基于河漫灘生態修復的城市河流治理探索
——以平頂山香山溝治理工程為例

李一帆，馬 彥，田國行

(1.河南農業大學 林學院，河南 鄭州 450002； 2.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

基于河漫灘生態修復的城市河流治理探索
——以平頂山香山溝治理工程為例

李一帆1，馬 彥2，田國行1

(1.河南農業大學 林學院，河南 鄭州 450002； 2.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

城市河流；生態修復；河漫灘；棲息地；香山溝；平頂山

當前傳統城市河流與城市周邊用地之間缺少河漫灘作為過渡，河道多被束縛在堤防之內，這種堤防不允許周期性洪泛躍堤的單一結構往往令城市河流進入快排模式，河流只是消化洪水的通道。而在非洪泛期，這種快排通道式的河道也隨之失去了應有的生態功能。以平頂山湛河支流香山溝治理工程的生態修復方案設計為例，提出了在城市近郊恢復河流生態棲息地的可行性及必要性。通過宏觀層次上對河流生態系統的恢復，中觀層次上對河流物理結構的修復，微觀層次上具體棲息地設施的構建，闡述了河漫灘生態修復是保證河流生態系統完整的重要途徑。

國家發展轉型升級對城市河流生態修復提出了新需求，將水質標準作為單一目標的城市河流綜合治理工程未能涵蓋河流自身生態功能的重建[1]，忽視了人與自然河流之間的天然聯系，不能夠從本質上解決現今城市河流存在的諸多問題[2]。因而，進行系統的城市河流生態修復實踐是當下城市發展所不可回避的。河漫灘作為一條健康河流生態系統的重要組成部分，一直以來被作為建設用地而不斷被擠占[3]，其生態功能的修復與重建對于恢復河流整體生態結構及生態功能具有至關重要、承上啟下的作用。要對城市河流進行系統的生態修復，就必須重新確立河漫灘在城市規劃中的地位，這就需要我們在景觀生態學視角下，對城市河流的河漫灘進行梳理與重建，并建立人與自然耦合的河流棲息地模式。

1 河漫灘生態修復的意義

目前，國內城市進行的河流生態修復工程大多關注水質的改善與河道內綠化條件的提升[4]，但要恢復城市河流自凈能力、生物生產力、生物棲息地多樣性等生態功能，僅僅依靠河道內部水質的恢復與棲息地條件的改善是無法完成的。

河漫灘是河流生態結構中典型的群落過渡帶，具有連通水域和陸域的作用，是動植物群落生存與河流能量轉換的重要場所。在自然河流中，河水的周期性洪泛是河流生態過程的重要節點，而洪泛灘區則是承蓄般洪水的重要場所。如今的城市河流治理在對洪水的處理上采用的是單一防護的治理理念，但越來越多的研究者認識到洪水在調節生態、能源利用、資源調蓄等方面的作用是無可取代的[5]。

只有在城市待建區域的河道治理工程中將河流灘區結構納入規劃范圍內，才能避免傳統河道治理擠占河道、高筑堤防等不可持續發展模式的發生?；诖耍瑧_立“大灘區”的河道治理思路，利用河流自然灘區滯洪削峰，建立灘區結構與防洪工程協同作用的耦合模式，才能在利用河流灘區創造生態價值的同時，保證城市的良性發展。

2 河漫灘生態修復的途徑與對策

河漫灘生態修復在城市河流生態修復工程中起著承上啟下的關鍵性作用。一方面，河漫灘系統的重建需要以城市河流整體物理形態的修復作為基礎與平臺，其形態依賴于河流三個維度物理形態的重構，在時間維度上，河漫灘結構的建立也會對河流形態進行工程竣工后的再塑造；另一方面，河漫灘系統的建立能夠創造出沿河道的多樣的生物生境類型，提高城市基質與河流廊道的景觀格局，以及邊界處的邊緣區效應，是激活河流生物生產力的關鍵。因此，河漫灘生態修復工程應當以恢復河流三個維度上的形態結構為基礎，把河漫灘形態塑造的理念貫穿始終，并以恢復河流生物棲息地完整的生態結構為目的。

2.1 基于河漫灘重塑的河流形態修復

2.1.1 河流斷面結構

河流斷面結構設計的首要目的是滿足行洪需要與安全防護需求。設計過程大致可分為兩部分：一是應當以河流平面布置模式為基礎互為參考，同時設計，即根據河道擺動幅度與頻率確定各河段的河槽形式；二是根據不同的河槽形式塑造河道主河槽與河漫灘區，并且以周期性漫灘為目的對過流斷面進行計算。在對河道糙率進行計算與復核時，應當綜合河床基質、河道內植物設計方案等綜合取值。在標準斷面設計完成后，對該斷面進行調整以適應河流蜿蜒形態下的水力環境，并對河灣凹岸與凸岸處的邊坡與河床進行調整。

2.1.2 河流平面結構

河流的平面結構以恢復河流自然蜿蜒形態為主要目的。在確定蜿蜒形態時，如果裁彎取直之前的舊河道仍然存在并具備再次利用的條件，可以在進行計算與復核后恢復或部分恢復舊河道。在城市河流生態修復中，河道平面布置的第一步往往是廢棄或部分廢棄舊河段并規劃新的河道線路。新的河道線路要滿足基本的行洪與安全防護需求，并且具有河流的擺動空間、河漫灘的占地空間及植被緩沖帶空間。

2.1.3 河漫灘重塑

河漫灘重塑就是在河漫灘對地形地貌進行有條件的微處理以形成多元化的灘區地貌。地形的處理應當以不阻礙行洪作為基礎依據，在平原地區，河漫灘一般以向下游輻聚的鬃崗與洼地相間分布為主要特征，在進行工程設計時，應當模仿與順應這種地貌類型。此外，在河道沿途若有連片低洼且可以利用的區域時，可以有條件地設置開放灘區，開放灘區在單側或兩側放開堤防，以自然地形或通過修改來達到防洪目的。

2.1.4 現狀地形利用

河流蜿蜒形態的重構往往意味著舊有順直河道的廢棄，可以將舊有河道作為河道一側的滯洪洼地來使用，也可以通過改造溢流堰等水工設施使之成為泄洪道。

2.2 種植設計

河流生態修復具有不同于傳統意義上的河流治理工程的兩大特征：一是生態功能優先，二是非一次性設計。在植物種植方面，應遵循的原則有兩條：首先是植物搭配的美學原則應當讓位于生態功能，植被體系構建應當以保護河流生態系統的良性循環為目的；其次是應當考慮河流生態修復的時間維度，除滿足必要的生態功能外，應避免使用一次成型的大型苗木，以降低成本。河漫灘植被應以自然發育為主，出于工程考慮可以人工輔助初期植被的建立。

2.3 防護工程

河漫灘動態發育的特征使得安全防護的程度應當有所取舍，灘區不能一次成型，也不能任由泥沙淤積，在工程設計之初就應當進行河床基質選擇與河流泥沙控制。對確有塌陷危險的河道邊坡應當進行防護，防護材料以透水不漏土為原則，并保證具有一定的生物生長空間，應避免采用光滑的整體性護坡形式。

2.4 生物棲息地構建

河道內生物棲息地主要由淺灘深潭序列結構構成，在局部該結構不明顯時，需要人工輔助加以完善。河道外生物棲息地以豐富灘區地貌單元為原則，在進行棲息地結構恢復時，應當妥善分配生物活動空間與人類活動空間，使之相互隔離或相互滲透，互不干擾。

3 平頂山市湛河綜合治理香山溝生態修復工程

3.1 區位概況

湛河沿東西走向貫穿平頂山市市域范圍，干流全長38.49 km，流域面積218.57 km2，河道比降0.84‰。沿岸約有30條支溝，生態修復工程所在的香山溝即是湛河北岸的支流之一，位于湛河西北部，地貌結構為條狀洼地，屬于大陸停滯水堆積洼地和沖洪積坡地地貌單元，地表主要分布有高度不等的人工堆積體。香山溝區位情況見圖1。

圖1 香山溝區位

3.2 現狀分析

3.2.1 河道及水文現狀

香山溝全長約9 km，整體河道呈直線形，地勢較為開闊，為“U”形溝谷，河槽深1.5～3.0 m。全流域匯水面積為10.5 km2，根據降雨強度公式計算出香山溝20年一遇洪峰流量為50.21 m3/s，2年一遇洪峰流量為20.38 m3/s，1.5年一遇洪峰流量為17.13 m3/s。

從下游至上游沿線分布有井營村、楊官營村、石橋營村等村莊及水泥廠、焦化廠、坑口電廠、變電站、煤礦礦山等工礦企業生產性單位。

3.2.2 現狀河道存在的問題

現狀河道兩岸村莊及生產性單位所產生的生產生活污水未經處理直接排進河道內，水色混濁呈青色，懸浮顆粒多，味臭，水質為劣Ⅴ類。河道形態大部分為順直型，缺少灘區，無法形成有效的生物棲息地結構，對于較大洪峰也起不到滯留作用。此外，河道邊坡缺少固坡植被，高地無植被緩沖帶，坡岸不穩定，且無法對地面徑流起到攔截作用。夏季陽光直射河道，缺少河岸植物蔭蔽河段，對水生生物生長不利。

3.3 設計目標

在本方案中，河流生態功能的修復要依賴河流灘區系統的建立。工程的首要目標就是鞏固河道的防洪能力與自身結構的穩定。通過對河流斷面結構的重塑、開放灘區的布置、灘區地貌結構的梳理、棲息地設施設計、植物設計，建立香山溝完整的河流灘區生態系統，恢復河流生物生產力，提供生物棲息地。利用工程與非工程措施，重新恢復河流自凈能力與流域內的生態環境。

3.4 修復工程設計

3.4.1 水質恢復與水量調撥

水質恢復工程主要由污水攔截與水質處理兩部分組成。沿河道兩岸或一側布置截污管道，將周邊污水收集后就近送入污水處理廠，實現全流域雨污分流。

水量調撥方案分為兩部分，一是通過香山溝北部召平臺水庫調水，滿足部分生態需水；二是將沿岸污水處理后再利用。再生水利用方案有兩個：①僅利用現有入河口處污水處理廠處理污水，將再生水通過調水措施調至香山溝源頭，注入在這里設置的預處理濕地，使再生水經濕地植物凈化后進入香山溝河道。②在香山溝源頭建立污水處理廠，并設置預處理濕地，污水經處理后排入河道；現有污水處理廠處理過的污水部分調至香山溝中段或下游的灘區濕地系統，部分直排入烏江河。

3.4.2 河流物理形態

河流物理形態的修復關系到生態功能的完善與安全防護功能的實現。因此，河道的縱向形態與豎向結構均要以水力學計算為基礎。

(1)標準斷面設計。河道斷面采用復式斷面結構，大梯形主河槽斷面滿足20年一遇洪峰過流。用1.5年一遇的洪峰流量作為香山溝的平灘流量[6]，利用該流量來制造河漫灘區的洪水脈沖，將河槽內河水釋放入河漫灘，恢復河道與河漫灘的連通性，激活灘區生物生產過程。香山溝全流域匯水面積10.5 km2，結合暴雨計算公式，得出河道1.5年一遇的設計洪峰流量(平灘流量)為17.13 m3/s；利用平灘公式[7]W=aQb求出河道平灘寬度為13.70 m，以此作為河道主河槽開口線的寬度值；再利用河流寬深比公式[7]ξ=0.5B/h求出河槽寬度在13.70 m時河槽的深度為1.30 m。

綜合考慮根據綜合糙率計算公式[8]n=(n0+n1+n2+n3+n4)m確定的n值與香山溝恢復后狀況的預估，綜合糙率取值為0.066。

綜合以上各項參數，利用梯形斷面河道水力學計算方法對子河槽斷面尺寸進行計算并設計，斷面形式見圖2。需要注意的是，該斷面形式為標準斷面，是保證安全行洪條件下河道斷面的最小值，在實際河道設計中，在用地條件允許的情況下，為盡可能創造河漫灘地貌單元，河漫灘范圍要比標準斷面大，邊坡坡比要比標準斷面中的坡比小。

圖2 香山溝標準斷面形式(單位：m)

(2)河流平面形態。河流平面設計主要有三部分，一是對于河道線路的重新選定，二是對河道蜿蜒形態的布置，三是對河灣跨度的計算。

香山溝新的河道選線方案避開了上游段與城市用地之間的矛盾，并盡可能地避開了生產企業，以減少其對于河道的點源污染。根據Rosgen河流分類體系，綜合香山溝流域內整體坡降與寬窄率及河床材質等特征，考慮到周邊用地較為局限的情況，最終選取新建河道蜿蜒度，也就是河道整體長度與河口至河源處直線距離之比為1.1～1.2。根據河灣跨度的經驗公式[7]計算出香山溝子河槽河灣跨度為154.3～170.8 m。在該跨度內，子河槽以1.1～1.2的蜿蜒度向河流流動的垂直方向擺動。該標準擺動幅度約為60 m，而主河槽約18 m的標準河槽寬度不能夠滿足該幅度，在實際布置過程中，子河槽擺動幅度小的(≤18 m)河段，主河槽可以不隨子河槽一同擺動，子河槽擺動幅度大的(>18 m)河段則反之。在確定河道基本蜿蜒模式之后，根據河灣跨度、周邊用地、地形條件及上下游蜿蜒度的差異，沿河道選線方向布置河流中心線。

(3)河流斷面、平面形態的深化。河道凹岸處水流在離心力的作用下會不斷淘刷凹岸頂點處的邊坡，并形成河底內的深潭，深潭最深處一般不在彎曲頂點處，多向下游偏移。因此，在橫斷面設計中，應當順應這種河流自然構造原理，在河灣處對斷面進行調整，將凸岸側坡度放緩、凹岸處坡度變陡，并且在此處的河床鋪設礫石，允許這種自然構造過程隨河流運動而發生(圖3)。

圖3 深化后的河道斷面形式

3.4.3 河漫灘系統

河漫灘區利用“大灘區”的河道治理思路，將洪泛風險視為河道內生物結構動態變化與灘區生態結構形成的契機，并利用開放的灘區作為滯洪區，承蓄漫灘洪水，將洪水的動態變化過程做到可控與利用(圖4)。在香山溝生態修復工程中，河漫灘區系統分為河道內灘區與河道外開放灘區兩部分。

圖4 河漫灘系統示意

(1)河道內河漫灘。河道內灘區由河槽內淺灘與邊灘構成。蜿蜒河流凸岸處一側邊灘坡度較緩，深入水體，生長相應的淺灘植被，結合一些木、石構架的棲息地設施，為龜、蛙類提供往返水體與邊灘的通道與躲避天敵、覓食的場所，也為水禽提供了駐足與捕食場地。這些由邊灘構成的河漫灘區的棲息地結構也會隨著豐水期徑流的變化而逐漸發育成型，其中的生物物種在水體的動態變化過程中完成遷移，也為河道提供了較為穩定的營養物質來源(圖5)。

圖5 河漫灘結構示意

(2)河道外河漫灘。在河道外河漫灘區構建中，結合周邊用地情況沿河布置了四處開放灘區(圖6)，這四處灘區的一側堤防被放開，在高程設計上也將該水位的范圍進行劃定，使其淹沒面積大致達到灘區總面積的50%左右。利用地形坡度引洪峰河水進入灘區，并利用地形高差將洪水控制在20年一遇水平。四處灘區所形成的滯洪濕地能夠削減洪峰流量，并且對周邊場地匯入的初期雨水起到滯留與凈化作用，灘區會隨著每年洪泛程度的不同而形成不同范圍的周期性淹沒，淹沒的區域形成河岸濕地。

圖6 開放灘區原理示意

3.4.4 河漫灘系統動態結構

(1)植被動態結構。自河道中心線向兩側，植被系統共分為5個部分：第一，水邊線區域移植少量水生植物，包括沉水與挺水植物；第二，護坡區域，結合不同生態護坡的形式扦插活體枝條；第三，1.5年一遇水平河漫灘區主要以地被植物為主，采用人工植草與播種草籽相結合的方法，種植本地速生草種營造過渡區的主要植被群落；第四，1.5年一遇水平河漫灘區域以上為點狀種植區域；第五，高地植被緩沖帶。點狀種植區域和高地植被緩沖帶采用波浪形種植方式，使兩個區域的植被相互咬合交錯，高地植被緩沖帶人工種植程度最高，喬灌草的立體植被結構最為完善，對外部干擾抵御能力相對于其他區域最強，將該區域與鄰近區域相互交錯能夠提高河岸縱向上的抗干擾能力，提高河岸植被種群建立的速度(圖7)。

河岸植被可劃分為水域、灘區、陸域三大區域，三大區域內的植被群落隨水文條件的變化而變化。常水位條件下，水生植被群落、濕生植被群落、陸生植被群落在河流垂直方向橫向分布，發生洪水期間，水生植物逐漸向兩側擴展，在流量最大時達到最大生物量，而在這一時期陸生植被與濕生植被則在水中逐漸腐爛分解，一部分隨水流流入河道，另一部分在灘區靜水區域沉積。當洪水退去，灘區植被分解部分及原生的有機質隨退水進入河道，而河道內的沉積物及上游的有機質碎屑則進入灘區，二者相互交換。此時，濕生植被與陸生植被也再次發育，進入下一輪群落發育階段(圖8)。

圖7 河道植被種植模式

圖8 河道植被動態示意

(2)水生生物動態結構。利用新河道制造的洪水脈沖與灘區系統創造出大區域、高連通度的河道內生物生產場所。在具體設計中，河漫灘地形多以淺坑的形式出現，目的是在洪水漫溢過程中創造沿河分布的靜水區域，將在洪水流量大的主河道內缺少覓食與繁殖機會的魚類引入該區域，形成豐水季節魚類繁殖的高峰，往返于水陸之間的兩棲爬行類動物則會隨著岸線的波動而橫向遷移，也會在退水期沿河流進行縱向遷移。

3.4.5 河流現狀場地的整理與利用

根據周邊用地條件與河道功能，沿河道分別設置前置凈化濕地、河岸濕地、高位蓄水池、分洪道，充分利用周邊地形地貌資源。設計方案將源頭周邊的地形進行重塑，作為前置凈化濕地。將濕地內多處洼地進一步挖掘整理成為濕地塘，并利用挖塘施工土方堆填成為濕地島，創造富于變化的地貌條件，延長水體滯留時間，以達到凈化目的。

此外，把舊河道沿線保留下來的部分河段適當擴大使其成為河岸濕地塘，并降低其與主河道之間過渡段的高程，當較大洪峰來臨時引導洪水漫入濕地塘，濕地塘的靜水環境可以作為兩棲爬行類動物繁衍棲息的場所，周期性轉換的水體使得塘內生物可以隨河水遷移，也可以達到凈化塘內水質的目的。

河道中段南岸為一處采石場，由于長期挖掘形成礦坑，礦坑內部存有積水。基于此，將礦坑規劃成為河道邊高地蓄水池，作為河道應急補水設施。在遇到極端干旱年份或是河道突發污染事件時，可根據具體情況對河道內水源進行應急補充。但是，該方案只是作為極端狀況下的一種選擇，其可操作性要依據實時的水文、水質狀況而定。

下游段舊河道局部保留部分作為主河道的分洪道，兩端設置溢流堰，當水流超過20年一遇流量時進入分洪道，經過消力設施后歸入主河道。分洪道南側堤頂較高，當洪峰過大時保證水流進入新舊河道之間的區域，而南側區域不受水淹。

3.4.6 安全防護工程

基于河漫灘動態變化的河道方案會帶來河道自身穩定性不足等問題。因此，方案根據不同的防護條件將河道分為三個區域，并設計三種護坡形式加以防護。①順直段：順直段兩側邊坡受到的水力條件大致相當，且灘區位置相對固定，建議在平灘水位以下設置干拋石護坡，并在拋石間扦插活體枝條；平灘水位之上至20年一遇洪峰水位線之間坡體采用加筋墊并覆土撒播草籽的方式進行防護。②彎曲段凸岸：該段坡度較緩且水流沖刷作用不明顯，主要以加筋墊進行防護，僅在坡腳處少量拋石。這種設計為河漫灘發育提供了彈性空間，且便于灘區植被發育及后期生物棲息地設施的布設。③彎曲段凹岸：該段水流沖刷較為嚴重，且本身坡度較陡，故結合不同坡度設計了不同的護坡形式。邊坡坡比在1∶2～1∶3之間時，采用松木樁+拋石護坡，拋石間扦插活體枝條；邊坡坡比大于1∶2時采用石籠護坡的形式進行防護。

此外，所有護坡工程土體壓實度應當介于80%～85%之間，以避免種植土層過于密實，阻礙植物根系的生長；所有護坡襯砌結構均需設計反濾層，拋石護岸反濾層以級配碎石層為主，石籠護坡反濾層為土工布，加筋墊本身具有反濾結構，不需額外設計反濾層；扦插活體枝條的拋石護岸需要在塊石間覆土，覆土厚度不應小于塊石厚度的一半；由于現狀河床基質屬于微透水級別，且生態河道應當具有可供上下水交換的河床，因此方案中不再對河床設置防滲襯砌，僅在彎曲段及河漫灘較大的河段鋪設砂礫石，砂礫石層厚度為10～20 cm，對于局部淘刷較為嚴重的河床，該層厚度可適當加大。

3.4.7 生物棲息地加強措施

為創造沿河的生物棲息地結構，方案設計了多種人工生物棲息地設施。河道內生物棲息地設施主要為木樁人工魚巢、拋石丁壩、局部河床鋪設砂礫層。此外，為了解決主河槽內常水位情況下水流變化相對單一的情況，方案設計在較為順直河段的河槽內干拋若干巨石。河漫灘區生物棲息地設施主要有木構架設施與兩棲生物塘。在低洼區域挖掘深0.6 m左右、直徑3 m左右的池塘，作為兩棲動物的棲息地。

4 結 語

河流生態修復是一個復雜、系統的工程，從前期的工程調研、生境條件調查等，到方案規劃階段的水量劃撥、水質恢復及河流物理形態恢復，再到微觀的局部河段地貌修復、河流生物棲息地設施構建等，每一個環節都需要做前后的對照與通盤的考慮。而河漫灘生態修復作為河流生態修復中最為重要的內容之一，在整體修復工程中起著承上啟下的重要作用。河流物理形態的修復設計不僅要以河漫灘結構作為主要的設計依據，并且后期微觀尺度的河流生物棲息地結構的恢復也需要以河漫灘作為主要平臺。從香山溝河流生態修復工程來看，城市用地的特殊限制條件與河漫灘修復尺度之間的博弈并非是不可調和的。對應不同河流級別、不同棲息地尺度、不同城市用地條件，河漫灘均可以作為城市河流物理結構中必不可少的一項參與到河流生態治理工程中來。在香山溝這樣一種用地條件相對寬松的城市邊緣區，城市斑塊、河流斑塊及農田斑塊這樣一種相互滲透、相互咬合的立地條件下，河流修復手法可以十分靈活。用地相對緊張與相對寬松的不同區域對應著不同的河流斷面形式，甚至在適當的區域可劃定開放灘區，對棲息地進行集中重建。但無論哪一種河流形式，河漫灘均是河流整體結構中不可分割的一部分。

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(責任編輯 張培虎)

國家自然科學基金項目(31600579)；河南省交通廳基金項目(2014Z06；2015J02)

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1000-0941(2017)05-0026-06

李一帆(1991—)，女，河南南陽市人，碩士研究生，研究方向為城鄉水資源管控。

2017-02-22