生态服务恢复的城市河流设计
时间：2023-05-28 20:00:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王勇
（江苏省盐城市射阳生态环境监测站，江苏射阳 224300）
盐城市射阳县的快速发展给当地的基础设施和自然资源带来了巨大压力。随着流域的不透水性增加［1］、河流的物理变化以及市政污水处理厂废水排放量的增加［2］，射阳县的水资源问题日益严重。为解决上述问题，盐城市射阳县的标准雨水排放具体措施为在不考虑溪流提供的生态服务条件下，疏导溪流以增加水力容量。在许多地区，河流通过人工修整，流道被拉直以符合土地界限。传统方法通常是建造梯形渠道来代替天然河流，随着峰值流量的不断增加，衬砌被混凝土代替。滞洪蓄水库通常被规划在新发展计划中，以减弱峰值流量［3］。射阳县流域排水的主要问题是营养成分升高、水体长期浑浊和淤积，已确定的污染物来源包括营养物、建筑和河岸侵蚀的点源和非点源污染。
环境保护部门建议重建地下水补给［4］，恢复和保护自然河流，建立或加强河岸缓冲带，作为控制城市非点源污染的管理措施；
建设绿道公园和步道，以保护河流的内在价值，同时增加房地产价值、居民支出和旅游［5］。由县水利和住建部门负责实施。研究表明，绿道以及绿道保护或增强溪流走廊提供的生态服务能力有重要价值。本研究的具体目标是示范保护城市溪流中关键生态服务的方法和技术，项目提案已提交各乡镇负责具体实施。
本研究选择射阳县某未开发的河流作为典型代表。该研究区域上端流域面积为9.3 km2，下端流域面积为15.5 km2。流域的平均坡度为2.8%。流域最大宽度为4.5 km，最大长度为5.6 km。土地覆盖率目前为8.1%的农田、9.7%的道路和路面、8.5%的商业、15.2%的工业、57.7%的住宅和0.8%的水面。本研究将河流分为3 段，上游380 m 流经草场，中部550 m流经完整河岸带，下游450 m 流经草林混杂区。
3.1 修复目标
通过了解居民的各种兴趣和价值观来衡量城市河流系统的主要功能与关键问题，从而将河流修复与河流管理进行明确区分（见图1）。一方面，在城市河流修复项目中，关键指标是居民对水质改善和河岸系统修复的行为与看法，这会直接影响修复后河流附近的房价；
另一方面，城市河道治理工程往往强调河道治理和防洪的水利工程功能。在河流管理中应考虑城市河流的多种用途，如城市河流还可以为市民提供审美、园艺等功能。然而，目前大多数河流恢复项目都集中在生态主题，例如野生动物栖息地和水生生态系统的修复。由于气候变化可能会引起主要城区的强烈降水，在进行河流修复项目时，应检查城市化地区的河流管理和防洪等其他因素。
图1 城市河道修复与管理的主要目标
3.2 分析方法
从栖息地评估角度出发，本研究对项目范围内的河流流域的8 个地点进行生境评估，评估时参考原国家环保总局的溪流及浅河快速生物评价方案评估议定书。来自生物工程、生态工程的3 个不同评估小组，在每个地点根据10 个不同的参数对信息流进行评估，将3 个小组得到的评估结果平均后，取最后的评分。
从河岸地区评估的角度出发，为了评估项目区域河岸带的状况，对100 年河漫滩内每棵树的大小和类型进行调查，将得到的树木类型数据输入使用CityGreen 扩展的GIS 数据库中，用CityGreen 来评估河岸带内剩余树木提供的碳固存价值与历史价值，进而评估河岸林对污染的衰减程度。
水文方面，利用ArcView GIS 软件和1 ∶240 00比例尺数字正交四分之一四边形（DOQQs）对流域进行了圈定，在项目入口和项目下端确定流域面积，土地利用/土地覆盖通过ArcView 来确定，使用ArcView 来确定平均流域坡度和河流长度。然后在估计的前期开发期间以及目前估计的充分开发条件下，利用自然资源保护部门的曲线数法，为研究区域开发了1，2，5，10，50，100 年暴雨的合成水文曲线。
在目标流域以60 m 的间隔测量河流的横截面。使用HEC-RAS 水力模型计算通过项目区的水面高程，然后将这些信息与应急管理部门研究的基础洪水高程进行比较。对曼宁系数的糙率n 进行了调整，将HEC-RAS 模型与应急管理部门的基准洪水高程进行校准。在修复设计完成后，HEC-RAS 也可用于记录洪水基准面有没有上升。
地貌学相关数据，渠道坡度和横截面积取自调查的河流横截面；
通过对河道冲刷、沉积特征和坡度变化的观察，现场确定全岸高程和宽度；
洪水易发区由两倍于满岸深度的河道宽度确定。将壕沟确定为洪水易发区宽度与河岸全宽之比。将河道坡度除以项目各河段的河谷坡度，确定河道弯曲度。在每个河段从一个岸滩到另一个岸滩进行沃曼卵石计数，以确定地层粒径值D16，D50 和D84。对设计河段的水流功率进行分析，以确定水流在系统中移动物料的能力。其中，流域提供的泥沙由修改后的通用土壤流失方程模拟。
本研究的主要目标是为城市行政管理人员提供参考，并且便于采取更可持续的以及对环境无害的排水办法。具体来说，本研究分析了城市采用绿道系统来保护河流的生态服务，基于大众认为需要保持清洁的沟渠，以水力输送洪水，并考虑替代做法的成本。
4.1 层次分析法（AHP）结果分析
根据修复目标，表1 考虑洪水风险预防（FP）、水流增强（SF）、水质改善（WQ）和河岸保护（RC）的加权值（一致指数＜0.10），按每个地区和整个调查点河流恢复中最重要的目标，通过百分数归一化来解释居民假设的利益之间的比较权重和相对重要性。对于所有受访者，层次分析法结果表明，RC 是最重要的 因 素（0.34），其 次 是WQ（0.28）、FP（0.22）和SF（0.16）。受访者的兴趣因调查地区不同而略有不同。在所有地区，RC 值最高（0.29～0.38），SF 值最低（0.14～0.18）。此外，每个河流区域的受访者对FP 都有不同程度的兴趣。S1 和S4 地区的受访者对FP 的重视程度为0.22（22%），但中游S3 地区的受访者对FP 的重视程度较低，为0.16（16%）。S3 地区中较低的防洪加权百分比水平与该地区周围城市化程度较低、森林和自然植被覆盖率较高有关，受访者并未察觉到现场有水浸风险。与其他子流域相比，S2 地区的受访者对FP 和SF 的偏好高于其他区域，而对WQ 和RC 的偏好水平相对较低。RC 在S2 地区的4个目标中得分最高。
表1 AHP 加权百分比（AHP 指数）
4.2 分项评估
栖息地评估。8 个地点的平均栖息地评估得分为82.3 分（满分200 分），表明改善河流走廊沿线的水生栖息地的潜力很大。预算限制决定了此时生态恢复仅限于上游。第一阶段的评估分数为96.5 分，略高于整个项目区的平均水平。然而，与潜力相比，流量仍然很低。单个参数得分的结果表明，在改善河流左右岸的水池变异性、河道流量状态和恢复植被方面具有特别好的潜力。
河岸带的评估。CityGreen 分析表明，该地区失去了河岸森林提供的生态服务近90%的经济价值。这一数字由预先开发条件下木材中固碳率和储存碳的价值与当前剩余木材的数量之比得出。
水文学。城市化导致流域流量增加，从一年一遇暴雨时的6.5 倍增加到百年一遇暴雨时的1.8 倍（见图2）。由于流量的增加，设计流量被反复扩大。恢复设计必须考虑通道尺寸增加的流动。在研究区域内，有足够的空间允许漫滩洪水，因此项目设计保持河道较小，以便将低流量限制在具有足够深度的狭窄河道内，以保证一定的水池和河道可变性。
图2 历史、当前和预测流域峰值流量
本研究的HEC-RAS 模型在恢复前和恢复后的结果显示，该项目没有导致百年洪水水面高程上升。
地貌对河流影响的分析显示，在项目较低端的桥梁处，从早期渠化开始，一条渠道正在向上游延伸。流域范围内的任何修复工作都必须首先处理起始段切口。通过讨论分析，决定在切口上方建造一个人造浅沟作为稳定结构。进一步分析河流的地貌特征，结果表明，由于坡度和河岸高度，其中一个区域产生的能量大于河流中物质所能抵抗的能量，结果河流被向下切割进入河床而使河床受到侵蚀。根据修正的通用土壤流失方程计算出的年流域沉积物产量为1 040 t。通过模型预测，在满岸条件下，河流中的泥沙输移量将略高，为1 080 t/a，这种微小的差异被认为是不显著的，只是它强化了数据，表明该河段的河流正在退化。对河岸和河床的目视检查也验证了这一点。在第二和第三河段，河流已经切入基岩，因此正在严重侵蚀河岸并扩大。为了纠正这些问题，河段的设计要求增加河流的弯曲度以降低坡度，并在较低的河岸高度恢复泛滥平原。通过对河岸坡度以及高度的调整，能够使得泥沙稳定输送，不会造成河岸的进一步淤积或者侵蚀。在加长的河流中设计了形式浅滩，以提供一致的坡度控制、水池冲刷和流量变化，改善河内栖息地状况。
修复设计。河段恢复的总体设计（见图3）要求使用人工浅沟控制主动水头切割，延长河流并降低河岸，以减少河流动力，减少河床侵蚀，恢复河岸植被，为河流遮荫并保护新河岸免受侵蚀。还加入了沿着河流新路线的人工浅滩设计，以增加通道内水流的可变性并改善水池/浅滩结构。为保证更持续的水流，并在河流中提供热避难所，废弃的渠道用过滤砾石填充，然后用滤布和土壤覆盖，形成地下保水。相邻学校停车场的排水系统将重新引导至该地下蓄水室。不透水区域在夏季暴雨季将为河流有效补给水。
图3 上游修复设计
2004 年5 月，上游河段北支完成施工。从2004年5 月到2005 年2 月，射阳县的降雨量超过81 cm。这一降雨量在2004 年7 月、2004 年10 月和2005年1 月造成了过岸洪水。此外，在浅滩下方形成了一个中等大小的冲刷孔，在浅滩上方也形成了一个中等大小的水池，两个池子里都有鱼。延长的通道也按照预期建设，在每个人工浅滩下方形成了小冲刷池，每个浅滩上方形成了滑流。低流量通道形成良好，现在经常能捕获到蜉蝣和小龙虾。
2004 年10 月，研究团队在改良后的河流河岸种植了138 棵树木，由于之后又遇到一场溢流洪水事件，有几棵树不得不重新种植，很难在整个河段种植好所需的木本和草地植被。
研究团队已经预计到会有一些河岸侵蚀。然而在秋季，当河流进入改造河段时，第一个弯道处的侵蚀明显过度，因此于2004 年12 月在该弯道安装了纵向尖顶石趾保护装置。其他水流事件并未对该河岸造成严重侵蚀。
4.3 GIS 分析结果
流域内的城市土地覆盖等级存在显著差异（见图4）。S1 和S2 位于下游，被高强度开发区域包围，标记为居民区、工业区和商业区，这些地区遭受了严重的洪水灾害。相比之下，S3 和S4 则被居民区、农业区与林区所包围。环境感知和个人对洪水风险的意识可能因调查地点而异，这种变化也反映出不同地点的不同自然环境背景和城市化程度。
图4 土地覆盖空间分布特征示意
本研究证明了对分析河流的生态服务可以为河流修复工程的设计提供理论依据，并简要阐述了完成重建项目的方法，提出将绿道作为城市总体规划过程的一个组成部分是十分必要的。在今后的研究中，应考虑在其他区域开展进一步的绿道技术示范，以强调保护绿道的必要性。
猜你喜欢 流域洪水河流 昌江流域9次致洪大暴雨的空间分布与天气系统分析成都信息工程大学学报(2021年3期)2021-11-22河流小太阳画报(2019年4期)2019-06-11流放自己的河流散文诗(2018年20期)2018-05-06又见洪水(外二首)天津诗人(2017年2期)2017-11-29河南省小流域综合治理调查人大建设(2017年6期)2017-09-26称“子流域”，还是称“亚流域”？中国科技术语(2016年4期)2016-11-19当河流遇见海少儿科学周刊·少年版(2015年11期)2015-12-17该做的和不该做的少儿科学周刊·儿童版(2015年7期)2015-11-24筑起堤坝，拦住洪水少儿科学周刊·儿童版(2015年7期)2015-11-24猛兽威力无比少儿科学周刊·儿童版(2015年7期)2015-11-24
