河流地貌多样性修复方法

1河流地貌多样性修复方法赵进勇孙东亚董哲仁中国水利水电科学研究院,防洪减灾所,北京,100038摘要：河流生态修复主要包括河流地貌特征的修复和水文特征的恢复。本文基于河流连续体、河流四维模型等河流生态修复的基础理论以及生态水工学的相关理念，对河流地貌多样性修复的一些方法和工程措施进行了总结和归纳。关键词：河流，地貌多样性，修复，技术TechniquesfortheRestorationofRiverGeomorphologyDiversityZhaoJinyong,SunDongya,DongZherenChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing,100044Abstract:Riverrestorationincludesmainlytherecoveriesofrivermorphologiesandthatofhydrologicalprocesses.Sometechniquesareintroducedfortherecoveriesofrivergeomorphologydiversityonthebasisofrivercontinuumconcept,four-dimensionalnatureandeco-hydraulicengineering.KeyWords:river,geomorphologydiversity,restoration,techniques作者简介：赵进勇，1976年生，工程师，博士研究生，目前主要从事河流生态修复方面的研究和工程实践工作。1概述河流自古以来就是人类繁衍生息的地方。它为人类带来了丰富的水源、便利的交通航运、适宜的气候环境，为社会和经济发展提供了极为重要的条件。人们为了防洪、发电、灌溉、航运以及城市供水等目的，修建了大量的水利工程，这些工程对工农业生产和城市发展发挥了巨大作用。但是，因为基于单一的功能需求，忽视了河流的其他功能，比如野生动植物栖息地、区域生态修复、污染物的生态过滤、景观和休闲娱乐等。特别是忽视了河流生态系统健康的需求，这些工程设施对河流生态系统形成了不同程度的胁迫，这些胁迫主要来源于两个方面：由于筑坝和筑堤造成的河流的非连续性；由于自然河流的人工改造形成的渠道化［1、2、3］。随着社会经济发展，人们逐渐认识到河流生态系2统的重要性，河流整治工程不仅仅关注其传统功能如防洪、航运等的发挥，还要有利于生态系统的保护和修复，要与周边环境和人文景观相协调。对于生态系统严重退化的河流，当前的主要任务是对河流的生态系统进行修复，以实现河流的可持续利用。2河流生态修复的理论基础Vannote等人提出了河流连续体概念(RiverContinuumConcept)［4、5］，这种理论认为由源头集水区的第一级河流起，以下流经各级河流流域，形成一个连续的、流动的、独特而完整的系统，称为河流连续体。它在整个流域景观上呈狭长网络状，基本属于异养型系统，其能量、有机物质主要来源于相邻陆地生态系统产生的枯枝落叶和动物残肢以及地表水、地下水输入过程中所带的各种养分。河流连续体是描述河流结构和功能的一个方法，如图1所示。它应用生态学原理，把河流网络看作是一个连续的整体系统，强调河流生态系统的结构与功能与流域的统一性。所以，上游生态系统过程直接影响下游生态系统的结构和功能。这一理论还概括了沿河流纵向有机物的数量和时空分布变化，以及生物群落的结构状况，使得有可能对于河流生态系统的特征及变化进行预测。但是，河流连续体描述的上中下游的能量传递和物质循环过程是一种特例，缺乏一般性，因此限制了这种模型的应用。在河流连续体概念的基础上，Ward将河流生态系统描述为四维系统，即具有纵向、横向、竖向和时间尺度的生态系统［6，7，8］。纵向上，河流是一个线性系统，从河源到河口均发生物理、化学和生物变化。河流是生物适应性和有机物处理的连续体。生物物种和群落随上中下游河道物理条件的连续变化而不断地进行调整和适应。因此，尽可能保持河流上中下游的连续性应成为河流生图1基于河流连续体概念的河流结构和功能［4］3态修复的一个重点。横向上，河流与其周围区域的横向流通性非常重要。河流与周围的河滩、湿地、死水区、河汊等形成了复杂的系统，河流与横向区域之间存在着能量流、物质流等多种联系，共同构成了小范围的生态系统。自然的水文循环产生洪水漫溢与回落过程，是一个脉冲式的水文过程，也是一个促进宝贵的营养物质迁移扩散和水生动物的繁殖过程。竖向上，与河流发生相互作用的垂直范围不仅包括地下水对河流水文要素和化学成分的影响，而且还包括生活在下层土壤中的有机体与河流的相互作用。Stanford和Ward在1988年对河流系统的竖向领域进行了观测，他们认为这个区域的生物量远远超过河流的底栖生物量。在时间尺度上，河流四维模型强调在河流修复中要重视河流演进历史和特征。每一个河流生态系统都有它自己的历史。需要对历史资料进行收集、整理，以掌握长时间尺度的河流变化过程与生态现状的关系。3河流地貌多样性修复方法基于河流连续体概念及传统的河道整治理论，从河流生态系统的四维模型出发，结合生态水工学的相关理念，进行河流生态修复主要包括两方面内容，即河流地貌特征的修复和自然水文过程的修复［9］。对河流地貌多样性进行修复主要包括下列几种方法：3.1河岸带廊道的修复河岸带廊道包括河道及其部分陆地景观，这一区域的植被直接受到河流水位或洪水以及土壤持水能力的影响（如图2）。河岸带廊道不包括那些与河水无周期性关联的阶地或河漫滩。河岸带植被指生长在河岸带廊道内的植物。生态调查表明，河岸带廊道河岸带群落高地湿地湿地和高地过渡区湿地河流内水域水文边界湿地土壤湿生植物图2河岸带廊道内水域、湿地和高地的关系［10］4是关键的景观特征，其生物多样性水平非常高［10］。河岸带栖息地构成了一个不同物种和结构的镶嵌群落，允许很多种物种共存。而且，很多河岸带廊道的栖息地碎片处于不断的变化中。新创建的栖息地在时间和空间上一直发生着变化。因河流的动态变化，一些边滩逐渐发育，新的栖息地被创建，并逐步形成不同类型的生物群落。随着河流的继续演变，这些栖息地也可能逐渐被侵蚀而不复存在。洪水模式和河流能量等特征决定了这些过程的变化速度以及河滩阔叶林湿地植被发育的成熟程度。因这种栖息地的动态平衡而形成了多种植被组成、年龄、密度和结构。河岸带的很多功能随其相对于河流水位的高程而变化，河岸带植被的价值主要体现在为野生动物提供食物、巢穴、避难所等方面。与其它区域相比，中间和高处的河滩阔叶林湿地通常具有比较高的植物物种丰度和初级生产力水平，但并不一定能维持比较多的野生动物。对不同的物种，每个区有其特殊价值。例如，与陆地物种相比，沼泽和低洼的河滩阔叶林湿地能维持较多的水生物种。较高位置的湿地区域能维持较多的陆地物种。不同的湿地区域共同构成了一个高度多样性和具有较高生产力水平的生态系统［10］。3.2河流蜿蜒性特征的修复与直线化河道相比，河道的蜿蜒化降低了河道坡降，从而减小了河道流速以及泥沙输移能力。在河流生态恢复中，通过河道蜿蜒化的恢复可以增加栖息地的质量和数量。河流弯曲模式具有很大的可变性，不存在完全成正弦曲线形式的河道，而且从不同的尺度来看，较大的蜿蜒蛇行模式内还会存在一些小的蜿蜒模式。这些可变性应在设计中予以考虑，主要影响因素包括植被的位置和密度、漂石和底质的变化。总的来说，河流蜿蜒性特征的修复可采用如下几种方法：复制法：认为影响河流模式的其它因素（如流量、河床材料等）基本没有发生变化，完全采用干扰前的蜿蜒模式。应用经验关系：很多学者提出了不同的蜿蜒性参数和其它水文或地貌数据之间的经验关系式，如Leopold（1964）等提出弯曲波长一般为河道宽度的1014倍,但应当认识到，这些经验关系式并不适用于所有的河道，最好采用航拍等手段对某一特定区域的蜿蜒模式进行调查，并在此基础上建立河道蜿蜒参数与流域水文和地貌特征的关系。参考附近未受干扰河段的模式：Hunt（1975）和Brooks(1990)认为在恢复河道段的蜿蜒设计中，可以将附近未受干扰河段的蜿蜒模式作为模板［11］。自然恢复法：通过适当设计，允许河流自身调整，并逐渐演变到一个稳定的蜿蜒模式。该方法的主要问题在于恢复河流的蜿蜒性特征所需时间较长，而且存在河岸高速侵蚀和淤积5问题。系统分析方法：Hasfurther（1985）建议采取系统方法进行蜿蜒设计，包括对未受干扰河段的分析，受干扰区域的地貌评价，河流与周边区域的相互作用分析等［11］。如果蜿蜒河道满足不了防洪要求，可以采取开挖分洪道的辅助工程措施［11］，如图3所示。这类分洪道类似于传统的裁弯取直工程，但在设计和运用方式上则有一定的区别。原来的蜿蜒段仍有一定的水流通过，不丧失其原来的栖息地功能，而分洪道则在发生设计洪水的条件下才运用，其它时间则保持干涸状态(图3a)，或仅有少量水流通过(图3b)。如有需要，可在分洪道的渠首设立溢流堰等结构，以控制洪水进入分洪道的起始水位。3.3河流断面多样化特征的修复自然河流在横向上主要由三部分组成，即主河槽、洪泛区和过渡带。主河槽，是一条在一年中至少部分时间有水的沟道；洪泛区，是河道一侧或两侧受洪水影响，周期性淹没的区域，其变化范围较大；过渡带，是洪泛区一侧或两侧的部分高地，是洪泛区和周围陆地景观之间的过渡区域或边缘区域。其典型断面如图4(a)所示。在满足河道行洪能力要求的前提下，遵循自然河流横断面的结构特点，对现有经过人工改造过的河道，可按复式断面进行设计，如图4(b)所示。河床在不加以人工构筑物防护的情况下，水流自然会将其冲刷成为抛物线的稳定形状[12]，因此在具体设计时，可以此作为典型断面，在满足防洪要求的基础上对相应断面进行调整。堤防宽度B(平滩宽度)bhH（b）复式断面形态(m1、m2为斜坡坡率，H为河底到堤顶的高度，h为河底到滩顶的高度)图4河道断面形态示意图平滩流量是河道水位与河漫滩(洪泛区)相平时所对应的流量，该流量通过移动泥沙、形成或移动沙洲以及形成或改变河流蜿蜒性等过程，形成河道的一般形态特征[14]。图3分洪道布置示意图［11］堰堰分洪道分洪道（a）典型自然河道横断面结构［13］6对于自然河流，平滩流量在一般情况下的重现期大约是1.5年，可以通过洪水频率曲线求得[15、16]。作为粗略的近似，可暂取频率为1.5年的洪水流量作为平滩流量[14]。河流达到平滩水位时所对应的河宽，称为平滩宽度（B），如图4所示。确定平滩宽度时可参考平滩流量及河流宽深比公式（鲁什科夫,1924）[14]：hB，式中：B—平滩宽度(m)；h—平滩流量时的平均水深(m)；—河相系数，对于砾石河床取1.4，对于一般沙河取2.75，极易冲刷的细沙河床取5.5.典型断面设计完成后，可在满足设计洪峰流量和平滩流量的基础上，对典型断面进行局部调整，以形成多样化的断面形态，河流深潭、浅滩处的典型断面示意图如图5所示。3.4创建深潭-浅滩序列自然界中的河流的纵断面通常表现为深浅交替的浅滩和深潭。由于深潭和浅滩可产生急流、缓流等多种水流条件，能形成丰富的生物群落，可把创建深潭-浅滩序列作为河流修复的主要措施之一。深潭与浅滩的大小及其组合应根据水力学原理来确定，按照弯道出现频率来成对设计，即一个弯曲段，配有一对深潭与浅滩，每对深潭-浅滩可按下游河宽的5—7倍距离来交替布置［7，8］。交替出现的深潭和浅滩是修复河道内生态环境的一个重要方法。除了由浅滩段增加的紊动促进河水加强充氧外，其沙砾底层是很多水生无脊椎动物的主要栖息地，也是鱼类觅食的场所和保护区。深潭还是鱼类的保护区和缓慢释放到河流的有机物的储存区。另外，也可通过疏浚和堆放自然材料来重新创造深潭和浅滩序列，如图6所示。重新创建的深潭和浅滩的位置需要与现有的弯曲类型相协调。深潭应设在弯曲段外侧，所挖出的材料可在弯曲段内侧建造沙洲，浅滩应设在弯曲段之间。3.5河道内局部地貌特征的改善通过河道内的一些栖息地加强结构可明显改善河道内的局部地貌特征，并可增