深潭的功能及在城市河道治理中的构建模式

王兵，刘慧博，李峪，高甲荣†

(1.北京林业大学水土保持学院，水土保持和荒漠化防治重点实验室，100083，北京;2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，610041，成都)

水资源是人类生产生活的最关键资源，但如今生态环境遭到严重破坏，水体污染严重，水资源的保护和水污染的治理成为现代社会最关注的问题之一。河流生态系统作为淡水资源的主要承载体之一，其健康与否对保护淡水资源有着不可替代的作用。城市河流是指发源于城区或流经城市区域的河流或河流区段，也包括一些历史上虽属人工开挖但经多年演化已具有自然河流特点的运河、渠系［1］。目前，我国城市河流的建设大多放在防洪抗旱上，或考虑园林建设，河道断面结构形式单一化、走向笔直化、河流护坡硬质化比较普遍，致使河流的自然面貌遭到了严重破坏，河流美丽的自然景观和河流的个性特征也逐渐丧失殆尽，特别是对河流的天然生态系统造成了巨大破坏［2-4］。近年来，人们对生活环境的要求越来越高，原先的城市河道已经不能满足人们对环境、景观的需要，迫切需要对其进行生态改造。高甲荣［5］、朱国平等［6］在河道生态改造的研究中引进了欧洲的“近自然治理”［7］思想，通过施用近自然的生态治理措施对城市河道的生态系统进行改造;但总的来说，我国的河道生态治理还处于摸索阶段，因此，需要通过对自然河流的调查研究，为城市河道生态改造提供理论基础。笔者在对北方季节性河流深潭生态功能调查的基础上，结合深潭在景观、防洪方面的功能，就深潭在城市河道治理中的构建前景和构建方式进行探讨，以期为今后城市河流的生态治理规划提供参考。

1 深潭的形成

深潭是河流某一区域内水位较深、河床凹陷的部分，一般与浅滩、跌水对应存在。自然界存在的深潭成因多种多样，结合相关文献可大体分为以下几种形式。

1)跌水冲淘。河流在前进方向上有较大水位落差，如瀑布，河水依靠自身和由地心引力转化的动能垂直冲淘下游河床，随着时间的推移，河床被逐渐侵蚀进而在该区域内形成深潭。

2)阶梯-深潭。主要发生在山区，断面示意图见图1。水流将上部细致泥沙挟带到下部，遇到较大石块(如D、F)水流阻力增大，泥沙沉积，同时回旋的水流不断冲刷石块前方的河床形成深潭(如C、E)［8］。

图1 阶梯-深潭断面示意图Fig.1 Ladder-deep pools section diagram

3)河床塌陷。由于河床塌陷，流水进驻形成的深潭。一般是由于河流底部地质状况和水流的综合作用使河床发生塌陷，或由地震引起的河床塌陷等。

4)侧向侵蚀。侧向侵蚀一般是发生在河流弯道处，弯道处的环流较大，使泥沙发生横向移动，在凸岸形成浅滩，在河流凹岸形成深潭，也称深槽。

5)水溶侵蚀。是指某段河床的主要构成物质能够被水溶解，如石灰岩，在长年累月的侵蚀过程中形成深潭。这种原因形成的深潭一般深度较深，与地下水相通。

2 深潭的功能分析

为充分了解深潭的功能，对山东省青岛市诸河姜山镇支流进行了实地调查，该河段是季节性河流，夏秋季有常流水，冬春季基本无常流水。选区依据是该支流受人为干扰较少，基本保持河道的天然状态，调查数据具有说服力。调查方法是在全面踏查的基础上，选取从泽口水库至杏家泽口河段作为研究区，筛选受人为干预较少、接近天然状态的样点河段10个，10个样点河段共含有9处天然深潭。分别在春夏季对9处深潭的面积、水深、水生物种等进行调查，将数据整理在调查表(表1)中。通过定性和定量分析调查数据，结合相关文献资料，得出天然深潭的以下几种主要功能。

2.1 生态功能

2.1.1 栖息地和水源功能 深潭的栖息地功能主要体现在为水生物种提供栖息地。从表1中可以看出，深潭的深度越深，面积越大，水生物种的种类就越多，这是因为较深的水位，能够满足不同鱼类对栖息水层的要求，而较大的水面积能够提供更多的食物来源。深潭底部被泥、沙、卵石、碎石等覆盖，多样的底质环境能够为许多不同底栖生物提供活动场所。从河流纵向上看，河水在经过深潭区域时流速减小，流出深潭区域时流速增加，变化的流速能够满足不同鱼类生活习性［9］。另外，由表1可知，当河流在枯水期干涸时，较为浅的深潭已经干涸，水生物种都已消失，而面积较大、水位较深的深潭生物变化并不大;因此，可以认为，深潭能够在枯水期为水生生物提供维持生命的水源，具有较好的水源功能。

深潭的水源功能主要体现在季节性河流上。我国北方地区大多位于温带和暖温带的大陆性季风气候区，降雨多集中在夏、秋季，而冬、春季节干旱少雨，我国北方地区多数河流属于季节性河流，往往在春冬季出现干涸。从表1可以看出，多数深潭春季不会干涸;因此，深潭成为许多动物在枯水期的饮水源，同时也能为周边需水植物提供生长所需的水分。

2.1.2 增加物种多样性的功能 深潭增加物种多样性的功能与其栖息地和水源功能是密切相关的，多样的栖息地环境提供了多样的生态环境，能够为不同物种提供生存的基本条件，而深潭的水源功能能够为多种动植物提供生命所需的水分，从而促进了生物物种的多样性。

2.1.3 改善河流水质功能 深潭改善水质的方式主要有2种:第一，深潭的存在为不同水生物种提供了栖息环境，丰富了生物多样性，而通过多种生物的协同作用，能够有效地改善河流水质;第二，深潭往往与跌水相对存在，水流从高处急坠到深潭能够增加天然水体中的氧气含量，从而使水体中好氧微生物的活力得到增强，在好氧微生物的作用下，河流中的污染物得以分解，最终改善了河流水质。

表1 诸河深潭调查表Tab.1 Zhuhe River channel bars questionnaire

2.2 经济功能

2.2.1 防护功能 深潭的防护功能主要包括2方面:在山区河流中，自然形成的阶梯-深潭系统能增加河床阻力，控制河床侵蚀下切，稳定河床和岸坡，有效减少滑坡泥石流发生;另外，处于河道中潭底较深、面积较大的深潭可以起到类似泥石流停淤场的功能，能够较好地将大石块和泥沙拦蓄，减少对下游的危害。

深潭的防护功能能够有效地减少因洪水等灾害造成的经济损失，有一定的经济功能，与此同时，通过模仿自然界的阶梯-深潭系统，既能增加河道行洪安全，又能起到一定的生态作用。自1980年始，国外许多国家就尝试人工修建深潭配合阶梯的模式来治理河流的下切侵蚀。如德国政府曾斥资40万欧元从Inn河的邻近山区运输石块到该河支流MangfaU河上修建人工阶梯-深潭系统，以控制河道的冲刷下切［10］。在意大利北部山区，为稳定大坡度河床，模仿阶梯-深潭地貌特性用漂石或大卵石布置挡水坝，成效显著［11］。

2.2.2 灌溉功能 深潭的另一个经济功能体现在灌溉用水上。在华北平原、山东丘陵等地区分布着许多小型季节性河流，初春干旱少雨，而又是农作物生长发育的关键时期，据调查发现，部分深潭是这些地区春季灌溉的主要水源之一。部分深潭与泉眼相通，不仅水量丰富，而且获取较为简单，在提高农作物产量和减少灌溉费用上有着非常显著的经济作用。

2.3 景观功能

通过了解北京市郊区近年来的旅游业发展情况，发现水面是能够吸引游人的一个很重要因素，这也反映了人们对水面景观的需求;而河流深潭所在的位置，往往水面较大，自然景观非常优美，具有很高的景观价值:所以，深潭的存在能够丰富河道断面形式的多样性，增加河流整体的景观价值，具有较好的景观功能［12］。

3 城市河道人工深潭构建的作用

目前城市河道的主要问题是断面形式单一，河流两岸硬化严重，河流内部生物多样性较差，水质也较差，为了城市河流的健康发展和满足人们对河流生态环境的需要，迫切需要对其进行生态改造。在城市河道人为地修建深潭具有以下作用。

1)增加城市河道的物种多样性:目前城市河道内由于人为干扰和破坏，水生物种几乎灭绝，而深潭水位较深，能够成为鱼类、无脊椎水生物种等躲避天敌的场所，同时能够满足不同物种对栖息水层的要求，深潭的存在可为恢复城市河流物种多样性发挥较大的作用。

2)增加城市河道断面形式:王兵等［13］阐述了可以通过心滩、深潭、蜿蜒性相结合的方式来增加城市河道的断面形式，深潭作为自然河流的组成部分，人为地在河道内修建深潭也符合河道生态治理的近自然理念。

3)可作为绿化灌溉的水源:调查发现，多数深潭能够将雨季的降水储存到春季;因此，在城市河道内修建深潭，以深潭作为城市绿化使用的水源能够实现水资源的合理配置，而且可以有效地缓解城市的用水压力。

4)美化城市河流景观:深潭具有极好的景观功能，能够大幅度地提高城市河流的生态美感，使城市河道更具景观价值。

4 城市深潭构建的原则及构建形式

4.1 基本原则

1)安全性原则:包括河流的行洪安全、堤防安全等;因此，人造深潭要避免雨季施工，同时深潭的数量、大小、深度要合适，避免对岸滩造成破坏。

2)多样性原则:深潭构建形式应参照自然界深潭的形成模式，尽量保证深潭结构多样性，潭底泥、沙、石的多样性，与阶梯跌水、边滩心滩等组合形式的多样性，配置水生物种的多样性。

3)经济性原则:构建深潭必须在当地经济条件允许下进行，尽量采取简便的施工方式，避免过度花费。

4)接近自然原则:深潭的形式、深度、位置选择都应尽可能仿造自然状态下的深潭，适度采用自然演替的被动修复，以便充分发挥和利用生态系统的自我调节能力。

5)景观适宜性原则:深潭的构建要与河流的景观协调一致，通过结构造景、营造自然生趣达到高的艺术境界。

4.2 构建形式

结合天然河道深潭的形成、分布位置、形态特征以及城市河道的实际情况，采用近自然的构建方法构建深潭，可大致分为浅滩-深潭、跌水-深潭2种形式。

1)浅滩-深潭。自然界河流的河道具有较好的蜿蜒性，深潭、浅滩对应存在，笔者认为，可以模拟深潭在自然界中的存在方式来构建深潭，浅滩-深潭型深潭构建示意图如图2所示。

浅滩-深潭型深潭的关键问题在于深潭与浅滩之间距离的确定，根据S.A.Schumm等［14］的研究成果，适宜的浅滩-深潭间距在3～10倍河道宽度之间，对于一个具体的河段，浅滩和深潭的间距变化很大。对此，根据M.J.Smith等［15］提出的冲击型河流的回归公式来确定浅滩与深潭之间的距离。

式中:L为沿河道2个浅滩之间的距离，m，为河段总长度与浅滩数量之比，一般情况下，近似为弯曲河段的弧长;dr50为浅滩河床材料颗粒的中值粒径，mm;dp50为深潭河床材料颗粒的中值粒径，mm;w为河道平均宽度，m;S为河段平均坡降，%。

浅滩-深潭的构建形式优势在于能够同河道蜿蜒性、浅滩相结合，增加城市河道的断面形式，且施工完成后能够形成优美的河道景观，提高城市河流的物种多样性和生态系统的稳定性，这种构建形式将是今后城市河道生态改造的主要形式。

2)跌水-深潭。跌水是自然界深潭形成的主要原因之一，根据河道的近自然治理原则，设计跌水-深潭型的深潭构建形式如图3所示。构建跌水-深潭形式的深潭需要一定的河道落差;因此，主要在位于河道短距离落差较大的位置构建，通过开挖河道和构建挡水石墙的方式建立，构建时要注意修建人工鱼道，为鱼类的洄游提供条件。

图2 浅滩-深潭型深潭的构建Fig.2 Deep pool-shoal structure diagram

图3 跌水-深潭型深潭的构建Fig.3 Construction method of ladder-deep pool

跌水-深潭型深潭的优势在于能够改善河流水质，主要表现为通过修建形式能够增加河道纵断面形态的多样性，促进河流水体紊动，增加天然水体中氧气的含量。在好氧微生物的作用下，河流中的污染物得以分解。同时跌水也能够增加河流底部淤泥中的溶解氧含量，这些淤泥中淤积了大量的污染物，增加的底泥溶解氧既可以抑制底泥中氨氮、有机物的释放，还能有效去除污染物中的 CODMn［16］。另外，跌水和深潭相配合也能大大增加河道的自然景观，具有较高的生态和景观效益。

5 结束语

随着人类社会的不断发展，人们越来越关注生态环境，城市河流与人类生活息息相关，因此也受到越来越多的重视。近年来，围绕城市河道生态建设的研究越来越多。通过研究，笔者认为，人为地在城市河道修建深潭的方式，可以作为今后城市河流治理的一个基本手段，对整个城市河流的生态系统也有着积极的意义。

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