基于自然的解决方案在北方缺水地区河流生态修复实践.pdf

山 西 水 利2023 年 6 月 2023 年第 6 期基 于 自 然 的 解 决 方 案 在 北 方 缺 水 地 区 河 流 生 态 修 复 实 践张雄（北京正和恒基滨水生态环境治理股份有限公司，北京100084）摘要 由于气候变化、人为干预和上游水库修建等原因，造成潇河水资源短缺、水环境恶化、水生态系统受损、水景观效果丧失，文章借助基于自然的解决方案对潇河的蓝绿生态空间进行规划设计，从景观、生态和场地三个尺度上解决潇河面临的水安全、水资源、水生态环境多方面的问题，通过生态修复，在恢复潇河必要水资源的基础上，丰富场地的生态服务功能，创造更加自然的生态基底，促进潇河的水生态环境改善，持续改善太原和晋中区域的生态环境，促进区域经济与社会的发展。同时通过后期监测和维护保障潇河生态系统有效运行，可为北方缺水地区河流的生态修复提供借鉴与经验。关键词 NbS；生态修复；景观尺度；生态尺度；场地尺度；潇河中图分类号 TV85文献标识码 C文章编号 1004-7042（2023）06-0037-041项目概况潇河位于山西省中东部，属黄河流域，是汾河的第二大支流，也是山西潇河产业园区最重要的河流，它自东向西流经晋中和太原，最后在太原市小店区汇入汾河。潇河区域面临水资源短缺问题，流域人均水资源占有量 173 m3，仅为全国人均水量的 10%左右3。且降雨季节变化明显，属于季节性资源型缺水区域。山西潇河产业园区内潇河段受自然和人为影响面临防洪能力低、水资源不足、水生态环境差、水景观风貌不佳等问题。通过基于自然的解决方案，坚持保护与发展并重，将潇河打造成集防洪、生态、景观、文化、旅游、休闲等功能于一体的高品质生态河道，重塑潇河的自然循环，恢复自然河道形态，在实现防洪安全的前提下，保障河道生态基流，提升入河河道水质，修复潇河的水生态系统。2治理理念80 年代以来，我国北方地区的许多河道干流上修建了拦蓄水库，因北方地区常年少雨，河道径流量锐减1，导致地表水资源减少、流域地下水位逐年下降、部分河道在枯水期基本断流、河流水资源短缺以及水生态急剧恶化。北方河流水资源短缺及生态的退化不仅限制了生物多样性的发展，同时也制约了区域的经济发展。基于自然的解决方案（Nature-based Solutions，简称 NbS），作为一种修复和保护生态系统的创新理念，近年来在国际上得到积极实践和发展，在应对气候变化和生物多样性保护方面发挥了重要作用，NbS模拟自然、建立组织系统进行适应性管理，提高生态系统的韧性，通过多专业融合、多部门系统统筹解决河流生态修复的问题。NbS 被自然保护联盟（IUCN）定义为“基于自然的解决方案，是保护、可持续管理和恢复被改变生态系统的行动，能有效和适应性地应对社会挑战，同时提供人类福祉和生物多样性效益”2。NbS 概念在 20 世纪 80 年代最早提出，提倡人类积极主动地保护、管理或恢复生态系统，应对一系列重大社会挑战，而不是作为自然的被动受益者。世界银行于 2008 年正式提出 NbS 概念，2010 年由 IUCN、自然保护协会、联合国开发署、野生动物保护协会、世界银行和世界自然基金会共同出版自然解决方案，2019 年 NbS 被联合国应用于应对气候变化的领域。NbS 通过改善水质、提高水量、降低涉水灾害，创造额外的社会、经济和环境效益，从而强化整体水安全,此类解决方案可促使不同政府部门达成共识和共赢。气候变化导致极端降水的时间和有关洪水、干旱风险的增加，可将 NbS 用于洪水管理，包括增加雨水下渗和减缓、降低洪水峰值，提高水系连通，增加泛洪区，提高洪水滞蓄和排泄能力。随着“山水林田湖草沙”综合治理理念的推行，打造自然河流已成为河流治理的共识。河流生态治理不河道整治37SHANXI WATER RESOURCES山西水利山西水利山西水利仅要考虑河流的生态化治理，还需要在景观空间的尺度上，运用基于自然的解决方法，从河流的可持续发展和区域经济发展的角度出发，建设安澜、生态、健康、宜居的河流。本文采取基于自然的解决方案，对位于山西潇河产业园区内的潇河段，进行河流的生态系统整体修复设计实践。3项目具体设计潇河生态修复的 NbS 设计尺度，分为景观尺度、生态尺度和场地尺度4，景观尺度上完成项目问题识别与诊断，结合潇河产业园区的发展，制定生态保护目标，划定修复子项目；生态尺度上针对生态问题进行诊断，筛选恰当指标，确定修复措施；场地尺度完成对子项目的详细设计，场地尺度的修复和景观尺度进行协同设计，从而保障项目的整体性、系统系和关联性。3.1景观尺度项目在考虑内部防涝、土壤流失等生态问题、开发用地选择需求时，首先应保证生态的安全与防洪排涝安全。在生态修复设计中，先对场地进行生态敏感性分析，再对水资源、植被、地形以及开发限值等因素进行评估，最后形成“一轴、三廊、多斑块”的生态格局，如图 1所示。以潇河蓝绿生态轴为中心，保护潇河生态空间；三廊为生物迁徙廊道和通风廊道；多斑块为绿地和湿地斑块。严格保护潇河蓝线，形成防洪、排涝、生态、景观、宜居的生态架构核心，依托潇河蓝线、拓宽潇河两岸绿色生态轴线、串联区域健康生态空间，实现生态优化，恢复潇河生态廊道功能，重塑潇河新生态格局，宜居绿轴，生态绿轴创造多生境、多种类的滨水空间，营造适宜人居生活、动植物栖息的健康区域，慢行系统、水系蓝网交织成潇河生态轴线。区域季节风向明显，主导风向为东南风。结合规划范围地形特点，利用三条生物迁徙廊道打造南北风向主风廊道，并在潇河沿线形成东西向的次风廊道，在产业园区北部形成聚风区，有效缓解冬季雾霾影响。结合上位规划，优化项目区域绿地布局，减少生态景观破碎，发挥最大的生态效益，增加绿地生态系统服务、景观服务等功能，构建具有生物栖息、防护等功能绿地，构建具有生态弹性及缓冲功能绿地，协调建设生态绿色基础设施。3.2生态尺度3.2.1水安全项目涉及河流防洪、水资源调度与利用、河道生态以及后期维护管理等因素，需要跨专业协同设计，因素多且复杂，设计团队借助数学模型进行研究，探索平衡社会经济发展与河流生态修复的设计。近天然复式断面广泛应用于河道治理中5，构建潇河复式河道断面，典型的河道断面见图 2，有利于恢图 2典型河道断面图河道整治图 1区域生态格局示意图38山 西 水 利2023 年 6 月 2023 年第 6 期复水陆交错带的水陆双重功能。其次针对河道进行防洪模拟，水系水动力模型可对主河道的主槽形状和坡度、浅水区和湿地的面积，以及生态工法护坡等生态组建的性质在不同洪水的频率下进行模拟，为河道的防洪和生态修复提供重要的设计参数。针对河道在枯水期和洪水期的特点，创建多样化的生态化河流断面和结构，设计河道在常水位、20 年一遇、50 年一遇和 100 年一遇的洪水水位、流速以及对河岸和河床的冲刷程度，不同的水位可以为两岸的生态建设和防洪提供设计依据，水位线见图 3，根据不同流速对河岸及河床的冲刷程度结果可以进行河道生态化护岸措施材料的选择，有助于优化河道建设投入，以最低的成本实现防洪安全。图 3不同洪水频率下洪水位线3.2.2水资源基于生态需水目标，建立统筹上游松塔水库、再生水、雨水、黄河水等多种水源的流域统一优化配置体系，并结合现在的水资源和防洪调度，形成多水源背景下潇河流域水资源优化配置。黄河水源和上游松塔水库水质优良，但是指标有限，再生水水量较大，水质较差，需要深度净化才能使用，目前北方区域大部分都在使用再生水进行河道补水，通过再生水回用河道可以为潇河提供有保障的水资源。再生水主要来源于汾东污水处理厂和阳光污水处理厂、晋中第二污水处理厂，根据上位规划，可以使用阳光污水处理厂再生水，通过新建湿地，为潇河提供水源，汾东污水处理厂、阳光污水处理厂和晋中第二污水处理厂每天分别补充水量 2 万 m3、6 万 m3、2 万 m3，通过构建湿地净化后补充潇河。其次通过闸坝的蓄水调度，充分利用水资源，保障在上游无来水的情况下，河道依然有一定的水，满足河道动植物生态需水量。3.2.3水生态环境针对潇河受损的生态基底进行水生态修复，全面推进潇河生态修复，打造滨水生态体系，构建优美和谐的生态水网，提升水系湿地生态系统、保护生物多样性、恢复自然生态环境。营造洲、湾、溪、滩、湖、湿地多元水系形态。通过三种典型的水系区段，形成九种水系形态。在湿地保育区形成洲、滩、湿地、岛、湾，达到婉转自然；在以开放活力区的城市段，形成湖、瀑，主湖面大气磅礴，溢流堰叠瀑潺潺。在水岸活力区段则以溪、涧河塘为主，承袭主河道的大气可观及内溪的蜿蜒灵动。详见图 4。图 4水系形态设计理念模式图20 年一遇以内水位线范围20 年-50 年一遇水位线范围50 年-100 年一遇水位线范围河道整治39SHANXI WATER RESOURCES山西水利山西水利山西水利为构建稳定的潇河水生态系统，通过面源拦截、湿地调蓄净化和生态环境三大系统为潇河构建一道屏障，将部分污染物拦截在潇河之外。水生态系统的打造在确保水质量达标基础上，结合水生态景观对河道进行治理，打造水安全、水资源、水生态环境、水景观为一体、具有生命力的河流。3.3场地尺度3.3.1堰设计潇河具有典型北方河流的特征，河道坡降相对较大，河流水量受季节性降雨和上游水库调蓄的影响。为有效解决因上游来水量偏小而出现河道缺水断流的情况，科学、合理地应用梯级蓄水生态小堰坝的方法，在设计中依托堰坝的周边环境和立地条件，提炼潇河地域文化元素进行充分的融合，进而形成反映人与自然、人与人相互作用的积极智慧的结晶。修文堰位于修文村附近，临近潇河上游文旅小镇，提取篆书中“潇河”之“潇”字形态，演化营造曲水流觞的漫流景观，展现水的柔美，见图 5。图 5修文堰设计图3.3.2驳岸设计在驳岸设计中，采用不同的生态工法驳岸，构建河流与陆域之间自然的生态岸线。在稳固河堤的同时可以维护河流的自然与植物生长演替；恢复营养物质的流通循环，改善水质；增加栖息地与生物多样性，保障生态系统完整性，具体做法见图 6。硬质平台驳岸通过多层硬质平台设计，在下一层预留较平坦的场地，采取硬质铺装，形成滨水活动空间。所有人为活动设施均设置在 20 年一遇水位线之上，降低人类活动对河流的扰动同时保障游人的安全，护岸通过石笼护岸软化岸线。滨水道路驳岸穿越场地，采用透水铺装材料保持岸坡的生态完整性，道路距离河面预留安全距离，驳岸较为平缓，多用水生植物护岸。坡式入水驳岸整体为一段缓坡，在临近路的区域种植乔、灌、草复层绿化，滨水区域种植草本地被和水生植物，绿地中架设栈道。护岸结构采用自然护岸，可置石抗冲刷。生态湿地驳岸在堤顶到河岸线之间设置湿地、生态岛，堤顶和湿地之间为浅滩，种植水生植物，上架设栈道，护岸结构采用自然护岸。将河流要素与地域文化的特点相融合，在基于水安全的前提下，保障原有河流流态丰富的基础上丰富场地的生态服务功能，创造更加自然的生态基底，促进区域生态环境改善，通过良好的生态基底融入本地文化，持续改善区域的生态环境，提高区域的经济与社会发展。图 6不同类型驳岸示意图硬质平台驳岸滨水道路驳岸缓坡入水驳岸生态湿地驳岸（下转第 53 页）河道整治40山 西 水 利2023 年 6 月 2023 年第 6 期4结论面对防洪威胁、水资源短缺、水生态退化、休闲游憩等诸多挑战，设计不仅需要遵从科学理论知识，也需要融合当地生态文化，使潇河为居民和游客提供一处休闲游憩的空间。由于该方案的落地实施还依赖于生态监测和评估系统的建立，所以希望有更多的利益相关方能够参与到项目中，并与设计方建立长期跨专业的合作关系，以进一步检验设计方法、优化设计和实施步骤，从而使基于自然的解决方案在河流生态修复中真正落地。参考文献1 翁传松，刘德富，张佳磊，等.典型北方季节性河流生态需水量研究 J.中国农村水利水电，2020（8）：29-34.2 IUCN.Global Standard for Nature-based Solutions.A user-friendly framework for the verification，design and scaling up ofNbS.First edition R.Gland，Switzerland：IUCN.2020.3 郝萌.潇河流域水资源高效利用对策研究 J.山西水利，2018，34（5）：11-12.4 罗明，周旭，周妍.“基于自然的解决方案”在中国的本土化实践 J.中国土地，2021（1）：12-15.5 陈一梅，马骏.复式断面河道一级护岸平台高程的确定方法J.东南大学学报（自然科学版），2012，42（3）：565-570.作者简介 张雄（1986-），男，2012 年毕业于沈阳航空航天大学安全技术及工程专业，高级工程师。收稿日期 2022-07-27；修回日期 2023-05-08启闭机等的安装。其中支铰座埋件安装需要注意底止水安装基准点的测量控制，预先将埋件槽的污物及杂物清净，按照支铰座的孔口中心线对照图纸的位置要求进行底坎预埋件的控制，底坎表层高程和里程误差应符合要求，在复测无变形后才能浇筑二期混凝土，二期混凝土的强度达到设计要求后，复测各铰座中心孔的同心度误差，符合规定方可将门叶连接；液压坝门叶应注意分单元运抵安装现场，按照制造厂内预组装解体后所作的标记进行对号检查，对照设计图纸要求对各项尺寸和节间连接螺栓的满足度进行检查，利用5T 汽车吊与若干人力配合把门叶单元安装就位，对闸门的对角线进行扭曲测量控制，门叶安装完成后弧板和止水应紧密贴合；闸板水封装置安装应注意按需要的长度先将止水橡皮粘结好，然后再与水封压板一并采用专用钻头使用旋转法钻螺栓孔，孔径宜比螺栓直径小 1 mm，为了确保水封安装质量，严禁采用无法保证安装质量的工艺如冲压法和热烫法加工水封的螺栓孔；液压启闭机安装需注意主要两点：一是对液压管路布置要考虑减少阻力、宜于检修且布局合理、排列整齐，在现场相关的系统设备已准确就位且所有的管夹基础已经固定完好后，再进行管路适宜配置及凑合段的确定。二是需要对油缸总成进行外观检查，油缸吊装时防止磕碰，由于油缸的精密重要性，超过维护使用时限时需要进行油缸拆解并规范清洗。3.3闸门质量检查控制钢闸门分包给具备资质的专业厂家进行制作，成品闸门出场前先由建设、监理、设计、运行和施工等单位派代表进行联合验收，重点包括闸门的外观尺寸和关键部位是否按照设计图纸和规范进行制作。闸门安装完毕后，承包人同现场监理人一起对闸门进行现场试验和检查，试验和检查项目主要包括无水空载情况下全行程启闭试验、静水负载情况下的全行程启闭试验以及动水启闭试验，其中无水空载情况下全行程启闭试验和静水负载情况下的全行程启闭试验，试验过程中为防止损坏水封橡皮，必须注意对水封橡皮与不锈钢水封座板的接触面用清水冲淋保持润滑，并检查支铰转动情况，启闭过程应平衡无卡无阻，在闸门全关合位置时，水封橡皮应无损伤，根据现场情况可采用光照或漏水检查，无漏光（水）为合格；动水启闭试验，承包人应提前编制试验大纲并报送监理人进行审查，试验水头采用设计水头，启闭试验内容包含全程和局部（设计确定）闸门开启试验，现场试验主要检查支铰转动、闸门振动、水封密封等有无异常情况，无异常即试验合格。4结语因施工简便、工期较短、投资易控、易于管理、施工方法多样以及效用的突出性，潇河治理采用了新型液压钢闸坝蓄水，运行两年多以来效果良好。目前在后续和其他河道生态治理方面，钢闸坝蓄水逐渐替代了传统的水工建筑物，工程技术组合方案逐渐成熟化，但其中的工程质量控制环节还是不应忽视，尤其是蓄水安全和生态效用方面更应得到技术质量的保障，所以对施工方法和工艺形式等方面的质量要求应加以注重，精益求精，确保新型液压钢闸坝工程能真正发挥生态蓄水基础设施的功用和特长。作者简介 阴起盛（1970-），男，1992 年毕业于山西省水利学校水利工程建筑专业，高级工程师。收稿日期 2022-10-13；修回日期 2023-05-04（上接第 40 页）设计与施工53