大渡河河口再自然化生态修复技术研究与实践

第1章河流再自然化修复理论与研究进展 1.1河流再自然化修复概念 河流再自然化的思想源于欧洲阿尔卑斯山区国家的河流及山地整治，后为河流治理部门所应用，其发展伴随着河流治理技术的不断进步。1938年，德国Seifert[1]首先提出河流近自然治理的概念，即指在完成传统河流治理任务的基础上，达到更接近自然、成本低廉并保持景观自然特征的一种河流治理方法。 随后，河流再自然化的概念、内容和方法便被广泛探讨。Weinmeister[2]认为，近自然治理是在满足人类对河流利用的同时，又要维护或创造河流的生态多样性的河流治理方法。Binder等[3]指出如果从河流系统生存的动植物及其栖息环境的观点出发，近自然治理的实质是人为活动对自然景观的干预。河流的自然状况或原始状态应该作为衡量河流整治与人为活动干预程度的标准。这一概念指出了近自然治理和工程治理出发点的差异及其衡量近自然治理的客观标准。Hohmann和Konold[4]提出了生境多样性在近自然治理中的重要性，即通过生态治理创造出一个具有各种水流断面、不同水深及不同流速的河流，河岸植被应该是具有多种小生境的多级结构，注重工程治理与自然景观的和谐性。Pabst[5]把近自然治理看作一种工程治理方式，施工地仅仅用带石块的原状土或用纯石块覆盖，不再进行腐殖质化或剖面化处理，强调依靠自然力恢复河流的自然特点。Reynolds[6]指出近自然治理的思想应该以维护河流中尽可能高的生物生产力为基础。 概括而言，河流再自然化理论是以认同水资源利用的必要性为基础，强调保护自然环境的重要性，通过河流地貌的恢复及河流生态系统多样性的恢复，从而满足河流的部分或全部功能，使河流能够继续保持原有自然景观特征的一种河流综合治理方法，达到建设具有多样的河流生物群落结构和河流地貌特征，且稳定的、动态的、能够自我调节的河流系统的目的。 1.2国内外河流再自然化修复理论研究进展与实践 从20世纪中期开始，河流再自然化在德国被称为“近自然河道治理工程”，在美国被称为“自然河道设计技术”，在日本被称为“近自然工法”或“多自然型建设工法”；英国设立了河道修复中心，河流再自然化理论和方法在实践中逐渐丰富和完善起来[7]。 20世纪50年代，德国正式创立了“近自然河道治理工程学”，提出河流整治要符合植物化和生命化的原理，从而使植物首次作为一种工程材料被应用到工程改造当中[8]。20世纪70年代中期，德国进行了“重新自然化”的尝试，开始在全国范围内拆除被渠化的河道，将其恢复到近自然的状态。不久，这一做法便传到了周边国家。20世纪80年代，德国对本国境内莱茵河开始进行治理，到21世纪初，德国境内的莱茵河已完全实现预定的目标，沿河的森林极为茂密，湿地生态恢复，鱼类及鸟类和两栖动物也重新回到了莱茵河。这为世界河流景观再自然化设计提供了经验[7]。　　 美国从20世纪中期开始在滨水区的开发中注重遵从近自然化的设计，于20世纪60年代提出了“设计遵从自然”的理论，并于20世纪70年代以后在河流水资源管理模式方面确立了与自然相协调的可持续流域管理理念。之后，Rosgen[9]提出了“自然河道设计”的相关方法。21世纪初，Rosgen[10]又提出基于地貌构造恢复的自然河道设计，结合近自然河道的模拟、经验和分析方法开展评估和设计。美国的南佛罗里达州在20世纪70年代修建了很多人工河道，导致河道周围湿地萎缩，生物多样性也急剧降低，政府于20世纪90年代开始再自然化的改造，目前大部分河道已恢复自然的形态。 20世纪70年代，瑞士将德国的“近自然河道治理工程”丰富发展为“多自然型河道生态修复技术”，即拆除已建的混凝土护岸，改建成柳树和自然石护岸，以便给鱼类等提供更多的生存空间，把直线形河道改为具有深潭和浅滩的蛇形弯曲的自然河道，让河流恢复到自然状态[11]。 20世纪80年代，日本开始学习欧美的河流近自然治理经验，在河流整治上引进了新的理念，即考虑在维持河流固有的适宜生物繁衍的良好环境的同时，要保护优美的自然景观[7]。自20世纪90年代开始，日本根据其自身的气候、河流特点，改变传统的治河工程理念，推出“创造多自然型河川计划”，目标由单一的河流整治向不断恢复自然的水岸环境的方向发展。仅在1991年，全国就有600多处试验工程[12]。日本政府推进的第九次治水五年计划中，对5700km河流采用多自然型河流治理法，其中2300km为植物堤岸，1400km为用石头及木材护底的自然河堤，2000km仍使用的混凝土，但均按“多自然型护堤法”进行改造，覆盖土壤，并种植植被。实践表明，该技术有效地促进了地下水的渗透，保证水的良性循环，提高了水岸环境的自然净化功能，恢复了河流生物多样性[13]。 综上所述，很多国家都在对破坏河流自然环境的做法进行反思，并逐渐将河流进行回归自然的改造。20世纪90年代以来，德国、美国、日本、法国、芬兰、奥地利等国纷纷大规模拆除了人工修建的硬质衬砌，对河流进行回归自然的改造和建设，即河流的近自然治理。 在我国，随着生态学与工程设计的结合，人与自然和谐的理念逐渐被国内学者重视，河流再自然化的理念随之兴起，并开始运用于我国一些河流的治理中[14]。 杨芸[15]通过简述国外多自然型河流治理常用方法，论述了其对河流生态环境的改善作用，*后在对府河多自然型护岸设计介绍的基础上提出了试验工程的深远意义及其对今后工作的启迪。高甲荣等[16-19]介绍了中欧荒溪近自然治理的进展，阐述了河流近自然治理的概念、发展和特征，提出了河溪近自然治理的原则。董哲仁[20]提出“生态水工学”，其基本思想实际上与河流近自然治理的思想是一致的。朱国平等[21]通过借鉴国外河道近自然治理的思想，针对城东河河道存在的问题，提出了河流近自然治理的原则，并从河流平面形态、河流垂直断面和护岸三个方面进行城市河流近自然治理的设计。达良俊和颜京松[22]提出“近自然型”城市河流水系恢复的理念与模式。金元欢等[23]提出的自然水景系统是综合了各种方法的一种低成本治理技术，并结合杭州项目构建城镇自然河道。王秀英等[24]根据我国城市河流治理中河道形态设计存在的问题，从河床形态多样化角度出发，归纳了河流近自然治理河道形态设计基本原则。高阳等[25]对河道近自然恢复的内涵进行了概括，提出了河道近自然恢复的原则，并介绍了多种河流近自然恢复措施及其生态作用。除此之外，还以北京怀柔区怀九河河道的综合整治为例，详细说明了适用于此河流地段的各种恢复措施的具体操作，为我国其他河流的近自然恢复提供了参考。 1.2.1国外河流再自然化修复理论研究进展与实践 自然的河流，其水质应该是清洁的，流势应该是自然、婉转的，有浅滩也有深潭，河底应该有供植物扎根的土壤，两岸应该有优美的景观，但在以往的河流整治中，人们过于强调防洪、排水等功能，忽略了河流的生态功能，无视河流本身所具有的自然特性，这将导致诸如河流水质严重污染等意想不到的灾害。河流生态系统受损的根本原因在于传统水利工程设计的核心是工程结构的安全性及耐久性，所用材料主要是施工性好、耐久性好的混凝土或钢筋混凝土，其缺点在于没有考虑人工构造物对生物及其生态环境的影响，由此产生的结果是自然河流形态的直线或渠化和河岸的混凝土化，这将导致河流的生态作用越来越小、水质恶化、生境丧失或被阻断、物种减少等河流生态系统问题。这种传统的河道治理方法安全但“僵硬”，快速但违反生态原则，于是人们就开始思考利用近自然的河流生态治理措施来弥补传统措施对河流生态系统所造成的损害。 目前，世界上一些发达国家都在进行河流回归自然的改造，使用河道“多自然型河流治理法”即“多种生物可以生存、繁殖的治理法”[26]。河流近自然治理的思想*先产生于欧洲，在自然河流治理中注重河流景观与其周围环境的和谐，即河流治理工程所形成的新景观符合人类与自然共存的要求。随后逐渐发展为现在的近自然治理或称为近自然管理，美国称为“自然河道设计技术”，德国称为“近自然河道治理工程学”。20世纪70年代中期，德国进行了关于自然的保护与创造的尝试，被称为“Naturnahe”（重新自然化），或“近自然河道治理工程”。不久，这一做法便传到了周边国家。20世纪80年代至今的40多年里，成效斐然，积累了丰富的经验。 总之，很多国家都在对破坏河流自然环境的做法进行反思，并逐渐开始进行河流回归自然的改造，纷纷大规模拆除以前人工在河床上铺设的硬质材料，使城市河流恢复自然状态。 西方国家在河流生态恢复方面已经有近50年的历史，他们的经验值得我们借鉴，特别是在河流管理的理念，河流公众参与环节，河流生态建设的目标、重点、工程技术等方面，都值得我们认真研究。 1.2.2国内河流再自然化修复理论研究进展与实践 我国传统的水利工程常常在河岸及河底使用浆砌或干砌块石、现浇或预制混凝土等刚性材料，取代以前的土壤，忽视河流长期形成的自然形态。其优点是技术成熟、稳定性好、节省土地、施工机械化程度高等，对解决水患和保持水土具有很好的效果，但缺乏对景观效益和生态效益的考虑。近年来，随着生态学与工程设计的结合，人与自然和谐的理念逐渐被国内的学者所重视。人们对河流整治观念的认识开始转变，更注重人与自然和谐发展，力求维持河流环境、物种多样性及河流生态系统平衡。但河流自然化修复的研究在我国仍处在探索阶段，相比于发达国家存在着较大的差距，研究成果较少。 董哲仁[27]在研究国外生态工程学和河流生态恢复理论的基础上，提出水利工程学要吸收生态学的原理和方法，完善水利工程的规划、设计理论和方法，探索和发展生态水利工程学，在满足人们对水的各种不同需求的同时，还应满足水域生态系统完整性、依存性的要求，恢复与建设洁净的水环境，实现人与自然的和谐共处。他首次提出了“生态水工学”的理论框架，认为在水工学、水利工程学的基础上，吸收、融合生态学理论，传统水利工程的设计思想应该被革新，应该超前开展“生态水工学”的研究，并探讨了河流生态修复的基础研究问题和技术手段。 王薇和李传奇[28]从生态学的角度出发，介绍了当时国内河流生态修复的情况，同时对河流生态修复在发达国家中的研究进展进行了综述，提出将水系修复到接近自然的状态，要优先考虑河流的生态功能，提出从河流廊道的角度来研究河流生态系统的功能，对指导河流生态修复有重要意义。他们认为，我国河流生态修复研究和实践偏重修复河流的水体受污染问题，而不重视河流生态系统中关于结构、功能的修复。 杨海军和李永祥[29]在国家相关资助下，对城市受损河岸的近自然修复过程中的自组织机理问题开展了研究，但仅仅取得了初步成果，还存在许多问题有待进一步深入细致研究。他们随后结合我国国情完善了“应用生态工学”理论，开展了受损河岸生态修复技术的试验研究，提出了修复受损河岸带等方面的相关理论与技术。 何松云等[30]从不同角度分析了水利工程对生态环境的影响，认为以往的水利工程设计首先是在满足其防洪功能的前提下，着重于工程的结构设计，很少去考虑工程对周边生态环境的影响，使河流在结构和功能上受到损害。 夏继红和严忠民[31，32]对国内和国外生态河岸带的研究进展和发展趋势进行了综合分析，指出近些年来，我国已开始在城市河流的“生态型护岸技术”领域进行研究，并对生态型护岸的结构形式提出了多种解决方案，但并没有对河道生态护岸及生态、环境的影响问题加以考虑，仅仅是在维持岸坡结构稳定性的角度上来进行研究分析，并不是真正意义上的河道生态护岸。 王秀英等[24]从河床形态多样化角度出发，归纳了河流近自然治理河道形态设计基本原则，其中包括断面设计原则：形成浅滩和深潭的形态；确保水域到陆地间的过渡带；避免建造水流浅平的矩形断面，河床宽度适中；不固定河床使河流拥有一定的摆动幅度；在河流占地狭小的地方更重视水边的多样性；不画直线形的横断面