北方地区季节性河道生态修复治理

靳忠强，裴如龙，刘 卓

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州73000）

随着我国经济社会的稳健发展，国家对水利基础设施的建设提升也稳步推进，特别对于中小河流的系统化生态治理也愈加受到社会的重视，各地在不断的摸索中也取得一定成果。但是，随着社会发展进入新阶段，特别是城市化进程的加快也给水生态环境带来了一些负面影响[1]，公众对于河道生态环境等方面也有了更高的要求，除满足传统的防洪安全要求，还要求河道生态系统多样化、不淤不冲、水清岸绿、堤顶路贯通延伸甚至铺装等，特别对于我国北方季节性小型河流与沟道治理，由于其来水量随季节变化明显，上述特点在治理中显得尤为重要。

1 北方季节性中小河流共性问题

1.1 防洪安全问题

通常情况下，城区以及毗邻城区段河道经过系统治理，满足当地防洪规划要求，但对于远离城区的郊野段属水流常年过流冲刷而成的自然冲沟，以草和土石结构为主，存在相当部分未治理段，岸坡冲刷侵蚀、河道断面受生产建设挤压、局部淤塞行洪不畅等现象。遇上游洪水沿河槽倾泻而下，将对沟床两侧岸坡脚步形成冲刷，进而威胁堤顶两岸，同时引起水土流失。

除此之外，我国北方小型河道、沟道多以降雨补给为主，流域多呈现的暴雨特征是降雨历时短、范围小、强度大，主汛期主要发生在6—9月，尤以7—8月最多。洪水特点是暴涨暴落，峰形尖瘦、峰高量小，最短洪水过程通常不足1小时，洪峰年际变化大[2]。对于河道过流断面，考虑到过流安全的需要，根据洪峰流量确定的断面尺寸较大，而汛期之外的其余时段，河道来水量急剧减小，水流甚至难以满铺河床，形成大面积裸露滩地（图1）；同时，非汛期水流流速减小，遇河床坑、洼区积水形成死水区，易引发水质变臭。

图1 汛期、枯水期河道水位示意图

1.2 水质污染问题

水污染“表现在水里，源头在岸上”。人为活动对河道生态影响较大，环境敏感度较高[3]。从整个流域层面而言，河道/沟道承担的是一个小流域的排水任务，流域内污染物最终随汇水汇集至河道，因此，需加强整个流域范围内的污染物排放总量控制。对于河道生态修复治理而言，其治理范围通常为河道，两岸部分则超出工程措施实施红线，难以有效因症施策。文章重点介绍河道及堤顶毗邻区污染问题及应对措施。

（1）外源污染。河道两岸生活污水、生产废水的不达标排放；沿线村庄雨水直排。

（2）内源污染。河道底泥污染：河道污染底泥的存在是个潜在的巨大污染源。底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换，溶解于水中的污染物浓度在很大程度上要受到底泥的影响[4]。

河道内垃圾污染：弃置于河道内的生活垃圾、建筑垃圾、腐烂的植物残渣等，限制了水体的流动，水体没有阳光照射，变得发臭，使水体中的溶氧量减少，抑制了浮游生物的生长，破坏了河道水生态环境，不仅造成水质恶化，同时堵塞河道，严重影响了河道水体连通性。

1.3 生态多样性问题

传统的河道治理仅注重河道岸坡建设，且以砼、浆砌石等硬质材料为主，其具有抗冲刷能力强、结构形式简单、耐久性好等诸多优点，但同时也存在形式单一生硬、破损后修复较困难、草本植被生长基底被阻断等一系列缺点。有研究表明[5]，河床植被物种越丰富，生态越好，在一定程度上的河床结构强度越大。

随着对生态文明建设的日益重视，对河道岸坡、河床、堤顶路等提出了更高要求，直接表现为尽可能采用生态型护岸材料，进而为岸坡绿化种植创造条件；主河槽以外的河床绿化补植增强平时河道植被层次；河道堤顶路可结合两岸人口密集度及规划定位选择性铺装，将堤顶路与休憩健身步道等予以结合。

2 修复方案

2.1 防洪安全措施

（1）河道护岸。虽然河道生态修复治理思路随着整个社会认知的进步在动态调整，但河道护岸作为其中极其重要的组成部分，其重要性始终未变。现阶段，包括格宾石笼、植被型生态砼、土工材料、草皮等各种生态护坡材料形式多样，但需要特别注意：生态岸坡并非与传统的砼、浆砌石等硬质材料彻底切割，而是在满足水流流速要求、河道空间布置要求的条件下尽可能采用适宜植被生长且具有良好耐久性的柔性防冲材料；对于河道狭窄、纵坡较大、两岸坡体陡峻等不具备生态型岸坡布置的河段仍然需依托挡墙等采取对应工程措施。

河道护岸的完整性很大程度上取决于基础的稳定与完好，对于北方河道护岸基础，由于总体地势坡降相对较大，洪水期水流流速大，仍建议采用硬质基础（图2）。

图2 设有主河槽的典型河道断面图

（2）主河槽。对于季节性河道，主河槽的设置显得尤为必要。主河槽宜以河道中心线为轴线，同时向左、右岸摆动形成弧线，保有蜿蜒性，弧线不宜急弯，防止影响水动力，同时避免距离岸坡坡脚过近，防止岸坡坡脚及基础冲刷。

主河槽断面尺寸根据河道常水位流量确定，其深度可参照非下切段河道的现状主河槽深度拟定，进而确定主槽宽度。

对于纵坡较缓、水流流速不大的河段，主槽断面可呈梯形并不予采取防冲措施；当纵坡相对较大时，宜对主槽两岸岸坡采取防护措施。目前，工程中运行效果较好的防护手段可采用杉木桩或砼桩防护（图2），并排布置，桩长需满足冲刷深度及桩体本身稳定要求。

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（3）拦砂坎。拦砂坎通常布置在河道纵坡变化较大的位置，可设置单级或梯级连续拦砂坎，以稳固河床，防止下切为主要目的。拦砂坎有效高度不宜高于80 cm，具体以不影响洪水过流为准。对于北方小型河道、沟道，拦砂坎结构多以格宾石笼（图3）或砼结构为主，当局部河道有浅滩蓄水营造湿地等要求时可采用自身不透水的砼结构，反之宜采用格宾石笼等透水结构，其块石空隙并非全密闭，能够同时带动上游水体流动，块石料表面还可以形成生物膜，能够更好地起到吸附污染物的作用[6]。

图3 格宾石笼拦砂坎典型横断面图

2.2 水质提升措施

（1）河道清淤。河道清淤内容主要包括两部分：河道内及沿线岸坡的生活与建筑垃圾、河道污染底泥。作为河道内污染源头，不仅在水流浸泡及降雨作用下直接污染河水，垃圾及污染底泥的存在还严重影响沿河环境风貌。

河道生活垃圾必须彻底清除，对于建筑垃圾，考虑到实际可操作性，除河道范围内彻底清淤以确保过洪通畅外，堤岸以外部分可结合实际地形条件及治理方案选择外运或结合生态种植就地消化。

河道污染底泥则需首先进行底泥检测，根据检测报告对切实存在污染的底泥在一定范围及深度上予以清淤，减少污染物的释放。

（2）河道复氧。水域面积较大，水体流动性较差时可利用拦砂坎进行跌水充氧。河道复氧能够在较短的时间内提高水体溶解氧浓度，增强水体的自净能力。对于河道综合补水尚不能完全解决的水体溶解氧不足的问题，运用河道复氧技术可以较好地加以解决。除平时改善河道水质外，河道复氧还应用在突发性河道污染中，如连续降雨时城市雨污合流排水系统溢流，或因发生突发性事故排放污水造成的污染，此外在夏季因水温较高，有机物降解速率和耗氧速率加快，也可能造成水体的溶解氧降低[6]。上述情况发生后，进行河道人工复氧是恢复河道的生态环境和自净能力的有效措施。

（3）生态修复。工程生态修复措施主要有河道基底改良、微地形重塑、生态河床构建等。

河道基底的治理是整个河流治理过程中的重要一环，其作为河流内源污染物的重要载体，在河流污染物质过量时会引起更严重的污染效应，但底泥同时也为底栖生物与水生植物提供栖息、附着的空间，并给予它们生存所需的营养物质。河道污染底泥在清淤后污染物质大部分已清除，内源污染相对较轻，但清淤后的局部范围出现硬质基底不利于植物的恢复及繁育，可在该区域填入黄土和疏浚底泥混合物（3:1），铺设高度暂设100～400 mm。黄土的加入同时可提高底泥氧化还原电位，防止底泥中氮磷释放，有利于水生植物生长。

微地形重塑是指人类根据科学研究或改造自然的实际需求，有目的地对地表下垫面原有形态结构进行的二次改造和整理，从而形成大小不等、形状各异的微地形和集水单元，能有效调节水流方向和速度、增加景观异质性、改变水文循环和物质迁移路径，起到了遏制侵蚀、改善生境和促进植被恢复的作用。

生态河床主要包括拦砂坎、多介质层（垂向上依次是砾石-卵石和砂石层）、缓流区、消能块石等结构组成。汛期时，上游大量来水漫流经过砾石附着区，可减缓冲刷下切；同时卵石砾石覆盖区河道糙率加大，可削减来水的流速与相应动能，促进悬浮颗粒物沉降，减少洪水对下游河道及河岸的冲刷；枯水期则可增强局部紊流强度和天然曝气。砾石间形成连续的水流通道，当水流通过时，水中的悬浮固体因沉淀、物理拦截、水动力等原因运动至砾石表面而接触沉淀。水中有机物质与砾石表面接触，因砾石表面带电性的缘故，导致水中有机物质吸附于砾石表面生物膜[7]。同时，生长在砾石表面上的微生物或藻类，会氧化分解其所吸附的污染物，并通过在生物膜表面和内部分别形成的好氧和厌氧环境进行硝化反硝化作用对氮进行去除，而磷的去除主要靠土壤及砾石的吸附作用。该措施可有效强化河流自净能力，发挥河道天然屏障功能。

2.3 沿河环境提升措施

（1）沿河植被种植。河道沿线植被修复技术包括水陆交错带湿生与挺水植物群落组建、近岸带浮叶或漂浮植物与沉水植物群落构建，个别河道还存在底栖动物和鱼类等水生动物丰度与多样性恢复。植被修复时以恢复河流自然属性为主，扩大河道两侧浅水区域面积，增加河道植被覆盖，充分发挥植物截留、净化污染物能力。同时，要考虑河道两侧岸坡植物层次配置，充分发挥沿河环境风貌提升作用。需要注意的是，河道范围内植物选择尽可能采用低矮且根系发达的品类，既不影响河道正常过流还具有较好的抗冲效果；对于堤外植物选型则以达到设计效果为主要考量因素。

（2）堤顶路选择性铺装。传统的河道堤顶路多为土质便道或泥结碎石路面，遇雨天泥泞不堪，同时作为休闲锻炼的步道时体验感较差。随着经济社会发展，河道堤顶路可结合两岸人口密集度及规划定位选择部分河段予以铺装，将堤顶路与休憩健身步道等予以结合。铺装设计虽应突出醒目、新颖，但首先必须与整体环境相匹配，其形状、颜色、质地都要与所处的环境协调一致，铺装设计可以通过不同铺装材料的运用及不同颜色和形式的组合，强化整体空间布局形式，划分地面的不同用途，界定不同的空间特征[8]。

（3）其他措施。部分生态性要求较高或毗邻公园、城市等的河段一般还设有沿河亮化、景观小品、汀步、休憩座椅等简易设施，实际中根据区域定位、投资富裕度等适当考虑。

3 运行期维护对策

对于我国北方季节性中小河道、沟道，由于河道作业受自然降雨、上游来水量等的影响具有不确定性，因此，河道日常巡检在做好定期巡查的基础上还应结合水量情况不定期检查。

绝大部分时间河道水量较小，下泄水流自主河槽过流，河道不存在行洪安全问题；洪水期，河道内一切作业停止，人员及设备撤离，跨河过水路警示闸栏关闭，确保行洪安全、人员及财产安全。洪水位降落后，及时查看河床及岸坡水毁情况，对于冲刷形成的坑洼，及时平整压实，避免形成滞水洼地。对于河道泥沙，推移质泥沙大部分被溢流堰拦蓄在拦砂坎上游，根据实际淤积情况清理即可。

除河道内已建设施完整性、水毁冲刷情况、泥沙淤塞等，更为关键的是河道植被的日常养护：河床植被在其生长茂盛、成熟后应及时收割。我国北方植物收割时间普遍宜分2次，分别为每年6—7月和11月，具体可根据植物长势适当增、减收割频次；此外，为防止河床内杂草滋生，对已生长的高杆杂草应及时清除，同时清除枯枝落叶，防止腐殖质影响水质。

4 结语

对于我国北方季节性中小河道、沟道生态修复治理，在确保防洪安全的前提下，尽可能采用生态护岸，加之设置主河槽增加平水期水动力，通过拦砂坎稳固河床、曝气复氧、河床绿化补植及生态乱石床等复合措施，有效提升河道自净能力。

河道生态修复技术并非单一不变的，各地也在不断的实践当中探索出一系列适合于当地客观条件的治理措施。上述综合治理措施，能够为我国北方季节性河道、沟道等类似工程方案提供借鉴参考，以达到汛期行洪安全，非汛期水流水动力较强，河道生态基底良好，沿河环境丰富。