山区流域地貌单元水系生态安全分类治理*——基于流域生态学视角

林小如，贾宇轩，黄友谊，詹丽娜，潘爱丰

浙江省80%的河流为山区河流。河流不仅是农业生产的基础，也是生态系统的重要载体，还是流域防洪体系的重要组成部分。然而，若缺乏对不同地貌单元流域中水系生态安全规律的认知，往往导致边治理边衰退的问题。一方面，山区流域水系治理达标率低，存在大范围的治理缺位问题；另一方面也存在过度治理现象。例如，堰会使河流水温分层影响上游水质，水库会使上游水汽增加，增大降雨量，加重山洪泥石流风险。因此，水利工程设施若缺乏流域生态学视角下的生态安全合理性研判，将可能使水系生态治理的负面影响大于正向效益[1]。

浙江省多元化的流域地貌单元具备水系生态安全问题的典型性和区域类型的代表性。在气候变化下的极端天气问题和地域性流域生态风险的交叉影响下，区域性的水系生态风险已经成为流域灾害的热点问题。2020 年梅汛期，浙江连遭9 轮强降雨，浙中北盆地降雨量达633mm，是洪涝重灾区；浙西的丘陵区由于土壤饱和度高，山体滑坡、崩塌等地质灾害频发，防汛压力尤其大；同期，浙东则遭受着多发的地域性洪潮灾害，超过41 万人受灾[2]。面对地域差异性显著的水系生态安全风险，倘若运用单一的治理方法去应对具备不同灾害风险特征的流域单元问题，将是粗放和局限的。因此，针对不同类型的山区流域地貌单元，其水系生态安全风险的典型特征是什么，如何确定因地制宜的科学治理对策，是亟待解决的关键问题。通过山区自然地貌类型与水系生态安全风险的关系梳理，及其与水岸建设交互特征的定量分析，揭示不同自然地貌类型下水系生态安全格局的特征规律，提出山区各类流域地貌单元水系生态安全的管控要点。

1 流域生态学与流域单元分类治理

1.1 流域生态学与山区流域地貌单元

流域生态学（watershed ecology）指出，流域是地球表层系统的一个自然划分单元，通过水文联系将上下游、左右岸连接为一个整体[2]，流域生态系统的模式、过程与尺度之间有一致性关系[3]。近年来，随着人类建设活动、工农业等干扰因子对河流生态系统的扰动增加。河流的生态环境问题已逐渐从局部问题演变成全流域的问题，诸如流域型水污染、流域性洪潮灾害、水利工程建设与生态保护矛盾等等。因此，解决流域尺度的生态环境问题，必然需要有流域尺度的生态管控来做支撑[4]。

流域生态学中的不同流域单元对应着差异化的地质地貌、物理过程、生态特征及复杂的水岸交互特征，而坡度又是引起水系物理规律、生态差异性的关键[5]。《中华人民共和国地貌图集（1 ∶100 万）》中划分的浙江地貌类型及占比为：中起伏度山地（占比56.7%）＞小起伏山地（占比24.3%）＞丘陵区（占比15.3%）＞大起伏山地（占比3.7%）。据此，本文将浙江山区的流域划分为以下几种地貌单元：高起伏度山区、中起伏度山区、低山丘陵区（图1）。

1.2 流域单元分类生态治理的必要性

在山区流域的生态安全研究中，国内外水系生态安全研究包含突发型灾害和缓发性灾害。针对山洪、泥石流等突发型自然灾害，多采用工程防护型策略。例如，有学者通过对比分析，明确护坡工程的要点和方法[6]；另有学者[7]通过对法国3 个洪水易发地区的885 个家庭的调查，提出洪水风险工程管理策略。针对缓发性灾害，采用系统预防型策略应对缓发型生态问题。例如，Chen,QF[8]以阳河为例，探讨北方山区水系水净化效率的工程方法。Baldig,BP[9]基于北美很多河道被拉直、拓宽和硬化所产生的生态问题，提出自然河道设计（NCD）技术。在空间干预策略方面，Li,ZX[10]基于海河流域水土流失等生态修复问题，分析了海河流域内小流域的不同地理生态特征，提出水土保持综合性措施。Lebel,L[11]建立了一套流域水系治理框架及其安全评估模型，并探索了综合提升型的流域管理措施。然而既有研究在山区水系生态风险形成的机制研究多是个案分析，缺乏面向多类型地域的适应性规律和治理策略研究。

2 山区流域地貌单元的风险特征

2.1 山区水系的自然规律及风险构成

不同流域地貌单元受所处的地理位置、地形条件以及气候的影响，在局部小气候等自然外力的剥蚀和沉积作用下，呈现着差异化的安全风险问题，具体体现在不同流域地貌单元的降水量，流速及下切力、自然灾害等物理过程中。

高起伏度山区流域地貌单元水系的水流量小，水源高度依赖降雨、植被蓄水等自然过程，生态安全的主要风险为水土流失和枯季断流。该地区的地形起伏大，河床纵坡降在25°～35°之间，这导致局部小气候下的降水较多。由于水系落差大，下切力强，易形成“V”型河谷。雨季，常常出现急滩和瀑布。而且，山体土壤储水较少，地表径流流量小，因而干旱少雨季节易发生断流，雨季易发生地质崩塌等自然灾害[12]。

中起伏度山区流域地貌单元水系，水流量和流速大，河床纵坡降大，易发生山洪泥石流、滑坡坍塌。该地区流域水系的比降变缓，河床纵坡降一般在25°以下。地下水与地表水供给水量大，下切力量减弱，旁蚀作用增强。堆积作用形成沿岸的阶地、洪积扇，河道逐渐拓宽形成连续的河湾[13]。因此，更易发生洪水的猛涨猛落，梅汛期的山洪风险大。

低山丘陵区流域地貌单元水系河床纵坡降缓，土壤的水饱和度高，更易淤积故洪涝灾害多发。该区域地势呈波状起伏，河床纵坡降在15°以下且河流易呈树枝状分布。不同于前两类流域地貌水系的特点是支流比干流水量发达，坑塘洼地、湿地较普遍。由于水动力较弱，水流挟沙能力大，河道易淤积，因而在强降雨时易发生内涝（表1）。

表1 山区水系分区段类型的自然特征

2.2 山区水系的水岸交互与风险特征

山区水系水岸交互是指在一定时期和区域范围内，在水系维持资源环境稳态效应的前提下，水系及其周边环境与所承载的人类生产、生活、生态活动之间的可持续性交互过程。陆域的生产、生活、生态空间以及水利设施是实现人水供需可持续发展的载体。识别不同流域地貌类型下的河流水岸交互特征，是实现差异性适配下科学治理的关键。

在沿河生态空间方面，利用Arcgis 和Fragstats 对2018 年浙江省高起伏度山区、中起伏度山区、低山丘陵区流域地貌单元的景观连通度和景观多样性进行测度。结果显示，在景观连通度方面，呈现高起伏度山区（91.32）＞中起伏度山区（85.54）＞低山丘陵区（65.57）。在沿河建设用地方面，低山丘陵区占比最高，为62.4%，高起伏度山区的建设用地占比最小，为0.25%。在沿河生产空间方面，农业空间的聚集度呈现：低山丘陵区（72.8%）＞中起伏度山区（23.5%）＞高起伏度山区（3.7%）。工业空间的聚集度呈现：低山丘陵区（63.8%）＞中起伏度山区（36.2%）＞高起伏度山区（0.28%）。在沿河水利设施方面，通过统计包含水坝、堰等水务工程的分布密度发现，中起伏度山区＞高起伏度山区＞低山丘陵区（图2）。

图2 浙江水利工程设施密度分布

综上，高起伏度山区流域地貌单元周围的建设用地呈点状分散分布特征，建设用地开发程度低，农业、工业用地聚集程度低，所以滨河生态空间连通度高，生物多样性强，河流的主导功能是生态保育、生态涵养。中起伏度山区的建设用地沿河多呈带状或指状聚集，农业、工业、城镇建成区集聚程度较低，水利设施分布密度高，河流主导的功能是水利能源、水源供应。值得说明的是，水利设施可以一定程度的调节气候并进行能源供应，但在汛期也可能存在难以预测的工程地质风险。低山丘陵区的沿河建设用地呈指状或团状聚集，农业、工业、城镇建成区分布最高，河流主导的功能为水源供应，污染消纳。低山丘陵区起伏度最低，沿河建设空间向河拓展的动力较强，频繁的填埋、改道等人类活动易侵占季节性的微小径流通道，破坏内涝调蓄网络（图3）。

图3 山区不同流域地貌单元下的居民点沿河聚居形态示意

3 山区水系分类治理要点与策略

3.1 山区水系分类治理要点

流域生态学视角下，山区水系的生态安全格局由流域水系的自然生态特征和水岸交互关系综合确定。高起伏度山区流域水系由于较高的生态脆弱性，水源更加依赖气候和植被等外部环境要素，更加容易发生枯季断流，因此其生态安全的治理需强化育水回水和生态涵养，进而形成自然保育、生态郊野的水系生态安全格局。中起伏度山区的水利设施最为密集，易发山洪和内涝灾害，治理重点在于拓容蓄洪和疏水排涝，进而形成弹性可淹、韧性水岸的水系生态安全格局。低山丘陵区建设活动的亲水性强，河道径流结构和自然岸线常被侵占或更改，易引发局部内涝，治理要点在于做好疏浚和占补平衡，进而形成有机生长、进退有节的水岸安全格局。基于三类山区流域地貌单元的典型生态安全风险与水岸交互关键问题，分别提出治理目标及其对应的治理要素（表2、图4）。

表2 山区不同流域地貌单元的水系生态安全分类治理要点

图4 山区不同流域地貌单元的水系生态安全管控要素示意

3.2 山区水系分类治理策略

3.2.1 高起伏度山区流域地貌单元水系

高起伏度山区流域地貌单元水系生态安全保护策略是从“河床坡底-河岸植被-森林系统”垂直维度保障河道基流的稳定性。第一是河流坡底保育方面，首先，在河床纵坡构建具有多样化基质的阶梯状生物滞留带。不仅能够为动植物提供栖息地稳固水土，还有助于提升局部水动力，促进水体的紊动复氧，提升自净力。其次，设置弹性的水位线管控保障河道基流[14]。一方面，以平均生态基流为基础，统筹“枯-丰-洪”水期的最低水位线，从时间上保证水源的稳定性。另一方面，统筹地上和地下水位线，保障每个阶段要释放给下一阶段的最低水位，避免出现流域上游水量枯竭而下游过盛的极端情况。

第二是河岸植被方面，弹性看待植被覆盖率。将枯水季节的河岸带全部划为植被覆盖区，保证枯水季的河岸仍有较高的植被覆盖率，维护河道基流的稳定性。其次，在水岸沙地设置生态浅坑，雨季吸收水，枯季释放水。无雨时为植被凹地，降雨时雨水通过地表径流将雨水或污水汇集至此，通过“植被-土壤层-微生物”完成雨水的“蓄、吸、净”。再者，设置生态雨水缓坡，使雨水在缓慢流动中逐渐被吸收，雨水缓坡下垫面宜通过“自然+人工”措施提升蓄水容量。

第三是垂直的水含蓄系统方面，保护森林地被物。森林对降雨的分配和水分涵养是从树冠层、地被覆盖层、根系土壤层共同作用的，而地被植物是易被忽视的。因此，对粗木质残体和枯落叶层的保护，可保障垂直森林水含蓄系统的完整性[15]。在开发模式方面，采取湿地模块组成的漂浮园路等低环境影响型开发模式，降低开发对环境的负影响（图5）。

图5 漂浮园路

3.2.2 中起伏度山区流域地貌单元水系

中起伏度山区流域地貌单元水系生态安全保护策略一方面是拓容蓄洪，从“防灾-减灾-适灾”全周期削减山洪风险。在防灾方面，补充优化集水分区布局。先做自然区域集水分区调研，计算既有集水分区不同时期需要处理的水量，确定面积和深度，新集水区优先选择蓄水性强的厚土壤层区域。对于局部易发生内涝的集水分区，可利用泵阀设施和内涌水位控制，使场地的蓄水量大于降水量。在减灾方面，构建梯级“雨水减速带”减缓水速。沿河设置与径流通道垂直的梯级雨水“减速带”，不仅可以减缓水速，还能下渗雨水、净化污水。在适灾方面，洪水的小范围淹没对岸线有正向生态效应，因此堤防与护岸的形式应具备防冲不防淹的特性[16]。例如，依托不同时期的水位线沿岸设置阶梯状台地，不仅可实现对雨水的滞纳和消解，还可作为阶梯广场、观景平台等休闲空间，实现功能的复合利用。

另一方面是疏水排涝，从“绿色屋顶-下垫面”垂直消减暴雨径流量。首先，绿色屋顶或绿色阳台能够有效削减暴雨带来的地表径流，提升建筑对气候的适应性。其次，建成区海绵基质材料的透水性多层次组合能够实现雨水的下渗与积水的收集。若道路、地面的表层采用透水性沥青，中下层采用不透水材料，能够使雨水被迅速吸收，积水实现收集利用[17]。再者，在建筑地坪标高方面，依据水位设置防涝标高分区。针对历史内涝严重的地区，计算历史洪水最高水位线，结合建筑的防水要求划分标高分区的等级，一般来说最小应超出最高水位线0.6m[18]。

3.2.3 低山丘陵区流域地貌单元水系

低山丘陵区流域地貌单元水系生态安全保护策略首先是因势淘污，“产-汇-滤”全链条实现增滤减排。在污水“产生”方面，依据污染物的相互中和作用、水动力情况组合排布排污口。一方面，将排污口设置于常水位以下[19]，实行离岸深水排放。另一方面，科学组合不同类型的污染物排放口，中和降低污染浓度。最后，实现“污染源—排放路径—排污口—受纳水体”全链条精细化监管[20]，水动力弱的河段严控污染物排放总量。在污水的“汇集”方面，依托地势高差设置“厌氧池-跌水生物接触氧化湿地-生态池”三级跌落式污水处理路径，使污水在汇集过程中被缓慢净化[21]。在污水的“过滤”方面，围绕建设用地，构建以水文调控为核心的大湿地过滤系统。利用人工软质湿地驳岸和洼地坑塘将缺失的湿地斑块补缀，使其能与河湖水文波动的节律同步过滤污染物[22]。值得说明的是，人工软质湿地驳岸可有效过滤94%以上的氮磷含量[23]。针对污染严重的河段，增加设置人工漂浮湿地，可有效过滤50%～80%的氮磷含量[24]（图6）。

图6 漂浮湿地示意图

其次是占补平衡，完善优化自然径流结构。首先，韧性修补，优化自然径流结构[17，25]。一方面，针对旧有排涝路径被开发占据的情况，因地制宜地进行疏浚补充，利用湿地、洼地来修复径流网络。另一方面，针对既有排涝网络效能不足的区域，开辟新的径流路径。水量较大的径流通道，要采用碎石下垫面或梯级处理，减小泄洪过程中的二次洪涝风险。其次，对于已建成并占据重要径流路径的建筑，以综合效益最优的原则进行“成本-效益”分析。若腾退之后成本大于效益，可在防护工程高于防灾标准条件下，近期给予保留，所占据的生态径流通道需结合湿地、滩涂及地形进行优化完善。

结语

生态文明背景下，十四五规划提出“国家水网”战略。浙江省作为全国生态文明示范省，抓紧改革机遇，正全力推进全域水系精细化治理。一直以来，山区水系的治理由于缺乏对不同流域地貌单元生态风险要点的认知，导致治理缺位和治理过度等问题。据此，从流域生态学视角，分类探讨山区流域水系的治理要点。研究结论是（1）高起伏度山区流域地貌单元需强化育水回水，生态涵养。（2）中起伏度度山区流域地貌单元应侧重拓容蓄洪，疏水排涝。（3）低山丘陵区流域地貌单元宜因势淘污，实现占补平衡。研究可为宏观的山区水系治理提供一定的参考。然而，文章对山区流域的研究更偏定性的空间类型风险成因分析和空间管控指引，未来还有待构建分类分区的关键指标测评体系，探索一套更为精准的山区流域健康安全评估方法[26，27]。

图、表来源

图6：参考文献[26]；

表1：作者基于对参考文献[7]、[8]、[18] 以及https://kknews.cc/science/l9q6oob.html 的信息进行整理绘制；

其余图、表均由作者绘制。