基于生态化河道四维特性的河道综合治理措施探讨

李兴德，李浩宇，马 静

（山东农业大学，山东 泰安 271018）

河道，即河水流经的区域，是水生态环境的重要载体，是河流生态系统中的生境组分，扮演着生物支持系统的角色。传统的河道建设和治理往往只考虑行洪、灌溉、航运等经济利益和社会目标，忽视了河道的生态功能，造成了对河流生态系统的胁迫效应。这些胁迫效应主要表现在河流的渠道化和非连续化以及水文情势的均一化3个方面[1]。综合考虑经济利益、社会效益和生态效益，基于生态理念的河道综合治理措施值得我们去研究和应用。

1 生态化河道的提出

1.1 河道的生态功能

随着“人水和谐”理念的普及和生态水利研究的深入，越来越多的水利工作者认识到，河道不仅仅具有行洪、灌溉、航运等功能，而且还有很重要的生态功能。河道的生态功能主要表现在栖息地、通道、屏障和过滤、源汇等方面[2]。

1.1.1 栖息地功能

栖息地是指各种生物包括人类进行正常生命活动的场所与外部条件的总和。河道的栖息地功能主要有为生物提供河道水环境，为各营养级生物提供食物和水源等。很多物种利用河道进行觅食、饮水、繁殖等生命活动，形成了重要的生物群落。河道的栖息地功能关键受到其宽度和连通性的影响。在河道范围内，增加宽度和提高连通性是提高河道栖息地功能的有效途径。

1.1.2 通道功能

通道功能是指河道可以作为物质运移、能量传输和信息交换的通路。河道是物质运移的通路，生物和非生物物质借助水流运动进行合理分配，沉积物进出河道的量和时间也会借助合理的河道得到优化。河道以多种形式成为能量传输的通道，水流的重力势能造就形态各样的流域地貌，河水可以充分调节光照分布。河道也是信息交换的通道，各营养级生物生命活动的信息都是借助河道进行交换的，如中华鲟的溯河产卵。要实现河道的通道功能必须保证河道的连通性，包括横向连通和纵向连续。

1.1.3 屏障和过滤功能

河道的屏障功能是借助河岸堤防形成独立的区别于陆地环境的河道水环境。河道的过滤作用是指允许能量、物质和生物选择性的通过。河道的屏障和过滤功能可以减少沉积物转移，防止水体受到污染。河道的屏障和过滤功能，主要取决于河道的缺口出现频率。河道中的断缺口有时会造成过滤功能的漏斗式破坏。河道缺口处地表径流过于集中，容易造成面蚀、沟蚀等破坏，沉积物也会通过缺口自由地流入河流中。

1.1.4 源汇功能

“源”是指为其流域内其他环境提供生物、物质和能量。“汇”是指不断地从其周围环境中吸收生物、物质和能量。河道作为“源”借助两岸植被向河流中输送营养物质，此外河漫滩也是河流泥沙的主要来源。而在降水过程中河道又会汇集整个流域的径流，起到“汇”的作用。

1.2 生态化河道的内涵

生态化河道是指在河道规划、设计、施工、治理中综合考虑工程设计和生态功能要求，利用生态学原理和生态水利工程学的技术手段，在人工干预下能充分发挥河道生态系统自组织、自设计、自我恢复能力的生态健康河流的载体。

在这个定义里，包含以下几层含义：一是生态化河道是人工自然型河道而非纯自然河道，“化”体现了人工干预，“生态”体现了建设理念；二是生态化河道是生态健康河流的载体，它对应的是河流生态健康这样一种状态，董哲仁教授给出了河流健康的内涵[3]；三是生态化河道在建设和治理中既要考虑行洪、灌溉、航运等工程设计要求，又要考虑栖息地、通道作用、屏障和过滤作用、源汇等生态功能的要求；四是生态化河道不是完全的依靠人工干预，而应该是在工程措施辅助下，利用生态系统的“三自”能力，缓解水利工程对河流生态系统的负面影响，尽可能地为河流生态修复创造条件。

生态化河道不是严格意义上的科学概念，而是基于河道治理模式提出的。其作用是建立设计参照物和评估准则体系，在目前没有统一工程设计标准的情况下，给水利工作者提供设计参考、生态效益评估依据和生态水利标准化研究方向。其作为设计参照物，目前限于笔者研究水平，只能给出定性描述，定量化表达有待于进一步研究。

2 生态化河道的四维特性

传统河道治理中的的渠道化、非连续化以及河道内水文情势的均一化，造成了对河流生态系统的胁迫效应。总结自然河流的共性，不难发现生态化河道在纵向、横向、竖向和时间上表现出有别于传统河道的四维特性（如图1所示）。具体如下：

图1 河流四维坐标

2.1 纵向上，生态化河道主要具有连续性、蜿蜒性和生境异质性的特征

河流是一个廊道系统，从源头到河口均发生化学、物理和生物变化。生物物种和群落随上中下游河道自然条件的变化而不断地进行调整和适应，上游的变化会对中下游产生影响。大多数自然河流上中下游所流经地区的气象、水文、地质地貌条件有很大差别，河流沿纵向形成了急流、缓流、瀑布、跌水等不同的流态。

自然河道在水流的作用下往往形成弯曲或微弯的形态，蜿蜒曲折是其基本特征。从局部河段观察，在河流凹侧，水流的顶冲淘刷造就深潭；而在河流的凸侧，水流减缓，泥沙淤积，形成浅滩。这样沿河流流向，形成了急流与缓流相间、深潭与浅滩交错的格局（如图2所示）。

图2 生态化河道的蜿蜒性

2.2 横向上，生态化河道主要表现为廊道区域内的横向流通性以及河道横断面形状的多样性、不规则性

在河流廊道生态系统中，河道与周边区域之间存在着物质流、能量流、信息流等多种联系。而在过去传统的河道治理中，人们从行洪或航运的角度，沿河筑堤，妨碍了水流的横向扩散，形成了一种水体的非连续状态，进而割断了廊道生态系统的物质流。因此，给河道以空间，保证河道的横向连续是河流生态化综合治理的一个重点。

此外，生态化河道的横断面形状多样且不规则。在较宽的河道，深潭与浅滩往往交替出现。河道建成梯形或矩形等几何规则断面，降低了河道的栖息地功能，不利于河流生态系统恢复（如图3所示）。

图3 典型自然河道横断面结构

2.3 竖向上，生态化河道主要表现为透水性

透水性保证了河流与地下水的正常交换，河床底质中的营养物质和生物体可以通过孔隙进入河流。传统河道治理往往采用不透水的浆砌块石或混凝土材料作为河床材料，割断了河道径流与地下水之间的连通。生态化河道要求在输水要求不高的河段上采用有孔隙的护底方式，如采用不同粒径的碎石、卵石等，保证河床的竖向透水性。

2.4 时间上，要重视河流演变历史和特征，主要表现为长期性和周期性

河道的演变具有长期性，需要对历史观测资料进行收集、整理，以掌握长期的河流变化过程与生态过程的关系。人类活动对于河流生态系统的胁迫效应，往往需要几十年甚至上百年的时间才能显现出来。同样，生态化河道的建设也需要长时间逐步恢复其结构和功能，期望河道生态修复短期奏效往往是不现实的。

河流生态系统的演变是一个动态过程，河流生态系统随着降雨、径流变化呈现出脉冲式的动态变化，生物群落交替扩展和收缩。生态化河道的周期性主要表现为河道内径流的丰枯变化和泥沙冲淤变化。

3 河道综合治理措施

在分析生态化河道四维特性后，不难发现在生态化河道建设和治理中，很重要的是给河道以空间，提高河道空间异质性，恢复河流连续性，模拟自然径流规律。

3.1 给河道以空间

传统河道出于行洪的目的，往往建有堤防工程，压缩了河流的生存空间，导致漫滩区和洪泛区的生态功能退化。生态化河道要求堤防后靠，此外可以采用两级河道的设计形式。

通过降低岸堤高程，横向连通河道与河漫滩，形成河道大空间。对于新建岸堤，在堤线布置方面，应遵循宜宽则宽的原则，处理好河道行洪、土地利用与生态保护之间的关系。河槽和河漫滩不仅要能满足行洪要求，还要保持一定的浅滩宽度和植被空间，既为生物的生命活动提供栖息地，又有利于河流自净和地下水地表水交换[1]。

两级河道中的上部河道主要用于行洪，下部枯水河道主要用于提高泥沙输移能力和改善栖息地质量。上部河道可设计成湿地或开发为亲水平台，枯水河道可设计成蜿蜒形态，河道应尽可能设计成复式断面（如图4所示）。两级河道往往要比单级河道宽，从而会涉及建设用地等方面的问题，需要各方面综合考虑。

3.2 提高河道空间异质性

河道的空间异质性主要表现为：上中下游的生境异质性，河道纵向的蜿蜒性，横断面形状的多样性。提高河道空间异质性的生态学原理是生态系统的生境异质性特征，其措施主要有河道设计成蜿蜒形态，浅滩-深潭序列的修复和重建[4]，通过修建堰闸、丁坝、跌水、陡坡等水工构造物营造急流与缓流相间的格局[5]。横断面设计采用不对称断面或复式断面。此外，广泛应用栖息地加强结构，典型的河道内栖息地加强结构包括小型丁坝、堆石堰、鱼巢、遮蔽物等。这些结构可以削减能量，降低近岸流速，保护河道岸坡不受淘刷，改善鱼类栖息地环境。其结构类型要根据现场条件和当地的材料情况加以选择。

图4 兼亲水、蓄水、防洪功能为一体的复式生态化河道断面结构

3.3 恢复河流连续性

恢复河流连续性的生态学原理是生态系统的整体性特征，即河流是一个完整的连续体，上下游、左右岸、河岸河底构成一个连通的、完整的体系。为了保证河流纵向连续性，对形成上中下游联系障碍的水工建筑物（如大坝）能不建就不建、能少建就少建，对于不得不建的也要设置合适的通道（如过坝鱼道）以保证连续性[6]。

恢复横向连续性的主要措施是生态护岸 （坡）技术。生态护岸（坡）是指综合运用工程措施和植物措施对河道坡面进行防护的一种新型护岸（坡）形式。生态护岸（坡）集防洪效应、景观效应、生态效应和自净效应于一体。目前生态护岸形式多样，概括起来主要有植物护岸、抛石护岸、石笼护岸和连接块体护岸等[4]。

恢复竖向连续性关键是河床材料的选择。大部分自然河流的河床材料都是透水的，即由卵石、砾石、沙土等材料构成。透水的河床为河道内水体提供了渗透通道，保证对地下水层的有效补给。因此，恢复竖向连续性很重要的是改变以往河道“硬质化”的做法，选择具有一定透水性的材料或者做成具有一定透水功能的垫层。

值得一提的是这些措施也是提高河道空间异质性的有效措施，因为透水材料的选择有利于形成洞窟、孔穴、缝隙等复杂的生境，利于生物的休养生息。

3.4 模拟自然径流规律

自然状态的水文情势周期循环变化，河流生境和生物系统也随之呈周期变化。在丰水期水生植物占优势，而在枯水期水生植物衰退、湿地植物迅速成长，这是一种脉冲式的生物群落交替模式。模拟自然径流规律关键是掌握水文过程与生态过程的效应机制，改善现行的水库调度方式，采用兼顾生态的水库多目标调度方法。如，根据鱼类的繁殖习性，营造有利于鱼类产卵繁殖的“人造洪峰”等。

4 结语

河流是流域中的河流，河流的很多性质取决于流域的性质。以流域为尺度进行河流综合治理更能反映生态系统整体性的特征。生态化河道是现阶段及将来河道建设的新要求和发展趋势，它预示着我国的水利工程建设已经发展到了“生态水利”的新阶段。目前，生态化河道的概念还没有统一认识，生态化河道的四维特性还只能定性描述。今后，要在流域尺度下开展河流综合治理，完善生态化河道的内涵，研究生态化河道的建设标准。有理由相信，面对水利工程对河流生态系统的胁迫效应，用生态的手段来解决生态的问题，必将从真正意义上实现 “人-经济-社会-生态”这一复合系统的和谐健康发展。

[1]董哲仁，孙东亚.生态水利工程原理与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[2]杜强，王东胜.河道的生态功能及水文过程的生态效应[J].中国水利水电科学研究院学报2005，3（4）：287-290.

[3]董哲仁.河流健康的内涵[J].中国水利，2005（4）： 15-18.

[4]陈婉.城市河道生态修复初探[D].北京：北京林业大学，2008.

[5]肖林，潘安君，李为民.小河道水环境修复[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[6]颜宏亮.水工建筑物[M].北京：化学工业出版社，2007.