基于近自然化和海绵城市理念下的城市河道生态修复

欧阳小平

（中国葛洲坝集团市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

近年来，城镇化进程和城市规模的快速推进和扩大，使城市河流承载的环境压力不断加大，导致城市水体不同程度地存在富营养化甚至发黑发臭的现象，河流生态失去平衡、生态系统逐渐退化，与追求居民健康的美丽城市环境和目标背道而驰［1-3］。同时，随着城镇化建设步伐的不断加快，城市地面硬化面积的增加、降水下渗量的减少，导致排水断面难以满足城市雨季排水需求，河道水质、水量变化相对较大，部分城镇出现严重内涝等现象［3，4］。2018 年，习近平总书记在《打好决胜全面建成小康社会三大攻坚战》中，明确指出水体环境治理是标志性重大战役之一。因此，为了保障城市系统和谐运行和可持续发展，迫切需要对城市河流污染进行科学治理和修复。

在过去十余年，我国各级政府采取有效措施，加大城市水环境治理力度，投入了大量资金和精力用于城市河道治理，尤其是2015 年颁发的“水十条”拉开了大规模水环境综合治理行动的帷幕，在城市水环境生态保护和治理方面已经取得了明显的效果，比如截至2020 年底，全国地级及以上城市黑臭水体消除比例达到98.2%。但是，距离城市水环境水质稳定、水体生态功能达标、实现生态宜居城市等要求还存在较大差距［5］。水环境治理是个复杂的系统工程，在治理修复过程中存在操之过急和形式主义的表现，为了短期见效做表面文章，不惜成本，例如采取临时大水稀释冲淤、清淤疏浚，或是单纯投撒药剂、曝气等措施［6］，往往难以从根本上修复水体污染。同时，河流人工化造成的后续问题也十分突出，主要表现为渠道化、园林化、商业化，使原本自然、生态的河流形态和景观愈发单调和千篇一律，例如为了行洪安全和岸坡稳定过度提高河流堤岸的高度和坡度，出于道路交通和成本考虑将弯曲的河流人工渠道化和直线化，同时采用砌石、钢筋混凝土、预制块等硬质化材料用于河道底质和岸堤建设。这些传统措施造成了自然河流的渠道化和非连续化［7］，破坏了河流的纵向连续性和横向的连通性，阻碍了河流与河漫滩之间的水文联系，阻隔了与周边环境的物质和能量交换［8］，导致河流形态多样性、河流生态系统生物多样性水平的降低，而且水污染修复效果稳定性和持续性不强，缺乏后期持续科学的管理和维护［9］。随着认知水平的提升，人们逐渐认识到传统水利和水体修复工程的弊端及其带来的负面影响，也深刻地认识到水环境保护与河流治理不仅要满足河流泄洪、防洪、灌溉等水资源配置方面要求，在考虑工程设计原理的同时，也要符合生态学原理，满足生物多样性和自然景观要求。因此，河道修复的思路和指导理念转变势在必行，回归自然和生态成为现代治理方向的理性选择，使生态系统在生态修复后逐渐趋于平衡，并逐渐恢复到受干扰前的自然状态，具备自我净化和调节能力，提高生态系统完整性，包括它的物理完整性、化学完整性和生物完整性［10-12］。

“河流近自然化修复”理念从20 世纪80 年代被提出后，其对应涵义和技术日渐丰富和完善，在许多国家得到改进和应用推广。近自然化修复的核心理念是强调尊重人与自然的和谐，重视恢复河流生态系统河道原有的状态。与此同时，海绵城市的理念及其应用优势，也开始为人们在城市河道修复过程中所关注。近年在全球气候变暖背景下极端天气频发背景下，一些城市发生短时强降雨引发城市内涝和次生灾害。比如2021 年7 月在郑州发生的特大暴雨，形成严重的城市内洪涝、河流洪水、山洪滑坡等灾害，造成巨大的生命和经济财产损失，而且短时暴雨激增产生的水体污染影响了居民饮用水安全和生态系统安全。海绵城市强调雨水资源的循环利用，在城市雨水的自然存储、渗透和净化方面与河道生态修复存在共性。目前，国内在近自然化和海绵城市理念在城市河道修复中的应用实例和前景研究较少，且缺乏系统完善的理论解析与工程应用总结。本文将叙述近自然化与海绵城市理念的发展历程，并阐述与城市河道修复技术的联系，并通过国内典型案例，总结两者交叉理念在河道生态修复中的科学性与应用前景，进一步提炼近自然化与海绵城市共性理念及其优势，以期为城市的河道治理和生态修复提供理论借鉴。

1 近自然化和海绵城市理念发展历程

1.1 近自然化理念

西方国家指出“河流再自然化”概念的核心涵义是倡导将河流修复到接近自然的程度，并优先考虑恢复河流生态功能［13］。欧洲莱茵河沿岸国家在“莱茵河行动计划”基础上接着又进一步开展了“莱茵河2020 和2040 行动计划”，主要目标包括使得鲑鱼恢复达到种群自然繁衍水平、河流水质持续改善和防洪效果改善等［14］。而美国，通过《河流修复手册》的发布，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，将河流水资源管理模式贯彻到经济、生态和文化等多个方面［8］。日本在1980年代提出建设多自然河川的方针，指出河川整治目标应由单一的河川整治向以恢复河川自然属性的水边环境建设发展［15］。由此可见，国外关于河流自然化治理也经历了不同阶段的认知，也是在逐步完善和更加科学化。

城市河道近自然化是在满足一定城市基础设施功能的基础上，通过生态工程技术和空间营造策略，以自然为导向，以城市安全和防洪安全为前提，恢复河道自动力过程和部分生态服务功能的一种景观塑造方式［12，13］。混凝土水泥、钢筋混凝土、砌石、预制块等硬质化材料作为河道护岸和底质材料是导致河流生态系统恶化的重要原因［16］。目前，该思路已被各国普遍否定，且一些国家开始付诸行动将以前铺设的河床和岸堤硬质材料拆除［17］，用自然材料如砾石、土壤加植被所代替，用于逐步恢复河道岸堤和底质的自然状态［18］，提高水生生物物种之间的物质、能量和信息交流。比如，美国拆除了洛杉矶河上的混凝土硬质河道，瑞士在河流保护法规中规定优先使用自然生物材料用于治理河道，而法国进一步规定在进行城市河道建设时，要求地面的不透水面积≤3.3%［19］。同时，政府和学者逐渐开始重视生物栖息地的维护和管理，将生物多样性纳入到评估河流修复效果中［20］。本文前面提及的“莱茵河2020 和2040 行动计划”，大幅提高了莱茵河生态系统功能，恢复了鲑鱼栖息地和数量，并实现河道的生态联通和生物多样性的增加［14］。在国内，王薇和李传奇［21］提出了河流生态修复的概念和技术，并重点从河流廊道的空间结构和生态功能角度分析了其应用前景。王沛芳等［22］强调需要全方位重构城市的水生态系统，并提出了水安全、水环境、水景观、水文化和水经济“五位一体”的建设模式。董哲仁［7，12］提出“生态水利工程学”概念，强调水利工程在满足人类社会的需求同时，也要考虑环境中生物多样性需求。遵循“基于自然的解决方案”理念，叶芝菡等［23］开发了由渗滤型边滩、生态跌水和近自然河溪构成的河流多生境自然塑造技术及系统，并在北运河流域的再生水河道台头沟实施了工程应用与示范，对氨氮、总氮、总磷和化学需氧量的平均削减率分别为62.15%、47.46%、48.50%和70.84%；同时，河道生境质量得到改善，生境类型由不足3 种提升至超过8 种，河道底栖动物的种类数量和多样性指数增加。由此可见，近自然化生态修复理念有助于恢复河道水文连续性，重塑河流蜿蜒曲折风貌和岸堤优美自然景观，增加河流生物多样性指数，逐步恢复其本来生态功能和价值［24］。

尽管近自然化理念在一些国家的概念和主要涵义有所不同（图1），但共同强调了传统水利工程和水体修复工程措施中存在的不足和弊端，一致认为应该尊重自然客观规律，重视河流生态系统的平衡调节能力和生物多样性资源的恢复与重建，并通过适当的科学的人工干预与维护将受损的河道系统逐步恢复到本来的自然形态与面貌。我国河流的近自然化研究已经开展了二十余年，主要集中于河流生态方面，针对河流生态系统的治理提出了诸多深入的整治措施和技术手段［25］。而在与民众最密切的、关注最高的城市河道修复方面，相关的近自然化理论与实践研究较少，是未来的研究重点。

1.2 海绵城市

西方国家早在20 世纪50 年代已建立了比较成熟和完善的雨水管网排水系统，但是随着城市人口的不断增加与城区面积规模的蔓延，仍然逐渐出现水资源短缺、城市内涝、雨水径流污染、水生态环境恶化等问题。据此，一些国家进行了探索与实践改进，提出了旨在控制降雨径流和改善城市河流水生态环境的雨洪管理理论，比如“最佳管理措施”和“低影响开发”（美国）、“水敏城市设计”（澳大利亚）、“可持续排水系统”（英国）等（图2）［26］。我国在城市雨洪管理和控制利用方面的研究起步较晚，直到80年代才在这个领域开展较为系统的理论研究和工程实践。目前政策法规还不够完善，今后应结合我国城市自身特点和现状，借鉴发达国家的经验和观念，结合城市规划方案，提升城市雨洪管理和利用水平［27，28］。

由于城市人口和工业密集，地表水资源总量较少，我国城市普遍存在水资源短缺和水环境污染问题。因此，在研究初期主要针对如何提高城市雨水资源利用率，而近年在气候变暖背景下极端气候频发，加上城市水环境污染日趋严重，逐渐开始将重心向雨洪调控和污染控制转移，并进一步提出“海绵城市”概念。海绵城市理念强调雨水资源的综合整治，使城市通过植被、地表径流等自然措施，将雨水通过吸、蓄、渗水、净水、释放蓄存等途径加以净化与利用，使之呈现出类似海绵的弹性特征，并逐步成为解决城市水生态、水安全、水环境等问题的一项重要措施［27］。海绵城市核心理念强调从源头削减、过程传输和末端治理三个途径对河道进行生态修复和治理［28］，不仅能够确保城市排水防涝安全，还能促进城市雨水资源的利用和水环境保护，促进环境可持续发展。2014年，住建部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，提出了各层面规划中海绵城市及低影响开发系统的内涵及构建方式、规划控制目标的执行情况等内容，并明确了在设计、施工和维护管理过程中对低影响开发系统的具体要求（图2）。

北方城市偏重雨水资源的蓄集利用，而南方城市则更注重河道周边水系的稳定和城市水环境质量的提升［29］。我国城市河道存在河岸硬化、水生态功能弱化、易涝等问题。国内相关研究主要将低影响开发雨水系统应用于城市建设中，先后将武汉、重庆、厦门、南宁等城市作为海绵城市建设试点工作，通过自然与人工相结合，协调好水循环系统，实现城市与水生态环境的有机结合［30，31］。经过多年的实践研究，发现修建低势绿地和植被缓冲带等可有效削减地表径流量，净化、蓄积、利用地表初期雨水，减少市政管网和河道水体中污染物［31］。在原有蓄水池的基础上，拓宽原有河道水系，利用闸门控制、人工和自然净化等方式调蓄净化地表水体，连接引河建立水体循环与雨洪调蓄相结合的水系，不断完善排水系统缓解城市涝灾风险，充分发挥河道疏通和排泄功能［31］。武汉巡司河水环境修复是在满足城市防洪、排涝、调蓄等基础设施功能的前提下，增强城市河道丰水期弹性，对主干道进行污染治理和水质提升，提高水流速度，缓解雨季水面涨速过快问题，改善人居环境和城市水生态环境，提高环境承载能力，形成城市独特的水体景观和水上游览通道，满足城市防洪、排涝、调蓄水质指标的同时，使得河道水体基本符合地表水V 类标准，并有利于逐步恢复河道水体的植物多样性［32］。工程实践中采取的水量控制措施主要包括渗水铺装、下凹式绿地、雨洪滞蓄水库的地下蓄水池和蓄水量控制等；水质治理措施主要有雨水口截污装置、植被缓冲带、排水草沟、泥沙过滤装置、悬浮物滞留池、雨水花园和湿地等［33，34］。

目前，我国海绵城市建设已初见成效，针对不同气候、城市特点的海绵城市规划、设计、建设手段也已经逐步完善。与此同时，西方国家的经验表明在生态雨洪管理的过程中，职责清晰的组织架构、严格的立法和政策支撑均必不可少，通过逐步制定相关规范标准，形成完善的技术标准，可为我国城市海绵城市建设提供理论和指导支撑。目前，我国海绵城市建设已由试点探索转为经验总结，今后研究重点转为如何可持续推进海绵城市建设和后期运维管理，重视海绵城市建设对缓解城市局部热岛效应、节约建筑能耗、美化地表和河岸缓解等方面的功能，并进一步通过政策支持和导向促进海绵城市建设的推广。

2 案例分析-阜阳市河道修复

2017 年，《阜阳市海绵城市专项规划》出台，旨在通过水环境和水生态改造提升工程，解决阜阳市内河水系黑臭以及水生态持续恶化等问题。同年，通过“控源、截污、清淤、调水、管理”治水组合拳，将城市河道治理与近自然化和海绵城市理念有机结合，实施阜城水系综合整治PPP 项目。该项目于2020 年12月顺利通过了国家生态环境部、住建部省住建厅等上级部门的考核验收，表明阜阳市城市黑臭水体整治工作取得了明显成效。下文将简要介绍阜阳城市水系整治过程中涉及与近自然化以及海绵城市相关的理念与措施。

2.1 河道近自然化与海绵城市设计

在河道近自然化理念指导下，稳定河岸坡脚，减少河岸侵蚀，尽可能少使用混凝土结构。采用生态挡墙+坡面的复式断面拓宽城市河道，考虑到东清河北段现状河宽基本符合要求，河底有部分淤积，排涝能力不达标，可为水生物栖息和繁衍提供场所。在部分河段采用仿木桩、圆木桩等加固河道岸堤，以提高岸坡稳定性以及护岸与水连接段的视觉效果。有些河道岸边设计大型砾石和凹槽洞穴，为鱼类和其他水生动物提供产卵和庇护，为水生生物栖息地恢复创造前提条件。通过处理河床底基质营造河道深潭浅滩的局面，营造出丰富的河岸异质环境，供鱼类及底栖生物栖息。在西清河和一道河之间实施水系连通工程，保障水系的疏通和激活，并适当补充河道水流，确保水体流通和循环（图3）。而颍东、颍南的一些没有与其他水系相连，或存在断头现象的河道，通过实施闸、坝、堰等建设工程，实现水系相连和活水流动的局面。在容易遭受洪涝的河段建设排涝泵站，提高城区防洪排涝能力。在流速较慢的城市河道内，布置曝气式人工浮岛，改善河道水体污染物降解条件，提高水体自我净化能力，为水生生物恢复和生物多样性提高奠定基础条件。

图3 近自然化和海绵城市理念在阜阳市水环境修复中的具体体现Fig.3 The embodiment of the near-naturalization and sponge city concept in the aquatic restoration of Fuyang City

另一方面，立足海绵城市和低影响开发建设理念，设计生态草沟、下凹式绿地、雨水花园、调蓄塘等，在公共区域铺设透水砖，使雨水快速下渗，有效蓄积和净化雨水资源，降低城市雨洪内涝和河道污染为根本。同时，这些缓冲性能较强的下垫面还能对雨水冲刷、蓄积初雨和净化雨水中污染物、消减雨季洪峰入河，为水体联通和再生循环二次利用提供后备水源保障，也能对地表径流产生的面源污染进行一定预处理（图3）。通过实施阜城水系综合整治以及海绵型道路、公园绿地、建筑等一批项目，阜城建成区符合海绵型城市建设标准的地面面积达到31%，并完成内河涌综合海绵型体系建设45 条，试点建设海绵型社区8 条内河涌道路，铺装路面透水率全部达到80%以上。另外一个有效调节区域降雨排水和提高水资源利用效率的有效措施是兴建调蓄池。在七里长沟示范修建的调蓄池可把周边区域雨季雨水径流的高峰流量暂时储存，将收集污水及初期雨水输送至邻近颖南污水处理厂处理。这不仅可削减雨季洪峰流量，避免初期的雨水污染受纳河道的水体，还可以提高雨季雨水利用程度。而在枯水期经邻近污水处理厂深度处理后的再生水，可在调蓄池中临时存放，用于周边树木和草坪的灌溉，以达到雨水资源的循环利用。

2.2 河道生态食物链系统构建与绿化管理

经过上述工程措施，达到降低入河雨季洪峰和入河污染物的目的，为恢复水生物和重构良性生态系统，进一步构建基于河道水生物现状的完整生态食物链提供基础条件。食物链重构工程主要涉及七渔河、老西清河、二道河、六里河等河道，根据各河道的实际情况，建设多样化的水生态环境（图3）。重构的水生生物食物链系统包括水草净化系统、鱼类和底栖动物等，通过微生物代谢、植物吸收和水生动物摄取等途径，逐渐降低水体污染物含量，提高水生态系统的稳定性和水体自净能力，逐步恢复水体生物多样性。除了工程性措施，还要重视河道治理过程中的非工程性措施，比如河道两岸和水体中的枯枝落叶、残骸以及固体垃圾定期清理，岸堤稳定性及时检修，冬季之前沉水植物的收割与清理，及时清理雨季河面上的漂浮垃圾，避免这些有机物质在水体逐步降解，将养分重新释放到河流中，使得其水体和岸坡水生植物生态功能最大化。阜阳市2022年1-11月份13个地表水国家考核断面水质达标率和优良率均达到100%，打破了以往以单一水质提升为核心目标的传统。这表明前几年开展的水环境和水生态整治提升工程在生态修复、防洪整治、景观美化等方面取得显著成效。总之，通过引入近自然化、海绵城市的新理念，注重河道自我净化能力的恢复和生态系统完整性的重构，重视雨水资源的处理与再利用，可以有效实现城市生态修复与景观和谐发展。

2.3 发展趋势

通过上述研究可以看出，近自然化和海绵城市理念如果与城市河道生态修复有效结合，更多的从水生态系统恢复和生物多样性保护角度出发，在逐步恢复水质目标的同时，提升水体自净能力和生物完整性，可为城市和谐健康发展提供基础和保障条件。近自然化和海绵城市措施中呈现你中有我、我中有你的局面。比如硬质河岸和硬质地质的改造原则，不仅符合近自然化柔性设计的理念，也符合海绵城市打造缓冲海绵体的需求。而河道生态修复尽可能满足二者原则的前提下，结合实际背景和需求进行科学设计，更能体现水质改善的可持续性和生态系统完整性。同时，传统修复措施存在投入大、成本高、养护难的问题，而近自然化修复尽可能采用低成本的方式或采用原始自然界中的材料［19，24］。海绵城市基础设施建设成本与和经济-有效性与设计暴雨重现期有关，收益主要体现在防洪、处理后水体再利用和生态补水等方面［35，36］。因此，总体而言，这两种新型理念指导下的工程措施在成本上具有优势。在国内外研究现状的基础上，综合城市河道修复的主导原则应该注重城市防控安全性、河道空间异质性、生态系统安全性、区域设计整体性以及工程和维护成本等［25，28］，采取科学的工程性措施和非工程性措施，有规划地实现城市河道生态系统完整性和生物多样性的恢复（图4）。比如作为海绵城市建设的重要蓄水载体，构建完整的生态景观体系能够提升区域调蓄能力，实现城市建设与自然生态、人类与自然湿地缓解的和谐。综合考虑“渗、滞、蓄、净、用、排”六位一体的海绵城市理念，对水资源进行合理利用，对洪峰流量进行消减，对河道及下游水体污染进行削减［29］。其中蕴含的恢复自然本来地貌与形态的本质与近自然化理念也类似，这二者最终目的与河道修复过程中的水资源功能与生物多样性恢复的目标相一致。此外，人们已经认识到，地表硬化和城市公共区域河岸改造硬化，不仅不利于雨水下渗和防洪安全，而且还阻断了与周围介质环境的物质能量交换，使水体自身净化能力和生物多样性大大降低。因此，以海绵体为目标的各种柔性设计措施更多开始应用于近自然化和海绵城市建设中，而这些科学措施均有利于城市河道水体的修复、水资源的生态需水调配以及相关功能的恢复。

图4 基于近自然化与海绵城市理念下的城市河道生态修复原则与措施（参考［24，29，39］）Fig.4 The principles and measures for urban river ecological restoration under the near-naturalization and sponge city concept

目前，发达国家的雨洪管理趋于注重雨洪管理设施与城市景观的有机融合，从传统的水量控制向水量与水质并重过渡，促进城市与水环境的和谐可持续发展［37］。由墨尔本主导的水敏型城市设计技术（WSUD），已成为澳大利亚城市开发中的强制标准，并得到广泛应用［37］。该技术是一种跨越多专业的雨洪管理系统，可有效解决城市雨水径流面源污染等问题。综合国内外河道修复体现在近自然化和海绵城市方面的先进理念，我国后续可供借鉴的发展趋势有以下两个方面：①将河道修复与城市的整体规划相联系。以《墨尔本规划2017-2050》为代表的若干规划建立起了保护生物多样性的规划体系，从宏观的建立绿色空间网络、规划绿楔和城郊地区，到中观的城市河道水系与海岸线修复，再到微观的场地详细规划和景观设计，城市设计均注重与生物多样性保护技术结合。②逐步构建城市河道修复评价指标与标准，进行适当效果评估，不仅包含传统的水质水量指标，也应该补充反映栖息地和生物多样性的指标。比如新加坡构建了23个城市多样性指数的核心指标，以城市环境保护过程中的生物栖息地保护为核心，记录和监测在城市生物多样性保护方面进展［38］。

3 结 论

（1）本文系统阐述了近自然化修复和城市海绵城市的发展历程和内在理念，通过比较分析概括了其对传统修复措施的优势所在。

（2）基于安徽省阜阳市城市河道修复工程和效果，提炼了实际河道修复工程中的近自然化和海绵城市理念，可为后续类似工程提供参考。

（3）未来近自然化和海绵城市建设需要在政府层面进行政策支持，并建立评价指标和标准，提升河道修复效果。