城市水体生态修复设计方法探讨

2018-09-10景袁媛

城市道桥与防洪 2018年7期

陈杰，景袁媛，胡杨，陶亮

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆市 401121）

0 引言

近年来人类活动对城市水体生态系统的正常结构性和功能性造成了较大的干扰，这种干扰往往超出生态系统承受能力的范围，导致水体生态系统发生不可逆的变化、退化或崩溃，这就是生态学意义上的胁迫。带来胁迫效应的人类活动主要有水污染、超量用水、土地利用方式变化、对湖泊和河流滩地的围垦、生物入侵等。

目前世界上对地表河流、湖库水体污染的治理所采取的技术主要有三类：一是物理方法，即通过工程措施进行机械除藻、疏挖底泥、引水稀释等；二是化学方法，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等；三是生态修复，如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被等。本文主要从生态修复的角度探讨城市水体的设计方法。

1 水体生态修复概念

城市水体指城市内受到人类活动影响的水体如河流、湖泊等，是包括土地、水体、动植物、微生物的复杂的生态系统。

美国土木工程师协会对于河流生态修复的定义如下：河流生态修复是这样一种环境保护行动，其目的是促使河流系统恢复到较为自然的状态，在这种状态下，河流系统具有可持续特征，并可提高生态系统价值和生物多样性。本文所指的水体生态修复是使河湖生态系统恢复到与未被破坏前的近似状态，且能够自我维持动态均衡的复杂过程；其对象是城市河湖水体，其目标是构建健康的生态系统，其手段是近自然的人工干预结合生态系统自我延续与自我修复。

2 水体生态修复设计思路

2.1 理水的概念

本文提出“理水”的概念，并将其作为设计原则在整个工程设计中贯通、执行。理水，即理清水的规律，尊重其自然属性，包括流量、流速、流态、水质等。实际案例中，理水即先对水的各自然属性进行统筹梳理（例如行洪安全、水量平衡、水质分析、流态模拟等）；摸清问题后，将河流作为一个生态系统进行修复，其目标在生态，核心在水；最后借用、拓展理水措施来提供视觉愉悦及活动空间，让公众有更直观的感受。

2.2 设计过程

2.2.1 设计范围与研究范围

尽管接到设计任务时我们已明确水体修复的范围及对象，但水并不是孤立存在的，需坚持整体性原则，适当扩大研究范围，含以下几部分：

（1）上、下游。尽管各河段在河流形态、环境状况、功能及生态状况上具有差异，但却相互影响，形成一个整体。

（2）城市水系。从城市角度来说，河流与城市地面、地下径流、城市水资源调节系统（如水库、蓄水池等）、城市雨水系统共同构成了城市水系。

（3）生态系统。不仅指河床或者水线以内部分，河道与河岸、河流与滨水空间以及各种水生、陆生动植物与人类共同形成一个复杂的河流生态系统。

（4）城市空间。河流保护与城市土地利用、边缘效应分析、非建设用地的规划等都密切相关。

2.2.2 基础资料收集

包含但不仅限于以下几部分：

（1）规划资料。任何工程设计都必须符合上位规划，包括所在区域总规、控规、水环境专项规划、蓝线规划、公园绿地规划、环卫规划等。

（2）地形、地貌、用地性质。自然条件、地理位置不同，使水体的形态特征、水流水质状态有明显差异；城市格局的差异也使得水体的功能定位及保护目标不一样。因此从水体修复角度来说，措施不能生搬套用，要因地制宜。

（3）水文气象。包括常水位、洪水位，平、丰、枯水期的流量、流速，降雨、蒸发等气象资料等。

（4）现场调查。调查前应先熟悉已收集到的资料，在进行调查时才能重点分明，达到事半功倍的效果。现场踏勘记录表可参考表1的格式及内容。

2.2.3 查找问题、分析问题

按照理水的设计思路，基础资料收集后应对水环境现状进行综合评估，包括行洪安全、水体形态、水量水质、水生生物等板块，发现问题后对症下药。

（1）行洪安全。城市化后，许多河流水体的主要功能发生了变化，我们应首先评价水体是否受洪水威胁，是否需对其功能进行重新定位，以明确修复目标。

（2）水体形态。河流形态多样性是流域生态系统生境的核心，是生物群落多样性的基础，单一的形状、硬化的河道使得生物赖以生存的自然特征消失。对河流形态的评估为水体修复提供重要依据。

（3）水量平衡。是指对水体各类水量的收入和支出进行计算分析，以确定水体是否能提供一定的水资源量，实现其水体功能并保障水体自身生态系统的良性发展，常以月为基本单位，其计算结果可作为形态设计的依据，如流量达不到生态基流量，则应考虑补水、蓄水、保水等措施。水量平衡如图1所示。

图1 水量平衡分析示意图

（4）水质评价。富营养化污染、重金属污染或单一的工业污染，其修复措施大不相同，通过对水体中各污染因子进行监测，可针对性地提出水质修复方案。

（5）水生生物。生物群落一是指示水质的重要指标，二是健康水生态系统的主要特征，通过对其现状评价，可以得知水体的生态系统破坏程度。

（6）周边环境。一是流域内的汇水面积情况，是否导致水源不足或水源污染；二是水体周边土地利用情况，确定是否有用地条件进行生态修复。

2.2.4 功能定位与目标

基于生态学的理念，城市水体通常由传统行洪、灌溉为主的功能转向生态、景观为主的功能，其目标是构建安全、宜人、健康的水生态系统，实现水与城、城与人、人与水、水与自然的和谐相处。

3 水体生态修复设计方法

前文已经对水体修复的设计思路及设计过程做了宏观描述，简单来讲，在定位水体功能、收集基础资料后，对水环境及生态环境进行了系统评估，摸清了水体的本底资料，此节是利用理水的概念，对各板块设计方法进行较深入的探讨。

3.1 行洪安全

确保城市河流的防洪功能是生态修复及景观建设的前提和保障。传统防洪视洪水为猛虎，工程总以建设快速排洪为目标，而忽略洪水过后将是干旱。换个角度来说，洪水实际上是一个补水和蓄水的机遇，应树立生态防洪的治水理念。结合形态设计，在城市上游规划季节性滞洪湿地，营造微地形，调整用地结构，充分发挥大地的天然蓄水器功能，尽可能留住洪水，洪水过后，水又从大地蓄水器中不断对河流进行补充，保障河流基本需水量（见图 2）。

表1 现场踏勘记录表

图2 生态防洪断面图

3.2 污染控制

河流污染治理必须控制污染源头，对工业废水、生活污水和垃圾进行很好的人工处理。一般治理措施分工程措施和非工程措施。

（1）工程措施有清淤工程、截污干管及污水处理厂、垃圾收集与处理土壤改良等工程。

（2）非工程措施。多部门协作（特别是水利、环保、市政），建立统一的指挥机构，取得协同效应；引入第三方机构提供咨询、工程、管养等领域的专业化、一体化服务，明确各部门及专业机构的责、权、利，建立长效管理机制，实现社会治水、社会管水；引导公众参与，发挥公众及民间公益团体在管理环境中的作用。

3.3 形态设计

生物群落与生境的统一性是生态系统的基本特征。河流形态多样性是流域生态系统生境的核心，是生物群落多样性的基础。因而水体生态修复工程的形态设计至关重要，其目的是使得河流形态多样性。

3.3.1 水流规划

水流规划是指对水体的来路、去向及流经的路径进行梳理、设计，以保障水量、改善水质、生态修复为前提。

对于河流，其上下游明显，水流规划工作相对简单，一般只是对河流两侧的湿地、驳岸、浅滩等水流进行设计，使上游来水经过湿地植物从而使其水质得以过滤、净化；而对于相对封闭的湖泊水体，水流规划工作相对复杂且重要，应先行于平面、纵断面及横断面设计工作。水流规划从小说，可以起到保障水量、改善水质之作用；从大讲，对健康水生态系统的构建起到基本保障作用。

3.3.2 形态设计模型

自然的水体因为水流对泥沙的侵蚀、搬运与堆积，呈现各种河湾、浅滩、深潭等多样的形态，这些形态更有利于稳定、消能、净化水质以及生物多样性的保护，也有利于降低洪水的灾害性和突发性。而城市水体因为防洪、用地等原因，很多河流被截弯取直，湖泊修筑硬质堤岸减少了生态的临界面，大大降低了生物的多样性。

下面从三维视角来具体阐述水体的形态设计（见图3）。设定X轴为水流方向轴线，则Y轴为穿过水体两岸的轴线，Z轴为竖向标高，可以清晰表达水深与河床（或湖底）的高低。坐落在XY轴线上的图形即为水体的平面设计，XZ轴上的图形则为水体的纵断面，而YZ轴方向的面就是水体的横断面。在实际设计中，河流的平面形态、横纵断面的设计是相互交叉进行，互为前提的。

图3 三维视角下的水体形态设计示意图

3.3.3 平面设计

因此在城市水体的平面形态设计上，通过模拟河流或湖泊的原生形态，根据上一个阶段对水流的规划及景观需求，设计河道或湖泊的线形及宽度，形成河湾或半岛（下文用弯曲个数表示），从而得出合理的平面形态。

而在水流规划中影响平面形态最主要的三个因素分别是水流方向、水流速度与水质要求。在水体的平面形态主要走向与水流方向一致的基础上，通过对水流速度的设计要求，可以决定河流或湖泊弯曲个数的多少及岸线的平整度。水体弯曲个数少、岸线平整度高、躁率低，则水速快；水体弯曲个数多、岸线平整度低、躁率高，则水速慢。对水质的要求也会影响这个水体的平面形态，在一定的用地范围内，对水质的要求越高，那么水体流域的长度则会越长，以提供更多处理水质的生态单元，则弯曲个数也会越多。

3.3.4 纵向设计

纵向设计即为设计坐落在XZ轴上的图形，可以清晰地推导与表达水底的标高以及各水位的关系。

天然河流的河床由于水流和泥沙的相互作用，会产生不定期的冲刷和淤积，形成交替次序的浅滩和深潭。大量研究表明，河流浅滩和深潭的位置是相对的，随河流主河床的摆动而发生相应改变。浅滩和深潭的组合是河流保持动能水力平衡、稳定水力配置的一种方式，深潭的水头蓄积区和浅滩的水能消散区也是大型无脊椎动物和鱼类的栖息地以及产卵场所（见图4）。

图4 纵向设计示意图

且水体的纵向变化与平面形态也具有密切的关系，半岛、凸起的岸线因泥沙淤积易形成边滩，凹进去的岸线区域受到冲刷易在水底形成深潭，在顺直段便会有浅滩出现，如图5所示。

图5 河流形态多样性示意图

因此我们在进行水体的纵向设计时，应遵循自然水体的地貌特征与运动规律，按上述分析进行浅滩和深潭的布置。

3.3.5 横向设计

横向设计为坐落在YZ轴上的图形，即常说的横断面。横向设计主要表述水底的坡度、宽窄以及两岸的护坡方式。

湖或河床在自然情况下，水流会将其冲刷成抛物线的稳定形状，因此在具体设计时，可以此为参考，对相应的断面进行设计，如图6所示。

图6 横向设计示意图

根据河岸稳定、过流能力要求以及生态营造要求，设计水体岸线护坡，如生态石笼、生态砖/鱼巢砖等构件、天然材料垫、土工布回包、土工格室、间插枝条的抛石护岸、杉木桩、椰壳纤维捆扎等（见图 7）。

图7 河湖护岸生态工程做法图（单位：mm）

3.4 生物多样性修复

水体形态修复之后便是生物多样性修复，以形成可持续的多样性的生态系统。具备完善生态系统的水体有调节径流、调蓄水量、去除污染、提供生物栖息地等生态特征。

生物多样性的修复是指整个河道或湖泊的本地生物物种的修缮与复原，使生态系统恢复到原生状态并具有自我管理的能力。生物多样性的修复需要对河道生态系统的结构和功能以及影响生态系统的结构和功能的物理过程、化学过程、生物特征有充分的认识。

3.4.1 生物本地化原则

生物经过几十亿年的自然选择，本地化的物种具有不可替代的优势，它们适应了当地的光照、气候、温度等自然条件，并相互联系、相互作用，形成最稳定最完美的生境。因此在进行生物多样性修复前，就应对现场的自然环境（光照、温度、气候、降雨量等）以及本地生物（植物、动物、微生物）进行前期调查与研究，对生物间的相互作用与能量传输有充分的理解与认识。

在修复生物多样化时，遵循生物本地化的原则，最大化选择本地物种，综合考虑植物、动物与微生物的相互作用，并按照其生态特征进行规划与设计。如果出于景观或功能性考虑，对于区域内已驯化的物种，在充分认识到其在生态系统中的位置与作用后，可适当进行设置并应长期观察它对生态系统的作用。

3.4.2 生物栖息地营造

生物栖息地指可供生物良好生长的环境，包括植物栖息地、动物栖息地、微生物栖息地。

3.4.2.1 植物栖息地

水体生境具有复杂的生态系统，其中最典型的生态界面就是水与陆地相接的生物面。因此在城市水体中，植物的栖息地包括三种环境：水生环境、陆生环境、水陆相接的环境。

水生环境中生长的植物一般分为挺水、浮水、沉水三类植物。这三类植物的生长与水深、水底土壤条件、水质、水流速度等息息相关。水深严格的选择着能生长的植物种类，比如荷花中小株型只适于20～60 cm的水深，大株品种水深也不能超过1.7 m。而水底土壤最好是用原生境的土壤，其富含的微生物及化学成分最适宜此生态系统，能与植物进行良好的能量交换，但在城市水体中，很多水底土壤或是被污染，或是被渠化，已经失去了原有土壤生境，因此需要根据前期调研的结果进行重新设计。设计过程包括清淤（或拆掉渠化面），设计水底标高，用级配砾石与河沙来模拟水底土壤环境（根据水质需求添加沸石等化学试剂），以此来满足微生物与水生植物的生长要求。

陆生环境指河水或湖泊岸边离水岸线至少10m以外的位置，可根据洪水位线来确定其位置，陆生环境土壤含水量等指标应与标准的陆地环境一致。陆生环境下生长的植物主要为中生植物，即不能忍受严重干旱或长期水涝，只能在水分条件适中的环境中生活，陆地上绝大部分植物皆属此类。陆生环境中的植物设计主要遵循土壤与光照要求，乔灌草搭配种植，根据植物的形态和生态特征进行植物环境的设计。

水陆相接的生境因其复杂性与特殊的生态价值，是水体生物多样性修复的重点。此生境指水面与陆地相交接的界面，是整个陆生环境向水生环境过渡的区域。在城市水体中往往以生态驳岸、湿地的面貌呈现，适宜生长的植物主要为湿生植物。因此在生态驳岸或湿地床设计的过程中，植物设计就应参与其中，通过相互调节来确定驳岸与湿地床的设计形式。比如石笼的驳岸，便可在石笼中添加带湿生植物种子的土壤，而杉木桩形式的驳岸应根据植物需要调节木桩后的土壤生境以适宜植物生存。

3.4.2.2 动物栖息地

与植物栖息地一样，动物的栖息地也分为水生环境、陆生环境、水陆相接的环境。

城市水体中水生环境的动物主要为鱼虾、昆虫、浮游类生物等。它们的生存条件与水质、水量、水速、食物、天敌等密切相关，同时它们也反过来影响着水质、植物的生长等。因此应根据前期的调研选择本地物种，对主要影响其生存的条件进行透彻的理解，比如其在水中生存的区域、食物、繁殖需要的条件、主要的天敌等，然后对其生存环境进行近一步设计，土壤微生物含量、水中的溶氧量以及水生植物（既可为食物也可为繁殖场所）的选择。

陆生环境的动物主要为鸟、蛇、鼠、昆虫、菌类等。它们生境的营造最重要的因素之一是植物，植物可以成为它们的食物，也是它们休息和游戏的场所。因此第一步通过前期调研对周边现有物种进行充分的了解，然后选择场地需要的本地物种；第二步对植物（不仅指陆生植物，同样也包括湿生植物）进行合理的搭配，为其营造可健康生存的“房子”；第三步梳理其在生物链中的关系，合理调节其食物与天敌的设置使生态系统达到平衡。

水陆相接的生境中动物主要为两栖类的动物如蛙、蛇等，因此在设计此类动物栖息地时要综合考虑陆地与水两个条件因素。同样分调研选择、设计“房子”、设置并平衡食物与天敌三个步骤。

3.4.2.3 微生物栖息地

微生物的种类受土壤、水质、水速、光照等因素影响，而土壤是绝大多数微生物的栖息地。我们在生物多样性的修复中，一般不会刻意地选择微生物，而是根据动植物的生长环境监测微生物数据从而判断生境的情况。

3.5 自我设计与自我修复

生态系统的自我修复是指对生态系统停止人为干扰，以减轻负荷压力，依靠生态系统的自我调节能力与自组织能力使其向有序的方向进行演化，或者利用生态系统的这种自我修复能力，辅以一定的人工措施（如人工鱼道设置、湿地植物人工收割等），使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展。这是一个较为漫长的过程。