基于生态水工学的农村水系自然化治理技术体系构建

  行业资讯     |      2021-09-10 08:55:32

北极星水处理网讯:摘 要:根据农村水系特征,基于生态水工学理论方法,在充分发挥生态系统自修复功能基础上,在河流地貌形态、水系格局、岸坡防护、栖息地加强及生态文化景观等方面构建农村水系自然化治理技术体系,促进形成生态健康、自然美感、承载乡愁的农村水系特征,提升农村水系生态系统质量和稳定性。

农村水系是振兴乡村绿色产业发展、建设乡村水生态文明的重要依托。近年,国家和地方虽然高度重视农村水系治理工作,但河湖萎缩、水质恶化、生态退化等现象仍然普遍存在。现有已开展的治理工作,在改善和恢复天然河流的自然属性、恢复河湖多样性水文地貌条件、引导河湖生态系统自修复等方面,还存在欠缺。基于此,提出基于生态水工学的农村水系自然化治理技术体系,旨在促进各地实践中,形成生态健康、自然美感、承载乡愁的农村水系特征,提升农村地区水系生态系统质量和稳定性。

01

治理理念及原则

生态水利工程学(简称“生态水工学”) 是研究水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学科。基于生态水工学的农村水系自然化治理技术是指根据农村水系特征,基于生态水工学理论方法,在充分发挥生态系统自修复功能基础上,在河流地貌形态、水系格局、岸坡防护、栖息地加强及生态文化景观等方面采取各类工程或非工程措施,促进形成生态健康、自然美感、承载乡愁的农村水系特征,提升农村水系生态系统质量和稳定性,同时使已经人工化、渠道化的河流廊道恢复原有的自然特征。这种自然化不是对原有河流的完全复原,也不是创造一条新的河流,而是恢复河流廊道的自然属性和主要生态特征。农村水系治理应遵循 “协调发展、生态完整、顺应自然、适度引导”的原则。其核心是尊重农村地区自然规律和社会发展规律、顺应和保护自然,实现社会、经济与生态环境的协调发展。协调发展指的是河道治理应服从流域综合规划、区域发展规划、水资源保护规划、水生态修复规划及其他各类水污染治理、水环境保护规划等;生态完整是指满足和兼顾水生态系统结构与功能的完整性,涵盖基本水生态要素,包括水文情势、河湖地貌形态、水体物理化学性质和生物群落等;顺应自然河流自然化治理应充分认识到生态系统的 “自组织、自设计”功能,通过对水生态系统的全面评估和健康诊断,识别主要胁迫因子,在重点生态要素上采取修复措施;适度引导指的是在设计时能依靠生态系统自适应功能,通过对生态系统的适度良性干扰,采取“引导性”设计方法,使河流生态系统向健康方向演替。

02

自然化治理体系

农村水系自然化治理 技术体系包括河道拟自然地貌形态恢复、水系连通、自然型岸坡防护、河道内栖息地改善技术及生态文化景观构建技术等。

1.河道拟自然地貌形态修复

河道拟自然地貌形态修复技术指河流地貌纵向、横向、垂向的拟自然化修复, 主要包括河流平面形态、河道断面及河道纵坡设计。

(1)平面形态构建

乡村自然河流的平面形态往往表现为蜿蜒性、多样性及与河漫滩之间的连通性。已经渠化的河流也可以在原有基础上对河道进行平面蜿蜒性构建,可采用复制法、类比法、经验公式法和数值模拟等方法。恢复过程可采用直接改造方式,也可通过修建适宜的河流内建筑物(如丁坝)以自然力方式使河流在多年冲淤变化中逐渐形成稳定的弯曲形态。计算蜿蜒型河道参数常采用水文地貌经验关系公式。在计算出蜿蜒型形态各项参数以后,就可以以此绘制河流主槽深泓线。于子铖在北京市南沙河河流最佳蜿蜒度研究中采用了数值模拟探讨了河流不同平面蜿蜒形态与流速水深分布多样性、所选特征鱼类适宜生存流速水深以及河流的行洪安全要求三方面之间的关系,从而确定了该河流的最佳蜿蜒度。恢复河流的蜿蜒性,不仅使渠化河流恢复其自然蜿蜒程度,还恢复与老河湾、蓄滞洪区、滩区之间的连通性,使修复后的河流重新获得深潭、溪流、浅滩等地貌单元,改变已经退化的滩地和洼地条件。

(2)自然型河道断面设计

自然河流断面具有多样性特征,大部分河流断面是非对称的,深浅不一,断面形状随河流分布位置及类型各有不同。断面多样性是河流生物多样性的重要支撑,河流横断面修复应具有深潭、浅滩、河漫滩及错落有致的植被群落。以往人工改造的河流,往往采取梯形、槽形等几何对称断面,而且沿河保持不变,损害了栖息地的多样性,导致河流生态系统不同程度的退化。

河道断面设计原则如下:①河道断面应能满足行洪需要,特别是设有堤防的河道,应保障设计洪水作用下的行洪安全。②尽可能采用接近自然河道的几何非对称断面,即使采取对称断面也应采取复式断面。③选择适宜的断面宽深比,防止淤积或冲刷。④蜿蜒型河道布局设计,应符合深潭-浅滩序列规律,形成缓流与急流相通、潭与浅滩交错的格局。⑤根据河流允许流速选择河床材料类型和粒径。⑥断面设计与河滨带植被恢复或重建综合考虑。⑦通过历史文献分析和野外调查获得数据资料是重要依据。

(3)河道纵坡设计

自然河流在纵坡上大多呈现阶梯状态,不论是顺直的山溪山涧,还是带有深潭—浅滩序列的蜿蜒河流,因此在自然型河道治理中应尽量避免对河床进行单一纵坡开挖。纵坡是决定河流形态的关键要素,山区河流往往由于过大的纵坡,河流下切严重,若不采取措施将加剧两岸崩岸风险。根据修复河段的蜿蜒度变化和泥沙冲淤关系,需要调整、确定修复河段合理坡降。确定河流纵坡可通过:①选择修复工程附近天然河道,并具有近似流量和泥沙特征,可参考该河段进行修复设计。②根据待修复河段附近河谷和蜿蜒度确定河道坡降。

大尺度的河流纵坡能反映河流演变趋势,如河段纵剖面反应水库蓄水引起的景观变化和泥沙淤积;小尺度纵坡显现地形地貌细节,包括河床地貌特征(如深潭、浅滩和江心洲等)和人工建筑物信息。流域尺度上的纵剖面反应河流总坡降,其数值将根据河流基准面变化和地壳上升速度进行调整。对于修复工程,应按河道进行实地测量,测量点选择横断面深泓线位置,范围应扩展到修复河段上游下游,并包括深潭、浅滩和工程结构。

2.水系连通技术

河湖水系连通性是水生态完整性五大生态要素特征之一。水系连通是水系内物质流、物种流和信息流等生态过程,在不同水期时河流纵向、横向和垂向的物理连通和水文连通。物理连通是基础,反映河流地貌结构特征;水文连通是河湖生态过程的驱动力。物理连通和水文连通相结合,共同维系栖息地的多样性和生物多样性。

恢复河湖水系连通性的措施包括工程措施和管理措施。在纵向连通性修复方面,包括鱼道工程、堰坝拆除、引水式电站生态改建等;管理措施有兼顾生态保护的水库优化调度方法。解决水网阻隔问题的工程措施是建设水网连通工程,管理措施为水闸群的优化调度。在侧向连通性恢复方面,针对河湖阻隔问题的工程措施是建设河湖连通工程,针对河流-河漫滩系统阻隔问题,可采取堤防后退、连通河漫滩孤立湿地和水塘等措施,管理措施是岸线管控制度及立法执法等。在垂向连通性恢复方面,采用减渗控渗等措施解决地表水与地下水交换问题。

3.自然型岸坡防护技术

河岸侵蚀和河道侧向迁移是重要的自然地貌过程,但在人为活动影响下,可能造成侵蚀加速。因此,必要情况下需要对河流岸坡进行加固或修建堤防。自然河岸系统稳定性来自于河漫滩和河岸植被的相互作用,也是河流栖息地条件的重要部分。堤岸保护应以修复河流自然功能为主旨,以不阻碍长期自然水流过程发生为基本条件。农村水系岸坡防护可以有两种方法,一种是以护岸加固为目的通过适当的方式增加护岸抗侵蚀和坍塌能力,另一种是通过增加河岸防护结构粗糙程度来削减水流冲击,减缓水流流速的方式来保护堤岸,这种情况往往也同时创建具有冲刷、沉积、覆盖的复杂水力条件和恢复河岸植物群落,具有恢复河岸栖息地的作用。自然型岸坡防护技术往往同时具有这两方面作用,其结构是在传统护岸基础上利用植物和天然材料进行防护,既能提供良好的栖息地条件,也能改善自然景观。常规新建自然型岸坡防护技术主要包括天然植物护岸、石笼类护岸、木材-块石类护岸、多孔透水混 凝土构件及组合式护岸结构,见图 1。

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很多农村地区的河道采用硬质护岸技术,需要对其进行生态化改造。目前有针对硬质坡式护岸的原位植生式生态化改造护岸结构(专利CN208649992U),可直接在硬质护岸的表面进行生态修复,使护岸结构具有透气、透水等性能,并渗透植物生长所需的营养,从而恢复河岸的植被,为生物提供良好的栖息场所。另外乡村河流由于流经多处村镇农田,往往承接大量生活污水、尾水及面源污染物,可应用多单元岸坡型湿地水质净化技术(专利 CN208292818U)处理。

4.河道内栖息地改善技术

河流地貌形态的多样性决定了沿河栖息地的有效性、总量及复杂性,也影响与植被相关的遮阴效应和水温效应。研究表明,河流生物群落物种多样性与栖息地异质性存在正相关关系。在河流廊道尺度上,不同类型栖息地的空间异质性为种群动态、种间关系、群落演替以及干扰传播等多种生态过程提供了基础。这种空间异质性主要表现为两个方面,一是水文和水力学因子时空分布及其变异性;二是地貌上各种成分的空间配置及其复杂性。河流栖息地包括河道内栖息地、滨河带栖息地、河漫滩栖息地以及季节性洪水湿地等,自然河流是与各栖息地保持良好连通的有机物高效利用系统。河流环境中的结构设计可能涉及较多的特定场地分析,因此一般无法建立通用的设计程序,需根据场地和河道条件、面临的风险及复杂程度确定评估最大冲刷深度、材料尺寸、水力条件等设计要素选取最为适合的计算方法和工具。

(1)砾石和砾石群

砾石和砾石群已经在北美农村地区成功地用于改善鱼类栖息地,在河道中放置单独的砾石或砾石群会产生不同的水深、基质和流速,从而增加河床栖息地多样性。砾石应以随机模式放置,以复制自然水流条件,且不会显著改变整体水流状态。通过将砾石的水力影响保持在较低或中等水平,产生局部冲刷, 同时将意外风险,如河床或河岸过度冲刷、碎屑堆积、上游沉积和回水、较高的水面雍高以及增加的河道切滩风险降至最低。因此,不允许巨砾堵塞河道,且其应在河道断面中保持相对较低的位置。美国俄勒冈州高速公路部门建议,在河流横截面上砾石的放置应不能阻塞超过1/3 的通道面积,合理限制值应在20%到30%。联邦高速公路管理局建议,如果河道的坡度小于3%,低流量时河流过流能力减少应不超过1/5。

(2)生态堰坝

生态堰坝是一种低矮的结构,通常由跨越河道宽度的砾石和圆木组成。放置大块木材和圆木能加速带有河岸森林河流的自然恢复,也可用于提高切滩河道的稳定性,同时提供额外的栖息地效应。形成石堰的巨石通过在单个岩石之间聚集水来改变水流的方向,在平面上形成一个指向上游的拱,其最低点位于拱的顶端。这种结构可以通过对河道深泓线重定向,控制河道的断面形状或改变和维护其宽深比,防止护岸侵蚀,同时创建一个适宜鱼类栖息床的冲刷池,将低流量集中到更深、更窄的河槽,以改善平底河床中的鱼类通道,回水上游增加浅滩水深,并实现自然分选沉积物。除了其他用途外,石堰还可以用于控制陡坡下切。应尽量选择有棱角的岩石,因为它能够紧紧地锁在一起,以防止在高速水流冲击下发生移动。

(3)河床基质重构

当目标河段位于水库大坝下游,由于水库拦水拦沙,使得下游河道的来沙大幅度减少,就有必要对河床基质材料进行重新铺设。铺设原则是:①具有足够的稳定性,保持河道泥沙冲淤平衡。竣工后经长期运行,河流纵坡及横断面都不会发生重大变化。②提高河流栖息地质量,为保护物种提供良好的栖息地条件。③提高美学价值,创造优美的水景观环境。基质铺设的一般步骤包括调查评估基质现状基质材料构成、类型(卵石、砂砾石、沙质土、砂黏土、淤泥等)、材料特征(粒径、角状、嵌入程度)等,根据河床基质的历史状况和发生的退化如渠道化、淤积、建筑垃圾倾倒,确定河床稳定性及河势稳定性,选择同一流域未被干扰的河段,比照参考其河床基质材料状况,同时明确生物种群清单及其栖息地需求,确定河道修复目标。深潭-浅滩序列是自然蜿蜒性河的主要特征,深潭的基质是颗粒较细的泥沙,浅滩河床是由粗砾而密实的卵石构成,修复时宜根据浅滩急流段铺设砾石和卵石,尤其是具有尖角的砾石应具有相当比例以利于砾石之间咬合。在急流河段布设大卵石、大漂石可以形成一系列小型堰坝鱼梁,创造适宜的鱼类栖息地。

5.生态文化景观构建技术

在景观美学功能区营造自然景观,利用河湖水域岸线空间创造亲水环境,使河湖成为休闲、运动、科普、文化教育的公共空间,充分发挥农村水系独有的美学和文化功能。河湖景观应明确河流—湖泊—湿地流域总体格局中的空间景观定位,保持湖泊景观与廊道景观、湿地景观的有机融合,形成既联系又各具特色的自然景观格局。河湖滨岸应采用景观协调性较好的护岸形式,植物搭配主次分明,富于四季变化,增添岸坡绿色,避免采用单调的传统混凝土或浆砌石护岸结构,同时满足道路、人行步道通行要求。尽量减少商业设施和建筑物, 避免对自然景观的破坏或环境污染。在景观美学功能区,适当布设亲水平台、栈道以及观鸟台和小型自然博物馆等设施。对于建有多个鱼塘的河湖滨岸带可改造为多塘湿地。将鱼塘的塘埂拆除至水面以下仅保留塘基,并利用拆除石料就地形成缓坡微地形。塘内每间隔一定距离清理塘基,使塘内外沟通,塘基呈散落状分布。底泥污染较重的鱼塘应先清淤,并种植挺水、浮叶及沉水植物。