基于GSI的城市河道生态环境修复策略研究

邢龙博，连 华

(兰州交通大学 建筑与城市规划学院，甘肃 兰州 730070)

水生态系统在城市发展过程中承担着提供水资源、发挥生态效益及承载城市生活等功能，水生态系统的健康与否直接影响着区域的健康和可持续发展。绿色雨水基础设施作为城市雨水系统和海绵城市建设的重要组成部分，不仅强调了在城市雨洪管理和土地利用方面的应用，还拓展到了城市水生态空间的修复和应用。作为城市雨水系统的重要组成部分，可以说绿色雨水基础设施不仅为解决城市雨洪问题提供了新的理念与方法，而且对解决城市水资源危机、修复水生态环境及城市良性水文循环等问题提供了一种新的方法和思路[1- 3]。

1 绿色雨水基础设施(GSI)

绿色雨水基础设施(GSI)是从雨洪源头出发，来维持并保护城市土地开发利用前的自然水文状态[4- 6]，并在不同的空间尺度上具有雨洪调蓄、水质净化、回补地下水等功能的生态技术措施以及自然生态系统所构成的整体[7- 8]。其核心内涵是力求探索改变传统的城市土地开发模式，并以可持续的自然解决方案来面对城市雨洪问题，最终修复并构建城市良性水文系统，保护生态环境。

当前，在全球气候不断变化和水资源危机的形势下，构建绿色、生态、宜居、可持续发展的人居环境已成为当下城市建设发展的新目标。绿色雨水基础设施(GSI)可以对雨水径流的产流、输送、汇流和排放进行全过程的弹性控制[9]，并通过联系和互通场地各种自然资源要素，构建弹性水生态环境。同时，GSI提供的多种类型的生态服务功能[10]，对保护城市水生态空间，健全城市水生态系统网络和构建人类美好人居环境发挥着重要的意义和作用。

2 水家沟河道现状及存在问题

2.1 河道现状

天水市水家沟河道位于甘肃省天水市秦州区七里墩街区，是黄河流域渭水水系一级支流籍河的流量补给和泄洪的重要支流，从20世纪末期至今，河道水生态环境受两岸居民活动的影响和自然气候因素的影响，河道逐渐形成了季节性河流，断流现象严重，河道水生态环境和土壤生态环境也遭到了严重破坏。

2.2 河道存在的问题

(1) “水”与“土壤”之间的协同制约关系遭到破坏

由于水家沟河道周边居民主要以退休工人和老年人为主，而部分退休工人和棚户区居住老年人在河道内进行无序开垦并种植蔬菜已有10年之久。这种无序不加管理的种植模式，不仅破坏了河道水生态环境，还加剧了土壤的退化、地表土层的裸漏，使河道土壤有机质更新系统紊乱，如图1所示。同时，由于河道两岸的施工建设，车辆行驶、建筑垃圾的堆放等问题，导致河道内土壤硬化，使土壤丧失了调节水文的功能。

图1 水家沟河道现状及周边用地性质示意图(图片来源：作者自绘)

(2)河道湿生植被群落退化

由于河道东岸的居民将生活污水随意的排入河道，导致河道水体和土壤污染，河道湿生植被群落稳定性降低，并逐渐向旱生植被群落演替。

(3)“人”与“自然”割裂

天水市为了应对城市雨洪问题，水家沟河道相关管理部门在部分河道修筑了硬质驳岸和围墙将两岸地块与河道进行隔离，这种强制性的应对措施，不仅使河道在雨洪季节产生的径流被迅速排走，导致河道无法有效的进行水文涵养；还阻隔了周边地块上的雨水和生物要素与河道内在联系，使得河道两岸生态环境要素流动受阻，居民与河道生态环境之间自然联系割裂。

3 构建河道内绿色雨水基础设施

3.1 构建原则

(1)因地制宜原则

河道的水生态系统因受自然地理、水资源禀赋和气候条件的影响，而具有地域特殊性，因此必须注重地域性景观特征[11]、遵循河道自然肌理和景观风貌[12]。结合乡土湿生植物，避免使用外来或污染土壤覆盖在河道地表土层上进行生态修复，尽量保留河道原生湿生草本植物的多样性。

(2)系统统筹原则

河道是一个自然完整的生态体链和功能体，不能独立进行单一功能的修复。因此在河道水生态修复过程中，要统筹绿色雨水基础设施的四个动态过程(产流、汇流、输送和排放)与河道自身生态功能相结合，并贯穿于整个修复河段，使各个小功能体相互连接。

(3)最小干预原则

在对河道景观进行修复设计的同时，要充分尊重河流的自然规律，避免对河床和驳岸过度人工干扰和硬化，从水生态环境恢复的自然物理和生态过程角度，构建河道绿色雨水基础设施体系并规划设计滨水景观休闲空间，加强河道水文环境的自我弹性修复能力、避免人类活动对河道生态环境的直接干扰。

(4)健康可持续发展原则

在河道修复过程中，不仅要注重河道水文环境的弹性恢复和水资源的可持续利用，还要注重河道水生态环境对地方带来的生态、环境和社会效益。避免污染水体和土壤对地方居民健康的影响，确保地方社区的健康和可持续发展。

3.2 构建措施

在河道自然水生态环境恢复初期，由于水生态自然修复系统较为脆弱，为保证河道基本生态基流，在修复自然驳岸的同时，构建河道绿色雨水基础设施，可维护整体自然系统的结构和功能的完整与健康情况下，保障景观在生态服务功能的全面性和持续性[13]。水家沟河道绿色雨水基础设施构建包括径流管控——洼地蓄水和渗透——收集和综合利用——生态涵养四个动态过程。如图2所示。

图2 河道绿色雨洪基础设施设计示意图(图片来源：作者自绘)

第一个过程是在该河段对雨洪的源头管控体系，也可称为源头分散控制措施。对应规划分区中的径流管控区，主要利用初期径流减缓分散装置、雨水花园等技术措施，管控径流峰值时期的水流速度和调节雨洪在河道内的流经面积，确保在第二过程中受作用的生态洼地有充足的雨洪补给并提高蓄水和渗透率。

第二、三个过程洼地蓄水渗透和收集综合利用体系是GSI的输送措施类型，分别对应规划分区中的生态蓄水区和有机种植区。包括雨水湿地、雨水花园、生态种植池、生态驳岸和生态景观水体、滨水生态景观带等技术措施，来达到对雨水的渗透、净化、滞留及水文涵养等目的，同时也为居民提供一个可亲水的自然空间。

第四个过程是对雨洪的综合管控体系，是绿色雨水基础设施(GSI)的末端集中控制措施类型，对应规划分区中的径流管控区。包括雨水湿地、生态驳岸、雨水塘等技术措施，主要用于支流与主干河交汇的汇水区域，利用该河段丰富的自然生态资源，构建雨水湿地生态系统，营造富有韧性的水生态环境，从而能够在较大范围内对雨水径流进行集中净化、调蓄和水文涵养。

这四个动态雨洪管理过程在每个河段不止发挥着其自身的雨水生态管理功能，同时在整个河道的水文修复过程中，通过自然集蓄、自然渗透、自然净化的自然修复理念[14]，能够系统地统筹并服务于整个河道生态体链。

4 河道景观生态修复设计策略

在水家沟河道景观生态修复中，将河道规划设计分为径流管控区、生态蓄水区、有机种植区、和生态修复区四个区段，如图3所示。

图3 规划设计总平面图(图片来源：作者自绘)

4.1 径流管控区

该区域由于河道内无法有效形成完整的生态组织系统，因此，该河段将主要功能为减缓径流峰值时地表径流的流速。具体措施包括：

(1)恢复河道内水生态环境。选择原生水生植物(双穗雀稗、佛子茅、水葱、千屈菜等)在河道种植，进行水生态生境营造，如图4所示。

图4 径流管控区河床结构和景观设计示意图(图片来源：作者自绘)

(2)在该段河道内的主要径流处设置石墩障碍物，为水生物环境营造生境，并减缓水流速度，增加径流在该河段的流经面积，控制径流峰值时的径流速度，以便雨洪在进入第二段河道——生态蓄水区得到有效的储蓄。

4.2 生态蓄水区

生态蓄水区河段是承接径流管控区并进行水文环境提升的区域，径流在经过第一阶段减缓流速后，能够在本河段内蓄积并渗透。具体措施包括：

(1)在保证河道防洪水位线不变的前提下，将硬直驳岸拆除，改造为原始生态驳岸，增加驳岸的斜面坡度，并在驳岸上种植乡土植物。这样不仅可以有效促进河道生态环境与周边环境的生态物质流，同时可缓解高峰时期的径流压力，提高河道的渗透效果[15]。

(2)模仿自然的河流路径和水流自生冲击力形成的凹凸岸，以降低洪水期对自然堤岸的破坏[16]。设置蓄水洼地，种植乡土水生植物，并在蓄水洼地两侧设置溢流管，这可在水位线恢复前期，将超过洼地水位线的水流收集至河道第三段的有机种植区，在干旱季节为居民种植活动提供浇灌用水。

(3)分时期提升河道水位线和生态环境质量，如图5所示。在恢复河道内自然水生态环境时，根据乔木植物的生长成熟周期，将修复周期设置为0～5a、5～10a和5～25a三个阶段。

图5 生态蓄水区修复阶段示意图(图片来源：作者自绘)

4.3 有机种植区

该河段的规划设计中，将保留并延续居民的种植活动，并为居民规划出合理有序的种植区域。使居民在经营种植的同时，参与到河道生态环境的修复与保护过程中，使社区结构与河道生态环境相融合，促进社区健康和生态环境的永续发展。具体措施包括：

(1)受气候因素的影响，天水市早晚空气湿度较大，因此，在为居民规划出合理有序种植区域的同时，在种植池内设置水分蒸发收集编制网和土壤有机质培育装置，如图6所示，可将蒸发到空气中的部分水分用收集装置收集，并用于土壤有机质培育所需的水分来源。

图6 水分蒸发收集编制网和土壤有机质培育装置结构设计示意图(图片来源：作者自绘)

(2)将河道内建筑垃圾和拆除后的硬质驳岸石质收集后设置为石笼台阶的驳岸形式，在雨洪季节可有效的收集周边道路和居住区的雨水，并在种植池内健康土壤里再次进行有效的渗透和净化。

(3)为避免居民活动对河道土壤的疏松度影响，在径流两侧设施生态滤池，滤池内设置蓄水池、活动平台、并种植原生水生植物。在雨洪季节时，当雨洪漫过主河道流向生态滤池内，部分水流将有效的渗透并补给于地下水和蓄水池，而蓄水池内的雨水可在干旱季节用于有机种植的浇灌。

4.4 生态修复区

生态修复区河段是与主干河籍河交汇的区域，生态资源较丰富，该河段的规划设计主要以修复泄洪功能为主，其目的是为当地原生物种提供一个健康生存环境，并满足支流在汇入主干河流时的泄洪需求[17]。具体措施包括：

(1)生态修复区的河段设计在恢复并保证河道中上游生态基流充足的情况下，规划延续水家沟河原始的自然河道形态，并建立蓄水洼地，调解地表和地下水之间的补给平衡，在营造水文环境的同时满足泄洪需求。

(2)拆除该河段硬质驳岸并种植乡土植被，增加亲水空间，同时拓宽河流廊道，丰富河道剖面形式，构建湿地浅滩等河床结构，在降低洪水位线的同时，提高河道的生态效益。

5 结语

文章从水生态环境修复的视角出发，构建了以绿色雨水基础设施为平台的水生态景观修复空间体系。在微观层面对河道水生态环境修复提出了结合自然规律的解决方案，同时也为缓解地下水资源短缺状况、恢复河道生态基流提供探索性思路和方法。