基于生態水工學的農村水系自然化治理技術體系構建
摘 要：根據農村水系特征，基于生態水工學理論方法，在充分發揮生態系統自修復功能基礎上，在河流地貌形態、水系格局、岸坡防護、棲息地加強及生態文化景觀等方面構建農村水系自然化治理技術體系，促進形成生態健康、自然美感、承載鄉愁的農村水系特征，提升農村水系生態系統質量和穩定性。
農村水系是振興鄉村綠色產業發展、建設鄉村水生態文明的重要依托。近年，國家和地方雖然高度重視農村水系治理工作，但河湖萎縮、水質惡化、生態退化等現象仍然普遍存在。現有已開展的治理工作，在改善和恢復天然河流的自然屬性、恢復河湖多樣性水文地貌條件、引導河湖生態系統自修復等方面，還存在欠缺。基于此，提出基于生態水工學的農村水系自然化治理技術體系，旨在促進各地實踐中，形成生態健康、自然美感、承載鄉愁的農村水系特征，提升農村地區水系生態系統質量和穩定性。
01
治理理念及原則
生態水利工程學（簡稱“生態水工學”） 是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水生態系統健康與可持續性需求的原理與技術方法的工程學科。基于生態水工學的農村水系自然化治理技術是指根據農村水系特征，基于生態水工學理論方法，在充分發揮生態系統自修復功能基礎上，在河流地貌形態、水系格局、岸坡防護、棲息地加強及生態文化景觀等方面采取各類工程或非工程措施，促進形成生態健康、自然美感、承載鄉愁的農村水系特征，提升農村水系生態系統質量和穩定性，同時使已經人工化、渠道化的河流廊道恢復原有的自然特征。這種自然化不是對原有河流的完全復原，也不是創造一條新的河流，而是恢復河流廊道的自然屬性和主要生態特征。農村水系治理應遵循 “協調發展、生態完整、順應自然、適度引導”的原則。其核心是尊重農村地區自然規律和社會發展規律、順應和保護自然，實現社會、經濟與生態環境的協調發展。協調發展指的是河道治理應服從流域綜合規劃、區域發展規劃、水資源保護規劃、水生態修復規劃及其他各類水污染治理、水環境保護規劃等；生態完整是指滿足和兼顧水生態系統結構與功能的完整性，涵蓋基本水生態要素，包括水文情勢、河湖地貌形態、水體物理化學性質和生物群落等；順應自然河流自然化治理應充分認識到生態系統的 “自組織、自設計”功能，通過對水生態系統的全面評估和健康診斷，識別主要脅迫因子，在重點生態要素上采取修復措施；適度引導指的是在設計時能依靠生態系統自適應功能，通過對生態系統的適度良性干擾，采取“引導性”設計方法，使河流生態系統向健康方向演替。
02
自然化治理體系
農村水系自然化治理 技術體系包括河道擬自然地貌形態恢復、水系連通、自然型岸坡防護、河道內棲息地改善技術及生態文化景觀構建技術等。
1.河道擬自然地貌形態修復
河道擬自然地貌形態修復技術指河流地貌縱向、橫向、垂向的擬自然化修復， 主要包括河流平面形態、河道斷面及河道縱坡設計。
（1）平面形態構建
鄉村自然河流的平面形態往往表現為蜿蜒性、多樣性及與河漫灘之間的連通性。已經渠化的河流也可以在原有基礎上對河道進行平面蜿蜒性構建，可采用復制法、類比法、經驗公式法和數值模擬等方法。恢復過程可采用直接改造方式，也可通過修建適宜的河流內建筑物（如丁壩）以自然力方式使河流在多年沖淤變化中逐漸形成穩定的彎曲形態。計算蜿蜒型河道參數常采用水文地貌經驗關系公式。在計算出蜿蜒型形態各項參數以后，就可以以此繪制河流主槽深泓線。于子鋮在北京市南沙河河流最佳蜿蜒度研究中采用了數值模擬探討了河流不同平面蜿蜒形態與流速水深分布多樣性、所選特征魚類適宜生存流速水深以及河流的行洪安全要求三方面之間的關系，從而確定了該河流的最佳蜿蜒度。恢復河流的蜿蜒性，不僅使渠化河流恢復其自然蜿蜒程度，還恢復與老河灣、蓄滯洪區、灘區之間的連通性，使修復后的河流重新獲得深潭、溪流、淺灘等地貌單元，改變已經退化的灘地和洼地條件。
（2）自然型河道斷面設計
自然河流斷面具有多樣性特征，大部分河流斷面是非對稱的，深淺不一，斷面形狀隨河流分布位置及類型各有不同。斷面多樣性是河流生物多樣性的重要支撐，河流橫斷面修復應具有深潭、淺灘、河漫灘及錯落有致的植被群落。以往人工改造的河流，往往采取梯形、槽形等幾何對稱斷面，而且沿河保持不變，損害了棲息地的多樣性，導致河流生態系統不同程度的退化。
河道斷面設計原則如下：①河道斷面應能滿足行洪需要，特別是設有堤防的河道，應保障設計洪水作用下的行洪安全。②盡可能采用接近自然河道的幾何非對稱斷面，即使采取對稱斷面也應采取復式斷面。③選擇適宜的斷面寬深比，防止淤積或沖刷。④蜿蜒型河道布局設計，應符合深潭-淺灘序列規律，形成緩流與急流相通、潭與淺灘交錯的格局。⑤根據河流允許流速選擇河床材料類型和粒徑。⑥斷面設計與河濱帶植被恢復或重建綜合考慮。⑦通過歷史文獻分析和野外調查獲得數據資料是重要依據。
（3）河道縱坡設計
自然河流在縱坡上大多呈現階梯狀態，不論是順直的山溪山澗，還是帶有深潭—淺灘序列的蜿蜒河流，因此在自然型河道治理中應盡量避免對河床進行單一縱坡開挖。縱坡是決定河流形態的關鍵要素，山區河流往往由于過大的縱坡，河流下切嚴重，若不采取措施將加劇兩岸崩岸風險。根據修復河段的蜿蜒度變化和泥沙沖淤關系，需要調整、確定修復河段合理坡降。確定河流縱坡可通過：①選擇修復工程附近天然河道，并具有近似流量和泥沙特征，可參考該河段進行修復設計。②根據待修復河段附近河谷和蜿蜒度確定河道坡降。
大尺度的河流縱坡能反映河流演變趨勢，如河段縱剖面反應水庫蓄水引起的景觀變化和泥沙淤積；小尺度縱坡顯現地形地貌細節，包括河床地貌特征（如深潭、淺灘和江心洲等）和人工建筑物信息。流域尺度上的縱剖面反應河流總坡降，其數值將根據河流基準面變化和地殼上升速度進行調整。對于修復工程，應按河道進行實地測量，測量點選擇橫斷面深泓線位置，范圍應擴展到修復河段上游下游，并包括深潭、淺灘和工程結構。
2.水系連通技術
河湖水系連通性是水生態完整性五大生態要素特征之一。水系連通是水系內物質流、物種流和信息流等生態過程，在不同水期時河流縱向、橫向和垂向的物理連通和水文連通。物理連通是基礎，反映河流地貌結構特征；水文連通是河湖生態過程的驅動力。物理連通和水文連通相結合，共同維系棲息地的多樣性和生物多樣性。
恢復河湖水系連通性的措施包括工程措施和管理措施。在縱向連通性修復方面，包括魚道工程、堰壩拆除、引水式電站生態改建等；管理措施有兼顧生態保護的水庫優化調度方法。解決水網阻隔問題的工程措施是建設水網連通工程，管理措施為水閘群的優化調度。在側向連通性恢復方面，針對河湖阻隔問題的工程措施是建設河湖連通工程，針對河流-河漫灘系統阻隔問題，可采取堤防后退、連通河漫灘孤立濕地和水塘等措施，管理措施是岸線管控制度及立法執法等。在垂向連通性恢復方面，采用減滲控滲等措施解決地表水與地下水交換問題。
3.自然型岸坡防護技術
河岸侵蝕和河道側向遷移是重要的自然地貌過程，但在人為活動影響下，可能造成侵蝕加速。因此，必要情況下需要對河流岸坡進行加固或修建堤防。自然河岸系統穩定性來自于河漫灘和河岸植被的相互作用，也是河流棲息地條件的重要部分。堤岸保護應以修復河流自然功能為主旨，以不阻礙長期自然水流過程發生為基本條件。農村水系岸坡防護可以有兩種方法，一種是以護岸加固為目的通過適當的方式增加護岸抗侵蝕和坍塌能力，另一種是通過增加河岸防護結構粗糙程度來削減水流沖擊，減緩水流流速的方式來保護堤岸，這種情況往往也同時創建具有沖刷、沉積、覆蓋的復雜水力條件和恢復河岸植物群落，具有恢復河岸棲息地的作用。自然型岸坡防護技術往往同時具有這兩方面作用，其結構是在傳統護岸基礎上利用植物和天然材料進行防護，既能提供良好的棲息地條件，也能改善自然景觀。常規新建自然型岸坡防護技術主要包括天然植物護岸、石籠類護岸、木材-塊石類護岸、多孔透水混 凝土構件及組合式護岸結構，見圖 1。
很多農村地區的河道采用硬質護岸技術，需要對其進行生態化改造。目前有針對硬質坡式護岸的原位植生式生態化改造護岸結構（專利CN208649992U），可直接在硬質護岸的表面進行生態修復，使護岸結構具有透氣、透水等性能，并滲透植物生長所需的營養，從而恢復河岸的植被，為生物提供良好的棲息場所。另外鄉村河流由于流經多處村鎮農田，往往承接大量生活污水、尾水及面源污染物，可應用多單元岸坡型濕地水質凈化技術（專利 CN208292818U）處理。
4.河道內棲息地改善技術
河流地貌形態的多樣性決定了沿河棲息地的有效性、總量及復雜性，也影響與植被相關的遮陰效應和水溫效應。研究表明，河流生物群落物種多樣性與棲息地異質性存在正相關關系。在河流廊道尺度上，不同類型棲息地的空間異質性為種群動態、種間關系、群落演替以及干擾傳播等多種生態過程提供了基礎。這種空間異質性主要表現為兩個方面，一是水文和水力學因子時空分布及其變異性；二是地貌上各種成分的空間配置及其復雜性。河流棲息地包括河道內棲息地、濱河帶棲息地、河漫灘棲息地以及季節性洪水濕地等，自然河流是與各棲息地保持良好連通的有機物高效利用系統。河流環境中的結構設計可能涉及較多的特定場地分析，因此一般無法建立通用的設計程序，需根據場地和河道條件、面臨的風險及復雜程度確定評估最大沖刷深度、材料尺寸、水力條件等設計要素選取最為適合的計算方法和工具。
（1）礫石和礫石群
礫石和礫石群已經在北美農村地區成功地用于改善魚類棲息地，在河道中放置單獨的礫石或礫石群會產生不同的水深、基質和流速，從而增加河床棲息地多樣性。礫石應以隨機模式放置，以復制自然水流條件，且不會顯著改變整體水流狀態。通過將礫石的水力影響保持在較低或中等水平，產生局部沖刷， 同時將意外風險，如河床或河岸過度沖刷、碎屑堆積、上游沉積和回水、較高的水面雍高以及增加的河道切灘風險降至最低。因此，不允許巨礫堵塞河道，且其應在河道斷面中保持相對較低的位置。美國俄勒岡州高速公路部門建議，在河流橫截面上礫石的放置應不能阻塞超過1/3 的通道面積，合理限制值應在20%到30%。聯邦高速公路管理局建議，如果河道的坡度小于3%，低流量時河流過流能力減少應不超過1/5。
（2）生態堰壩
生態堰壩是一種低矮的結構，通常由跨越河道寬度的礫石和圓木組成。放置大塊木材和圓木能加速帶有河岸森林河流的自然恢復，也可用于提高切灘河道的穩定性，同時提供額外的棲息地效應。形成石堰的巨石通過在單個巖石之間聚集水來改變水流的方向，在平面上形成一個指向上游的拱，其最低點位于拱的頂端。這種結構可以通過對河道深泓線重定向，控制河道的斷面形狀或改變和維護其寬深比，防止護岸侵蝕，同時創建一個適宜魚類棲息床的沖刷池，將低流量集中到更深、更窄的河槽，以改善平底河床中的魚類通道，回水上游增加淺灘水深，并實現自然分選沉積物。除了其他用途外，石堰還可以用于控制陡坡下切。應盡量選擇有棱角的巖石，因為它能夠緊緊地鎖在一起，以防止在高速水流沖擊下發生移動。
（3）河床基質重構
當目標河段位于水庫大壩下游，由于水庫攔水攔沙，使得下游河道的來沙大幅度減少，就有必要對河床基質材料進行重新鋪設。鋪設原則是：①具有足夠的穩定性，保持河道泥沙沖淤平衡。竣工后經長期運行，河流縱坡及橫斷面都不會發生重大變化。②提高河流棲息地質量，為保護物種提供良好的棲息地條件。③提高美學價值，創造優美的水景觀環境。基質鋪設的一般步驟包括調查評估基質現狀基質材料構成、類型（卵石、砂礫石、沙質土、砂黏土、淤泥等）、材料特征（粒徑、角狀、嵌入程度）等，根據河床基質的歷史狀況和發生的退化如渠道化、淤積、建筑垃圾傾倒，確定河床穩定性及河勢穩定性，選擇同一流域未被干擾的河段，比照參考其河床基質材料狀況，同時明確生物種群清單及其棲息地需求，確定河道修復目標。深潭-淺灘序列是自然蜿蜒性河的主要特征，深潭的基質是顆粒較細的泥沙，淺灘河床是由粗礫而密實的卵石構成，修復時宜根據淺灘急流段鋪設礫石和卵石，尤其是具有尖角的礫石應具有相當比例以利于礫石之間咬合。在急流河段布設大卵石、大漂石可以形成一系列小型堰壩魚梁，創造適宜的魚類棲息地。
5.生態文化景觀構建技術
在景觀美學功能區營造自然景觀，利用河湖水域岸線空間創造親水環境，使河湖成為休閑、運動、科普、文化教育的公共空間，充分發揮農村水系獨有的美學和文化功能。河湖景觀應明確河流—湖泊—濕地流域總體格局中的空間景觀定位，保持湖泊景觀與廊道景觀、濕地景觀的有機融合，形成既聯系又各具特色的自然景觀格局。河湖濱岸應采用景觀協調性較好的護岸形式，植物搭配主次分明，富于四季變化，增添岸坡綠色，避免采用單調的傳統混凝土或漿砌石護岸結構，同時滿足道路、人行步道通行要求。盡量減少商業設施和建筑物， 避免對自然景觀的破壞或環境污染。在景觀美學功能區，適當布設親水平臺、棧道以及觀鳥臺和小型自然博物館等設施。對于建有多個魚塘的河湖濱岸帶可改造為多塘濕地。將魚塘的塘埂拆除至水面以下僅保留塘基，并利用拆除石料就地形成緩坡微地形。塘內每間隔一定距離清理塘基，使塘內外溝通，塘基呈散落狀分布。底泥污染較重的魚塘應先清淤，并種植挺水、浮葉及沉水植物。
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