市河道生态化治理的设计方法
摘要：
围绕如何进行城市河道生态系统的恢复,从设计的角度对河道生态化治理提出多方面的要求与建议,抛弃传统设计方法,对生态设计方法进行了简述。
过去,城市河道治理往往偏重于水利灌溉、排水泄洪,护岸硬化、渠化现象严重,加上两岸居民生活污水、垃圾的排入,导致很多河道变成臭水沟,水生物无法生存,生态系统遭到极大破坏。在日益严峻的环境危机中,城市的建设者们开始寻找一条有效的生态化解决方案,以解决钢筋混凝土丛林中人与自然隔绝的现象,创造一个水清岸绿、虫叫蛙鸣、人与自然和谐生存的水岸环境[1]。
生态恢复是一个系统工程,河道的生态化治理措施应该是多方面、全方位的,而这些措施围绕的核心就是如何进行生态系统的恢复,这就对设计者提出了新的挑战[2]。每一个设计元素都应该为生态恢复创造有利条件,从而形成生态化河道,即通过人工物化,使治理后的河道能够贴近自然原生态,体现人与自然和谐共处,逐步形成草木丰茂、生物多样、自然野趣、水质改善、物种种群相互依存,并能达到有自我净化、自我修复能力的水利工程[3]。所以,设计者应该多利用自然的抗干扰、自我修复能力来处理人与自然的关系,而不是大量采用人工结构和形式来取代自然,这是生态设计与传统设计方法的区别。
1河道线型设计
河道线型设计即河道总体平面的设计。由于城市用地紧缺,河道滨水地带不断被侵占,水面越来越少,河宽越修越窄,但是为了泄洪的需要,要保证过水断面,只好将河道取直、河床挖深,这样对驳坎的强度要求就逐步提高,建设费用逐渐加大,而生态功能逐渐衰退,河道基本成为泄洪渠道,这与可持续发展的战略相悖。而生态化治理需要退地还河,恢复滨水地带,拆除原先视觉单调、生硬、热岛效应明显的渠道护岸,尽量恢复河道的天然形态,宜弯则弯,宽窄结合,避免线型直线化。
自然蜿蜒的河道和滨水地带为各种生物创造了适宜的生境,是生命多样性的景观基础。河湾、凹岸处可以为生物提供繁殖的场所,洪峰来临时还可以将其作为避难场所,为生物的生命的繁衍增加湿地、河湾、浅滩、深潭、沙洲等半自然化的人工形态,既增添了自然美感,又可以利用河流形态的多样性来改善生境的多样性,从而改善生物群落的多样性。相对于直线化的渠道,自然曲折的河岸设计更能够提高水中含氧量,增加曝气量,因此也更有利于改善生物的生存环境。
从工程的角度看,自然曲折的河道线型能够缓解洪峰,削减流水能量,控制流速,所以也减少了流水对下游护岸的冲刷,对沿线护岸起到保护作用。退地还河、滨水地带的恢复,使得城市建设设计人员在河道断面的设计上留有选择的余地,不需要采用高强度的结构形式对河滨建筑进行保护。顺应河势,因河制宜,无疑在工程经济性方面也是较为有利的。
2河道断面设计
河道断面的选择除了要考虑河道的主导功能、土地利用情况之外,还应结合河岸生态景观,体现亲水性,尽量为水陆生态系统的连续性创造条件。
传统的矩形断面河道既要满足枯水期蓄水的要求,又要满足洪水期泄洪的要求,往往采用高驳坎的形式,这样就导致水生态系统与陆地生态系统隔离,两栖动物无法跃上高驳坎,生物群落的繁殖受到人为的阻隔。梯形断面的河道在断面形式上解决了水陆生态系统的连续性问题,但是亲水性较差,陡坡断面对于生物的生长仍有一定的阻碍,而且不利于景观的布置,而缓坡断面又受到建设用地的限制。复式断面在常水位以下部分可以采用矩形或者梯形断面,在常水位以上部分可以设置缓坡或者二级护岸,在枯水期流量小的时候,水流归主河道,洪水期流量大,允许洪水漫滩,过水断面陡然变大,所以复式断面既解决了常水位时亲水性的要求,又满足了洪水位时泄洪的要求,为滨水区的景观设计提供了空间,而且由于降低了驳坎护岸高度,结构抗力减小,护岸结构不需要采用浆砌块石、混凝土等刚性结构,可以采取一些低强度的柔性护岸形式。人类活动较少的区域,在满足河道功能的前提下,应减少人工治理的痕迹,尽量保持天然河道面貌,使原有的生态系统不被破坏。所以在河道断面的选择上,应尽可能保持天然河道断面,在保持天然河道断面有困难时,按复式断面、梯形断面、矩形断面的顺序进行选择。
然而在河道治理的过程中,也应该避免断面的单一化。不同的过水断面能使水流速度产生变化,增加曝气作用,从而加大水体中的含氧量。多样化的河道断面有利于产生多样化的生态景观,进而形成多样化的生物群落。例如在浅滩的生境中,光热条件优越,适于形成湿地,以供鸟类、两栖动物和昆虫栖息。积水洼地中,鱼类和各类软体动物丰富,它们是肉食性候鸟的食物来源,鸟粪和鱼类肥土又能促进水生植物生长,水生植物又是植食鸟类的食物,从而形成了有利于鸟类生长的食物链。深潭的生境中,由于水温、阳光辐射、食物和含氧量随水深变化,所以容易形成水生物群落的分层现象。
3河道护岸形式
传统的河道护岸在材质方面大多数采用混凝土及浆砌块石等硬质材料,整个护岸形成一个封闭的体系,犹如给河道穿上了一层盔甲,但只考虑了河道的安全性,却忽视了对河流环境和生态系统及其他动植物与微生物生存环境的影响;不仅阻碍了水生态循环系统,连动植物、微生物的整体生物链都被阻断;地下水与河水也不能及时的沟通,水循环过程被隔断,河道变成了只进不出的封闭水体,从而有悖于城市的生态化建设。
在建设生态河道的过程中,河道护岸是否符合生态的要求,是否能够提供动植物生长繁殖的场所,是否具有自我修复能力,是设计者应该着重考虑的事情。生态护岸应该是通过使用植物或植物与土工材料的结合,具备一定的结构强度,能减轻坡面及坡脚的不稳定性和侵蚀,同时能够实现多种生物的共生与繁殖、具有自我修复能力、具有净化功能、可自由呼吸的水工结构。
目前很多设计者提出了一些有效的护岸设计方法,如土工格栅边坡加固技术、干砌护坡技术、利用植物根系加固边坡的技术、渗水混凝土技术、石笼、生态袋、生态砌块等[4]。这些结构的共同点:一是具有较大的孔隙率,护岸上能够生长植物,可以为生物提供栖息场所,并且可以借助植物的作用来增加堤岸结构的稳定性;二是地下水与河水能够自由沟通,能够实现物质、养分、能量的交流,促进水汽的循环;三是造价较低,不需要长期的维护管理,具有自我修复的能力;四是护岸材料柔性化,适应曲折的河岸线型。但是生态护岸也有一些局限性,选用的材料及建造方法不同,堤岸的防护能力相差很大,所以要根据不同的坡面形式,选择不同的结构形式。坡面较缓的河段,可以选择生态砌块、土工格栅等柔性结构,而坡面较陡的河段,可以选择干砌块石、石笼、渗水混凝土等半柔性的结构;生态护岸建造初期强度普遍较低,需要有一定时间的养护,以便植物的生长,否则会影响到以后防护作用的发挥;施工有一定的季节限制,常限于植物休眠的季节。
俗话说“虾有虾径、蟹有蟹路”,各种生物都有自身独特的生活习性,而不同的生态护岸结构形式能够满足不同的生物生长繁殖需求,例如石材类护岸可以提供螺蛳、螃蟹等生物的寄居攀附,自然边坡及土工格栅护岸可以提供泥鳅等软体动物生长,浅滩地段适宜浮游生物的繁殖,深潭区域适宜鱼类活动,所以在驳岸形式上,要根据地形地貌、原始的植被绿化情况,选择多种护岸形式,为各种生物创造适宜的生长环境,体现生命多样性的设计构思,这样既可以保持丰富多样的河岸形式,延续原始的水际边缘效应,又给各种生物提供了生长的环境、迁徙的走廊,容易形成完整的生物群落。
4植物配置设计
植物根系可固着土壤,提高土壤持水性,增加土壤的有机质含量,既改善土壤的结构与性能,增加抗侵蚀能力和抗冲刷能力,起到固土护岸的作用,又能提高河岸土壤肥力,改善生态环境。而且随着时间的推移,植物不断生长,这些作用将会不断加强。
植物枝叶可截留雨水,过滤地表径流,水边植物的枝叶能抵消波浪的能量,从而起到保护堤岸、净化水质、涵养水源的作用。丰富的植物群落,也为动物、水生物提供产卵场与栖息地[5]。
植物还具有净化水质的作用,污水中的氮磷等物质被植物吸收,能够转化为生长所需要的营养成分,变废为宝,从而实现“污”“水”分离,降低河道富营养化水平。研究人员对生态化治理的河道进行监测发现,NH4+、TP、CODMn和SD指标都明显降低,水体质量得到显著提高[6]。
根据生长条件的不同,河道植物分为常水位以下的水生植物、河坡植物、河滩植物和洪水位以上的河堤植物。在选择植物的时候,不仅要达到丰富多彩的景观效果,层次感分明,给人以赏心悦目的视觉享受,而且要具有良好的生态效果,根据水位和功能的不同,选择适宜该水位生长的植物,并达到一定的功能。在常水位线以下且水流平缓的地方,应多种植生态美观的水生植物,其功能主要是净化水质,为水生动物提供栖食和活动场所,美化水面,根据河道特点选择合适的沉水植物、浮水植物、挺水植物,并按其生态习性科学地配置,实行混合种植和块状种植相结合;常水位至洪水位的区域是河道水土保持的重点,其上植物的功能有固堤、保土和美化河岸作用,河坡部分以湿生植物为主,河滩部分选择能耐短时间水淹的植物,河道植物的配置应考虑群落化,物种间应生态位互补,上下有层次,左右相连接,根系深浅相错落,以多年生草本和灌木为主体,在不影响行洪排涝的前提下,可种植少量乔木树种。洪水位以上是河道水土保持植物绿化的亮点,是河道景观营造的主要区段,群落的构建应选择以当地能自然形成片林景观的树种为主,物种应丰富多彩、类型多样,可适当增加常绿植物比例,以弥补洪水位以下植物群落景观在冬季萧条的缺陷。这样,水生植物与河边的灌乔木呼应配合,就形成了有层次的植物生态景观。
在植物种类的选择上,要尽量选择适宜本地区气候环境的物种,同时不造成外来物种入侵,植物生长后构成的景观层要分明。水际边缘地带要选择抗逆性好、管理粗放、植物根系发达、固土能力强的植物,比如香根草、百喜草等。人工污染较严重的河段或者郊区无污水管网的河段,要选择环保效果好,能有效地消除氮磷、油污、有毒化学物质的植物种类,以达到生态治河的目的,比如伊乐藻、苦草、狐尾藻、金鱼藻、浮萍、美人蕉等。有关研究表明,沉水植物比浮水、挺水植物更能有效去除污染物。有种植槽或湿地的地方,可以根据水生植物适应水深的情况,配置多种水生植物,重构水生植物、鱼类、鸟类、两栖类、昆虫类动物的良好栖息场所,比如芦苇、荷花等。
综上所述,生态河道的设计需要各方面因素的配合,设计者要拓宽思路,结合生态学、工程学、水利学的知识,相互补充,才能形成一套有效的设计方法。
河道的生态化治理是一个可持续发展的系统工程,要通过设计、施工、养护等一系列措施模拟一个生物生长的适宜环境,为各类水生、陆生和两栖类动物、植物以及微生物提供栖息、繁衍和避难的场所,并且,除采取工程和植被措施外,还必须有选择的放养水生动物及微生物,恢复生物的多样性,重建生物系统的生态链。