基于河漫滩生态修复的城市河流治理探索——以平顶山香山沟治理工程为例

李一帆，马 彦，田国行

(1.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002； 2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

基于河漫滩生态修复的城市河流治理探索
——以平顶山香山沟治理工程为例

李一帆1，马 彦2，田国行1

(1.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002； 2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

城市河流；生态修复；河漫滩；栖息地；香山沟；平顶山

当前传统城市河流与城市周边用地之间缺少河漫滩作为过渡，河道多被束缚在堤防之内，这种堤防不允许周期性洪泛跃堤的单一结构往往令城市河流进入快排模式，河流只是消化洪水的通道。而在非洪泛期，这种快排通道式的河道也随之失去了应有的生态功能。以平顶山湛河支流香山沟治理工程的生态修复方案设计为例，提出了在城市近郊恢复河流生态栖息地的可行性及必要性。通过宏观层次上对河流生态系统的恢复，中观层次上对河流物理结构的修复，微观层次上具体栖息地设施的构建，阐述了河漫滩生态修复是保证河流生态系统完整的重要途径。

国家发展转型升级对城市河流生态修复提出了新需求，将水质标准作为单一目标的城市河流综合治理工程未能涵盖河流自身生态功能的重建[1]，忽视了人与自然河流之间的天然联系，不能够从本质上解决现今城市河流存在的诸多问题[2]。因而，进行系统的城市河流生态修复实践是当下城市发展所不可回避的。河漫滩作为一条健康河流生态系统的重要组成部分，一直以来被作为建设用地而不断被挤占[3]，其生态功能的修复与重建对于恢复河流整体生态结构及生态功能具有至关重要、承上启下的作用。要对城市河流进行系统的生态修复，就必须重新确立河漫滩在城市规划中的地位，这就需要我们在景观生态学视角下，对城市河流的河漫滩进行梳理与重建，并建立人与自然耦合的河流栖息地模式。

1 河漫滩生态修复的意义

目前，国内城市进行的河流生态修复工程大多关注水质的改善与河道内绿化条件的提升[4]，但要恢复城市河流自净能力、生物生产力、生物栖息地多样性等生态功能，仅仅依靠河道内部水质的恢复与栖息地条件的改善是无法完成的。

河漫滩是河流生态结构中典型的群落过渡带，具有连通水域和陆域的作用，是动植物群落生存与河流能量转换的重要场所。在自然河流中，河水的周期性洪泛是河流生态过程的重要节点，而洪泛滩区则是承蓄般洪水的重要场所。如今的城市河流治理在对洪水的处理上采用的是单一防护的治理理念，但越来越多的研究者认识到洪水在调节生态、能源利用、资源调蓄等方面的作用是无可取代的[5]。

只有在城市待建区域的河道治理工程中将河流滩区结构纳入规划范围内，才能避免传统河道治理挤占河道、高筑堤防等不可持续发展模式的发生。基于此，应确立“大滩区”的河道治理思路，利用河流自然滩区滞洪削峰，建立滩区结构与防洪工程协同作用的耦合模式，才能在利用河流滩区创造生态价值的同时，保证城市的良性发展。

2 河漫滩生态修复的途径与对策

河漫滩生态修复在城市河流生态修复工程中起着承上启下的关键性作用。一方面，河漫滩系统的重建需要以城市河流整体物理形态的修复作为基础与平台，其形态依赖于河流三个维度物理形态的重构，在时间维度上，河漫滩结构的建立也会对河流形态进行工程竣工后的再塑造；另一方面，河漫滩系统的建立能够创造出沿河道的多样的生物生境类型，提高城市基质与河流廊道的景观格局，以及边界处的边缘区效应，是激活河流生物生产力的关键。因此，河漫滩生态修复工程应当以恢复河流三个维度上的形态结构为基础，把河漫滩形态塑造的理念贯穿始终，并以恢复河流生物栖息地完整的生态结构为目的。

2.1 基于河漫滩重塑的河流形态修复

2.1.1 河流断面结构

河流断面结构设计的首要目的是满足行洪需要与安全防护需求。设计过程大致可分为两部分：一是应当以河流平面布置模式为基础互为参考，同时设计，即根据河道摆动幅度与频率确定各河段的河槽形式；二是根据不同的河槽形式塑造河道主河槽与河漫滩区，并且以周期性漫滩为目的对过流断面进行计算。在对河道糙率进行计算与复核时，应当综合河床基质、河道内植物设计方案等综合取值。在标准断面设计完成后，对该断面进行调整以适应河流蜿蜒形态下的水力环境，并对河湾凹岸与凸岸处的边坡与河床进行调整。

2.1.2 河流平面结构

河流的平面结构以恢复河流自然蜿蜒形态为主要目的。在确定蜿蜒形态时，如果裁弯取直之前的旧河道仍然存在并具备再次利用的条件，可以在进行计算与复核后恢复或部分恢复旧河道。在城市河流生态修复中，河道平面布置的第一步往往是废弃或部分废弃旧河段并规划新的河道线路。新的河道线路要满足基本的行洪与安全防护需求，并且具有河流的摆动空间、河漫滩的占地空间及植被缓冲带空间。

2.1.3 河漫滩重塑

河漫滩重塑就是在河漫滩对地形地貌进行有条件的微处理以形成多元化的滩区地貌。地形的处理应当以不阻碍行洪作为基础依据，在平原地区，河漫滩一般以向下游辐聚的鬃岗与洼地相间分布为主要特征，在进行工程设计时，应当模仿与顺应这种地貌类型。此外，在河道沿途若有连片低洼且可以利用的区域时，可以有条件地设置开放滩区，开放滩区在单侧或两侧放开堤防，以自然地形或通过修改来达到防洪目的。

2.1.4 现状地形利用

河流蜿蜒形态的重构往往意味着旧有顺直河道的废弃，可以将旧有河道作为河道一侧的滞洪洼地来使用，也可以通过改造溢流堰等水工设施使之成为泄洪道。

2.2 种植设计

河流生态修复具有不同于传统意义上的河流治理工程的两大特征：一是生态功能优先，二是非一次性设计。在植物种植方面，应遵循的原则有两条：首先是植物搭配的美学原则应当让位于生态功能，植被体系构建应当以保护河流生态系统的良性循环为目的；其次是应当考虑河流生态修复的时间维度，除满足必要的生态功能外，应避免使用一次成型的大型苗木，以降低成本。河漫滩植被应以自然发育为主，出于工程考虑可以人工辅助初期植被的建立。

2.3 防护工程

河漫滩动态发育的特征使得安全防护的程度应当有所取舍，滩区不能一次成型，也不能任由泥沙淤积，在工程设计之初就应当进行河床基质选择与河流泥沙控制。对确有塌陷危险的河道边坡应当进行防护，防护材料以透水不漏土为原则，并保证具有一定的生物生长空间，应避免采用光滑的整体性护坡形式。

2.4 生物栖息地构建

河道内生物栖息地主要由浅滩深潭序列结构构成，在局部该结构不明显时，需要人工辅助加以完善。河道外生物栖息地以丰富滩区地貌单元为原则，在进行栖息地结构恢复时，应当妥善分配生物活动空间与人类活动空间，使之相互隔离或相互渗透，互不干扰。

3 平顶山市湛河综合治理香山沟生态修复工程

3.1 区位概况

湛河沿东西走向贯穿平顶山市市域范围，干流全长38.49 km，流域面积218.57 km2，河道比降0.84‰。沿岸约有30条支沟，生态修复工程所在的香山沟即是湛河北岸的支流之一，位于湛河西北部，地貌结构为条状洼地，属于大陆停滞水堆积洼地和冲洪积坡地地貌单元，地表主要分布有高度不等的人工堆积体。香山沟区位情况见图1。

图1 香山沟区位

3.2 现状分析

3.2.1 河道及水文现状

香山沟全长约9 km，整体河道呈直线形，地势较为开阔，为“U”形沟谷，河槽深1.5～3.0 m。全流域汇水面积为10.5 km2，根据降雨强度公式计算出香山沟20年一遇洪峰流量为50.21 m3/s，2年一遇洪峰流量为20.38 m3/s，1.5年一遇洪峰流量为17.13 m3/s。

从下游至上游沿线分布有井营村、杨官营村、石桥营村等村庄及水泥厂、焦化厂、坑口电厂、变电站、煤矿矿山等工矿企业生产性单位。

3.2.2 现状河道存在的问题

现状河道两岸村庄及生产性单位所产生的生产生活污水未经处理直接排进河道内，水色混浊呈青色，悬浮颗粒多，味臭，水质为劣Ⅴ类。河道形态大部分为顺直型，缺少滩区，无法形成有效的生物栖息地结构，对于较大洪峰也起不到滞留作用。此外，河道边坡缺少固坡植被，高地无植被缓冲带，坡岸不稳定，且无法对地面径流起到拦截作用。夏季阳光直射河道，缺少河岸植物荫蔽河段，对水生生物生长不利。

3.3 设计目标

在本方案中，河流生态功能的修复要依赖河流滩区系统的建立。工程的首要目标就是巩固河道的防洪能力与自身结构的稳定。通过对河流断面结构的重塑、开放滩区的布置、滩区地貌结构的梳理、栖息地设施设计、植物设计，建立香山沟完整的河流滩区生态系统，恢复河流生物生产力，提供生物栖息地。利用工程与非工程措施，重新恢复河流自净能力与流域内的生态环境。

3.4 修复工程设计

3.4.1 水质恢复与水量调拨

水质恢复工程主要由污水拦截与水质处理两部分组成。沿河道两岸或一侧布置截污管道，将周边污水收集后就近送入污水处理厂，实现全流域雨污分流。

水量调拨方案分为两部分，一是通过香山沟北部召平台水库调水，满足部分生态需水；二是将沿岸污水处理后再利用。再生水利用方案有两个：①仅利用现有入河口处污水处理厂处理污水，将再生水通过调水措施调至香山沟源头，注入在这里设置的预处理湿地，使再生水经湿地植物净化后进入香山沟河道。②在香山沟源头建立污水处理厂，并设置预处理湿地，污水经处理后排入河道；现有污水处理厂处理过的污水部分调至香山沟中段或下游的滩区湿地系统，部分直排入乌江河。

3.4.2 河流物理形态

河流物理形态的修复关系到生态功能的完善与安全防护功能的实现。因此，河道的纵向形态与竖向结构均要以水力学计算为基础。

(1)标准断面设计。河道断面采用复式断面结构，大梯形主河槽断面满足20年一遇洪峰过流。用1.5年一遇的洪峰流量作为香山沟的平滩流量[6]，利用该流量来制造河漫滩区的洪水脉冲，将河槽内河水释放入河漫滩，恢复河道与河漫滩的连通性，激活滩区生物生产过程。香山沟全流域汇水面积10.5 km2，结合暴雨计算公式，得出河道1.5年一遇的设计洪峰流量(平滩流量)为17.13 m3/s；利用平滩公式[7]W=aQb求出河道平滩宽度为13.70 m，以此作为河道主河槽开口线的宽度值；再利用河流宽深比公式[7]ξ=0.5B/h求出河槽宽度在13.70 m时河槽的深度为1.30 m。

综合考虑根据综合糙率计算公式[8]n=(n0+n1+n2+n3+n4)m确定的n值与香山沟恢复后状况的预估，综合糙率取值为0.066。

综合以上各项参数，利用梯形断面河道水力学计算方法对子河槽断面尺寸进行计算并设计，断面形式见图2。需要注意的是，该断面形式为标准断面，是保证安全行洪条件下河道断面的最小值，在实际河道设计中，在用地条件允许的情况下，为尽可能创造河漫滩地貌单元，河漫滩范围要比标准断面大，边坡坡比要比标准断面中的坡比小。

图2 香山沟标准断面形式(单位：m)

(2)河流平面形态。河流平面设计主要有三部分，一是对于河道线路的重新选定，二是对河道蜿蜒形态的布置，三是对河湾跨度的计算。

香山沟新的河道选线方案避开了上游段与城市用地之间的矛盾，并尽可能地避开了生产企业，以减少其对于河道的点源污染。根据Rosgen河流分类体系，综合香山沟流域内整体坡降与宽窄率及河床材质等特征，考虑到周边用地较为局限的情况，最终选取新建河道蜿蜒度，也就是河道整体长度与河口至河源处直线距离之比为1.1～1.2。根据河湾跨度的经验公式[7]计算出香山沟子河槽河湾跨度为154.3～170.8 m。在该跨度内，子河槽以1.1～1.2的蜿蜒度向河流流动的垂直方向摆动。该标准摆动幅度约为60 m，而主河槽约18 m的标准河槽宽度不能够满足该幅度，在实际布置过程中，子河槽摆动幅度小的(≤18 m)河段，主河槽可以不随子河槽一同摆动，子河槽摆动幅度大的(>18 m)河段则反之。在确定河道基本蜿蜒模式之后，根据河湾跨度、周边用地、地形条件及上下游蜿蜒度的差异，沿河道选线方向布置河流中心线。

(3)河流断面、平面形态的深化。河道凹岸处水流在离心力的作用下会不断淘刷凹岸顶点处的边坡，并形成河底内的深潭，深潭最深处一般不在弯曲顶点处，多向下游偏移。因此，在横断面设计中，应当顺应这种河流自然构造原理，在河湾处对断面进行调整，将凸岸侧坡度放缓、凹岸处坡度变陡，并且在此处的河床铺设砾石，允许这种自然构造过程随河流运动而发生(图3)。

图3 深化后的河道断面形式

3.4.3 河漫滩系统

河漫滩区利用“大滩区”的河道治理思路，将洪泛风险视为河道内生物结构动态变化与滩区生态结构形成的契机，并利用开放的滩区作为滞洪区，承蓄漫滩洪水，将洪水的动态变化过程做到可控与利用(图4)。在香山沟生态修复工程中，河漫滩区系统分为河道内滩区与河道外开放滩区两部分。

图4 河漫滩系统示意

(1)河道内河漫滩。河道内滩区由河槽内浅滩与边滩构成。蜿蜒河流凸岸处一侧边滩坡度较缓，深入水体，生长相应的浅滩植被，结合一些木、石构架的栖息地设施，为龟、蛙类提供往返水体与边滩的通道与躲避天敌、觅食的场所，也为水禽提供了驻足与捕食场地。这些由边滩构成的河漫滩区的栖息地结构也会随着丰水期径流的变化而逐渐发育成型，其中的生物物种在水体的动态变化过程中完成迁移，也为河道提供了较为稳定的营养物质来源(图5)。

图5 河漫滩结构示意

(2)河道外河漫滩。在河道外河漫滩区构建中，结合周边用地情况沿河布置了四处开放滩区(图6)，这四处滩区的一侧堤防被放开，在高程设计上也将该水位的范围进行划定，使其淹没面积大致达到滩区总面积的50%左右。利用地形坡度引洪峰河水进入滩区，并利用地形高差将洪水控制在20年一遇水平。四处滩区所形成的滞洪湿地能够削减洪峰流量，并且对周边场地汇入的初期雨水起到滞留与净化作用，滩区会随着每年洪泛程度的不同而形成不同范围的周期性淹没，淹没的区域形成河岸湿地。

图6 开放滩区原理示意

3.4.4 河漫滩系统动态结构

(1)植被动态结构。自河道中心线向两侧，植被系统共分为5个部分：第一，水边线区域移植少量水生植物，包括沉水与挺水植物；第二，护坡区域，结合不同生态护坡的形式扦插活体枝条；第三，1.5年一遇水平河漫滩区主要以地被植物为主，采用人工植草与播种草籽相结合的方法，种植本地速生草种营造过渡区的主要植被群落；第四，1.5年一遇水平河漫滩区域以上为点状种植区域；第五，高地植被缓冲带。点状种植区域和高地植被缓冲带采用波浪形种植方式，使两个区域的植被相互咬合交错，高地植被缓冲带人工种植程度最高，乔灌草的立体植被结构最为完善，对外部干扰抵御能力相对于其他区域最强，将该区域与邻近区域相互交错能够提高河岸纵向上的抗干扰能力，提高河岸植被种群建立的速度(图7)。

河岸植被可划分为水域、滩区、陆域三大区域，三大区域内的植被群落随水文条件的变化而变化。常水位条件下，水生植被群落、湿生植被群落、陆生植被群落在河流垂直方向横向分布，发生洪水期间，水生植物逐渐向两侧扩展，在流量最大时达到最大生物量，而在这一时期陆生植被与湿生植被则在水中逐渐腐烂分解，一部分随水流流入河道，另一部分在滩区静水区域沉积。当洪水退去，滩区植被分解部分及原生的有机质随退水进入河道，而河道内的沉积物及上游的有机质碎屑则进入滩区，二者相互交换。此时，湿生植被与陆生植被也再次发育，进入下一轮群落发育阶段(图8)。

图7 河道植被种植模式

图8 河道植被动态示意

(2)水生生物动态结构。利用新河道制造的洪水脉冲与滩区系统创造出大区域、高连通度的河道内生物生产场所。在具体设计中，河漫滩地形多以浅坑的形式出现，目的是在洪水漫溢过程中创造沿河分布的静水区域，将在洪水流量大的主河道内缺少觅食与繁殖机会的鱼类引入该区域，形成丰水季节鱼类繁殖的高峰，往返于水陆之间的两栖爬行类动物则会随着岸线的波动而横向迁移，也会在退水期沿河流进行纵向迁移。

3.4.5 河流现状场地的整理与利用

根据周边用地条件与河道功能，沿河道分别设置前置净化湿地、河岸湿地、高位蓄水池、分洪道，充分利用周边地形地貌资源。设计方案将源头周边的地形进行重塑，作为前置净化湿地。将湿地内多处洼地进一步挖掘整理成为湿地塘，并利用挖塘施工土方堆填成为湿地岛，创造富于变化的地貌条件，延长水体滞留时间，以达到净化目的。

此外，把旧河道沿线保留下来的部分河段适当扩大使其成为河岸湿地塘，并降低其与主河道之间过渡段的高程，当较大洪峰来临时引导洪水漫入湿地塘，湿地塘的静水环境可以作为两栖爬行类动物繁衍栖息的场所，周期性转换的水体使得塘内生物可以随河水迁移，也可以达到净化塘内水质的目的。

河道中段南岸为一处采石场，由于长期挖掘形成矿坑，矿坑内部存有积水。基于此，将矿坑规划成为河道边高地蓄水池，作为河道应急补水设施。在遇到极端干旱年份或是河道突发污染事件时，可根据具体情况对河道内水源进行应急补充。但是，该方案只是作为极端状况下的一种选择，其可操作性要依据实时的水文、水质状况而定。

下游段旧河道局部保留部分作为主河道的分洪道，两端设置溢流堰，当水流超过20年一遇流量时进入分洪道，经过消力设施后归入主河道。分洪道南侧堤顶较高，当洪峰过大时保证水流进入新旧河道之间的区域，而南侧区域不受水淹。

3.4.6 安全防护工程

基于河漫滩动态变化的河道方案会带来河道自身稳定性不足等问题。因此，方案根据不同的防护条件将河道分为三个区域，并设计三种护坡形式加以防护。①顺直段：顺直段两侧边坡受到的水力条件大致相当，且滩区位置相对固定，建议在平滩水位以下设置干抛石护坡，并在抛石间扦插活体枝条；平滩水位之上至20年一遇洪峰水位线之间坡体采用加筋垫并覆土撒播草籽的方式进行防护。②弯曲段凸岸：该段坡度较缓且水流冲刷作用不明显，主要以加筋垫进行防护，仅在坡脚处少量抛石。这种设计为河漫滩发育提供了弹性空间，且便于滩区植被发育及后期生物栖息地设施的布设。③弯曲段凹岸：该段水流冲刷较为严重，且本身坡度较陡，故结合不同坡度设计了不同的护坡形式。边坡坡比在1∶2～1∶3之间时，采用松木桩+抛石护坡，抛石间扦插活体枝条；边坡坡比大于1∶2时采用石笼护坡的形式进行防护。

此外，所有护坡工程土体压实度应当介于80%～85%之间，以避免种植土层过于密实，阻碍植物根系的生长；所有护坡衬砌结构均需设计反滤层，抛石护岸反滤层以级配碎石层为主，石笼护坡反滤层为土工布，加筋垫本身具有反滤结构，不需额外设计反滤层；扦插活体枝条的抛石护岸需要在块石间覆土，覆土厚度不应小于块石厚度的一半；由于现状河床基质属于微透水级别，且生态河道应当具有可供上下水交换的河床，因此方案中不再对河床设置防渗衬砌，仅在弯曲段及河漫滩较大的河段铺设砂砾石，砂砾石层厚度为10～20 cm，对于局部淘刷较为严重的河床，该层厚度可适当加大。

3.4.7 生物栖息地加强措施

为创造沿河的生物栖息地结构，方案设计了多种人工生物栖息地设施。河道内生物栖息地设施主要为木桩人工鱼巢、抛石丁坝、局部河床铺设砂砾层。此外，为了解决主河槽内常水位情况下水流变化相对单一的情况，方案设计在较为顺直河段的河槽内干抛若干巨石。河漫滩区生物栖息地设施主要有木构架设施与两栖生物塘。在低洼区域挖掘深0.6 m左右、直径3 m左右的池塘，作为两栖动物的栖息地。

4 结 语

河流生态修复是一个复杂、系统的工程，从前期的工程调研、生境条件调查等，到方案规划阶段的水量划拨、水质恢复及河流物理形态恢复，再到微观的局部河段地貌修复、河流生物栖息地设施构建等，每一个环节都需要做前后的对照与通盘的考虑。而河漫滩生态修复作为河流生态修复中最为重要的内容之一，在整体修复工程中起着承上启下的重要作用。河流物理形态的修复设计不仅要以河漫滩结构作为主要的设计依据，并且后期微观尺度的河流生物栖息地结构的恢复也需要以河漫滩作为主要平台。从香山沟河流生态修复工程来看，城市用地的特殊限制条件与河漫滩修复尺度之间的博弈并非是不可调和的。对应不同河流级别、不同栖息地尺度、不同城市用地条件，河漫滩均可以作为城市河流物理结构中必不可少的一项参与到河流生态治理工程中来。在香山沟这样一种用地条件相对宽松的城市边缘区，城市斑块、河流斑块及农田斑块这样一种相互渗透、相互咬合的立地条件下，河流修复手法可以十分灵活。用地相对紧张与相对宽松的不同区域对应着不同的河流断面形式，甚至在适当的区域可划定开放滩区，对栖息地进行集中重建。但无论哪一种河流形式，河漫滩均是河流整体结构中不可分割的一部分。

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(责任编辑 张培虎)

国家自然科学基金项目(31600579)；河南省交通厅基金项目(2014Z06；2015J02)

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1000-0941(2017)05-0026-06

李一帆(1991—)，女，河南南阳市人，硕士研究生，研究方向为城乡水资源管控。

2017-02-22