王勇

（江蘇省鹽城市射陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇射陽 224300）

1 引言

鹽城市射陽縣的快速發(fā)展給當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施和自然資源帶來了巨大壓力。隨著流域的不透水性增加［1］、河流的物理變化以及市政污水處理廠廢水排放量的增加［2］，射陽縣的水資源問題日益嚴(yán)重。為解決上述問題，鹽城市射陽縣的標(biāo)準(zhǔn)雨水排放具體措施為在不考慮溪流提供的生態(tài)服務(wù)條件下，疏導(dǎo)溪流以增加水力容量。在許多地區(qū)，河流通過人工修整，流道被拉直以符合土地界限。傳統(tǒng)方法通常是建造梯形渠道來代替天然河流，隨著峰值流量的不斷增加，襯砌被混凝土代替。滯洪蓄水庫通常被規(guī)劃在新發(fā)展計(jì)劃中，以減弱峰值流量［3］。射陽縣流域排水的主要問題是營(yíng)養(yǎng)成分升高、水體長(zhǎng)期渾濁和淤積，已確定的污染物來源包括營(yíng)養(yǎng)物、建筑和河岸侵蝕的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染。

環(huán)境保護(hù)部門建議重建地下水補(bǔ)給［4］，恢復(fù)和保護(hù)自然河流，建立或加強(qiáng)河岸緩沖帶，作為控制城市非點(diǎn)源污染的管理措施；建設(shè)綠道公園和步道，以保護(hù)河流的內(nèi)在價(jià)值，同時(shí)增加房地產(chǎn)價(jià)值、居民支出和旅游［5］。由縣水利和住建部門負(fù)責(zé)實(shí)施。研究表明，綠道以及綠道保護(hù)或增強(qiáng)溪流走廊提供的生態(tài)服務(wù)能力有重要價(jià)值。本研究的具體目標(biāo)是示范保護(hù)城市溪流中關(guān)鍵生態(tài)服務(wù)的方法和技術(shù)，項(xiàng)目提案已提交各鄉(xiāng)鎮(zhèn)負(fù)責(zé)具體實(shí)施。

2 研究區(qū)概況

本研究選擇射陽縣某未開發(fā)的河流作為典型代表。該研究區(qū)域上端流域面積為9.3 km2，下端流域面積為15.5 km2。流域的平均坡度為2.8%。流域最大寬度為4.5 km，最大長(zhǎng)度為5.6 km。土地覆蓋率目前為8.1%的農(nóng)田、9.7%的道路和路面、8.5%的商業(yè)、15.2%的工業(yè)、57.7%的住宅和0.8%的水面。本研究將河流分為3 段，上游380 m 流經(jīng)草場(chǎng)，中部550 m流經(jīng)完整河岸帶，下游450 m 流經(jīng)草林混雜區(qū)。

3 研究方法

3.1 修復(fù)目標(biāo)

通過了解居民的各種興趣和價(jià)值觀來衡量城市河流系統(tǒng)的主要功能與關(guān)鍵問題，從而將河流修復(fù)與河流管理進(jìn)行明確區(qū)分（見圖1）。一方面，在城市河流修復(fù)項(xiàng)目中，關(guān)鍵指標(biāo)是居民對(duì)水質(zhì)改善和河岸系統(tǒng)修復(fù)的行為與看法，這會(huì)直接影響修復(fù)后河流附近的房?jī)r(jià)；另一方面，城市河道治理工程往往強(qiáng)調(diào)河道治理和防洪的水利工程功能。在河流管理中應(yīng)考慮城市河流的多種用途，如城市河流還可以為市民提供審美、園藝等功能。然而，目前大多數(shù)河流恢復(fù)項(xiàng)目都集中在生態(tài)主題，例如野生動(dòng)物棲息地和水生生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。由于氣候變化可能會(huì)引起主要城區(qū)的強(qiáng)烈降水，在進(jìn)行河流修復(fù)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)檢查城市化地區(qū)的河流管理和防洪等其他因素。

圖1 城市河道修復(fù)與管理的主要目標(biāo)

3.2 分析方法

從棲息地評(píng)估角度出發(fā)，本研究對(duì)項(xiàng)目范圍內(nèi)的河流流域的8 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行生境評(píng)估，評(píng)估時(shí)參考原國家環(huán)保總局的溪流及淺河快速生物評(píng)價(jià)方案評(píng)估議定書。來自生物工程、生態(tài)工程的3 個(gè)不同評(píng)估小組，在每個(gè)地點(diǎn)根據(jù)10 個(gè)不同的參數(shù)對(duì)信息流進(jìn)行評(píng)估，將3 個(gè)小組得到的評(píng)估結(jié)果平均后，取最后的評(píng)分。

從河岸地區(qū)評(píng)估的角度出發(fā)，為了評(píng)估項(xiàng)目區(qū)域河岸帶的狀況，對(duì)100 年河漫灘內(nèi)每棵樹的大小和類型進(jìn)行調(diào)查，將得到的樹木類型數(shù)據(jù)輸入使用CityGreen 擴(kuò)展的GIS 數(shù)據(jù)庫中，用CityGreen 來評(píng)估河岸帶內(nèi)剩余樹木提供的碳固存價(jià)值與歷史價(jià)值，進(jìn)而評(píng)估河岸林對(duì)污染的衰減程度。

水文方面，利用ArcView GIS 軟件和1 ∶240 00比例尺數(shù)字正交四分之一四邊形（DOQQs）對(duì)流域進(jìn)行了圈定，在項(xiàng)目入口和項(xiàng)目下端確定流域面積，土地利用/土地覆蓋通過ArcView 來確定，使用ArcView 來確定平均流域坡度和河流長(zhǎng)度。然后在估計(jì)的前期開發(fā)期間以及目前估計(jì)的充分開發(fā)條件下，利用自然資源保護(hù)部門的曲線數(shù)法，為研究區(qū)域開發(fā)了1，2，5，10，50，100 年暴雨的合成水文曲線。

在目標(biāo)流域以60 m 的間隔測(cè)量河流的橫截面。使用HEC-RAS 水力模型計(jì)算通過項(xiàng)目區(qū)的水面高程，然后將這些信息與應(yīng)急管理部門研究的基礎(chǔ)洪水高程進(jìn)行比較。對(duì)曼寧系數(shù)的糙率n 進(jìn)行了調(diào)整，將HEC-RAS 模型與應(yīng)急管理部門的基準(zhǔn)洪水高程進(jìn)行校準(zhǔn)。在修復(fù)設(shè)計(jì)完成后，HEC-RAS 也可用于記錄洪水基準(zhǔn)面有沒有上升。

地貌學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，渠道坡度和橫截面積取自調(diào)查的河流橫截面；通過對(duì)河道沖刷、沉積特征和坡度變化的觀察，現(xiàn)場(chǎng)確定全岸高程和寬度；洪水易發(fā)區(qū)由兩倍于滿岸深度的河道寬度確定。將壕溝確定為洪水易發(fā)區(qū)寬度與河岸全寬之比。將河道坡度除以項(xiàng)目各河段的河谷坡度，確定河道彎曲度。在每個(gè)河段從一個(gè)岸灘到另一個(gè)岸灘進(jìn)行沃曼卵石計(jì)數(shù)，以確定地層粒徑值D16，D50 和D84。對(duì)設(shè)計(jì)河段的水流功率進(jìn)行分析，以確定水流在系統(tǒng)中移動(dòng)物料的能力。其中，流域提供的泥沙由修改后的通用土壤流失方程模擬。

本研究的主要目標(biāo)是為城市行政管理人員提供參考，并且便于采取更可持續(xù)的以及對(duì)環(huán)境無害的排水辦法。具體來說，本研究分析了城市采用綠道系統(tǒng)來保護(hù)河流的生態(tài)服務(wù)，基于大眾認(rèn)為需要保持清潔的溝渠，以水力輸送洪水，并考慮替代做法的成本。

4 結(jié)果與討論

4.1 層次分析法（AHP）結(jié)果分析

根據(jù)修復(fù)目標(biāo)，表1 考慮洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防（FP）、水流增強(qiáng)（SF）、水質(zhì)改善（WQ）和河岸保護(hù)（RC）的加權(quán)值（一致指數(shù)＜0.10），按每個(gè)地區(qū)和整個(gè)調(diào)查點(diǎn)河流恢復(fù)中最重要的目標(biāo)，通過百分?jǐn)?shù)歸一化來解釋居民假設(shè)的利益之間的比較權(quán)重和相對(duì)重要性。對(duì)于所有受訪者，層次分析法結(jié)果表明，RC 是最重要的 因 素（0.34），其 次 是WQ（0.28）、FP（0.22）和SF（0.16）。受訪者的興趣因調(diào)查地區(qū)不同而略有不同。在所有地區(qū)，RC 值最高（0.29～0.38），SF 值最低（0.14～0.18）。此外，每個(gè)河流區(qū)域的受訪者對(duì)FP 都有不同程度的興趣。S1 和S4 地區(qū)的受訪者對(duì)FP 的重視程度為0.22（22%），但中游S3 地區(qū)的受訪者對(duì)FP 的重視程度較低，為0.16（16%）。S3 地區(qū)中較低的防洪加權(quán)百分比水平與該地區(qū)周圍城市化程度較低、森林和自然植被覆蓋率較高有關(guān)，受訪者并未察覺到現(xiàn)場(chǎng)有水浸風(fēng)險(xiǎn)。與其他子流域相比，S2 地區(qū)的受訪者對(duì)FP 和SF 的偏好高于其他區(qū)域，而對(duì)WQ 和RC 的偏好水平相對(duì)較低。RC 在S2 地區(qū)的4個(gè)目標(biāo)中得分最高。

表1 AHP 加權(quán)百分比（AHP 指數(shù)）

4.2 分項(xiàng)評(píng)估

棲息地評(píng)估。8 個(gè)地點(diǎn)的平均棲息地評(píng)估得分為82.3 分（滿分200 分），表明改善河流走廊沿線的水生棲息地的潛力很大。預(yù)算限制決定了此時(shí)生態(tài)恢復(fù)僅限于上游。第一階段的評(píng)估分?jǐn)?shù)為96.5 分，略高于整個(gè)項(xiàng)目區(qū)的平均水平。然而，與潛力相比，流量仍然很低。單個(gè)參數(shù)得分的結(jié)果表明，在改善河流左右岸的水池變異性、河道流量狀態(tài)和恢復(fù)植被方面具有特別好的潛力。

河岸帶的評(píng)估。CityGreen 分析表明，該地區(qū)失去了河岸森林提供的生態(tài)服務(wù)近90%的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這一數(shù)字由預(yù)先開發(fā)條件下木材中固碳率和儲(chǔ)存碳的價(jià)值與當(dāng)前剩余木材的數(shù)量之比得出。

水文學(xué)。城市化導(dǎo)致流域流量增加，從一年一遇暴雨時(shí)的6.5 倍增加到百年一遇暴雨時(shí)的1.8 倍（見圖2）。由于流量的增加，設(shè)計(jì)流量被反復(fù)擴(kuò)大。恢復(fù)設(shè)計(jì)必須考慮通道尺寸增加的流動(dòng)。在研究區(qū)域內(nèi)，有足夠的空間允許漫灘洪水，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)保持河道較小，以便將低流量限制在具有足夠深度的狹窄河道內(nèi)，以保證一定的水池和河道可變性。

圖2 歷史、當(dāng)前和預(yù)測(cè)流域峰值流量

本研究的HEC-RAS 模型在恢復(fù)前和恢復(fù)后的結(jié)果顯示，該項(xiàng)目沒有導(dǎo)致百年洪水水面高程上升。

地貌對(duì)河流影響的分析顯示，在項(xiàng)目較低端的橋梁處，從早期渠化開始，一條渠道正在向上游延伸。流域范圍內(nèi)的任何修復(fù)工作都必須首先處理起始段切口。通過討論分析，決定在切口上方建造一個(gè)人造淺溝作為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步分析河流的地貌特征，結(jié)果表明，由于坡度和河岸高度，其中一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的能量大于河流中物質(zhì)所能抵抗的能量，結(jié)果河流被向下切割進(jìn)入河床而使河床受到侵蝕。根據(jù)修正的通用土壤流失方程計(jì)算出的年流域沉積物產(chǎn)量為1 040 t。通過模型預(yù)測(cè)，在滿岸條件下，河流中的泥沙輸移量將略高，為1 080 t/a，這種微小的差異被認(rèn)為是不顯著的，只是它強(qiáng)化了數(shù)據(jù)，表明該河段的河流正在退化。對(duì)河岸和河床的目視檢查也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在第二和第三河段，河流已經(jīng)切入基巖，因此正在嚴(yán)重侵蝕河岸并擴(kuò)大。為了糾正這些問題，河段的設(shè)計(jì)要求增加河流的彎曲度以降低坡度，并在較低的河岸高度恢復(fù)泛濫平原。通過對(duì)河岸坡度以及高度的調(diào)整，能夠使得泥沙穩(wěn)定輸送，不會(huì)造成河岸的進(jìn)一步淤積或者侵蝕。在加長(zhǎng)的河流中設(shè)計(jì)了形式淺灘，以提供一致的坡度控制、水池沖刷和流量變化，改善河內(nèi)棲息地狀況。

修復(fù)設(shè)計(jì)。河段恢復(fù)的總體設(shè)計(jì)（見圖3）要求使用人工淺溝控制主動(dòng)水頭切割，延長(zhǎng)河流并降低河岸，以減少河流動(dòng)力，減少河床侵蝕，恢復(fù)河岸植被，為河流遮蔭并保護(hù)新河岸免受侵蝕。還加入了沿著河流新路線的人工淺灘設(shè)計(jì)，以增加通道內(nèi)水流的可變性并改善水池/淺灘結(jié)構(gòu)。為保證更持續(xù)的水流，并在河流中提供熱避難所，廢棄的渠道用過濾礫石填充，然后用濾布和土壤覆蓋，形成地下保水。相鄰學(xué)校停車場(chǎng)的排水系統(tǒng)將重新引導(dǎo)至該地下蓄水室。不透水區(qū)域在夏季暴雨季將為河流有效補(bǔ)給水。

圖3 上游修復(fù)設(shè)計(jì)

2004 年5 月，上游河段北支完成施工。從2004年5 月到2005 年2 月，射陽縣的降雨量超過81 cm。這一降雨量在2004 年7 月、2004 年10 月和2005年1 月造成了過岸洪水。此外，在淺灘下方形成了一個(gè)中等大小的沖刷孔，在淺灘上方也形成了一個(gè)中等大小的水池，兩個(gè)池子里都有魚。延長(zhǎng)的通道也按照預(yù)期建設(shè)，在每個(gè)人工淺灘下方形成了小沖刷池，每個(gè)淺灘上方形成了滑流。低流量通道形成良好，現(xiàn)在經(jīng)常能捕獲到蜉蝣和小龍蝦。

2004 年10 月，研究團(tuán)隊(duì)在改良后的河流河岸種植了138 棵樹木，由于之后又遇到一場(chǎng)溢流洪水事件，有幾棵樹不得不重新種植，很難在整個(gè)河段種植好所需的木本和草地植被。

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)預(yù)計(jì)到會(huì)有一些河岸侵蝕。然而在秋季，當(dāng)河流進(jìn)入改造河段時(shí)，第一個(gè)彎道處的侵蝕明顯過度，因此于2004 年12 月在該彎道安裝了縱向尖頂石趾保護(hù)裝置。其他水流事件并未對(duì)該河岸造成嚴(yán)重侵蝕。

4.3 GIS 分析結(jié)果

流域內(nèi)的城市土地覆蓋等級(jí)存在顯著差異（見圖4）。S1 和S2 位于下游，被高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)域包圍，標(biāo)記為居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)，這些地區(qū)遭受了嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。相比之下，S3 和S4 則被居民區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)與林區(qū)所包圍。環(huán)境感知和個(gè)人對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)的意識(shí)可能因調(diào)查地點(diǎn)而異，這種變化也反映出不同地點(diǎn)的不同自然環(huán)境背景和城市化程度。

圖4 土地覆蓋空間分布特征示意

5 結(jié)語

本研究證明了對(duì)分析河流的生態(tài)服務(wù)可以為河流修復(fù)工程的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并簡(jiǎn)要闡述了完成重建項(xiàng)目的方法，提出將綠道作為城市總體規(guī)劃過程的一個(gè)組成部分是十分必要的。在今后的研究中，應(yīng)考慮在其他區(qū)域開展進(jìn)一步的綠道技術(shù)示范，以強(qiáng)調(diào)保護(hù)綠道的必要性。