西北地區(qū)現代城市生態(tài)溝渠治理策略

代琦 王磊 靳萌

摘要 我國西北地區(qū)城市溝渠生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的損壞，給水生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和水資源的可持續(xù)利用造成很大危害，也為城市的健康有序發(fā)展帶來嚴重威脅。通過對生態(tài)溝渠的構成要素：渠水、渠道和渠岸進行剖析，探索了水量管控、水質凈化、自然型平面及豎向設計，以及多孔質駁岸及親水駁岸的建設策略與方法比較，為未來西北地區(qū)城市溝渠的生態(tài)治理提供參考依據。

關鍵詞 溝渠；生態(tài)治理；近自然化策略

中圖分類號 TU984 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）20-0181-05

Abstract The damage of ditchs ecosystem structure and function caused not only great harm to the water ecosystem biodiversity and the sustainable use of water resources but also great threat to the healthy and orderly development of the city. This article analyzed the essential factors of ditch， explore and compare the strategies and the ways of water control， water purify， natural design of plane and vertical， and designed porous material & hydrophilic bulkhead.

Key words Ditch；Ecological management；Nearnatural strategy

我國西北地區(qū)深居內陸，位于黃土高原—黃河中上游以西，昆侖山—阿爾金山—祁連山和長城以北，包括陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)5個省、自治區(qū)。由于地處亞歐大陸腹地，西北地區(qū)各城市屬大陸性干旱半干旱氣候和高寒氣候，除秦嶺以南地區(qū)外大部分地區(qū)降水稀少，全年降水量大部分地區(qū)在500 mm以下，存在地表水資源可供應量嚴重不足，地下水資源綜合補給量十分有限，水體污染負荷不斷增大，水土流失危害日益加重等諸多問題，日益成為西北地區(qū)城市社會經濟發(fā)展的主要制約因素。同時，隨著現階段市民對景觀品質的提升、社區(qū)生活的融入等精神層面的要求日益提高，對城市生態(tài)溝渠治理方面的研究逐漸受到重視。

溝渠，是為抗旱排澇而修建的人工輸水、配水設施，向灌區(qū)提供生活、生產、環(huán)境供水服務[1-2]。西北地區(qū)是一個降雨量少、蒸發(fā)量大、水資源相對缺乏的地區(qū)。在便于灌溉的平緩區(qū)域，河道淤積易抬高河床，造成土壤鹽漬化現象，為維護土地正常生產能力，西北地區(qū)城鎮(zhèn)修建了大量縱橫分布的溝渠體系，為城鎮(zhèn)居民提供了貼近自然環(huán)境的場所。但由于這些溝渠營建之初主要目的是維護農業(yè)生產發(fā)展，這就造成這些城市溝渠功能單一化，忽略了對生態(tài)環(huán)境的保護，缺乏系統(tǒng)化、生態(tài)化設計。加之溝渠處于城市建成區(qū)，原本的溝渠用地往往被市民活動無序侵占和開發(fā)，河道地勢狹窄，兩側人口稠密，不少溝渠出現斷流或變明渠為暗渠，嚴重影響了河道生態(tài)環(huán)境和周邊市民的使用體驗，具體體現在：①平面直線化?！敖貜澣≈薄崩砟钕?，目前溝渠平面形態(tài)設計過于機械，容易造成河床萎縮，河道水位變化過大，河岸侵蝕崩塌。②斷面隔離化。目前溝渠斷面形式多運用矩形和梯形斷面，周邊居民難以接近溝渠，親水性較差。③材質混凝土化。非滲透性界面導致溝渠水陸交錯帶喪失，缺少水域生物適宜生境。④流速單一化。水流失去活力。

因此，為實現西北地區(qū)現代城市生態(tài)溝渠水利功能和生態(tài)功能的雙贏，協(xié)調溝渠的功能性、生態(tài)性、經濟性和可持續(xù)性，筆者以西寧解放渠、中莊渠、禮讓渠水生態(tài)廊道工程為例，從溝渠的組成要素：渠水、渠道和渠岸3個方面，分別總結了生態(tài)溝渠的關鍵技術，為我國西北地區(qū)現代城市生態(tài)溝渠治理工程提供參考標準。

1 生態(tài)溝渠治理渠水治理

由于西北地區(qū)特殊的氣候條件與生態(tài)環(huán)境，對渠水的控制除水質凈化，即控制泥沙及化學污染之外，還需控制水量，保障旱期灌溉及汛期防洪截流功能。

1.1 水量管控

西北地區(qū)的天然降水和水源補給存在明顯的變化差異特征。該區(qū)域水源補給具有明顯的季節(jié)變化差異，夏季為汛期，徑流量占全年的40%～50%，冬春兩季一般只占10%～20%。同時，在地形條件較好的地區(qū)，如山體迎風坡，短時降雨強度不亞于東南沿海地區(qū)，其主要特點是雨強大、歷時短、時空分布不均。因此，該區(qū)域范圍內的溝渠在夏秋季節(jié)水位較高，冬春季節(jié)則水量較小，部分區(qū)域易出現斷流干涸現象。

構建現代城市生態(tài)溝渠，必須重新梳理溝渠與周邊水系的關系，針對性地進行水系連通，做好旱期保水。若溝渠采用混凝土硬化河床，雖滿足了河水防滲需求，提高了河床結構的穩(wěn)定性，但完全阻斷了渠水與環(huán)境的交流，若設計采用自然駁岸、河床形式在局部段濕陷性黃土基層上需做防滲處理，在滿足水系與基層物質能量交換的前提下，盡可能地防止水量下滲造成的損失（表1）。

針對汛期溝渠水位驟升的特點，建立綠色雨洪管理體系（表2），如在部分匯水區(qū)域擴大溝渠面積、增加島嶼、加強水系間聯(lián)通，形成網狀、辮狀或游蕩型河道的洪泛平原基底，或結合過渡區(qū)域（邊緣區(qū)域）綜合運用雨水滯留綠化等生態(tài)手段（圖1）和結合地形構建臺地、擋墻、滲濾溝等工程手段，將過量雨水滯留時間延長，緩解溝渠瞬時排水壓力。

1.2 水質凈化

渠道內水流的水質控制包括2個方面內容，即控制泥沙及化學污染?；钏械纳锸蛊浔旧砭邆湟欢ǔ潭鹊淖詢艄δ埽^自凈閾值，生活、生產污水不加限制地排入渠道，導致污染物質過量，溝渠的生態(tài)自凈作用就顯得微不足道。溝渠內化學污染需控制污染源才能解決根本問題，因此，研究不涉及受化學污染的溝渠。

在泥沙控制方面，僅依靠溝渠本身無法控制泥沙泄入，需結合溝渠與兩側陸地構建過渡區(qū)域（邊緣區(qū)域），綜合運用雨水滯留綠化等生態(tài)手段和結合地形構建臺地、擋墻、滲濾溝等工程手段，防止水土流失，控制泥沙泄入。

除在過渡區(qū)域（邊緣區(qū)域）構建生態(tài)及工程手段外，還可以結合生物膜凈水技術（表3）的薄層流法及礫間接觸氧化法有效增加水與微生物的接觸面積，形成生物膜凈水體系，進一步有效促進溝渠的水質凈化。

2 生態(tài)溝渠治理渠道治理

在空間形態(tài)上，渠道可劃分為平面與豎向2種形態(tài)，平面指渠道的上游至下游在空間上的形態(tài)變化，布萊爾利（Brierley）提出了河道平面形態(tài)的3種類型的河型可作為溝渠平面形態(tài)劃分的借鑒（圖2）：順直微彎型彎曲率在1.00～1.29、蜿蜒型彎曲率在1.30～3.00和分汊型。其中分汊型又可分為辮狀型、網狀型和游蕩型[3-4]。

豎向是指渠道基底高程沿河長變化的截面形態(tài)，可分為自然型和人工型，渠道豎向上高低不同的原因是渠道基底材質不同及渠道中水流運動對基底的侵蝕不同造成。一般而言，自然形成的河道河床豎向上凹凸不平，凸起的是淺灘，四陷的是深潭，從而形成深潭—淺灘序列。而人工形成的渠道，則由于材質的非滲透性，豎向上呈現較為規(guī)律的凸型、凹型、直線型和階梯型等形態(tài)[5]。

2.1 蛇形平面設計

對于西北地區(qū)常見的順直微彎型溝渠，應盡量恢復生態(tài)自然的水流平面形態(tài)，而不應為達到輸水效率任意“截彎取直”。水流的自然行進平面形態(tài)一般為曲折迂回的蛇形，即便是在看似順直的河段中，其最大水深位置的水流形態(tài)也必然是曲折前行，才能維持河道的動態(tài)平衡。

此外，在易匯水地段，溝渠的平面設計還應將硬質渠道改造為表流式人工濕地凈化體系（圖3），增加水系活性、功能及自我修復能力。通過大面積人工濕地的構建，不僅從生態(tài)技術層面凈化了水質，降低了水體含沙量，也提高了區(qū)域的景觀價值。

2.2 自然型豎向設計

不同于以往人工型溝渠規(guī)律化的豎向設計，生態(tài)溝渠的豎向設計應參考自然形成的河流形態(tài)，在渠道中采用人工拋石、溢流堰、丁壩等不同形態(tài)（圖4），借助水流自然沖刷的方式來恢復“深潭—淺灘”結構，形成高低落差的水面，營造不同水流速度，增強水流活力，增大水體含氧量（表4）。更重要的是，不同水深形成的不同生境，有利于生物多樣性的提高。

3 生態(tài)溝渠治理渠岸治理

渠岸是營造水生環(huán)境、實現人水互動的重要空間，過去西北地區(qū)溝渠的建設流行三面混凝土護岸的做法，最直接的目的是為了防洪、減少垃圾滯留與污染，雖然現實中此目的并未成功實現。營造河流生態(tài)系統(tǒng)的多孔質生境，合理布局親水駁岸、生態(tài)科普空間是生態(tài)溝渠治理的研究重點。

3.1 多孔質駁岸

從環(huán)境的實際適用性來講，生物多樣化的基礎即“多孔質的環(huán)境”[6-7]，例如，土壤必須有許多“孔隙”，才能容納水分、空氣，滋養(yǎng)細菌、微生物，分解生物的尸體、排泄物，進而供養(yǎng)昆蟲、鳥類乃至人類等高層次消費生物[8]。西北地區(qū)現代城市生態(tài)溝渠的治理，須破除以往渠岸設計單一采用的混凝土材質和矩形、梯形斷面，用較為豐富的斷面形式營造更多親水空間，用木樁、砌石、石籠等多種材質營造多孔質空間，為不同生物提供賴以生存的棲息地（圖5）。

3.2 親水駁岸

城市由水而生，由水而興。西北地區(qū)由于獨特的氣候與地形條件，城市中水資源尤為珍貴。城市范圍內的生態(tài)溝渠不僅促進了城鎮(zhèn)經濟的發(fā)展，提供生產生活所需的水源，同時城鎮(zhèn)濱水區(qū)也為城鎮(zhèn)居民提供了一個貼近自然生態(tài)環(huán)境的場所，溝渠沿線理應成為便于市民進入和使用，提升城市活力的賞景游玩、休閑游憩、文化傳承、科普教育之地。

4 結論與展望

西北地區(qū)現代城市溝渠的生態(tài)健康問題引發(fā)了社會對溝渠改造的諸多思考，城市不可抵抗的高密度發(fā)展以及日益變化的氣候所引發(fā)的城市洪澇災害等壓力，都使得西北地區(qū)城市溝渠的硬化、固化、隔離化等現象日益嚴重，失去了城市溝渠應有的自動力過程及生態(tài)服務功能。

對于舊城更新、新城建設中的西北地區(qū)城市溝渠，市民對生態(tài)環(huán)境的迫切需求以及城市的文化傳承、有序發(fā)展，迫使當前西北地區(qū)城市溝渠的生態(tài)化治理刻不容緩。

與發(fā)達國家相比，我國在城市溝渠生態(tài)治理的理論研究和實踐方面都起步較晚，西北地區(qū)城市溝渠生態(tài)化治理的理論與實踐在國內仍處于探索階段，要改變以往城市溝渠以輸水及水利防洪優(yōu)先的原則，忽略了人地互動、城水融合以及生態(tài)與技術的合作。溝渠的生態(tài)化治理作為推動城市功能優(yōu)化與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的重要手段，構建城鄉(xiāng)交融、功能互補、景觀多樣、綠色生態(tài)的開敞空間格局有著積極作用。該研究通過對生態(tài)溝渠的構成要素：渠水、渠道和渠岸進行剖析，探索了水量管控、水質凈化、自然型平面及豎向設計，以及多孔質駁岸及親水駁岸的建設策略與方法比較，希望可以為未來西北地區(qū)城市溝渠的生態(tài)治理提供參考。由于溝渠生態(tài)建設的系統(tǒng)性和城市發(fā)展的復雜性，西北地區(qū)城市生態(tài)溝渠治理的理論和時間需要多學科、多專業(yè)的配合，從而制訂更具操作性的實施策略，使溝渠生態(tài)化建設與治理朝著更科學、健康的方向發(fā)展。

參考文獻

[1] 陸琦，馬克明，倪紅偉.濕地農田渠系的生態(tài)環(huán)境影響研究綜述[J].生態(tài)學報，2007，27（5）：2118-2125.

[2] 陸海明，孫金華，鄒鷹，等.農田排水溝渠的環(huán)境效應與生態(tài)功能綜述[J].水科學進展，2010，21（5）：719-725.

[3] 董哲仁.河流生態(tài)修復[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[4] 張振興.北方中小河流生態(tài)修復方法及案例研究[D].長春：東北師范大學，2012：32-40.

[5] 北京市水利規(guī)劃設計研究院.當記憶被開啟：轉河設計畫冊[M].北京：水利水電出版社，2006：1-155.

[6] WU J，FUKAZAWA K，OHTANI J.Distribution of syringyl and guaiacyl lignins in hardwoods in relation to habitat and porosity form in wood[J].Holzforschung，1992，46（3）：181-185.

[7] FRANCE K A，GANSKOPP D G，BOYD C S.Interspace/undercanopy foraging patterns of beef cattle in sagebrush communities：Implications to sagegrouse nesting habitat[J].Rangeland ecology & management，2008，61（4）：389-393.

[8] SCHJNNING P，THOMSEN I K，CHRISTENSEN B T.Soil porosity as a habitat for microorganisms[C]//BRRESEN T.NJFseminar 286：Soil tillage and biology.Norway：Agricultural University of Norway，1998.