美国河流近自然化综合治理措施初探及其借鉴

徐 云 乾

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635； 2.广东省山洪灾害防治工程技术研究中心，广州 510635)

1 美国河流近自然化整治措施的发展历程

1983年，美国的生态学家H.T.Odum结合生态学与工程学理论，提出了“生态工程”的概念[1]。1989年，两位美国学者Mitsch和Jorgensn对于生态工程的概念进行了研究并对其给予了定义[2]。生态工程的理念不断被应用于土木工程，逐步形成了“多自然型河道生态修复技术”的理论。1998年，美国联邦河溪生态修复组织制订了《河溪廊道修复原则》手册，并被采用为国家工程手册的第653部分(NEH-653，2001修订)。该手册系统地阐述了河流廊道的特点、过程、功能以及河流廊道的干扰因素以及修复的方法，并认为美国在今后的水资源开发管理工作中应优先考虑河道的生态恢复[3]。2007年，美国农业部发布了《河溪修复手册》，被采用为国家工程手册的第654部分(NEH-654)，该手册提供了一整套的河流修复的理论和实践指导，是美国近30年来河流整治技术的理论与技术总结。该手册系统的阐述了河流修复的目标与风险，河流调查与评估，河流整治修复设计的过程，河流水文与水动力设计，河流整治设计与实施指导，同时提供部分地区河流整治的成功案例参考。

美国河流水资源管理模式也相应发生转变，经济、生态和文化等多个方面逐步融入河流管理中，使河流管理模式发展为与自然相协调的可持续河流管理理念。1961年成立的特拉华河流域管理体制是由流域内纽约州、新泽西州、宾夕法尼亚州和特拉华州的立法机关和国会倡导，经四个州的州长和肯尼迪总统批准成立。它超越了行政区划的限制，实现了中央与地方、地方与地方之间的协调。

2 河流近自然化综合治理的提出

广东省部分河流经过人工改造，水利工程胁迫河流，具体表现为河流渠化，失去了纵向，横向的连续性，与周边生态系统的物质和能量交换被割断。经过人工改造的河流已经形成了一个新的河流生态系统，河流上的水利设施已经成为河流修复的重要约束条件，完全恢复到河流未受到人类工业化干扰前的状态是不合适的，需要权衡人类的经济社会需求与自然生态的需求，在承认人类对于水资源利用合理性的同时，强调要保护自然环境质量。在适度的人工干预并充分发挥自然生态自我修复功能的基础上，达到建设一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定、可以自我调节的河流系统。本文在结合美国新泽西州学习交流所见所闻所学的基础之上，提出了“河流近自然化综合治理”的概念。

河流近自然化综合治理是指针对功能退化的河流，结合非工程措施、绿色或灰色工程措施，改善河流的防洪能力、控制河流泥沙输送、保护跨河基础设施、稳定河岸、改善河域内生物栖息条件、改善水质、提高河流的休闲和供水功能。

3 近自然化综合治理的主要措施

3.1 河流近自然化综合治理的任务

河流近自然化综合治理的任务主要有4项：水质改善，水文情势改善，河流地貌修复，生物多样性的恢复与维持。

水质改善是河流近自然化综合治理的前提条件；水文情势改善不仅要考虑生态基流，还要考虑自然水流的流量过程恢复，以满足河道生态系统内各生物的基本需水量；河流地貌形态修复主要是改善河流受到的地貌形态改变如水利工程导致的河流横向和纵向的生态阻隔、河流渠道化、河流漫滩侵占、无序采砂等；生物群落多样性的恢复的关键是河流栖息地的维护和完善。

3.2 非工程措施

3.2.1 河流健康评价

一条健康的河流是稳定的，可持续的，随着时间的进程能保持活力并且能维持其组织及自主性，受到外界胁迫后容易恢复。河流近自然评价是河流近自然研究治理的重要方面和前提条件。

20世纪90年代以前，美国科学家需要利用专门的仪器收集实验数据对河流的健康状况进行评估，需要花费大量的时间和金钱，公众无法参与到具体的工作中。之后，一些研究者提出如果能通过一系列的目视标准和设计简单的问题来评估河流的健康，可以让更多的未受过专门科学训练的普通公众参与到河流健康评估的工作中来。

美国目前采用的是多指标评价法来评价河流的自然健康状态。1998年，美国农业部下属的自然资源保护协会发布了《河流目检评估草案》(见图 1原版的简化指导手册)，并被采用为国家生物手册的614部分(NBH 614)，手册系统地阐述了健康河流的标准及分类，并提出了河道现状、水文变化、河岸现状、河岸生物的数量和质量、水体外观、水体富营养化情况、人类废弃物、鱼类洄游障碍物、无脊椎水生动物栖息地、无脊椎水生动物群落、盐度等16个目检标准，每个标准10分为满分，参与评价的各项评分加权平均后为该河流健康评分，以10分为满分，将河流分为5个等级：1～2.9分为严重退化，3～4.9分为差；5～6.9分为一般；7～8.9分为好；9～10分为优。

图1 美国农业部发布的河流健康目视评估标准简化指导手册(原版)Fig.1 SVAP2 Clipboard Guide by NRCS (original version)

3.2.2 流域综合管理

流域管理体制是指流域管理机构设置、权限分配、职责范围划分、机构运行和协调机制。美国较为成功的流域综合管理是以流域为单元，将流域上中下游、左右岸、干支流、水质与水量、地下水与地表水、治理开发与保护等作为一个完整的系统，对流域内的资源全面实行协调、有计划、可持续地开发与管理。

美国较有代表性的流域管理体制有两种：①职权高度集中的流域管理体制，由职权高度集中的流域管理机构实施流域管理，以美国田纳西河流域管理局为代表；②协调式的流域管理体制，管理机构的职责主要是对规划、政策和水量分配进行协调，以美国特拉华河流域管理委员会为代表。

位于美国新泽西州的特拉华河流域管理委员会于1961年创立，是一种典型协调式综合管理体制，实现了流域管理和区域管理的统一。

特拉华河流域委员会在流域水资源开发、利用、保护及水污染控制、自然生态保护、土地利用管理方面具有广泛的权利，委员会不只是协调机构，而且是权力机构，可以制定方针、政策、法规，决定流域内的有关事务。其权利具体表现为：水资源分配方面，各州可以按规定分配水，但超过规定的取水，必须要经委员会批准；干旱期水资源的分配由委员会负责，这样就能保证最优先的用水项目，避免上游水的过度利用而影响河流的最小流量和州之间的用水矛盾；在水污染控制方面，委员会统一制定控制标准，河口区去除率要达85%，支流达到92.5%，不管是工业还是市政污水，都一视同仁；各州颁发的排污许可证，必须符合流域的统一要求。新项目一律经委员会批准，而州没有新项目批准权等等。

3.3 工程措施

3.3.1 基于LWD的河道整治技术

美国地广人稀，村镇河流大部分完全或基本保持自然状态，人类活动影响较小，基本上未建有具有控制能力的水利工程。局部河段常贯穿人口较为密集区和部分工业集聚区，水质较易受污染，生态系统自我修复能力较弱。其治理理念是尽量保持河道的自然状态，尽量减少混凝土等硬质不透水材料的应用，治理过程中尽量使用天然建筑材料原木、树桩、块石或利用自然植被等稳定河岸、构筑低堰等。

近年来，大型木石工法(Large Woody Debris, LWD)在美国河流修复领域十分流行。LWD在森林管理领域，是指自然倾倒在河流中的影响河流自然流动和河岸稳定的原木残体。在河流修复领域，利用LWD影响水流和河岸的原理，LWD专指一种工法，通过在河岸及河道中布置合适的原木及块石(图2)，达到改善河流水文情势、河岸稳定和营造生物栖息地的目的[4]。相对于不透水的硬化混凝土和浆砌石挡墙，LWD是一种近自然化的工法，但不适用于建造较高的堤坝。LWD优点如下：近自然化、无害化、就地取材易于施工、造价低、使用寿命较长。

图2 LWD设计理念Fig.2 Typical design of the LWD

3.3.1.1 基于LWD的河岸防护技术

河岸稳定可采用自然复式断面设计，并利用山间易于取材植物根系来稳定河岸；针对有防洪要求且基础冲刷严重的河道堤岸，可使用松木桩或原木提高堤防安全性和抗冲能力，而且投资也不大；在冲刷严重部位如河道凹岸设置以原木、块石为建筑材料的微型丁坝(图3)，形成自然浅滩、深潭，尽量减少由于工程施工对原地貌的扰动和对生态环境的破坏。

图3 河道整治使用的木石护岸Fig.3 LWD using in the river restoration

3.3.1.2 基于LWD的河床修复技术

村镇河流洪水具有高水位、持续时间段、流量相对集中的特点，而且对河岸冲刷严重：可以利用原木或块石建设微型堰坝，提高河床及河岸稳定性和抗冲能力，允许洪水漫堰，在上游形成深潭，在下游形成浅滩，塑造多样性的地貌。这种微型堰坝其高度一般不超过30 cm(图 4)，不影响鱼类洄游，是一种防冲不防淹的微型堰坝[1]。

图4 大坝拆除后的河道中设计梯级防冲低堰Fig.4 The drawings of the low weir

3.3.2 基于LID的城市雨水管理技术

20世纪90年代末，美国马里兰州与西雅图市政府同时提出了低冲击开发技术(Low Impact Development，LID)的暴雨管理技术。

LID是指以保证城市原有的生态环境作为城市开发合理性的重要参考标准，即城市资源应被最低限度的被开发，城市环境应被最小程度的改变，保持城市原有的生态湖泊和河流，尽可能的维持城市中的绿地景观资源，保障城市生态水环境系统的流畅运行与安全循环。同时，城市的基础设施建设，尤其是建筑和道路设计建设中，运用屋顶花园和透水砖，并在新建的城市绿地中运用下挂绿地，促进水资源的收集、净化和循环利用。从而大幅度减少城市在暴雨时产生的地表雨水径流，最大程度减少降雨尤其是暴雨对城市系统的危害。

LID出现20多年来，技术不断发展更新，已经形成了一套成熟的水利计算和建造技术的体系，列入LID目录的技术已有10多种，目前比较常用的有生物滞留池/雨水花园[6](图5)、绿屋顶、可渗透/漏路面铺装系统[1]、雨水桶和雨水池(图6)等。

图5 雨水花园典型断面设计Fig.5 Typical section of the rain garden

3.3.3 河道大坝拆除

大坝从几个方面割裂了河流廊道，为河流生物的迁移和能量的交换形成了物理和温度障碍，干扰了内河、陆地和海洋系统间的相互关系等。改善河流被纵向阻隔的水文情势，减少大坝所带来的不利影响和恢复受损的生态系统常常是拆除大坝的一个重要原因。在美国，大坝拆除始于1912年，主要是位于支流上的小坝、老坝，服役期在70～100年，包括早期建设的用于造纸业、纺织业、灌溉、供水等目标的小型水电站等。这些工程多为经过长期的运行，已丧失了原设计的功能，许多工程已不适应现代化大工业生产的需要。从大坝安全管理的角度出发，考虑工程自身的安全和对下游带来的潜在的危险以及加固费用高等原因，在做了详细的分析比较后选择了拆除方案。根据美国河流组织的统计，从20世纪20年代到2014年，美国共拆除大坝1 185座(图7)。从拆除大坝的高度来看，拆除的基本上是小型坝，平均高度不超过8 m，最高高度为60.96 m[8]。

图6 左：雨水收集桶，右上：绿色屋顶，右下：透水铺装生态停车场Fig.6 left: Rain barrel, right top : green roof, right bottom : design guidelines for porous asphalt with subsurface infiltration

图7 1920s以来美国拆坝数量及其高度的变化Fig.7 The trends of the quantity and height of the dam removal from the 1920s

对下游河岸、河口和河滩的泥沙补给是大坝拆除的一项重大生态效益。但在大多数情况下，大坝拆除后泥沙等沉积物会迅速涌向下游地区，造成河流浑浊度上升，危害河流中的鱼类、水藻等水生物，同时小颗粒泥沙比表面积大，易吸附污染物质，因此经常需要在拆坝原址范围内建设梯级低堰，来缓解沉积物快速下冲[9]。

位于美国卡罗拉多州的艾维纽大坝的拆除和河流修复项目设计[1](图 8)在主河道设置了三个功能分区，分别是河道中间梯级微型堰坝、河道左侧鱼道及河道右侧的生物栖息地，以达到保护上游桥墩、改善河流水文情势和保护鱼类洄游的综合目的。

图8 美国卡罗拉多州的艾维纽大坝拆除及河道修复初步设计Fig.8 Colorado Avenue Dam Proposed Paddle Trail Improvements Preliminary Design

4 对广东省的借鉴

4.1 广东省河流概况及治理现状

广东省境内水系发育、河流众多，中小河流众多，河道总长达3.66 万km，集水面积在50～3 000 km2的中小河流共有1 211 条。广东省江河流域主要分为珠江流域、粤西沿海诸河、粤东沿海诸河及韩江流域。

传统的中小河流治理，大多采用修建堤防、护岸、清淤等单一的工程措施，没有采用有针对性的考虑河流近自然化的综合整治措施。

4.2 非工程措施建议

(1)根据国内外经验，建立民众可广泛参与、具有实际可操作性的基于多指标评价法的健康河流评价标准。

(2)河流综合治理需要建立各部门如水利、环保、国土、林业、农业、交通、城建、旅游等部门的共同参与机制，在河流的开发者、保护者及社会公众之间达成河流健康标准的共识，建立矛盾解决协调机制和评价体系。

(3)在河流开发建设过程中，确保公众的知情权、参与权与决策权。面向公众及时发布和更新河流开发、河流现状等信息，召开项目立项、立法等听证会和咨询会。广泛传播人与自然和谐的理念，推动并开展河流生态保护的相关志愿者行动。

(4)进一步提升水利信息公开程度。美国与水利工程相关的社会经济状况、地形、洪水风险图、雨情、河流水位流量、预报信息、水利工程运用情况等详细信息均可以从互联网上免费查询获取，真正体现了水利工作的公益性。

(5)从大流域层面开展对河流的综合治理，不仅仅局限在河流的空间尺度内进行。

(6)加强河流综合治理完成以后的管理、监测和评价总结工作。

4.3 工程措施

(1)对于农村乡镇区域河流段，河道淤积或冲刷较严重的河段，河道基本维持自然状态，结合清淤疏浚和生态护坡进行治理，根据周边环境的生态情况，采取一些与生态环境相协调的措施，如大型木石工法(Large Woody Debris, LWD)措施。

(2)对于城镇区域河流两岸多为居住的集中地区，治理措施注重防洪排涝措施、低影响开发(Low Impact Development，LID)和生态环境保护有机结合。

(3)拆坝可能是消除大坝对河流自然生态系统负面影响的最直接有效的方法。但要成功修复河流的自然水文情势，并不单单靠拆坝就能完成。大部分的河流不只受一种外在因素的影响，因此需要采取附加措施。拆坝需要与其他的河流保护和修复措施共同实施。

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[1] Odum H T. Systems Ecology; an introduction [J]. 1983.

[2] Mitsch, W.J., and S.E. Joergensen. Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology. United States: New York[M]. NY (US); John Wiley and Sons, 1989.

[3] 吴阿娜.河流健康评价：理论、方法与实践[M].上海：华东师范大学，2008.

[4] Booth D B, Montgomery D R, Bethel J. Large woody debris in urban streams of the Pacific Northwest[C]∥Effects of watershed development and management on aquatic ecosystems, LA Roesner (Editor). Engineering Foundation Conference, Proceedings, Snowbird, Utah. 1996:178-197.

[5] Southerland W B, Reckendorf F R, Renner D M. Engineered Log Jams Post Project Appraisal for Streambank Erosion and Salmonid Habitat in Washington State[C]∥International Symposium on Erosion and Landscape Evolution (ISELE), 18-21 September 2011, Anchorage, Alaska. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2011:73.

[6] Maplewood Public Works. Rain Gardens on Maplewood Street Reconstruction Projects[Z]. 2007.

[7] Betty T. Rushton. Low-Impact Parking Lot Design Reduces Runoff And Pollutant Loads[J]. Journal Of Water Resources Planning And Management, 2001,(5):172-179.

[8] The H John Heinz Ⅲ Center for Science Economics and the Environment. 退役坝拆除的科学与决策[M]. 蔡跃波, 译. 北京:中国水利水电出版社, 2008.

[9] Stanley E H, Doyle M W. Trading off: the ecological effects of dam removal [J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2003,1(1):15-22.

[10] Gary M. Lacy, Mike Harvey. Colorado Avenue Dam Proposed Paddle Trail Improvements Preliminary Design Report[R]. Colorado: Recreation Engineering and Planning, 2010.