生态文明视角下的干旱地区河流生态修复研究——以忻州市云中河生态修复为例

劳炳丽

曹 方

1 研究背景

中国是一个水资源严重短缺的国家，人均占有量仅为世界人均水平的1/4，而且水资源空间分布不平衡，内陆广泛存在着干旱和半干旱地区，主要分布在北方六区(指秦岭淮河以北的东北、华北和西北地区，包括松花江、辽河、海河、黄河、淮河和西北诸河6个水资源一级区)，面积约占全国总土地面积的52.5%。从近10年水资源统计来看，全国平均降水量为646.1mm，水资源总量平均为27413.4亿m3(图1)；而北方六区平均降水量为335.4mm(图2)，仅为全国平均降水量的1/2，水资源总量仅占全国水资源总量的18.9%[1]。

从2012年起至今，全国已陆续开展国家生态文明试验区建设，环境治理成效显著。其中有16个省开展了生态省建设，1000多个市开展了生态市县建设，生态文明建设已经成为新时代发展的主旋律和国家的重大战略。

第十九次全国代表大会提出“加强水生态保护，系统整治江河流域，实施山水林田湖生态保护和修复工程，全面提升森林、河湖、湿地等自然生态系统稳定性和生态服务功能”。从近10年水资源和环境资源公报数据来看，水环境、生态环境等全国平均指标已经有所改善，生态文明建设初见成效。近几年全国范围内开展了大量有关生态环境修复、河流治理工程的探索和实践，但针对约占国土面积一半的干旱、半干旱地区水环境和生态环境的研究所占比例较少。目前干旱地区水生态所面临的实际挑战包括：生态环境脆弱、水资源短缺、部分河流面临水量锐减、河道萎缩干枯和荒漠化加剧等。尤其是随着快速和大规模城市化的推进，部分地区出于对滨水开发建设的迫切性，罔顾水资源严重短缺的现实，提出建设大面积水体公园、制定水都与水城等目标定位，更是加剧了干旱地区河流和区域生态环境的恶化，甚至破坏整个地区水系的生态平衡，可以说，水资源短缺已经成为制约干旱地区经济、社会、生态可持续发展的瓶颈。

图1 2006—2016年全国水资源总量变化

图2 2006—2016年全国平均降水量变化

2 河流修复研究综述

2.1 河流生态修复历程

国际生态修复协会将“生态修复”(ecological restoration)定义为：帮助恢复已受损、退化或破坏的生态系统的过程。河道本身作为生态系统，具有自我修复的能力，河道生态修复为其提供了一个自我修复的机会和环境，促进并加速整个修复过程[2]。

河流生态修复缘起于以人类为中心的“用水、治水”工程，大规模拦河筑坝、河道裁弯取直工程，破坏了河流的自然形态和水生生境的多样性，造成河道淤积、水质恶化、河流生态系统服务功能衰退等问题。20世纪30年代，欧美等一些国家首先认识到河流生态环境所面临的诸多问题，积极开展相关的生态修复研究和实践。1938年，德国风景园林师塞弗特首先提出了“近自然河流整治”的概念，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理，并以此建构了一套在完成传统河流治理任务的基础上，接近自然、低成本并保持景观美的治理方案，标志着人类对河流实施生态修复的开端[3]。

20世纪中叶，欧洲阿尔卑斯山区相关国家，诸如德国、瑞士等，在河川治理方面的生态工程建设，积累了丰富的经验。这些国家制定的河川治理方案，注重发挥河流生态系统的整体功能以及河流作为生态景观和基因库的作用。20世纪80年代开始的莱茵河治理，则为河流的生态工程技术提供了新的经验。在美国、日本、澳大利亚等国家，自20世纪至今，有关河流生态修复的研究和实践也取得了很好的进展。美国陆军工程师团水道试验站在1999年6月完成了《河流管理——河流保护和修复的概念和方法》研究报告。日本建设省发布的《河川砂防技术标准(案)及解说》，提出河道岸坡的防护结构有生态和自然景观等环境功能。澳大利亚水和河流委员会于2001年4月出版了《河流修复》一书，为河流修复工作提供技术指导。

2.2 干旱、半干旱地区河流生态修复研究

纵观国内外河流生态修复的研究经验及成果，关于河流生态修复的理论、技术已经相对完善，经验积累比较丰富。但从修复河流的地域分布来看。研究对象大多局限于气候湿润多雨、水环境条件良好的城市和地区。对拥有特殊气候和水环境的干旱地区河流生态修复的相关研究则相对薄弱，大部分集中在西北部干旱地区的生态问题剖析及实践研究。

目前，学者对干旱地区区域尺度的水资源和生态环境问题关注较多。王浩等对西北内陆干旱区生态环境及演变趋势进行了总体评价；王根绪等对50多个西北干旱地区的水资源利用及生态环境问题展开研究；吴梦媛以山西省武乡县总规的水资源专题研究为例，分析了北方干旱地区水资源特征、现状问题及成因，提出了适合北方干旱地区的水景观营造模式[4]。

3 干旱地区河流生态困境与制约

3.1 概念定义

目前学界对干旱地区定义还尚未有统一标准，通常主要指降水量少、蒸发量大、生态条件较为恶劣的区域。最常见的干旱与半干旱的划分是以降水量作为标准，年降水量低于250mm的地区划分为干旱区，年降水量250～500mm的区域划分为半干旱地区，年降水量高于500mm的区域为湿润区。同时，中科院自然区划工作委员会采用干旱度作为全国干湿程度的治标，干燥度小于或等于1.5～2.0为半干旱地区，大于2.0为干旱地区。从地理分布来看，干旱和半干旱地区主要分布在东北、华北和西北等北方地区，尤其是位于青藏高原北侧和东北部的西北地区分布着全国85%的干旱和半干旱土地。

3.2 现实生态困境

3.2.1 降雨量少、蒸发量大，导致河道断流、干旱缺水

通常，河流径流量与降雨总量的时空分布规律基本一致。干旱地区河流水量主要依靠降雨补给，由于降雨量稀少、蒸发量大，部分干旱地区的年蒸发率高达80%～95%，严重影响河川径流量，导致河流常年水量不足甚至干枯断流。

3.2.2 土壤沙化，水土流失严重，水土涵养性低

由于缺水、干旱等相对恶劣的生态环境，干旱地区的地表植被覆盖率低，水土涵养能力也较低。而且由于大部分地区土壤沙化严重，水下渗迅速，保水性差，水土流失已经成为干旱地区生态环境恶化的首要根源。

3.2.3 河流水量随季节变化显著

干旱地区在旱季和雨季的降雨时空分布非常不均衡，季节性变化大。通常在6—9月的雨季总降雨量占到全年降雨量的60%～80%以上，而枯水期降雨量仅占到全年降雨量的20%～40%，这也直接导致河流在雨季和旱季呈现水位落差大、水景观变化显著等一系列问题。

3.2.4 过度人工干预与建设，加剧水生态环境恶化

防洪排涝、拦河筑坝等水利工程的建造也加剧了水生态环境恶化。干旱地区由于河道缺水和断流，部分地区为了营造水景观，建设水库，人工闸坝蓄水，破坏了河流的自然形态和水生境的复杂度，使河道自然水文过程的可持续性遭到破坏。

3.2.5 小结

干旱与半干旱地区特殊的水环境条件和气候特点决定了此类地区生态修复的目标、策略方法和常规的滨水地区有所不同。如果忽视地域自然条件和水文方面的制约，一味效仿南方城市水生态修复和景观营造模式，必然会加剧河流的生态环境恶化。因此，必须因地制宜采用非常规的修复方式，应对干旱地区的河流生态条件，才能有效修复受损的河流生境[5]。

4 干旱地区河流生态修复路径探索

4.1 流域复愈：立足流域尺度的生境修复

4.1.1 流域生态结构特征

河流作为一个特定的地理空间单元，是一个包含源头、上下游，最后到达河口的整体流域单元。作为一个开放的生态系统，河流流域单元由水文循环、土壤、气候和植物等要素提供生态支持功能，具有一定的生物多样性、时空结构与营养结构[6]。因此，河流大部分的生态影响产生于河道之外的流域地区。这也直接决定了河流生态修复应该从更大的流域尺度考虑河流的整体生态修复，将河道纳入区域绿地水网生态格局中，恢复河流的上下游的雨洪调蓄和净化功能，修复多级水系河渠、泛洪区的湿地等毛细系统，才能为河流生态系统稳定性提供更好的支持功能[7]。

4.1.2 构建完整的流域生境

从目前对于干旱地区河流修复的实践来看，大多只停留在对某一河段、河流局部指标的生态修复，缺乏从大尺度流域角度考虑河流的整体生态修复，很难从根本上解决其脆弱的生态问题。

对干旱地区河流生境的修复，首先要实现流域内生态要素的有效连接。以河为生态脉络，将与河流相关的周边山水、森林植被等生态斑块联系起来，构建完整的山水-河流生态安全格局，才能从更大尺度的生态系统来解决干旱地区的缺水和水土流失问题。

其次，在区域生态安全格局的基础上，对河流上下游和流域单元内的多级河渠、泛洪区、河漫滩和湿地池塘等进行整体修复，形成自然的河漫滩与河岸系统，改善干旱地区常年缺水、河道萎缩的现状；同时，重建河流水源涵养、洪水调蓄功能，并增加栖息地生物多样性，恢复河流自然的水文过程和自然功能，使河道实现再自然化[8]。

4.2 开源节流：考虑区域生态水文平衡的修复模式

充足的水量是维持干旱地区生态系统构成、发展和稳定的根本。如何保障河流的水资源供给，不仅是保证水质和水生态环境良性循环的基础，同时也是维系区域水文平衡、解决河流干旱缺水、断流萎缩的关键。

有别于传统滨水地区的生态修复，干旱地区应立足水资源稀缺地区独特的气候环境和水文条件，建立符合区域水文平衡的生态修复模式。从水质水量保障、水生态与水安全、保水节水等多角度保障河流水文供给平衡。

4.2.1 开源：多途径水资源供给

常规河流水的来源主要来自于降雨、地表径流和地下水等季节性水源，在干旱地区，由于蒸发量过大，季节性水源很难保障河流的水量补给。因此，中水回用、人工补水等非常规水源利用成为解决河道补水的必要手段。结合河流所在地域的气候特征、水文地质条件和再生水工程利用现状，采用主水源、补充水源、季节性水源的供给结构，形成多源头、多途径的水源补给系统，从而有效保障河流水流量。

4.2.2 节流：节水与保水措施

除了多途径水资源补给途径，通过景观营造强化河流的节水与保水措施，降低用水过程中无意义的消耗，也是维系干旱地区河流水文平衡的必要手段。如采用防渗膜或防渗墙等工程化手段对河床进行防渗处理，尽量减少渗透水量，蓄存河道水量；从植物配置方面选用具有较强抗性(耐旱、保水、防风固土等)的树种，节约后期景观维护的用水量。

4.3 在地设计：与季节变化相适应的水景观设计

干旱地区由于降雨量少、蒸发量大、降雨时空分布不均匀，导致河流水位在旱季和雨季落差较大，旱季常常面临水量少、水位低、干枯断流等问题。应对水文季节性变化大的特点，在充分研究河流干湿季度水位、水量变化的基础上，采用适应季节变化的河流景观设计手法，构建弹性的滨水景观。如通过复合型水岸设计、干湿结合的植物配置、季节性景观活动策划等，使河道在旱季呈现湿地或溪涧的形态，雨季则以大水面河道景观为主，形成四季均有景可赏的滨水景观。

5 忻州云中河生态修复探索

忻州市位于山西省东北部，属于半干旱的温带大陆性气候，全市多年平均降雨量为425mm，多年平均蒸发量为1561mm，夏季(6—9月)降雨量占全年降雨量的75%，冬季仅占2.2%，降雨时空分布不均衡，干旱指数介于1.5～2.0，是典型的半干旱地区(图3)。

云中河位于忻州市西北部，河道全长约44km，流域面积424km2，过去的云中河曾是一条绿意盎然、蜿蜒流淌的生态河流。20世纪70年代，云中河沿线开辟为忻州最重要的产粮大区，河道周边植物被大量清除并替换为经济农作物；同时，为满足农业灌溉的需求，河道开展筑坝设闸、建设防洪堤等水利工程。由于云中河周边常年农耕轮作、设闸筑坝、挖沙取土和耕地侵占等行为，导致河道萎缩、河流廊道破碎化、水土流失严重，部分河段常年断流，河道自然功能基本丧失(图4)。为恢复河道自然生态功能，改善流域生境系统，为市民提供高品质的滨水休闲空间，忻州市政府展开云中河的生态修复工程。

图3 云中河蒸发量与降雨量对比

图4 云中河河道生态破碎化

图5 云中河每月需水量

5.1 立足区域生态格局，修复流域尺度河流生境

从宏观流域尺度对河流进行生态修复，通过对流域生态因子(地形地貌、河流水系、植被覆盖等)叠加分析，以河道为生态骨架，链接周边的云中山、湖泊湿地和林地斑块等，构建山-河-湿地-林网的整体生态安全格局[9]；其次，沿河岸重新种植本土植物群落，修复和重建流域内被填埋的河渠水系、低洼湿地、河漫滩等毛细系统。移除人工水利设施，恢复流域防洪调蓄、水体净化、生物栖息的自然功能，重现自然河流的生命力和生境系统。

5.2 多途径保障水资源补给

据测算，云中河水量缺口为20.9万～65万m3，全年平均每月缺水量为42万m3(图5)。仅有7、8月丰水期能满足水量要求，其余10个月均为缺水状态。针对云中河常年水资源不足的现状，采用再生水补水+季节性水源+补充水源+应急水源的多途径补水方式，保障河道的水量与水质。

在多途径补水的措施中，采用再生水为补水主水源。充分利用城区污水长尾水排放，在河道沿线结合乱掘坑塘设置人工净化湿地，深度净化污水厂尾水，使出水水质达到地表水4类的景观用水标准。

根据人工净化湿地研究，目前国内外人工湿地主要采用表面流湿地和潜流湿地2种，单个湿地规模控制在5万m3以内，占地规模不超过15hm2的湿地规模运行效率较高。综合考虑场地条件，沿河共设置3块人工净化湿地，采用表流湿地+潜流湿地的复合式人工湿地系统(图6、7)。通过再生水结合季节性水源等多样的补水方式，可为云中河形成约53hm2的河道水景，可实现河道补水量65万m3/月，每日补水量4.5万m3/日，5～15天完成一次换水，保证河道水质和水量。

图6 人工净化湿地设计

图7 人工湿地与自然湿地结合，实现多途径补水

图8 弹性河道景观设计

5.3 构建弹性蓝绿景观系统

通过构建一个干湿结合的弹性景观系统，适应云中河雨季和干旱季节水位变化大的问题。采用生态手段塑造可淹没的河道湿地景观。旱季通过不同的植被配置，沿河岸营造丰富的湿地景观，河道主要呈现溪涧+湿地生态岛的景观意向。雨季和洪水来临的季节，部分河道、湿生植物没入水下，呈现大水面河道景观意向。通过干湿结合的弹性系统，形成随着季节变化的景观体系(图8)。

5.4 应对地域气候特征与区域水文平衡，合理配置植物群落

忻州地区降雨量少、蒸发量大，土壤沙化，保水性较差，植物生长受到限制。因此，云中河地区的植被生境修复，必须考虑地域气候和现实场地条件，从区域生态水文平衡出发，合理配置植物群落，选择保水、抗旱、固土的树种，加强水土保持力，是生境恢复的关键环节。其次，从区域生态水文平衡出发，在植物的选择上尽量选择节水的植物，降低景观后期维护的需水量。优化植被种类选择,合理配置乔-灌-草比例，降低对区域水文平衡的干扰。

6 结语

河流生态修复不同于常规的滨水景观设计，通过使用综合方法，使河流恢复因人类活动的干扰而丧失或退化的自然功能，是一个复杂、动态的生态演变过程。因此涉及生态学、水文工程学、地貌学和风景园林学等众多学科，是一个综合交叉的学科领域，需要多专业协同合作共同完成。

尤其干旱、半干旱地区河流生态修复不同于常规地区的滨水景观设计，这些地区有着特殊的地域性气候特征、复杂的生态条件和流域结构特征，传统的河流生态修复手段和常规景观设计手法很难解决其复杂的生态问题。需要将流域和河段2个尺度的生态修复相结合，才能实现整体、长期有效的生态改善与恢复。一方面，建立河道修复的流域观念，从更大的尺度去研究干旱地区河流的生境系统，将河流纳入区域生态结构当中，从更大地理流域尺度去解决干旱、半干旱地区的生态问题；另一方面，立足干旱、半干旱地区河流面临的特殊性和现实问题，提出因地制宜、符合地域特征的生态修复模式和策略，才能实现整个河流生态系统的健康运转。