唐慧超
洪 泉*
岸線(Shoreline)在地理學(xué)上的意義通常是指一定水位下水域與陸域的交界線,隨著濱水岸帶開發(fā)活動的增多,人們對岸線的認(rèn)識逐步突破了地理學(xué)的概念,認(rèn)識到岸線也是一種資源,岸線包括一定范圍水域和陸域空間的國土資源,是水土結(jié)合的特殊資源[1]。中國“十三五”規(guī)劃中明確提出要構(gòu)建“自然岸線格局”,自然岸線已經(jīng)上升為與草原、濕地和森林具有同等重要地位的生態(tài)空間和自然資源,被列為國家生態(tài)文明建設(shè)的重要目標(biāo)[2]。
20世紀(jì)90年代以來,我國對河流生態(tài)修復(fù)愈加重視,在近自然化河道設(shè)計(jì)[3]、生態(tài)河堤建設(shè)[4-5]等方面已取得了一定研究成果。當(dāng)前岸線修復(fù)正處于工程治理向生態(tài)修復(fù)轉(zhuǎn)變的階段[6],制約岸線生態(tài)修復(fù)的主要因素在于:相關(guān)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)體系的研究較為薄弱[7];本底生態(tài)、水文數(shù)據(jù)不足[8];水利、生態(tài)、環(huán)境保護(hù)與風(fēng)景園林等學(xué)科間的合作交流有限,以及缺乏健全的實(shí)施機(jī)制[9]等。
美國自20世紀(jì)60年代已認(rèn)識到河流生態(tài)環(huán)境面臨的諸多問題,積極開展生態(tài)修復(fù)的相關(guān)研究與實(shí)踐活動[10]。1989年,2位美國學(xué)者M(jìn)itsch和Jorgensn提出了生態(tài)工程的定義[11],而后逐步將“生態(tài)工程”的方法應(yīng)用于河道生態(tài)修復(fù)。1998年,美國將《河溪廊道修復(fù)原則手冊》(Stream Corridor Restoration Principles,Processes and Practices)納入《國家工程手冊》,其中提出,美國在今后水資源開發(fā)管理中須優(yōu)先考慮河流生態(tài)恢復(fù)[12]。近幾十年來,美國河流修復(fù)項(xiàng)目激增,有學(xué)者建立了美國國家河流修復(fù)科學(xué)分析(NRRSS)數(shù)據(jù)庫,涵蓋了37 099個河流修復(fù)項(xiàng)目[13]。基于修復(fù)實(shí)踐,在岸線的生態(tài)系統(tǒng)評價、工程技術(shù)、設(shè)計(jì)方法、修復(fù)后評價等領(lǐng)域開展了廣泛研究[14-16]。多個州也結(jié)合自身情況制訂了具體的岸線修復(fù)導(dǎo)則、指導(dǎo)手冊[17-19]。研究和實(shí)踐表明,在適當(dāng)?shù)奈恢猛ㄟ^自然途徑進(jìn)行岸線修復(fù),可為野生生物提供棲息地,修復(fù)富營養(yǎng)化污染,減輕水浪和暴風(fēng)雨對岸線的影響,并增強(qiáng)濱水社區(qū)抵御颶風(fēng)的防災(zāi)韌性[20]。
美國在岸線修復(fù)方面的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)對于我國有借鑒意義,其中“哈德遜河可持續(xù)水岸線項(xiàng)目”較為典型,曾獲2015年美國環(huán)保署頒發(fā)的環(huán)境質(zhì)量獎,這也是環(huán)保署向公眾頒發(fā)的環(huán)保領(lǐng)域的最高獎項(xiàng)[21]。該項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)對于回應(yīng)我國當(dāng)前岸線修復(fù)中面臨的技術(shù)、數(shù)據(jù)、協(xié)作、實(shí)施等問題有較高的參考價值。因此本文以該案例為對象,從岸線生態(tài)與工程技術(shù)研究、空間信息支持、實(shí)踐示范、項(xiàng)目評估4個方面進(jìn)行深入分析,以期對我國水域岸線的研究、保護(hù)、修復(fù)和管理工作有所幫助。
哈德遜河(Hudson River)位于美國紐約州,長507km,發(fā)源于阿迪朗達(dá)克山脈(Adirondack Mountains)的云淚之湖(Lake Tear of the Clouds),流經(jīng)哈德遜河谷后向南匯入紐約港,流入大西洋,是北美重要的水路,也是紐約州的經(jīng)濟(jì)命脈。哈德遜河河口①長約246km,屬于潮汐河口,其范圍自特洛伊水壩(Troy Dam)至大西洋(圖1)。河口是地球上生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一,哈德遜河河口地區(qū)擁有豐富的自然資源,為魚類、鳥類等多種野生動物提供了棲息地,與沿岸居民的生產(chǎn)生活關(guān)系密切,對周邊區(qū)域發(fā)展影響重大。
圖1 哈德遜河河口區(qū)域地圖(洪泉改繪自參考文獻(xiàn)[23]2)
哈德遜河國家河口研究保護(hù)區(qū)設(shè)立于1982年,致力于河口的研究、管理及教育,隸屬于美國國家河口保護(hù)區(qū)研究系統(tǒng)(NERRS),是紐約州唯一的國家級河口研究保護(hù)區(qū)。自2008年起,該保護(hù)區(qū)啟動了哈德遜河可持續(xù)水岸線項(xiàng)目(Hudson River Sustainable Shorelines Projects,HRSSP),旨在為政府提供科學(xué)的水岸線管理途徑,以及應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性措施,以維護(hù)哈德遜河河口水岸地區(qū)重要的自然功能[22]。在最新修訂的《哈德遜河國家河口研究保護(hù)區(qū)管理規(guī)劃(2019—2024)》中,HRSSP仍是其重要的項(xiàng)目組成[23]53。
哈德遜河可持續(xù)水岸線項(xiàng)目主要由NERRS資助,屬于NERRS科學(xué)合作類項(xiàng)目,該類項(xiàng)目通過對科研項(xiàng)目進(jìn)行常規(guī)資助,為沿海管理問題提供科學(xué)的支持與解決途徑。HRSSP項(xiàng)目的實(shí)施由哈德遜河國家河口研究保護(hù)區(qū)牽頭,主要參與方包括卡里生態(tài)系統(tǒng)研究所(Cary Institute for Ecosystem Studies)、紐約州環(huán)境保護(hù)局哈德遜河河口項(xiàng)目組和史蒂文斯理工學(xué)院(Stevens Institute of Technology)等[24]。
所謂“可持續(xù)水岸線”是指在水岸線的管理實(shí)踐中,力圖保護(hù)水岸帶(shore zone)的野生動植物棲息地、生態(tài)效益、戶外休閑價值、社區(qū)生活質(zhì)量及相關(guān)水務(wù),從而保障后代的發(fā)展[25]。HRSSP作為科研性質(zhì)的實(shí)踐項(xiàng)目,有七大目標(biāo):1)描述河口與岸線的現(xiàn)狀與未來特征;2)確定岸線管理項(xiàng)目的生態(tài)、工程及經(jīng)濟(jì)權(quán)衡;3)闡釋岸線決策和機(jī)遇;4)展示創(chuàng)新的水岸線及最佳管理實(shí)踐;5)創(chuàng)建岸線決策工具,并促進(jìn)多方溝通;6)構(gòu)建成功案例的監(jiān)測方法;7)研究強(qiáng)風(fēng)暴對岸線性能的影響[26]。
研究發(fā)現(xiàn),HRSSP項(xiàng)目形成了“理論研究-場地分析-修復(fù)實(shí)踐-評估反饋”的完整閉環(huán),從而推動項(xiàng)目能夠有效實(shí)施。以下從岸線生態(tài)與工程技術(shù)研究、空間信息支持、示范案例庫建設(shè)、項(xiàng)目評估4個方面進(jìn)行分析。
岸線對于人類和自然均有著重要價值。人類可以利用水岸帶開展多種娛樂活動,并依據(jù)情況,適度進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。而水岸帶也是魚類、鳥類、爬行動物、兩棲動物和無脊椎動物的多個生命階段的重要棲息地。HRSSP項(xiàng)目的重要基礎(chǔ)工作之一,便是對岸線生態(tài)與工程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。相關(guān)科研成果可以概括為3個方面:自然與人工岸線對生態(tài)的影響比較[27-28]、岸線修復(fù)方案的總結(jié)與適宜性評估[29-30],以及應(yīng)對未來氣候變化的修復(fù)方案評估[31](表1)。這些研究成果為修復(fù)方案的制定和修復(fù)技術(shù)的推廣提供了強(qiáng)有力的理論支持。
厘清岸線侵蝕的現(xiàn)狀與成因是修復(fù)的關(guān)鍵。HRSSP的空間信息數(shù)據(jù)庫為了解哈德遜河岸線的侵蝕現(xiàn)狀、分析其成因,從而進(jìn)行適宜的修復(fù)設(shè)計(jì)提供了全方位的支持。在該項(xiàng)目中,空間信息數(shù)據(jù)不僅包括傳統(tǒng)的地形高程、自然資源等地理信息數(shù)據(jù),還包括岸線的物理作用力數(shù)據(jù)和分析模型[32](表2)。為了實(shí)施有效的岸線穩(wěn)固措施,需要充分考慮岸線受力情況,相關(guān)數(shù)據(jù)包括哈德遜河冰凍氣候數(shù)據(jù),船尾、風(fēng)浪、冰、風(fēng)暴潮和海流等作用力數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)的獲取與分析主要由史蒂文斯理工學(xué)院提供技術(shù)支持。
表1 HRSSP水岸帶生態(tài)與工程技術(shù)研究主要成果匯總
表2 支持哈德遜河水岸線設(shè)計(jì)的空間信息數(shù)據(jù)構(gòu)成
HRSSP空間信息數(shù)據(jù)是向公眾免費(fèi)開放的,這是因?yàn)槊绹?lián)邦指令要求,由聯(lián)邦資助的組織和項(xiàng)目應(yīng)主動向公眾公開其數(shù)據(jù)與信息[33],同時由于HRSSP屬于NERRS科學(xué)合作項(xiàng)目,按照該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)共享計(jì)劃(NERRS Science Collaborative Data Sharing Plan)要求,研究過程中如若產(chǎn)生新的研究數(shù)據(jù)或監(jiān)測數(shù)據(jù),除受到法律、法規(guī)、政策或安全的限制外,須在項(xiàng)目完成后向公眾免費(fèi)開放,或收取最低的數(shù)據(jù)服務(wù)費(fèi)[34]。充足的空間數(shù)據(jù)資源有助于相關(guān)人員更準(zhǔn)確地理解場地特征及影響場地的外力作用,進(jìn)行高效的場地分析,并以此為依據(jù)選擇適當(dāng)?shù)乃毒€修復(fù)技術(shù),完善決策過程。
該項(xiàng)目的示范案例主要通過評選產(chǎn)生,即由示范點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)咨詢委員會(Demonstration Site Network Advisory Committee)通過評分系統(tǒng)進(jìn)行篩選,已建成或規(guī)劃中的項(xiàng)目都可以申請?jiān)u選。目前,已有8個項(xiàng)目被納入HRSSP示范案例庫(表3)。這些案例代表了水岸線項(xiàng)目的最佳管理實(shí)踐,其所采用的岸線穩(wěn)定技術(shù),可以保持并增強(qiáng)岸線的生態(tài)服務(wù)功能,提高岸線應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性,與傳統(tǒng)岸線修復(fù)技術(shù)相比也更為經(jīng)濟(jì)。入選案例通過HRSSP項(xiàng)目平臺進(jìn)行展示,具體內(nèi)容除了包括項(xiàng)目建設(shè)成本、規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、實(shí)施過程等基本信息外,還包含方案的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、建成后的持續(xù)評估。后者可以讓人們更好地理解可持續(xù)水岸線修復(fù)技術(shù)如何控制水岸侵蝕,為循證設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
表3 HRSSP示范案例
在項(xiàng)目修復(fù)前、后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評估,對于檢驗(yàn)項(xiàng)目是否實(shí)現(xiàn)修復(fù)目標(biāo)至關(guān)重要[13]。HRSSP對于示范案例岸線的物理和生態(tài)性能進(jìn)行了持續(xù)的觀測與評估,并在2018年9月發(fā)布了《哈德遜河可持續(xù)水岸線快速評估手冊》。該評估手冊由卡里生態(tài)系統(tǒng)研究所、史蒂文斯理工學(xué)院等單位合作完成,可用于建設(shè)前、后的評估。在建設(shè)前評估水岸線結(jié)構(gòu)的物理和生態(tài)性能現(xiàn)狀,從而做出有效設(shè)計(jì)決策;在建成后追蹤修復(fù)后的岸線績效,監(jiān)測其持續(xù)性與變化,從而評估設(shè)計(jì)方案的適宜性[35]。
基于水岸的場地條件,通過簡單易行的評估方式(表4),土地管理員和岸線設(shè)計(jì)人員即可獲得基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。例如相關(guān)工作人員可以在手冊指引下測量水岸結(jié)構(gòu)在風(fēng)暴過后的性能變化,并將其與傳統(tǒng)的硬化岸線保護(hù)措施進(jìn)行比較,從而提出更有依據(jù)的岸線處理方法。該手冊的評估方法具有普適性,同樣適用于哈德遜河沿岸以外的其他地區(qū)。
表4 《哈德遜河可持續(xù)水岸線快速評估手冊》的主要評估內(nèi)容
綜上,河流岸線修復(fù)是需要多方合作的系統(tǒng)工程。全面系統(tǒng)的理論研究,準(zhǔn)確且高效的場地評估,選擇適當(dāng)?shù)男迯?fù)技術(shù),再通過長期監(jiān)測評估岸線修復(fù)成效,使得哈德遜河岸線修復(fù)工作得以有效實(shí)施。此外,為加強(qiáng)學(xué)科間的合作交流,哈德遜河國家河口研究保護(hù)區(qū)自2016年起組織了網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)與研討會,并將其被納入美國注冊規(guī)劃師、生態(tài)修復(fù)師、風(fēng)景園林師及工程師的繼續(xù)教育培訓(xùn)體系。培訓(xùn)內(nèi)容涉及岸線的修復(fù)技術(shù)、政策管理,讓項(xiàng)目參與者能夠更及時、全面地學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)、工具與研究成果。
伊索普斯草原保護(hù)區(qū)(Esopus Meadows Preserve)的示范點(diǎn)項(xiàng)目建成于2006年9月,并在2007年進(jìn)行了維護(hù)。該項(xiàng)目充分利用自然元素,將40m的硬質(zhì)岸線重建為自然岸線,在幾次颶風(fēng)過后表現(xiàn)良好,是通過生態(tài)方式提高岸線穩(wěn)定性的典型案例[36],曾在HRSSP網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)與研討會中作為成功案例進(jìn)行技術(shù)推廣。
該地區(qū)是哈德遜河河口最大的潮坪之一,風(fēng)光秀麗,同時也用于魚苗繁殖。改造前場地岸線為磚石駁岸,侵蝕明顯(圖2),沿岸的棲息地也受到了負(fù)面影響。該項(xiàng)目旨在為哈德遜河綠道水上游線建造??奎c(diǎn),同時把場地恢復(fù)為更自然、更美觀的狀態(tài)。
圖2 伊索普斯草原保護(hù)區(qū)示點(diǎn)改造前[37]
項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念是最大限度地利用本地材料來模仿自然岸線。首先,拆除磚石駁岸后,沿高潮線放置石塊作為基底,以防大潮(spring tide)的影響。然后在石基上方,放置軟質(zhì)石籠以重建和穩(wěn)定坡岸(圖3)。軟質(zhì)石籠用土工織物包裹土壤和巖石,土工織物由椰殼纖維編制而成,可完全生物降解。在軟石籠之間混種天然灌木物種以穩(wěn)定土壤,通過種植多種植物,降低植物退化或死亡的風(fēng)險。
圖3 2006年5月軟質(zhì)石籠施工中[37]
項(xiàng)目建成6個月后,場地岸線遭到暴風(fēng)雨襲擊,由于植物的生長情況還不足以固定堤岸,約5/6的軟石籠塌陷并向下傾斜。在2007年4月的場地修復(fù)中,設(shè)計(jì)人員延續(xù)了受損后的坡度,采用防侵蝕織物墊固定坡面,并通過活枝扦插補(bǔ)種植物。
項(xiàng)目建成后,研究人員對場地的水岸帶條件和生態(tài)功能進(jìn)行了評估,內(nèi)容包括水岸長度、水岸彎曲度、坡度、底物覆蓋率、植被類型和高度、高地土地利用情況等,以上數(shù)據(jù)將用作后續(xù)評估的基準(zhǔn)。對場地還進(jìn)行了風(fēng)波與氣象影響觀測,以評估風(fēng)浪、積冰對于侵蝕的影響。事實(shí)表明,場地在2011年颶風(fēng)艾琳(Irene)和熱帶風(fēng)暴李(Lee),以及2012年的颶風(fēng)桑迪(Sandy)中表現(xiàn)良好(圖4)。
圖4 2012年11月堤岸經(jīng)受住了颶風(fēng)桑迪的考驗(yàn)[37]
利用紐約港觀測及預(yù)報系統(tǒng)(NYHOPS)數(shù)字化模型對場地經(jīng)歷的3場風(fēng)暴及颶風(fēng)進(jìn)行了浪高與水位模擬(圖5、6),對比場地海拔高度,發(fā)現(xiàn)場地僅在桑迪期間被淹沒,但此次颶風(fēng)對場地的影響較為有限[38]。結(jié)合場地考察,認(rèn)為該項(xiàng)目岸線修復(fù)成效良好的主要原因:一是充分生長的根系對植被穩(wěn)定和水岸線抗侵蝕作用突出,而這也表明為新建岸線提供臨時性保護(hù)措施的重要性;二是在2007年暴風(fēng)雨過后,將塌陷后的堤岸坡度作為設(shè)計(jì)依據(jù),使得修復(fù)后的岸線更具耗散性,不易受到直接波的沖擊(圖7)。
圖5 颶風(fēng)艾琳、李、桑迪期間的伊索普斯地區(qū)的模擬浪高[38](洪泉改繪自參考文獻(xiàn)[38])
圖6 颶風(fēng)艾琳、李、桑迪期間的伊索普斯地區(qū)的模擬水位高度(洪泉改繪自參考文獻(xiàn)[38])
圖7 2020年7月植物充分生長,水岸線狀況良好(唐慧超攝)
HRSSP項(xiàng)目的理論與技術(shù)研究、工作方法與實(shí)施經(jīng)驗(yàn)為我國的岸線修復(fù)提供了借鑒,主要包括以下3個方面。
HRSSP項(xiàng)目將岸線修復(fù)工作的科學(xué)性放在第一位。岸線生態(tài)與工程技術(shù)的研究為基于自然的修復(fù)途徑提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)階段,基于場地數(shù)據(jù)的分析模型和決策系統(tǒng)為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持,使得設(shè)計(jì)過程更趨理性。在項(xiàng)目建成后,對場地進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測,及時評估風(fēng)暴等災(zāi)害對場地的影響,并將評估內(nèi)容與方法進(jìn)行總結(jié),編制成評估手冊進(jìn)行專業(yè)教育與技術(shù)推廣,為日后的循證設(shè)計(jì)提供依據(jù)。我國目前對水岸建設(shè)及岸線修復(fù)后的持續(xù)評估與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)不足,相關(guān)實(shí)踐多為論證設(shè)計(jì)而非循證設(shè)計(jì),應(yīng)重視岸線修復(fù)前、設(shè)計(jì)中、建成后,以及工作全過程的科學(xué)性。
岸線修復(fù)設(shè)計(jì)以水文、地形、自然資源等空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),這些數(shù)據(jù)對于理解岸線侵蝕現(xiàn)狀及其成因、重建濱水地帶野生動植物棲息地至關(guān)重要。美國的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)較為完善,許多州都建立了自己的數(shù)據(jù)庫,并按照美國的相關(guān)法規(guī)要求免費(fèi)對公眾開放[39],如哈德遜河的相關(guān)研究可以通過紐約州地理信息系統(tǒng)交互平臺直接獲取哈德遜河河口數(shù)據(jù)和地圖集[40]。
目前我國缺少對公眾開放的空間信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,而研究人員和規(guī)劃設(shè)計(jì)者也常常面對因數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致工作不能深入的尷尬境地。數(shù)據(jù)的獲取、整理與保存都需要大量的科研經(jīng)費(fèi)支持,而高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫建設(shè)與開放共享,不僅可以避免重復(fù)性的基礎(chǔ)性調(diào)研工作和經(jīng)費(fèi)浪費(fèi),還可以有效提升科研效率與深度[41]。建議我國政府相關(guān)機(jī)構(gòu)在對濱水城市水岸帶進(jìn)行保護(hù)與修復(fù)的工作中,制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn),建立信息收集、更新機(jī)制,加強(qiáng)空間信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)與共享。
HRSSP是由紐約州環(huán)境保護(hù)局的哈德遜河國家河口研究保護(hù)區(qū)負(fù)責(zé),而作為項(xiàng)目主要參與方的卡里生態(tài)系統(tǒng)研究所與史蒂文斯理工學(xué)院,為項(xiàng)目的數(shù)據(jù)獲取、建模、分析及評估提供了重要支持,也為項(xiàng)目的長期監(jiān)測提供了有力保障??蒲袉挝徊粌H為政府管理機(jī)構(gòu)提供了技術(shù)支持,也為設(shè)計(jì)單位的實(shí)踐工作開展奠定了重要基礎(chǔ)。岸線修復(fù)涉及政府管理機(jī)構(gòu)、科研單位、規(guī)劃設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、工程施工企業(yè)等眾多單位的合作與協(xié)同,應(yīng)將岸線的修復(fù)技術(shù)、管理政策等內(nèi)容納入相關(guān)工作人員線上或線下的職業(yè)教育培訓(xùn),使得相關(guān)人員能夠全面認(rèn)識工作的科學(xué)性,從而加強(qiáng)不同行業(yè)、學(xué)科間的交流。
致謝:感謝美國康奈爾大學(xué)區(qū)域與城市規(guī)劃系George R. Frantz教授對本文寫作和場地調(diào)研提供的幫助。
注釋:
① 河口為河流注入海洋、湖泊或其他河流的結(jié)合地段。