摘 要：根據(jù)農(nóng)村水系特征，基于生態(tài)水工學(xué)理論方法，在充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)功能基礎(chǔ)上，在河流地貌形態(tài)、水系格局、岸坡防護(hù)、棲息地加強(qiáng)及生態(tài)文化景觀等方面構(gòu)建農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)體系，促進(jìn)形成生態(tài)健康、自然美感、承載鄉(xiāng)愁的農(nóng)村水系特征，提升農(nóng)村水系生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

農(nóng)村水系是振興鄉(xiāng)村綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展、建設(shè)鄉(xiāng)村水生態(tài)文明的重要依托。近年，國(guó)家和地方雖然高度重視農(nóng)村水系治理工作，但河湖萎縮、水質(zhì)惡化、生態(tài)退化等現(xiàn)象仍然普遍存在?，F(xiàn)有已開(kāi)展的治理工作，在改善和恢復(fù)天然河流的自然屬性、恢復(fù)河湖多樣性水文地貌條件、引導(dǎo)河湖生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)等方面，還存在欠缺。基于此，提出基于生態(tài)水工學(xué)的農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)體系，旨在促進(jìn)各地實(shí)踐中，形成生態(tài)健康、自然美感、承載鄉(xiāng)愁的農(nóng)村水系特征，提升農(nóng)村地區(qū)水系生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

01

治理理念及原則

生態(tài)水利工程學(xué)（簡(jiǎn)稱“生態(tài)水工學(xué)”） 是研究水利工程在滿足人類社會(huì)需求的同時(shí)，兼顧水生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求的原理與技術(shù)方法的工程學(xué)科?；谏鷳B(tài)水工學(xué)的農(nóng)村水系自然化治理技術(shù)是指根據(jù)農(nóng)村水系特征，基于生態(tài)水工學(xué)理論方法，在充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)自修復(fù)功能基礎(chǔ)上，在河流地貌形態(tài)、水系格局、岸坡防護(hù)、棲息地加強(qiáng)及生態(tài)文化景觀等方面采取各類工程或非工程措施，促進(jìn)形成生態(tài)健康、自然美感、承載鄉(xiāng)愁的農(nóng)村水系特征，提升農(nóng)村水系生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，同時(shí)使已經(jīng)人工化、渠道化的河流廊道恢復(fù)原有的自然特征。這種自然化不是對(duì)原有河流的完全復(fù)原，也不是創(chuàng)造一條新的河流，而是恢復(fù)河流廊道的自然屬性和主要生態(tài)特征。農(nóng)村水系治理應(yīng)遵循 “協(xié)調(diào)發(fā)展、生態(tài)完整、順應(yīng)自然、適度引導(dǎo)”的原則。其核心是尊重農(nóng)村地區(qū)自然規(guī)律和社會(huì)發(fā)展規(guī)律、順應(yīng)和保護(hù)自然，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。協(xié)調(diào)發(fā)展指的是河道治理應(yīng)服從流域綜合規(guī)劃、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、水資源保護(hù)規(guī)劃、水生態(tài)修復(fù)規(guī)劃及其他各類水污染治理、水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃等；生態(tài)完整是指滿足和兼顧水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性，涵蓋基本水生態(tài)要素，包括水文情勢(shì)、河湖地貌形態(tài)、水體物理化學(xué)性質(zhì)和生物群落等；順應(yīng)自然河流自然化治理應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)的 “自組織、自設(shè)計(jì)”功能，通過(guò)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的全面評(píng)估和健康診斷，識(shí)別主要脅迫因子，在重點(diǎn)生態(tài)要素上采取修復(fù)措施；適度引導(dǎo)指的是在設(shè)計(jì)時(shí)能依靠生態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)功能，通過(guò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的適度良性干擾，采取“引導(dǎo)性”設(shè)計(jì)方法，使河流生態(tài)系統(tǒng)向健康方向演替。

02

自然化治理體系

農(nóng)村水系自然化治理 技術(shù)體系包括河道擬自然地貌形態(tài)恢復(fù)、水系連通、自然型岸坡防護(hù)、河道內(nèi)棲息地改善技術(shù)及生態(tài)文化景觀構(gòu)建技術(shù)等。

1.河道擬自然地貌形態(tài)修復(fù)

河道擬自然地貌形態(tài)修復(fù)技術(shù)指河流地貌縱向、橫向、垂向的擬自然化修復(fù)， 主要包括河流平面形態(tài)、河道斷面及河道縱坡設(shè)計(jì)。

（1）平面形態(tài)構(gòu)建

鄉(xiāng)村自然河流的平面形態(tài)往往表現(xiàn)為蜿蜒性、多樣性及與河漫灘之間的連通性。已經(jīng)渠化的河流也可以在原有基礎(chǔ)上對(duì)河道進(jìn)行平面蜿蜒性構(gòu)建，可采用復(fù)制法、類比法、經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬等方法?；謴?fù)過(guò)程可采用直接改造方式，也可通過(guò)修建適宜的河流內(nèi)建筑物（如丁壩）以自然力方式使河流在多年沖淤變化中逐漸形成穩(wěn)定的彎曲形態(tài)。計(jì)算蜿蜒型河道參數(shù)常采用水文地貌經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式。在計(jì)算出蜿蜒型形態(tài)各項(xiàng)參數(shù)以后，就可以以此繪制河流主槽深泓線。于子鋮在北京市南沙河河流最佳蜿蜒度研究中采用了數(shù)值模擬探討了河流不同平面蜿蜒形態(tài)與流速水深分布多樣性、所選特征魚(yú)類適宜生存流速水深以及河流的行洪安全要求三方面之間的關(guān)系，從而確定了該河流的最佳蜿蜒度?；謴?fù)河流的蜿蜒性，不僅使渠化河流恢復(fù)其自然蜿蜒程度，還恢復(fù)與老河灣、蓄滯洪區(qū)、灘區(qū)之間的連通性，使修復(fù)后的河流重新獲得深潭、溪流、淺灘等地貌單元，改變已經(jīng)退化的灘地和洼地條件。

（2）自然型河道斷面設(shè)計(jì)

自然河流斷面具有多樣性特征，大部分河流斷面是非對(duì)稱的，深淺不一，斷面形狀隨河流分布位置及類型各有不同。斷面多樣性是河流生物多樣性的重要支撐，河流橫斷面修復(fù)應(yīng)具有深潭、淺灘、河漫灘及錯(cuò)落有致的植被群落。以往人工改造的河流，往往采取梯形、槽形等幾何對(duì)稱斷面，而且沿河保持不變，損害了棲息地的多樣性，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)不同程度的退化。

河道斷面設(shè)計(jì)原則如下：①河道斷面應(yīng)能滿足行洪需要，特別是設(shè)有堤防的河道，應(yīng)保障設(shè)計(jì)洪水作用下的行洪安全。②盡可能采用接近自然河道的幾何非對(duì)稱斷面，即使采取對(duì)稱斷面也應(yīng)采取復(fù)式斷面。③選擇適宜的斷面寬深比，防止淤積或沖刷。④蜿蜒型河道布局設(shè)計(jì)，應(yīng)符合深潭-淺灘序列規(guī)律，形成緩流與急流相通、潭與淺灘交錯(cuò)的格局。⑤根據(jù)河流允許流速選擇河床材料類型和粒徑。⑥斷面設(shè)計(jì)與河濱帶植被恢復(fù)或重建綜合考慮。⑦通過(guò)歷史文獻(xiàn)分析和野外調(diào)查獲得數(shù)據(jù)資料是重要依據(jù)。

（3）河道縱坡設(shè)計(jì)

自然河流在縱坡上大多呈現(xiàn)階梯狀態(tài)，不論是順直的山溪山澗，還是帶有深潭—淺灘序列的蜿蜒河流，因此在自然型河道治理中應(yīng)盡量避免對(duì)河床進(jìn)行單一縱坡開(kāi)挖。縱坡是決定河流形態(tài)的關(guān)鍵要素，山區(qū)河流往往由于過(guò)大的縱坡，河流下切嚴(yán)重，若不采取措施將加劇兩岸崩岸風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)修復(fù)河段的蜿蜒度變化和泥沙沖淤關(guān)系，需要調(diào)整、確定修復(fù)河段合理坡降。確定河流縱坡可通過(guò)：①選擇修復(fù)工程附近天然河道，并具有近似流量和泥沙特征，可參考該河段進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)。②根據(jù)待修復(fù)河段附近河谷和蜿蜒度確定河道坡降。

大尺度的河流縱坡能反映河流演變趨勢(shì)，如河段縱剖面反應(yīng)水庫(kù)蓄水引起的景觀變化和泥沙淤積；小尺度縱坡顯現(xiàn)地形地貌細(xì)節(jié)，包括河床地貌特征（如深潭、淺灘和江心洲等）和人工建筑物信息。流域尺度上的縱剖面反應(yīng)河流總坡降，其數(shù)值將根據(jù)河流基準(zhǔn)面變化和地殼上升速度進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于修復(fù)工程，應(yīng)按河道進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)選擇橫斷面深泓線位置，范圍應(yīng)擴(kuò)展到修復(fù)河段上游下游，并包括深潭、淺灘和工程結(jié)構(gòu)。

2.水系連通技術(shù)

河湖水系連通性是水生態(tài)完整性五大生態(tài)要素特征之一。水系連通是水系內(nèi)物質(zhì)流、物種流和信息流等生態(tài)過(guò)程，在不同水期時(shí)河流縱向、橫向和垂向的物理連通和水文連通。物理連通是基礎(chǔ)，反映河流地貌結(jié)構(gòu)特征；水文連通是河湖生態(tài)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。物理連通和水文連通相結(jié)合，共同維系棲息地的多樣性和生物多樣性。

恢復(fù)河湖水系連通性的措施包括工程措施和管理措施。在縱向連通性修復(fù)方面，包括魚(yú)道工程、堰壩拆除、引水式電站生態(tài)改建等；管理措施有兼顧生態(tài)保護(hù)的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方法。解決水網(wǎng)阻隔問(wèn)題的工程措施是建設(shè)水網(wǎng)連通工程，管理措施為水閘群的優(yōu)化調(diào)度。在側(cè)向連通性恢復(fù)方面，針對(duì)河湖阻隔問(wèn)題的工程措施是建設(shè)河湖連通工程，針對(duì)河流-河漫灘系統(tǒng)阻隔問(wèn)題，可采取堤防后退、連通河漫灘孤立濕地和水塘等措施，管理措施是岸線管控制度及立法執(zhí)法等。在垂向連通性恢復(fù)方面，采用減滲控滲等措施解決地表水與地下水交換問(wèn)題。

3.自然型岸坡防護(hù)技術(shù)

河岸侵蝕和河道側(cè)向遷移是重要的自然地貌過(guò)程，但在人為活動(dòng)影響下，可能造成侵蝕加速。因此，必要情況下需要對(duì)河流岸坡進(jìn)行加固或修建堤防。自然河岸系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)自于河漫灘和河岸植被的相互作用，也是河流棲息地條件的重要部分。堤岸保護(hù)應(yīng)以修復(fù)河流自然功能為主旨，以不阻礙長(zhǎng)期自然水流過(guò)程發(fā)生為基本條件。農(nóng)村水系岸坡防護(hù)可以有兩種方法，一種是以護(hù)岸加固為目的通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞皆黾幼o(hù)岸抗侵蝕和坍塌能力，另一種是通過(guò)增加河岸防護(hù)結(jié)構(gòu)粗糙程度來(lái)削減水流沖擊，減緩水流流速的方式來(lái)保護(hù)堤岸，這種情況往往也同時(shí)創(chuàng)建具有沖刷、沉積、覆蓋的復(fù)雜水力條件和恢復(fù)河岸植物群落，具有恢復(fù)河岸棲息地的作用。自然型岸坡防護(hù)技術(shù)往往同時(shí)具有這兩方面作用，其結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)護(hù)岸基礎(chǔ)上利用植物和天然材料進(jìn)行防護(hù)，既能提供良好的棲息地條件，也能改善自然景觀。常規(guī)新建自然型岸坡防護(hù)技術(shù)主要包括天然植物護(hù)岸、石籠類護(hù)岸、木材-塊石類護(hù)岸、多孔透水混 凝土構(gòu)件及組合式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 1。

很多農(nóng)村地區(qū)的河道采用硬質(zhì)護(hù)岸技術(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行生態(tài)化改造。目前有針對(duì)硬質(zhì)坡式護(hù)岸的原位植生式生態(tài)化改造護(hù)岸結(jié)構(gòu)（專利CN208649992U），可直接在硬質(zhì)護(hù)岸的表面進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，使護(hù)岸結(jié)構(gòu)具有透氣、透水等性能，并滲透植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)，從而恢復(fù)河岸的植被，為生物提供良好的棲息場(chǎng)所。另外鄉(xiāng)村河流由于流經(jīng)多處村鎮(zhèn)農(nóng)田，往往承接大量生活污水、尾水及面源污染物，可應(yīng)用多單元岸坡型濕地水質(zhì)凈化技術(shù)（專利 CN208292818U）處理。

4.河道內(nèi)棲息地改善技術(shù)

河流地貌形態(tài)的多樣性決定了沿河棲息地的有效性、總量及復(fù)雜性，也影響與植被相關(guān)的遮陰效應(yīng)和水溫效應(yīng)。研究表明，河流生物群落物種多樣性與棲息地異質(zhì)性存在正相關(guān)關(guān)系。在河流廊道尺度上，不同類型棲息地的空間異質(zhì)性為種群動(dòng)態(tài)、種間關(guān)系、群落演替以及干擾傳播等多種生態(tài)過(guò)程提供了基礎(chǔ)。這種空間異質(zhì)性主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是水文和水力學(xué)因子時(shí)空分布及其變異性；二是地貌上各種成分的空間配置及其復(fù)雜性。河流棲息地包括河道內(nèi)棲息地、濱河帶棲息地、河漫灘棲息地以及季節(jié)性洪水濕地等，自然河流是與各棲息地保持良好連通的有機(jī)物高效利用系統(tǒng)。河流環(huán)境中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能涉及較多的特定場(chǎng)地分析，因此一般無(wú)法建立通用的設(shè)計(jì)程序，需根據(jù)場(chǎng)地和河道條件、面臨的風(fēng)險(xiǎn)及復(fù)雜程度確定評(píng)估最大沖刷深度、材料尺寸、水力條件等設(shè)計(jì)要素選取最為適合的計(jì)算方法和工具。

（1）礫石和礫石群

礫石和礫石群已經(jīng)在北美農(nóng)村地區(qū)成功地用于改善魚(yú)類棲息地，在河道中放置單獨(dú)的礫石或礫石群會(huì)產(chǎn)生不同的水深、基質(zhì)和流速，從而增加河床棲息地多樣性。礫石應(yīng)以隨機(jī)模式放置，以復(fù)制自然水流條件，且不會(huì)顯著改變整體水流狀態(tài)。通過(guò)將礫石的水力影響保持在較低或中等水平，產(chǎn)生局部沖刷， 同時(shí)將意外風(fēng)險(xiǎn)，如河床或河岸過(guò)度沖刷、碎屑堆積、上游沉積和回水、較高的水面雍高以及增加的河道切灘風(fēng)險(xiǎn)降至最低。因此，不允許巨礫堵塞河道，且其應(yīng)在河道斷面中保持相對(duì)較低的位置。美國(guó)俄勒岡州高速公路部門建議，在河流橫截面上礫石的放置應(yīng)不能阻塞超過(guò)1/3 的通道面積，合理限制值應(yīng)在20%到30%。聯(lián)邦高速公路管理局建議，如果河道的坡度小于3%，低流量時(shí)河流過(guò)流能力減少應(yīng)不超過(guò)1/5。

（2）生態(tài)堰壩

生態(tài)堰壩是一種低矮的結(jié)構(gòu)，通常由跨越河道寬度的礫石和圓木組成。放置大塊木材和圓木能加速帶有河岸森林河流的自然恢復(fù)，也可用于提高切灘河道的穩(wěn)定性，同時(shí)提供額外的棲息地效應(yīng)。形成石堰的巨石通過(guò)在單個(gè)巖石之間聚集水來(lái)改變水流的方向，在平面上形成一個(gè)指向上游的拱，其最低點(diǎn)位于拱的頂端。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)對(duì)河道深泓線重定向，控制河道的斷面形狀或改變和維護(hù)其寬深比，防止護(hù)岸侵蝕，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)適宜魚(yú)類棲息床的沖刷池，將低流量集中到更深、更窄的河槽，以改善平底河床中的魚(yú)類通道，回水上游增加淺灘水深，并實(shí)現(xiàn)自然分選沉積物。除了其他用途外，石堰還可以用于控制陡坡下切。應(yīng)盡量選擇有棱角的巖石，因?yàn)樗軌蚓o緊地鎖在一起，以防止在高速水流沖擊下發(fā)生移動(dòng)。

（3）河床基質(zhì)重構(gòu)

當(dāng)目標(biāo)河段位于水庫(kù)大壩下游，由于水庫(kù)攔水?dāng)r沙，使得下游河道的來(lái)沙大幅度減少，就有必要對(duì)河床基質(zhì)材料進(jìn)行重新鋪設(shè)。鋪設(shè)原則是：①具有足夠的穩(wěn)定性，保持河道泥沙沖淤平衡?？⒐ず蠼?jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，河流縱坡及橫斷面都不會(huì)發(fā)生重大變化。②提高河流棲息地質(zhì)量，為保護(hù)物種提供良好的棲息地條件。③提高美學(xué)價(jià)值，創(chuàng)造優(yōu)美的水景觀環(huán)境。基質(zhì)鋪設(shè)的一般步驟包括調(diào)查評(píng)估基質(zhì)現(xiàn)狀基質(zhì)材料構(gòu)成、類型（卵石、砂礫石、沙質(zhì)土、砂黏土、淤泥等）、材料特征（粒徑、角狀、嵌入程度）等，根據(jù)河床基質(zhì)的歷史狀況和發(fā)生的退化如渠道化、淤積、建筑垃圾傾倒，確定河床穩(wěn)定性及河勢(shì)穩(wěn)定性，選擇同一流域未被干擾的河段，比照參考其河床基質(zhì)材料狀況，同時(shí)明確生物種群清單及其棲息地需求，確定河道修復(fù)目標(biāo)。深潭-淺灘序列是自然蜿蜒性河的主要特征，深潭的基質(zhì)是顆粒較細(xì)的泥沙，淺灘河床是由粗礫而密實(shí)的卵石構(gòu)成，修復(fù)時(shí)宜根據(jù)淺灘急流段鋪設(shè)礫石和卵石，尤其是具有尖角的礫石應(yīng)具有相當(dāng)比例以利于礫石之間咬合。在急流河段布設(shè)大卵石、大漂石可以形成一系列小型堰壩魚(yú)梁，創(chuàng)造適宜的魚(yú)類棲息地。

5.生態(tài)文化景觀構(gòu)建技術(shù)

在景觀美學(xué)功能區(qū)營(yíng)造自然景觀，利用河湖水域岸線空間創(chuàng)造親水環(huán)境，使河湖成為休閑、運(yùn)動(dòng)、科普、文化教育的公共空間，充分發(fā)揮農(nóng)村水系獨(dú)有的美學(xué)和文化功能。河湖景觀應(yīng)明確河流—湖泊—濕地流域總體格局中的空間景觀定位，保持湖泊景觀與廊道景觀、濕地景觀的有機(jī)融合，形成既聯(lián)系又各具特色的自然景觀格局。河湖濱岸應(yīng)采用景觀協(xié)調(diào)性較好的護(hù)岸形式，植物搭配主次分明，富于四季變化，增添岸坡綠色，避免采用單調(diào)的傳統(tǒng)混凝土或漿砌石護(hù)岸結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足道路、人行步道通行要求。盡量減少商業(yè)設(shè)施和建筑物， 避免對(duì)自然景觀的破壞或環(huán)境污染。在景觀美學(xué)功能區(qū)，適當(dāng)布設(shè)親水平臺(tái)、棧道以及觀鳥(niǎo)臺(tái)和小型自然博物館等設(shè)施。對(duì)于建有多個(gè)魚(yú)塘的河湖濱岸帶可改造為多塘濕地。將魚(yú)塘的塘埂拆除至水面以下僅保留塘基，并利用拆除石料就地形成緩坡微地形。塘內(nèi)每間隔一定距離清理塘基，使塘內(nèi)外溝通，塘基呈散落狀分布。底泥污染較重的魚(yú)塘應(yīng)先清淤，并種植挺水、浮葉及沉水植物。