河流修复技术研究-形态多样性与尺度修复

　2007年10月

文章编号:055929350(2007)增刊20592205

SHUILI　　XUEBAO

增刊

河流修复技术研究

高永胜,叶碎高,郑加才

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(11浙江省水文局,浙江杭州　310009;21浙江省水利河口设计研究院,浙江杭州　310020;31温州市水利局,浙江温州　325000)

摘要:河流修复是维护河流健康的重要措施,根据修复重点可分为近自然生态工法、水文模式修复法、河流分类法3类。河流修复具有时间和空间变异特征,包括系统条件和河流水文、结构、物质以及物种3个层面,修复的重点是创建多样性河流形态和改善河流水文条件,本文给出了河流形态多样性修复的主要内容和修复的概念性框架。考虑自然河流径流过程和河道生态保护目标,给出了河道不同保证率条件下的最小生态补水量、适宜生态补水量以及平滩补水量的计算方法,以为水库生态调度提供依据。关键词:河流修复;形态多样性;水文模式;生态补水量中图分类号:X17114

文献标识码:A

1　概述

人类对河流生态系统的胁迫,导致河流结构改变,服务功能下降,这使得人们在享受河流资源开发

利用带来的巨大效益时,也开始饱受河流生态和环境破坏所带来的灾难,对此,人们开始重新定位人与河流关系,反思人类行为对河流生态系统造成的不良影响,认为应该缓解对河流生态系统的压力,对于各种胁迫应给予补偿,并采取措施修复河流生态系统。人类与河流健康关系如图1所示。

图1　人类与河流健康关系

我国地域辽阔,河流众多,由于人类对河流的不合理开发和利用,已导致许多河流出现了断流、水环

境恶化、生物多样性减少、河道淤积等一系列问题,直接影响了河流的功能和永续利用,对此,已引起国家和相关部门的高度重视,并提出维持河流健康生命,促进人与河流和谐发展的理念。

收稿日期:2007208210

基金项目:浙江省重点科研项目(2006C23077);浙江省水利厅重点科技项目(RI0503)

作者简介:高永胜(1971-),男,山东海阳人,工程师,博士,主要研究河流健康生命理论和修复技术应用。

E2mail:gao2yongsheng@163.com

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2　国内外河流修复技术研究

河流修复是维护河流健康的重要措施,综述国内外河流修复研究,根据修复的重点,可将其分为3类,即近自然生态工法;水文模式修复法;河流分类法。211　近自然生态工法　近自然生态工法源于1938年德国Seifert提出近自然河流治理的概念,它是指能够在完成传统河道治理任务的基础上可以达到近自然、经济并保持景观美的一种治理方案。20世纪50年代,德国创立了近自然河道治理工程理论,提出河道的整治要植物化和生命化,随后将其应用于河流治理的生态工程实践,并称之为“重新自然化”。20世纪70年,瑞士、法国、奥地利、荷兰等国家也在河道治理中开始运用生态工程技术,瑞士称之为“多自然型河道生态修复技术”。上世纪80年代,日本开始学习欧洲的河道治理经验,90年创了“创造多自然型河川计划”,称之为“多自然河川工法”。随着河流生态工程实践技术的应用,其理论也得以发展,1962年H.T.Odum等首次提出生态工程(ecologyengineering)概念;在此基础上,19年美国Mitsch和Jorgensn赋予生态工程定义,奠定了“多自然河道修复技术”的理论基础

[1]

;1998年美国出版了《河流廊道恢复的原理、过程和实践》,用于指导河流

生态治理。当今,欧美经济发达国家已普及了“多自然型河道生态修复技术”,以实现、再生“人与自然的和谐共处”的生态环境,并有许多成功的案例。

[2]

我国这方面工作尚处于初级阶段。杨芸结合成都府南河多自然型护岸工程,整理和分析了多自[3,4]

然河流治理常用方法。董哲仁针对传统水利工程对河流生态系统的胁迫,构建了生态水工学理论框架,提出了河流修复的原则和目标。水利部也多次组织开展河流生态修复技术研讨会。

212　水文模式修复法　水文模式修复法是针对建坝对下游河道自然水文特征改变而提出的河流修复法,其目标是恢复河流水文模式,改善下游生态和环境条件,内容包括修复河流流量、水文周期、洪水历时以及洪峰流量等水文参数。目前,这一方法已在许多国家得以实践,并取得了较好的效果。例如,南

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非潘勾拉水库多次进行人造洪峰试验,得出保证下游鱼类产卵条件的洪峰流量及其适宜时间等参数;1995年,美国提出了科罗拉多河格伦峡大坝适应性管理程序(GlenCanyonAdaptiveManagementProgramme),并于1996年和2000年进行试验,通过改变大坝调度方式,模拟建坝前的自然水文模式,达到输沙、恢复生境和保护鱼类等综合效果。为减少大坝对水流特征改变造成的影响,世界至少有29

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个国家已提出采用环境需水量的方法改善大坝调度。

我国在大坝生态调度方面也进行了有益的尝试,黄委早在19年就利用三门峡水库两次进行人造

[8]

洪峰试验,2002年,又利用小浪底水库进行了调水调沙试验,达到输沙入海,减轻下游河道淤积;长江流域在规划龙盘水电工程时,选定了发电的下泄流量不得低于生态基流300mΠs,以满足下游基本生态需水和景观要求;丹江口水电站为控制汉江下游水体富营养化,加大枯季下泄流量。213　河流分类法　河流分类是根据河流的相似性或它们的关系,对不同的河流进行分组或排序。18年美国著名地貌学家Davis采用“地理循环”理论提出了年轻-成熟-年老的河流分类法,随后河流分类研究受到重视。近几年,随着河流修复的研究,河流地貌的原则已广泛应用到河流恢复中去,基于地

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[6]

貌的河流分类法也在河流恢复中得以应用。通过河流分类能使河道设计者从河流的外在表现,预测它

[9]

的行为,通过确定的河段类型,可评估河道目前的稳定性、过去的状况以及在不受干扰情况下的可能发展趋势等等。目前,Rosgen河流分类法已在美国河流恢复中得到广泛的应用。但由于河流分类体现不出河流动态以及河流形态与河流过程的相互调整等复杂过程,这类方法也遭到了一些地貌学家的批

[9,10]

评,他们认为河流分类简化了河流系统的复杂性,可能误导重要的经济和公众安全。

3　河流修复技术内容

河流是流域生态系统的动脉,人类的任何活动,包括土地利用、城市化和地下水开采等,都会改变河流水体的质和量,从而改变河流的生物群落,影响河流健康状况。河流具有时间变异和空间变异的特

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征,因此河流的修复不仅要考虑河流空间尺度,还要考虑时间尺度。为了选择恰当的河流修复措施,必须理解河流空间、时间的物理和化学过程组成之间的复杂关系,理解不同层次上各控制因子的功能和相

[11]

互作用(控制和反馈),如图2所示。

图2　河流修复内容层次框架

由图2可知,河流修复具有时空变异性。(1)流域系统条件界定了河流的边界条件,在高层次空间(流域)和时间(±100年)尺度上同河流互相作用,决定了河流生态系统功能的可能性,一般情况下,系统条件不能通过管理或某一措施而改变。因此,系统条件的因素并不是河流恢复的关键,但在对河流修复时必须考虑系统的边界条件及其变化的长期影响。(2)河流水文、结构和物质条件,反映了河流基本特征,是人类对河流的直接干预对象,也是河流生态系统退化的直接影响原因。人类对河流空间结构改变的同时也引起河流水文条件的变化,导致河流物质的营养物质、有机质等的系列变化。(3)河流物种类型和丰富度反映了上面所提到的控制因子组的功能,是一个河流健康状况的重要外在表现,但仅对河流物种的恢复,具有一定局限性和偏面性,不能反映河流修复的综合效果,通常可将其作为河流管理和恢复的目标。

尽管河流控制层起决定作用,但反馈作用也总是存在的,河流控制因子和反映特点之间是相互联系、相互影响的,在对河流进行修复时,应正确理解不同层次尺度上因子的相互作用,针对河流退化的主要原因,采取恰当的措施对河流进行有效修复。可行和有效的修复方法是创建多样性河流结构和改善河流水文特征。311　修复河流形态多样性　河流两岸往往分布有重要的城市和工业园区,是人类密集区域。因此,完全让洪水自由泛滥是不可能的也是不现实的,河流形态多样性的修复只能建立在河流安全行洪能力要求的前提下,尽可能创建、修复多样性的河流形态,以创建多样性生境,提高河流自净能力。

自然河流横向上主要由主河槽、洪泛区和高地边缘过渡带3部分组成。在对河流结构修复时,根据自然河流横向断面特点,采取复式断面进行设计,并结合河流现状和历史状况,构造河流的蜿蜒性合理布置河流深潭、浅滩。在具体修复时,应结合河道两侧土地利用情况,区域经济发展规划以及河流的地形条件进行,分段规划实施。对位于城区的河段,由于沿河两旁住宅、工业区比较聚集,河道发展空间受—594

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到很大　　　　。因此,城区段河道在满足行洪标准要求下,多以景观规划为主,可在水中、岸边种植一些树草,采用生态护岸砖、净水石笼等生态护坡类型,以尽可能创建更多的生境,并维持河流垂向的联通性。而对位于相对偏远,经济不是很发达区域的河段,应根据自然河流的地形特征,参考河流历史地形资料或条件相似而受人工干扰较少河流进行修复,以修复更多的自然河流结构和功能。而对采用的护坡材料,也尽量充分利用当地材料,以节省工程造价。河流修复的主要内容框架如图3所示。

312　改善河流水文条件　改善河流水文条件,主要是

指通过改变水库调度方式,考虑下游生态要求,将生态因素纳入水库调度中,并将其作为调度目标之一。水库下游生态补水量计算是水库生态调度的前提和基础,是

水库生态调度的主要依据之一。31211　不同保证下最小生态补水量　最小生态径流是指维持河道基本功能,保证水生生物的最低生存条件,

图3　河流形态修复的概念框架因此它的值应该是天然状态下水生生物所能容忍的干

旱的极限。在天然情况下,各月最小生态径流是变化的,因此,最小生态径流应该逐月计算,取建库前一定系列天然月径流系列中最小值作为每月的最小生态径流量,即(1)Qm,min=min(Q1,m,min,Q2,m,min,…,Qn,m,min)

式中:Qm,min为建库前水库下游各月最小径流量,mΠs;m为月份,m=1,2,…,12;Qn,m,min为建库前水库下

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游各年各月最小径流量,mΠs;n为建库前系列年。

通常认为在建库前的天然情况下水生生物已经能够安全经历这样的最小生态径流量,并且生态系统没有遭到严重的不可恢复的破坏,说明在不考虑水质的情况下,水生生态系统能够在一定时段内适应这个最小径流量,水生生物的最低生存条件在这个流量条件下能够得到最低保证,计算不同保证率(如P=50%,75%,90%)条件下水库下游区间各月来水流量,并计算不同保证率情况下下游生态最小补水量,即

(2)QP,m,min=Qm,min-QP

3式中:QP,m,min为不同保证率下,水库下游最小生态补水量(mΠs);P为保证率;QP为不同保证下,水库下

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游区间来水量(mΠs)。

31212　不同代表年适宜生态补水量　最小生态径流虽然能够满足水生生物最低生活条件,但如果长期处于这种最低生存条件下,肯定不利于水生生态系统的健康发展。因此在水量允许的情况下,可以适当放宽条件,增大最小生态径流。

生态系统是与自然径流过程相适应的,所以适宜生态径流也应按照自然径流的规律,不同季节取不同的频率,枯季小、丰季大,年内连续变化,因此,可将生态径流看作是一个有丰有枯的年内变化过程,采用逐月频率计算法计算,即考虑生态系统对水量的要求的同时,也考虑了不同时期的生态系统的不同要求。该法需对尽可能长的天然月径流量系列进行频率计算,根据有利于生态系统稳定和物种生存繁衍的原则,取枯水期、平水期、洪水期不同保证率条件下的月径流过程作为适宜生态径流过程,保证率的大小可根据河流形态、生物物种对不同时期的环境要素的需求等确定。适宜生态补水量计算方法如3.2.1。31213　不同保证率下平滩补水量　平滩流量是指河道达到平滩水位时所对应的流量,它是维持河道形态最有效的流量,其值是一个瞬时最大流量值,一般情况下,重现期大约是1.5年。在缺乏实测资料的情况下,可通过洪水频率曲线分析求得。根据下游不同保证率情况下区间来水量,计算平滩补水量。

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河流生态补水量是动态变化的,这种动态变化不仅要考虑下游河道生态保护目标,还要根据河流自然情况下的径流过程,考虑不同时期生态系统对径流的需求。最小生态补水量是水库下游河道生态的最低要求,即使在缺水的情况下,也应给予保证;在丰水期应加大下游生态补水量,满足下游适宜生态补水量要求;而在洪水期,应满足下游平滩补水量的需求,以维持河槽的形态。

4　小结

考虑到我国目前经济发展阶段,在我国多数地区还难以按照西方国家的高标准进行河流修复建设。我国河流修复工作应建立在减轻人为对河流生态系统的胁迫和确保河流安全行洪基础之上,结合河流整治、规划,开展河流生态修复。

河流形态多样性与河流水文条件的修复是河流修复同一层次的两个方面,两者修复紧密联系在一起,河流形态多样性为河流水文模式创造了条件,河流水文条件为维持河流形态多样性提供了保障。例如我们在对河流进行修复时,修复主河槽和洪泛区联通,这为洪水水流自由扩张提供了出路,而主河槽形态的维持也需要一定的水流条件。参　考　文　献:

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Thestudyonrestorationtechnique

GAOYong2sheng,YeSui2gao,ZhengJia2cai

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(11ZhejiangHydrologyBureau,Hangzhou　310009,China;21ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou　310020,China;31WenzhouWaterRresourcesBureau)

Abstract:Riverrestorationisanimportantmeasuretomaintainriverhealth.Basedontheemphasesof

riverrestoration,itcouldbeclassifiedintothreetypes,namelyecologicalengineeringmethod,hydrologypatternmethodandriverclassificationmethod.Accordingtothespatialandtemporal,themainwayofriverrestorationistoimprovetherivermorphologyandhydrologypattern.Itpointedthecontentofrivermorphologyrestorationandbuilttheconceptualmodelofrivermorphologyrestoration.Itputforwardthecomputingwayoftheminimalecologyfillingwater,feasibleecologyfillingwaterandbankfullfillingwaterofdifferentsituation.

Keywords:riverrestoration;rivermorphologydiversity;hydrologypattern;ecologyfillingwater

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