態草溝、下凹式綠地、雨水花園、調蓄塘等，在公共區域鋪設透水磚，使雨水快速下滲，有效蓄積和凈化雨水資源，降低城市雨洪內澇和河道污染為根本。同時，這些緩沖性能較強的下墊面還能對雨水沖刷、蓄積初雨和凈化雨水中污染物、消減雨季洪峰入河，為水體聯通和再生循環二次利用提供后備水源保障，也能對地表徑流產生的面源污染進行一定預處理（圖3）。通過實施阜城水系綜合整治以及海綿型道路、公園綠地、建筑等一批項目，阜城建成區符合海綿型城市建設標準的地面面積達到31%，并完成內河涌綜合海綿型體系建設45 條，試點建設海綿型社區8 條內河涌道路，鋪裝路面透水率全部達到80%以上。另外一個有效調節區域降雨排水和提高水資源利用效率的有效措施是興建調蓄池。在七里長溝示范修建的調蓄池可把周邊區域雨季雨水徑流的高峰流量暫時儲存，將收集污水及初期雨水輸送至鄰近穎南污水處理廠處理。這不僅可削減雨季洪峰流量，避免初期的雨水污染受納河道的水體，還可以提高雨季雨水利用程度。而在枯水期經鄰近污水處理廠深度處理后的再生水，可在調蓄池中臨時存放，用于周邊樹木和草坪的灌溉，以達到雨水資源的循環利用。

2.2 河道生態食物鏈系統構建與綠化管理

經過上述工程措施，達到降低入河雨季洪峰和入河污染物的目的，為恢復水生物和重構良性生態系統，進一步構建基于河道水生物現狀的完整生態食物鏈提供基礎條件。食物鏈重構工程主要涉及七漁河、老西清河、二道河、六里河等河道，根據各河道的實際情況，建設多樣化的水生態環境（圖3）。重構的水生生物食物鏈系統包括水草凈化系統、魚類和底棲動物等，通過微生物代謝、植物吸收和水生動物攝取等途徑，逐漸降低水體污染物含量，提高水生態系統的穩定性和水體自凈能力，逐步恢復水體生物多樣性。除了工程性措施，還要重視河道治理過程中的非工程性措施，比如河道兩岸和水體中的枯枝落葉、殘骸以及固體垃圾定期清理，岸堤穩定性及時檢修，冬季之前沉水植物的收割與清理，及時清理雨季河面上的漂浮垃圾，避免這些有機物質在水體逐步降解，將養分重新釋放到河流中，使得其水體和岸坡水生植物生態功能最大化。阜陽市2022年1-11月份13個地表水國家考核斷面水質達標率和優良率均達到100%，打破了以往以單一水質提升為核心目標的傳統。這表明前幾年開展的水環境和水生態整治提升工程在生態修復、防洪整治、景觀美化等方面取得顯著成效?？傊?，通過引入近自然化、海綿城市的新理念，注重河道自我凈化能力的恢復和生態系統完整性的重構，重視雨水資源的處理與再利用，可以有效實現城市生態修復與景觀和諧發展。

2.3 發展趨勢

通過上述研究可以看出，近自然化和海綿城市理念如果與城市河道生態修復有效結合，更多的從水生態系統恢復和生物多樣性保護角度出發，在逐步恢復水質目標的同時，提升水體自凈能力和生物完整性，可為城市和諧健康發展提供基礎和保障條件。近自然化和海綿城市措施中呈現你中有我、我中有你的局面。比如硬質河岸和硬質地質的改造原則，不僅符合近自然化柔性設計的理念，也符合海綿城市打造緩沖海綿體的需求。而河道生態修復盡可能滿足二者原則的前提下，結合實際背景和需求進行科學設計，更能體現水質改善的可持續性和生態系統完整性。同時，傳統修復措施存在投入大、成本高、養護難的問題，而近自然化修復盡可能采用低成本的方式或采用原始自然界中的材料［19，24］。海綿城市基礎設施建設成本與和經濟-有效性與設計暴雨重現期有關，收益主要體現在防洪、處理后水體再利用和生態補水等方面［35，36］。因此，總體而言，這兩種新型理念指導下的工程措施在成本上具有優勢。在國內外研究現狀的基礎上，綜合城市河道修復的主導原則應該注重城市防控安全性、河道空間異質性、生態系統安全性、區域設計整體性以及工程和維護成本等［25，28］，采取科學的工程性措施和非工程性措施，有規劃地實現城市河道生態系統完整性和生物多樣性的恢復（圖4）。比如作為海綿城市建設的重要蓄水載體，構建完整的生態景觀體系能夠提升區域調蓄能力，實現城市建設與自然生態、人類與自然濕地緩解的和諧。綜合考慮“滲、滯、蓄、凈、用、排”六位一體的海綿城市理念，對水資源進行合理利用，對洪峰流量進行消減，對河道及下游水體污染進行削減［29］。其中蘊含的恢復自然本來地貌與形態的本質與近自然化理念也類似，這二者最終目的與河道修復過程中的水資源功能與生物多樣性恢復的目標相一致。此外，人們已經認識到，地表硬化和城市公共區域河岸改造硬化，不僅不利于雨水下滲和防洪安全，而且還阻斷了與周圍介質環境的物質能量交換，使水體自身凈化能力和生物多樣性大大降低。因此，以海綿體為目標的各種柔性設計措施更多開始應用于近自然化和海綿城市建設中，而這些科學措施均有利于城市河道水體的修復、水資源的生態需水調配以及相關功能的恢復。

圖4 基于近自然化與海綿城市理念下的城市河道生態修復原則與措施（參考［24，29，39］）Fig.4 The principles and measures for urban river ecological restoration under the near-naturalization and sponge city concept

目前，發達國家的雨洪管理趨于注重雨洪管理設施與城市景觀的有機融合，從傳統的水量控制向水量與水質并重過渡，促進城市與水環境的和諧可持續發展［37］。由墨爾本主導的水敏型城市設計技術（WSUD），已成為澳大利亞城市開發中的強制標準，并得到廣泛應用［37］。該技術是一種跨越多專業的雨洪管理系統，可有效解決城市雨水徑流面源污染等問題。綜合國內外河道修復體現在近自然化和海綿城市方面的先進理念，我國后續可供借鑒的發展趨勢有以下兩個方面：①將河道修復與城市的整體規劃相聯系。以《墨爾本規劃2017-2050》為代表的若干規劃建立起了保護生物多樣性的規劃體系，從宏觀的建立綠色空間網絡、規劃綠楔和城郊地區，到中觀的城市河道水系與海岸線修復，再到微觀的場地詳細規劃和景觀設計，城市設計均注重與生物多樣性保護技術結合。②逐步構建城市河道修復評價指標與標準，進行適當效果評估，不僅包含傳統的水質水量指標，也應該補充反映棲息地和生物多樣性的指標。比如新加坡構建了23個城市多樣性指數的核心指標，以城市環境保護過程中的生物棲息地保護為核心，記錄和監測在城市生物多樣性保護方面進展［38］。

3 結 論

（1）本文系統闡述了近自然化修復和城市海綿城市的發展歷程和內在理念，通過比較分析概括了其對傳統修復措施的優勢所在。

（2）基于安徽省阜陽市城市河道修復工程和效果，提煉了實際河道修復工程中的近自然化和海綿城市理念，可為后續類似工程提供參考。

（3）未來近自然化和海綿城市建設需要在政府層面進行政策支持，并建立評價指標和標準，提升河道修復效果。