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城市河道生態化治理設計方法

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城市河道生態化治理設計方法

發布日期:2018-10-17 作者: 點擊:

過去,城市河道治理往往偏重于水利灌溉、排水泄洪,護岸硬化、渠化現象嚴重,加上兩岸居民生活污水、垃圾的排入,導致很多河道變成藏污納垢的臭水溝,水生物無法生存,生態系統遭到極大破壞。在日益嚴峻的環境危機中,城市的建設者們開始尋找一條有效的生態化解決方案,來解決鋼筋混凝土叢林中人與自然隔絕的現象,創造一個水清岸綠、蟲叫蛙鳴、人與自然和諧生存的水岸環境。
    

目前很多河道的生態環境一直得不到改善,主要有以下幾點原因:兩側居民的污水排入,使得硫磷等有害物質含量增加;河道中基本無生物繁殖,微生物、水生動物、植物對水質的凈化作用小;水中含氧量少,生物生長環境惡劣;硬化的駁坎護岸破壞了河岸與河床之間生態系統的聯系。所以生態化治理首先要從源頭控制,減少污染源,清淤換水,提高水質,其次種植水生濕生植物,重建生態護岸,使河水與地下水能夠互換溝通,提高水體的自潔能力。
    

很多設計者在河道生態化治理領域都進行了比較深入的研究,對駁岸形式、植物配置等方面提出了實質性的建議,但是生態恢復是一個系統工程,河道的生態化治理措施應該是多方面、全方位的,而這些方面的措施圍繞的核心就是如何進行生態系統的恢復,這就對設計者提出了新的挑戰:每一個設計元素都應該為生態恢復創造有利條件。所以,設計者應該多利用自然的抗干擾、自修復能力,來處理人與自然的關系,而不是大量采用人工結構和形式來取代自然,這是生態設計與傳統設計方法的區別。


 

河道生態化治理


 
1 河道線型設計
    河道線型設計即河道總體平面的設計。由于城市用地的緊缺,河道濱水地帶不斷被侵占,水面越來越少,河寬越修越窄,但是為了泄洪的需要,要保證過水斷面,只好將河道取直、河床挖深,這樣對駁坎的強度要求就逐步地提高,建設費用逐漸加大,而生態功能逐漸衰退,河道基本成為了泄洪渠道,這與可持續發展的戰略相悖。而生態化治理就需要退地還河,恢復濱水地帶,拆除原先視覺單調、生硬、熱島效應明顯的渠道護岸,盡量恢復河道的天然形態,宜彎則彎,寬窄結合,避免線型直線化。
       

自然蜿蜒的河道和濱水地帶為各種生物創造了適宜的生境,是生命多樣性的景觀基礎。河灣、凹岸處可以提供生物繁殖的場所,洪峰來臨時還可以作為避難場所,為生物的生命延續創造條件,而豐富多樣的水際邊緣效應是其它生態環境所無法替代的,在有條件的河段,還可以增加一些濕地、河灣、淺灘、深潭、沙洲等半自然化的人工形態,既增添了自然美感,又利用河流形態的多樣性來改善生境的多樣性,從而改善生物群落的多樣性。相對于直線化的渠道,自然曲折的河岸設計能夠提高水中含氧量,增加曝氣量,因此也有利于改善生物的生存環境。
    

從工程角度,自然曲折的河道線型能夠緩解洪峰,消減流水能量,控制流速,所以也減少了對下游護岸的沖刷,對沿線護岸起到保護的作用。退地還河、濱水地帶的恢復,使得設計人員在河道斷面設計上留有選擇的余地,也不需要采用高強度的結構形式對河濱建筑進行保護。順應河勢,因河制宜,無疑在工程經濟性方面也是有利的。


 

 

2 河道斷面設計
 
河道斷面的選擇除了要考慮河道的主導功能、土地利用情況之外,還應結合河岸生態景觀,體現親水性,盡量為水陸生態系統的連續性創造條件。

    

傳統的矩形斷面河道既要滿足枯水期蓄水的要求,又要滿足洪水期泄洪的要求,往往采用高駁坎的形式,這樣就導致了水生態系統與陸生態系統隔離,兩棲動物無法躍上高駁坎,生物群落的繁殖受到人為的阻隔。梯形斷面的河道在斷面形式上解決水陸生態系統的連續性問題,但是親水性較差,陡坡斷面對于生物的生長仍有一定的阻礙,而且不利于景觀的布置,而緩坡斷面又受到建設用地的限制。復式斷面在常水位以下部分可以采用矩形或者梯形斷面,在常水位以上部分可以設置緩坡或者二級護岸,這樣在枯水期流量小的時候,水流歸主河道,洪水期流量大,允許洪水漫灘,過水斷面陡然變大,所以復式斷面既解決了常水位時親水性的要求,又滿足了洪水位時泄洪的要求,為濱水區的景觀設計提供了空間,而且由于大大降低了駁坎護岸高度,結構抗力減小,護岸結構不需采用漿砌塊石、混凝土等剛性結構,可以采取一些低強度的柔性護岸形式,為生態護岸形式的選擇提供了有利條件。人類活動較少的區域,在滿足河道功能的前提下,應減少人工治理的痕跡,盡量保持天然河道面貌,使原有的生態系統不被破壞。所以在河道斷面的選擇上,應盡可能保持天然河道斷面, 在保持天然河道斷面有困難時,按復式斷面、梯形斷面、矩形斷面的順序選擇。
    

但是在河道治理的過程中,也應避免斷面的單一化。不同的過水斷面能使水流速度產生變化,增加曝氣作用,從而加大水體中的含氧量。多樣化的河道斷面有利于產生多樣化的生態景觀,形成多樣化的生物群落。例如在淺灘的生境中,光熱條件優越, 適于形成濕地, 供鳥類、兩棲動物和昆蟲棲息。積水洼地中, 魚類和各類軟體動物豐富, 它們是肉食性候鳥的食物來源, 鳥糞和魚類肥土又促進水生植物生長, 水生植物又是植食鳥類的食物, 形成了有利于鳥類生長的食物鏈。深潭的生境中,由于水溫、陽光輻射、食物和含氧量沿水深變化, 所以容易形成水生物群落的分層現象。


 

 

3 河道護岸形式
傳統的河道護岸在材質方面大多采用混凝土及漿砌塊石等硬質材料,整個護岸形成一個封閉的體系,猶如給河道穿上了一層盔甲,只考慮了河道的安全性,卻忽視了對河流環境和生態系統及其動植物及微生物生存環境的影響。青蛙無法跳越高高的河道護岸;泥鰍、螃蟹再也打不通堅硬的混凝土;小鳥、蜻蜓在水邊怎么也找不到落腳的蘆葦和水草;這些不僅阻礙了水生態循環系統,連動植物、微生物的整體生物鏈都被阻斷。地下水與河水也不能及時的溝通,水循環過程被隔斷,河道變成了只進不出的封閉水體。
    

在建設生態河道的過程中,河道護岸是否符合生態的要求,是否能夠提供動植物生長繁殖的場所,是否具有自我修復能力,是設計者應該著重考慮的事情。生態護岸應該是通過使用植物或植物與土工材料的結合,具備一定的結構強度,能減輕坡面及坡腳的不穩定性和侵蝕,同時能夠實現多種生物的共生與繁殖、具有自我修復能力、具有凈化功能、可自由呼吸的水工結構。
    

目前很多設計者提出了一些有效的護岸設計方法,有土工格柵邊坡加固技術、干砌護坡技術、利用植物根系加固邊坡的技術、滲水混凝土技術、石籠、生態袋、生態砌塊等方法。這些結構的共同點都是:⑴具有較大的孔隙率,護岸上能夠生長植物,可以為生物提供棲息場所,并且可以借助植物的作用來增加堤岸結構的穩定性;⑵地下水與河水能夠自由溝通,所以能夠實現物質、養分、能量的交流,促進水汽的循環;⑶造價較低,也不需要長期的維護管理,具有自我修復的能力;⑷護岸材料柔性化,適應曲折的河岸線型。但是生態護岸也有一些局限性,選用的材料及建造方法不同,堤岸的防護能力相差很大,所以要根據不同的坡面形式,選擇不同的結構形式,坡面較緩的河段,可以選擇生態砌塊、土工格柵等柔性結構,而坡面較陡的河段,可以選擇干砌塊石、石籠、滲水混凝土等半柔性的結構;生態護岸建造初期強度普遍較低,需要有一定時間的養護,以便植物的生長,否則會影響到以后防護作用的發揮;施工有一定的季節限制,常限于植物休眠的季節。
    

俗話說“蝦有蝦徑、蟹有蟹路”,各種生物都有其自身獨特的生活習性,而不同的生態護岸結構形式能夠適應不同的生物生長繁殖需求,例如石材類護岸可以提供螺螄、螃蟹等生物的寄居攀附,自然邊坡及土工格柵護岸可以提供泥鰍等軟體動物的生長,淺灘地段適宜浮游生物的繁殖,深潭區域適宜魚類的活動,所以在駁岸形式上,要根據地形地貌、原始的植被綠化情況,選擇多種護岸形式,為各種生物創造了適宜的生長環境,體現生命多樣性的設計構思,這樣既保持了豐富多樣的河岸形式、延續了原始的水際邊緣效應,又給各種生物提供了生長的環境、遷徙的走廊,容易形成完整的生物群落。
 


 

4 植物配置設計
植物根系可固著土壤,提高土壤持水性,植物根莖的生長對土壤具有改良作用,增加了土壤的有機質含量,改善了土壤的結構與性能,增加抗侵蝕能力和抗沖刷能力,起到固土護岸的作用,又能提高河岸土壤肥力,改善生態環境。而且隨著時間的推移,植物不斷生長,這些作用將會不斷加強。
    

植物枝葉可截留雨水,過濾地表逕流,水邊植物的枝葉能抵消波浪的能量,從而起到保護堤岸,凈化水質,涵養水源的作用。豐富的植物群落也為動物、水生物提供產卵場與棲息地。
    

植物還具有凈化水質的作用,污水中的氮磷等物質被植物吸收,能夠轉化為生長所需要的營養成分,變廢為寶,從而實現“污”“水”的分離,降低河道富營養化水平。研究人員對生態化治理的河道進行過監測,發現NH4+ 、TP、CODMn和SD指標都明顯降低,水體質量得到顯著提高。

根據生長條件的不同,河道植物分為常水位以下的水生植物、河坡植物、河灘植物和洪水位以上的河堤植物。我們在選擇植物的時候,不僅要達到豐富多彩的景觀效果,層次感分明,給人以賞心悅目的視覺享受,而且要具有良好的生態效果,根據水位和功能的不同,選擇適宜該水位生長的植物,并能達到一定的功能。在常水位線以下且水流平緩的地方,應多種植生態美觀的水生植物,它的功能主要是凈化水質,為水生動物提供棲食和活動場所,美化水面,根據河道特點選擇合適的沉水植物、浮水植物、挺水植物,并按其生態習性科學地配置,實行混合種植和塊狀種植相結合;常水位至洪水位的區域是河道水土保持的重點,其上植物的功能有固堤、保土和美化河岸作用,河坡部分以濕生植物為主,河灘部分選擇能耐短時間水淹的植物,河道植物的配置種植應考慮群落化,物種間應生態位互補,上下有層次, 左右相連接,根系深淺相錯落,以多年生草本和灌木為主體,在不影響行洪排澇的前提下,可種植少量喬木樹種;洪水位以上是河道水土保持植物綠化的亮點,是河道景觀營造的主要區段,群落的構建應選擇以當地能自然形成片林景觀的樹種為主,物種應豐富多彩、類型多樣,可適當增加常綠植物比例,以彌補洪水位以下植物群落景觀在冬季蕭條的缺陷。這樣,水生植物與河邊的灌喬木呼應配合,形成了有層次的植物生態景觀。
    

在植物種類的選擇上,要盡量選擇適宜本地區氣候環境的物種,同時不造成外來物種入侵,植物生長后構成的景觀層要分明。水際邊緣地帶要選擇抗逆性好、管理粗放、植物根系發達、固土能力強的植物,比如香根草、百喜草等。人工污染較嚴重的河段或者郊區無污水管網的河段,要選擇環保效果好,能有效地消除氮磷、油污、有毒化學物質的植物種類,以達到生態治河的目的,比如伊樂藻、苦草、狐尾藻、金魚藻、浮萍、美人蕉等,有關研究表明,沉水植物比浮水、挺水植物能更有效得去除污染物。有種植槽或濕地的地方,根據水生植物適應水深的情況,配置多種水生植物,重構水生植物、魚類、鳥類、兩棲類、昆蟲類動物的良好棲息場所,如蘆葦、荷花等。
    

綜上所述,生態河道的設計需要各方面因素的配合,設計者要拓寬思路,結合生態學、工程學、水利學的知識,相互補充,才能形成一套有效的設計方法。河道的生態化治理是一個可持續發展的系統工程,要通過設計、施工、養護等一系列措施模擬一個生物生長的適宜環境,為各類水生、陸生和兩棲類動物、植物以及微生物提供棲息、繁衍和避難的場所,并且,除采取工程和植被措施外,還必須有選擇的放養水生動物及微生物,恢復生物的多樣性,重建生物系統的生態鏈。我們希望看到經過生態治理的河道能夠拉近人與自然的距離,河流兩岸蒹葭蒼蒼、白灘漫漫,水面上輕舟蕩漾、水鳥游弋,水面下水草茂密、魚翔淺底。


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