西北地区现代城市生态沟渠治理策略

代琦 王磊 靳萌

摘要 我国西北地区城市沟渠生态系统结构和功能的损坏，给水生态系统的生物多样性和水资源的可持续利用造成很大危害，也为城市的健康有序发展带来严重威胁。通过对生态沟渠的构成要素：渠水、渠道和渠岸进行剖析，探索了水量管控、水质净化、自然型平面及竖向设计，以及多孔质驳岸及亲水驳岸的建设策略与方法比较，为未来西北地区城市沟渠的生态治理提供参考依据。

关键词 沟渠；生态治理；近自然化策略

中图分类号 TU984 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）20-0181-05

Abstract The damage of ditchs ecosystem structure and function caused not only great harm to the water ecosystem biodiversity and the sustainable use of water resources but also great threat to the healthy and orderly development of the city. This article analyzed the essential factors of ditch， explore and compare the strategies and the ways of water control， water purify， natural design of plane and vertical， and designed porous material & hydrophilic bulkhead.

Key words Ditch；Ecological management；Nearnatural strategy

我国西北地区深居内陆，位于黄土高原—黄河中上游以西，昆仑山—阿尔金山—祁连山和长城以北，包括陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区5个省、自治区。由于地处亚欧大陆腹地，西北地区各城市属大陆性干旱半干旱气候和高寒气候，除秦岭以南地区外大部分地区降水稀少，全年降水量大部分地区在500 mm以下，存在地表水資源可供应量严重不足，地下水资源综合补给量十分有限，水体污染负荷不断增大，水土流失危害日益加重等诸多问题，日益成为西北地区城市社会经济发展的主要制约因素。同时，随着现阶段市民对景观品质的提升、社区生活的融入等精神层面的要求日益提高，对城市生态沟渠治理方面的研究逐渐受到重视。

沟渠，是为抗旱排涝而修建的人工输水、配水设施，向灌区提供生活、生产、环境供水服务[1-2]。西北地区是一个降雨量少、蒸发量大、水资源相对缺乏的地区。在便于灌溉的平缓区域，河道淤积易抬高河床，造成土壤盐渍化现象，为维护土地正常生产能力，西北地区城镇修建了大量纵横分布的沟渠体系，为城镇居民提供了贴近自然环境的场所。但由于这些沟渠营建之初主要目的是维护农业生产发展，这就造成这些城市沟渠功能单一化，忽略了对生态环境的保护，缺乏系统化、生态化设计。加之沟渠处于城市建成区，原本的沟渠用地往往被市民活动无序侵占和开发，河道地势狭窄，两侧人口稠密，不少沟渠出现断流或变明渠为暗渠，严重影响了河道生态环境和周边市民的使用体验，具体体现在：①平面直线化。“截弯取直”理念下，目前沟渠平面形态设计过于机械，容易造成河床萎缩，河道水位变化过大，河岸侵蚀崩塌。②断面隔离化。目前沟渠断面形式多运用矩形和梯形断面，周边居民难以接近沟渠，亲水性较差。③材质混凝土化。非渗透性界面导致沟渠水陆交错带丧失，缺少水域生物适宜生境。④流速单一化。水流失去活力。

因此，为实现西北地区现代城市生态沟渠水利功能和生态功能的双赢，协调沟渠的功能性、生态性、经济性和可持续性，笔者以西宁解放渠、中庄渠、礼让渠水生态廊道工程为例，从沟渠的组成要素：渠水、渠道和渠岸3个方面，分别总结了生态沟渠的关键技术，为我国西北地区现代城市生态沟渠治理工程提供参考标准。

1 生态沟渠治理渠水治理

由于西北地区特殊的气候条件与生态环境，对渠水的控制除水质净化，即控制泥沙及化学污染之外，还需控制水量，保障旱期灌溉及汛期防洪截流功能。

1.1 水量管控

西北地区的天然降水和水源补给存在明显的变化差异特征。该区域水源补给具有明显的季节变化差异，夏季为汛期，径流量占全年的40%～50%，冬春两季一般只占10%～20%。同时，在地形条件较好的地区，如山体迎风坡，短时降雨强度不亚于东南沿海地区，其主要特点是雨强大、历时短、时空分布不均。因此，该区域范围内的沟渠在夏秋季节水位较高，冬春季节则水量较小，部分区域易出现断流干涸现象。

构建现代城市生态沟渠，必须重新梳理沟渠与周边水系的关系，针对性地进行水系连通，做好旱期保水。若沟渠采用混凝土硬化河床，虽满足了河水防渗需求，提高了河床结构的稳定性，但完全阻断了渠水与环境的交流，若设计采用自然驳岸、河床形式在局部段湿陷性黄土基层上需做防渗处理，在满足水系与基层物质能量交换的前提下，尽可能地防止水量下渗造成的损失（表1）。

针对汛期沟渠水位骤升的特点，建立绿色雨洪管理体系（表2），如在部分汇水区域扩大沟渠面积、增加岛屿、加强水系间联通，形成网状、辫状或游荡型河道的洪泛平原基底，或结合过渡区域（边缘区域）综合运用雨水滞留绿化等生态手段（图1）和结合地形构建台地、挡墙、渗滤沟等工程手段，将过量雨水滞留时间延长，缓解沟渠瞬时排水压力。

1.2 水质净化

渠道内水流的水质控制包括2个方面内容，即控制泥沙及化学污染。活水中的生物使其本身具备一定程度的自净功能，但超过自净阈值，生活、生产污水不加限制地排入渠道，导致污染物质过量，沟渠的生态自净作用就显得微不足道。沟渠内化学污染需控制污染源才能解决根本问题，因此，研究不涉及受化学污染的沟渠。

在泥沙控制方面，仅依靠沟渠本身无法控制泥沙泄入，需结合沟渠与两侧陆地构建过渡区域（边缘区域），综合运用雨水滞留绿化等生态手段和结合地形构建台地、挡墙、渗滤沟等工程手段，防止水土流失，控制泥沙泄入。

除在过渡区域（边缘区域）构建生态及工程手段外，还可以结合生物膜净水技术（表3）的薄层流法及砾间接触氧化法有效增加水与微生物的接触面积，形成生物膜净水体系，进一步有效促进沟渠的水质净化。

2 生态沟渠治理渠道治理

在空间形态上，渠道可划分为平面与竖向2种形态，平面指渠道的上游至下游在空间上的形态变化，布莱尔利（Brierley）提出了河道平面形态的3种类型的河型可作为沟渠平面形态划分的借鉴（图2）：顺直微弯型弯曲率在1.00～1.29、蜿蜒型弯曲率在1.30～3.00和分汊型。其中分汊型又可分为辫状型、网状型和游荡型[3-4]。

竖向是指渠道基底高程沿河长变化的截面形态，可分为自然型和人工型，渠道竖向上高低不同的原因是渠道基底材质不同及渠道中水流运动对基底的侵蚀不同造成。一般而言，自然形成的河道河床竖向上凹凸不平，凸起的是浅滩，四陷的是深潭，从而形成深潭—浅滩序列。而人工形成的渠道，则由于材质的非渗透性，竖向上呈现较为规律的凸型、凹型、直线型和阶梯型等形态[5]。

2.1 蛇形平面设计

对于西北地区常见的顺直微弯型沟渠，应尽量恢复生态自然的水流平面形态，而不应为达到输水效率任意“截弯取直”。水流的自然行进平面形态一般为曲折迂回的蛇形，即便是在看似顺直的河段中，其最大水深位置的水流形态也必然是曲折前行，才能维持河道的动态平衡。

此外，在易汇水地段，沟渠的平面设计还应将硬质渠道改造为表流式人工湿地净化体系（图3），增加水系活性、功能及自我修复能力。通过大面积人工湿地的构建，不仅从生态技术层面净化了水质，降低了水体含沙量，也提高了区域的景观价值。

2.2 自然型竖向设计

不同于以往人工型沟渠规律化的竖向设计，生态沟渠的竖向设计应参考自然形成的河流形态，在渠道中采用人工抛石、溢流堰、丁坝等不同形态（图4），借助水流自然冲刷的方式来恢复“深潭—浅滩”结构，形成高低落差的水面，营造不同水流速度，增强水流活力，增大水体含氧量（表4）。更重要的是，不同水深形成的不同生境，有利于生物多样性的提高。

3 生态沟渠治理渠岸治理

渠岸是营造水生环境、实现人水互动的重要空间，过去西北地区沟渠的建设流行三面混凝土护岸的做法，最直接的目的是为了防洪、减少垃圾滞留与污染，虽然现实中此目的并未成功实现。营造河流生态系统的多孔质生境，合理布局亲水驳岸、生态科普空间是生态沟渠治理的研究重點。

3.1 多孔质驳岸

从环境的实际适用性来讲，生物多样化的基础即“多孔质的环境”[6-7]，例如，土壤必须有许多“孔隙”，才能容纳水分、空气，滋养细菌、微生物，分解生物的尸体、排泄物，进而供养昆虫、鸟类乃至人类等高层次消费生物[8]。西北地区现代城市生态沟渠的治理，须破除以往渠岸设计单一采用的混凝土材质和矩形、梯形断面，用较为丰富的断面形式营造更多亲水空间，用木桩、砌石、石笼等多种材质营造多孔质空间，为不同生物提供赖以生存的栖息地（图5）。

3.2 亲水驳岸

城市由水而生，由水而兴。西北地区由于独特的气候与地形条件，城市中水资源尤为珍贵。城市范围内的生态沟渠不仅促进了城镇经济的发展，提供生产生活所需的水源，同时城镇滨水区也为城镇居民提供了一个贴近自然生态环境的场所，沟渠沿线理应成为便于市民进入和使用，提升城市活力的赏景游玩、休闲游憩、文化传承、科普教育之地。

4 结论与展望

西北地区现代城市沟渠的生态健康问题引发了社会对沟渠改造的诸多思考，城市不可抵抗的高密度发展以及日益变化的气候所引发的城市洪涝灾害等压力，都使得西北地区城市沟渠的硬化、固化、隔离化等现象日益严重，失去了城市沟渠应有的自动力过程及生态服务功能。

对于旧城更新、新城建设中的西北地区城市沟渠，市民对生态环境的迫切需求以及城市的文化传承、有序发展，迫使当前西北地区城市沟渠的生态化治理刻不容缓。

与发达国家相比，我国在城市沟渠生态治理的理论研究和实践方面都起步较晚，西北地区城市沟渠生态化治理的理论与实践在国内仍处于探索阶段，要改变以往城市沟渠以输水及水利防洪优先的原则，忽略了人地互动、城水融合以及生态与技术的合作。沟渠的生态化治理作为推动城市功能优化与城乡统筹发展的重要手段，构建城乡交融、功能互补、景观多样、绿色生态的开敞空间格局有着积极作用。该研究通过对生态沟渠的构成要素：渠水、渠道和渠岸进行剖析，探索了水量管控、水质净化、自然型平面及竖向设计，以及多孔质驳岸及亲水驳岸的建设策略与方法比较，希望可以为未来西北地区城市沟渠的生态治理提供参考。由于沟渠生态建设的系统性和城市发展的复杂性，西北地区城市生态沟渠治理的理论和时间需要多学科、多专业的配合，从而制订更具操作性的实施策略，使沟渠生态化建设与治理朝着更科学、健康的方向发展。

参考文献

[1] 陆琦，马克明，倪红伟.湿地农田渠系的生态环境影响研究综述[J].生态学报，2007，27（5）：2118-2125.

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[3] 董哲仁.河流生态修复[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

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