美国河流岸线修复的实践与启示——以哈德逊河可持续水岸线项目为例

唐慧超

洪 泉*

岸线(Shoreline)在地理学上的意义通常是指一定水位下水域与陆域的交界线，随着滨水岸带开发活动的增多，人们对岸线的认识逐步突破了地理学的概念，认识到岸线也是一种资源，岸线包括一定范围水域和陆域空间的国土资源，是水土结合的特殊资源[1]。中国“十三五”规划中明确提出要构建“自然岸线格局”，自然岸线已经上升为与草原、湿地和森林具有同等重要地位的生态空间和自然资源，被列为国家生态文明建设的重要目标[2]。

20世纪90年代以来，我国对河流生态修复愈加重视，在近自然化河道设计[3]、生态河堤建设[4-5]等方面已取得了一定研究成果。当前岸线修复正处于工程治理向生态修复转变的阶段[6]，制约岸线生态修复的主要因素在于：相关设计方法和技术体系的研究较为薄弱[7]；本底生态、水文数据不足[8]；水利、生态、环境保护与风景园林等学科间的合作交流有限，以及缺乏健全的实施机制[9]等。

美国自20世纪60年代已认识到河流生态环境面临的诸多问题，积极开展生态修复的相关研究与实践活动[10]。1989年，2位美国学者Mitsch和Jorgensn提出了生态工程的定义[11]，而后逐步将“生态工程”的方法应用于河道生态修复。1998年，美国将《河溪廊道修复原则手册》(Stream Corridor Restoration Principles,Processes and Practices)纳入《国家工程手册》，其中提出，美国在今后水资源开发管理中须优先考虑河流生态恢复[12]。近几十年来，美国河流修复项目激增，有学者建立了美国国家河流修复科学分析(NRRSS)数据库，涵盖了37 099个河流修复项目[13]。基于修复实践，在岸线的生态系统评价、工程技术、设计方法、修复后评价等领域开展了广泛研究[14-16]。多个州也结合自身情况制订了具体的岸线修复导则、指导手册[17-19]。研究和实践表明，在适当的位置通过自然途径进行岸线修复，可为野生生物提供栖息地，修复富营养化污染，减轻水浪和暴风雨对岸线的影响，并增强滨水社区抵御飓风的防灾韧性[20]。

美国在岸线修复方面的经验和技术对于我国有借鉴意义，其中“哈德逊河可持续水岸线项目”较为典型，曾获2015年美国环保署颁发的环境质量奖，这也是环保署向公众颁发的环保领域的最高奖项[21]。该项目的成功经验对于回应我国当前岸线修复中面临的技术、数据、协作、实施等问题有较高的参考价值。因此本文以该案例为对象，从岸线生态与工程技术研究、空间信息支持、实践示范、项目评估4个方面进行深入分析，以期对我国水域岸线的研究、保护、修复和管理工作有所帮助。

1 项目介绍

1.1 项目背景

哈德逊河(Hudson River)位于美国纽约州，长507km，发源于阿迪朗达克山脉(Adirondack Mountains)的云泪之湖(Lake Tear of the Clouds)，流经哈德逊河谷后向南汇入纽约港，流入大西洋，是北美重要的水路，也是纽约州的经济命脉。哈德逊河河口①长约246km，属于潮汐河口，其范围自特洛伊水坝(Troy Dam)至大西洋(图1)。河口是地球上生物多样性最为丰富的地区之一，哈德逊河河口地区拥有丰富的自然资源，为鱼类、鸟类等多种野生动物提供了栖息地，与沿岸居民的生产生活关系密切，对周边区域发展影响重大。

图1 哈德逊河河口区域地图(洪泉改绘自参考文献[23]2)

哈德逊河国家河口研究保护区设立于1982年，致力于河口的研究、管理及教育，隶属于美国国家河口保护区研究系统(NERRS)，是纽约州唯一的国家级河口研究保护区。自2008年起，该保护区启动了哈德逊河可持续水岸线项目(Hudson River Sustainable Shorelines Projects，HRSSP)，旨在为政府提供科学的水岸线管理途径，以及应对气候变化的适应性措施，以维护哈德逊河河口水岸地区重要的自然功能[22]。在最新修订的《哈德逊河国家河口研究保护区管理规划(2019—2024)》中，HRSSP仍是其重要的项目组成[23]53。

1.2 HRSSP简介

哈德逊河可持续水岸线项目主要由NERRS资助，属于NERRS科学合作类项目，该类项目通过对科研项目进行常规资助，为沿海管理问题提供科学的支持与解决途径。HRSSP项目的实施由哈德逊河国家河口研究保护区牵头，主要参与方包括卡里生态系统研究所(Cary Institute for Ecosystem Studies)、纽约州环境保护局哈德逊河河口项目组和史蒂文斯理工学院(Stevens Institute of Technology)等[24]。

所谓“可持续水岸线”是指在水岸线的管理实践中，力图保护水岸带(shore zone)的野生动植物栖息地、生态效益、户外休闲价值、社区生活质量及相关水务，从而保障后代的发展[25]。HRSSP作为科研性质的实践项目，有七大目标：1)描述河口与岸线的现状与未来特征；2)确定岸线管理项目的生态、工程及经济权衡；3)阐释岸线决策和机遇；4)展示创新的水岸线及最佳管理实践；5)创建岸线决策工具，并促进多方沟通；6)构建成功案例的监测方法；7)研究强风暴对岸线性能的影响[26]。

2 HRSSP项目组成

研究发现，HRSSP项目形成了“理论研究-场地分析-修复实践-评估反馈”的完整闭环，从而推动项目能够有效实施。以下从岸线生态与工程技术研究、空间信息支持、示范案例库建设、项目评估4个方面进行分析。

2.1 全面系统的理论支持——岸线生态与工程技术研究

岸线对于人类和自然均有着重要价值。人类可以利用水岸带开展多种娱乐活动，并依据情况，适度进行基础设施建设。而水岸带也是鱼类、鸟类、爬行动物、两栖动物和无脊椎动物的多个生命阶段的重要栖息地。HRSSP项目的重要基础工作之一，便是对岸线生态与工程技术进行系统性的研究。相关科研成果可以概括为3个方面：自然与人工岸线对生态的影响比较[27-28]、岸线修复方案的总结与适宜性评估[29-30]，以及应对未来气候变化的修复方案评估[31](表1)。这些研究成果为修复方案的制定和修复技术的推广提供了强有力的理论支持。

2.2 准确高效的场地分析——空间信息支持

厘清岸线侵蚀的现状与成因是修复的关键。HRSSP的空间信息数据库为了解哈德逊河岸线的侵蚀现状、分析其成因，从而进行适宜的修复设计提供了全方位的支持。在该项目中，空间信息数据不仅包括传统的地形高程、自然资源等地理信息数据，还包括岸线的物理作用力数据和分析模型[32](表2)。为了实施有效的岸线稳固措施，需要充分考虑岸线受力情况，相关数据包括哈德逊河冰冻气候数据，船尾、风浪、冰、风暴潮和海流等作用力数据。以上数据的获取与分析主要由史蒂文斯理工学院提供技术支持。

表1 HRSSP水岸带生态与工程技术研究主要成果汇总

表2 支持哈德逊河水岸线设计的空间信息数据构成

HRSSP空间信息数据是向公众免费开放的，这是因为美国联邦指令要求，由联邦资助的组织和项目应主动向公众公开其数据与信息[33]，同时由于HRSSP属于NERRS科学合作项目，按照该项目的数据共享计划(NERRS Science Collaborative Data Sharing Plan)要求，研究过程中如若产生新的研究数据或监测数据，除受到法律、法规、政策或安全的限制外，须在项目完成后向公众免费开放，或收取最低的数据服务费[34]。充足的空间数据资源有助于相关人员更准确地理解场地特征及影响场地的外力作用，进行高效的场地分析，并以此为依据选择适当的水岸线修复技术，完善决策过程。

2.3 持续更新的修复实践——示范案例库建设

该项目的示范案例主要通过评选产生，即由示范点网络咨询委员会(Demonstration Site Network Advisory Committee)通过评分系统进行筛选，已建成或规划中的项目都可以申请评选。目前，已有8个项目被纳入HRSSP示范案例库(表3)。这些案例代表了水岸线项目的最佳管理实践，其所采用的岸线稳定技术，可以保持并增强岸线的生态服务功能，提高岸线应对气候变化的适应性，与传统岸线修复技术相比也更为经济。入选案例通过HRSSP项目平台进行展示，具体内容除了包括项目建设成本、规划设计方案、实施过程等基本信息外，还包含方案的经验教训、建成后的持续评估。后者可以让人们更好地理解可持续水岸线修复技术如何控制水岸侵蚀，为循证设计提供依据。

表3 HRSSP示范案例

2.4 科学评价项目成效——项目评估

在项目修复前、后进行标准化评估，对于检验项目是否实现修复目标至关重要[13]。HRSSP对于示范案例岸线的物理和生态性能进行了持续的观测与评估，并在2018年9月发布了《哈德逊河可持续水岸线快速评估手册》。该评估手册由卡里生态系统研究所、史蒂文斯理工学院等单位合作完成，可用于建设前、后的评估。在建设前评估水岸线结构的物理和生态性能现状，从而做出有效设计决策；在建成后追踪修复后的岸线绩效，监测其持续性与变化，从而评估设计方案的适宜性[35]。

基于水岸的场地条件，通过简单易行的评估方式(表4)，土地管理员和岸线设计人员即可获得基准数据。例如相关工作人员可以在手册指引下测量水岸结构在风暴过后的性能变化，并将其与传统的硬化岸线保护措施进行比较，从而提出更有依据的岸线处理方法。该手册的评估方法具有普适性，同样适用于哈德逊河沿岸以外的其他地区。

表4 《哈德逊河可持续水岸线快速评估手册》的主要评估内容

综上，河流岸线修复是需要多方合作的系统工程。全面系统的理论研究，准确且高效的场地评估，选择适当的修复技术，再通过长期监测评估岸线修复成效，使得哈德逊河岸线修复工作得以有效实施。此外，为加强学科间的合作交流，哈德逊河国家河口研究保护区自2016年起组织了网络培训与研讨会，并将其被纳入美国注册规划师、生态修复师、风景园林师及工程师的继续教育培训体系。培训内容涉及岸线的修复技术、政策管理，让项目参与者能够更及时、全面地学习相关的技术、工具与研究成果。

3 示范案例介绍

伊索普斯草原保护区(Esopus Meadows Preserve)的示范点项目建成于2006年9月，并在2007年进行了维护。该项目充分利用自然元素，将40m的硬质岸线重建为自然岸线，在几次飓风过后表现良好，是通过生态方式提高岸线稳定性的典型案例[36]，曾在HRSSP网络培训与研讨会中作为成功案例进行技术推广。

3.1 场地原状与设计目标

该地区是哈德逊河河口最大的潮坪之一，风光秀丽，同时也用于鱼苗繁殖。改造前场地岸线为砖石驳岸，侵蚀明显(图2)，沿岸的栖息地也受到了负面影响。该项目旨在为哈德逊河绿道水上游线建造停靠点，同时把场地恢复为更自然、更美观的状态。

图2 伊索普斯草原保护区示点改造前[37]

3.2 设计方案

项目设计理念是最大限度地利用本地材料来模仿自然岸线。首先，拆除砖石驳岸后，沿高潮线放置石块作为基底，以防大潮(spring tide)的影响。然后在石基上方，放置软质石笼以重建和稳定坡岸(图3)。软质石笼用土工织物包裹土壤和岩石，土工织物由椰壳纤维编制而成，可完全生物降解。在软石笼之间混种天然灌木物种以稳定土壤，通过种植多种植物，降低植物退化或死亡的风险。

图3 2006年5月软质石笼施工中[37]

项目建成6个月后，场地岸线遭到暴风雨袭击，由于植物的生长情况还不足以固定堤岸，约5/6的软石笼塌陷并向下倾斜。在2007年4月的场地修复中，设计人员延续了受损后的坡度，采用防侵蚀织物垫固定坡面，并通过活枝扦插补种植物。

3.3 项目评估

项目建成后，研究人员对场地的水岸带条件和生态功能进行了评估，内容包括水岸长度、水岸弯曲度、坡度、底物覆盖率、植被类型和高度、高地土地利用情况等，以上数据将用作后续评估的基准。对场地还进行了风波与气象影响观测，以评估风浪、积冰对于侵蚀的影响。事实表明，场地在2011年飓风艾琳(Irene)和热带风暴李(Lee)，以及2012年的飓风桑迪(Sandy)中表现良好(图4)。

图4 2012年11月堤岸经受住了飓风桑迪的考验[37]

利用纽约港观测及预报系统(NYHOPS)数字化模型对场地经历的3场风暴及飓风进行了浪高与水位模拟(图5、6)，对比场地海拔高度，发现场地仅在桑迪期间被淹没，但此次飓风对场地的影响较为有限[38]。结合场地考察，认为该项目岸线修复成效良好的主要原因：一是充分生长的根系对植被稳定和水岸线抗侵蚀作用突出，而这也表明为新建岸线提供临时性保护措施的重要性；二是在2007年暴风雨过后，将塌陷后的堤岸坡度作为设计依据，使得修复后的岸线更具耗散性，不易受到直接波的冲击(图7)。

图5 飓风艾琳、李、桑迪期间的伊索普斯地区的模拟浪高[38](洪泉改绘自参考文献[38])

图6 飓风艾琳、李、桑迪期间的伊索普斯地区的模拟水位高度(洪泉改绘自参考文献[38])

图7 2020年7月植物充分生长，水岸线状况良好(唐慧超摄)

4 借鉴与启示

HRSSP项目的理论与技术研究、工作方法与实施经验为我国的岸线修复提供了借鉴，主要包括以下3个方面。

4.1 基于自然的修复途径应以科学性为前提

HRSSP项目将岸线修复工作的科学性放在第一位。岸线生态与工程技术的研究为基于自然的修复途径提供了坚实的理论基础。在设计阶段，基于场地数据的分析模型和决策系统为设计提供准确的数据支持，使得设计过程更趋理性。在项目建成后，对场地进行持续监测，及时评估风暴等灾害对场地的影响，并将评估内容与方法进行总结，编制成评估手册进行专业教育与技术推广，为日后的循证设计提供依据。我国目前对水岸建设及岸线修复后的持续评估与经验总结不足，相关实践多为论证设计而非循证设计，应重视岸线修复前、设计中、建成后，以及工作全过程的科学性。

4.2 加强空间信息系统数据库的建设与共享

岸线修复设计以水文、地形、自然资源等空间信息数据为基础，这些数据对于理解岸线侵蚀现状及其成因、重建滨水地带野生动植物栖息地至关重要。美国的地理信息系统数据库建设较为完善，许多州都建立了自己的数据库，并按照美国的相关法规要求免费对公众开放[39]，如哈德逊河的相关研究可以通过纽约州地理信息系统交互平台直接获取哈德逊河河口数据和地图集[40]。

目前我国缺少对公众开放的空间信息系统数据库，而研究人员和规划设计者也常常面对因数据缺乏导致工作不能深入的尴尬境地。数据的获取、整理与保存都需要大量的科研经费支持，而高质量的数据库建设与开放共享，不仅可以避免重复性的基础性调研工作和经费浪费，还可以有效提升科研效率与深度[41]。建议我国政府相关机构在对滨水城市水岸带进行保护与修复的工作中，制定统一的数据收集标准，建立信息收集、更新机制，加强空间信息系统数据库建设与共享。

4.3 加强多方合作与交流

HRSSP是由纽约州环境保护局的哈德逊河国家河口研究保护区负责，而作为项目主要参与方的卡里生态系统研究所与史蒂文斯理工学院，为项目的数据获取、建模、分析及评估提供了重要支持，也为项目的长期监测提供了有力保障。科研单位不仅为政府管理机构提供了技术支持，也为设计单位的实践工作开展奠定了重要基础。岸线修复涉及政府管理机构、科研单位、规划设计机构、工程施工企业等众多单位的合作与协同，应将岸线的修复技术、管理政策等内容纳入相关工作人员线上或线下的职业教育培训，使得相关人员能够全面认识工作的科学性，从而加强不同行业、学科间的交流。

致谢：感谢美国康奈尔大学区域与城市规划系George R. Frantz教授对本文写作和场地调研提供的帮助。

注释：

① 河口为河流注入海洋、湖泊或其他河流的结合地段。