河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)體系構(gòu)建

丁 洋，趙進(jìn)勇，張 晶，彭文啟，納月

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京100038）

0 引言

河湖水系是維系自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐［1］。高強(qiáng)度的人類脅迫是河湖水系的連通格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素［2］。部分河湖受連通受阻甚至連通斷絕的影響，進(jìn)而導(dǎo)致了行洪能力不足、水資源分配不均、水生態(tài)環(huán)境受損的情況［3］。河湖水系連通工程已成為我國(guó)應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻水問(wèn)題的一項(xiàng)重要措施。在《水利部關(guān)于推進(jìn)江河湖庫(kù)水系連通工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》［4］中，水系連通包括3 種功能類型：防洪減災(zāi)、水資源配置、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)。河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)以水生態(tài)環(huán)境修復(fù)為主，同時(shí)兼顧防洪減災(zāi)和水資源配置需求，是生態(tài)修復(fù)工程補(bǔ)短板的重要手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)河湖水系連通的研究大多集中于河湖水系連通評(píng)價(jià)方法［5-11］、布局優(yōu)化［12-15］及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［16-22］等，對(duì)河湖水系連通工程技術(shù)研究較少，尚未形成全面的河湖水系連通工程技術(shù)體系。筆者所在課題組承擔(dān)了水利部水利行業(yè)專項(xiàng)“河湖水系連通關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等項(xiàng)目，依托項(xiàng)目構(gòu)建了基于三流四維的河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)體系，可為國(guó)家及水利行業(yè)開(kāi)展河湖水系連通相關(guān)工作提供有力的技術(shù)支撐。

1 河湖水系連通性的內(nèi)涵

連通性的概念起源于生態(tài)學(xué)，傳統(tǒng)上將其定義為景觀促進(jìn)或阻礙資源斑塊之間的運(yùn)動(dòng)程度［23，24］。2000年之后關(guān)于連通性的研究與探討發(fā)展迅速，并涉及水文學(xué)、環(huán)境學(xué)與生態(tài)學(xué)多個(gè)學(xué)科［25］。根據(jù)連通性研究的對(duì)象與尺度，第47屆賓漢姆頓地貌學(xué)研討會(huì)將連通性分為水文連通性、沉積物連通性、地球化學(xué)連通性、河流連通性與景觀連通性［26］。河湖水系連通性的概念起源于Vannote 等［27］提出的“河流連續(xù)體”，其強(qiáng)調(diào)從源頭到河口的生物因子受環(huán)境因子的變化所呈現(xiàn)出的梯度變化。國(guó)外對(duì)于水系連通的研究主要是以流域水文循環(huán)角度來(lái)開(kāi)展，Pringle［28］將水文連通性定義為以水為媒介的物質(zhì)、能量和生物體在水文循環(huán)要素內(nèi)或要素之間的遷移或傳播的能力。國(guó)內(nèi)主要從水資源利用、水生態(tài)保護(hù)等方面對(duì)河湖水系連通進(jìn)行了研究，徐宗學(xué)［29］提出河湖水系連通是通過(guò)建設(shè)閘壩、水庫(kù)或者通過(guò)其自身隨著時(shí)間而改變?cè)行螒B(tài)的方式促成新的水力聯(lián)系。夏軍［30］等將河湖水系連通性定義為為維持流動(dòng)水體的穩(wěn)定及其相關(guān)的物質(zhì)循環(huán)狀況，維系、重塑或新建滿足一定功能目標(biāo)的水流連接通道。董哲仁等［31］認(rèn)為，水流是物質(zhì)流（水體、泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物等）、物種流（樹(shù)種漂流、魚類回游等）和信息流（水文情勢(shì)變化等）的載體，并指出河湖水系連通性是指在河湖縱向、橫向和垂向以及時(shí)間維度的結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性［32］。結(jié)構(gòu)連通性是功能連通性的基礎(chǔ)，反映河流地貌結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)也是功能連通性的約束，功能連通性是河湖生態(tài)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。結(jié)構(gòu)和功能連通性的概念不是彼此隔離的，結(jié)構(gòu)連通性表明潛在的水流運(yùn)動(dòng)，而功能連通性可以量化實(shí)際的水或溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)，并且還是輸送和傳遞物質(zhì)流、物種流和信息流的基礎(chǔ)［33］。結(jié)構(gòu)連通性與功能連通性相結(jié)合，共同維系棲息地的多樣性和種群多樣性。因此河湖水系的連通性也是物質(zhì)流、信息流和物種流的連通性。

綜上，筆者認(rèn)為河湖水系連通性可定義為以水為介質(zhì)的物質(zhì)、能量和信息在河流干支流、湖庫(kù)、濕地等流域水系單元內(nèi)部或單元之間的傳輸轉(zhuǎn)移過(guò)程及暢通程度，具有動(dòng)態(tài)性、循環(huán)性、多維度性等特征，對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)具有重要作用。

2 河湖水系連通對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響

河湖水系連通是物質(zhì)流、物種流、信息流的連通。水生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)具有高度關(guān)聯(lián)性和互饋性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)［25］，當(dāng)河湖水系連通發(fā)生變化導(dǎo)致三流受阻時(shí)，水生態(tài)系統(tǒng)中水文水動(dòng)力、水質(zhì)與生物進(jìn)而都會(huì)受到聯(lián)動(dòng)影響并發(fā)生反饋?zhàn)饔?，進(jìn)而降低河湖水環(huán)境質(zhì)量并破壞水生態(tài)系統(tǒng)。河湖連通性對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響如圖1所示。

圖1 河湖連通性對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響Fig.1 Impact of river and lake connectivity on water ecology

河湖水系連通對(duì)水文水動(dòng)力的影響主要體現(xiàn)在水庫(kù)、大壩等水利設(shè)施的修建改變了河湖自然的水文情勢(shì)，改變了河流的自然流動(dòng)規(guī)律，使水文情勢(shì)成為一種人工調(diào)控模式［34］。具體影響包括河湖水位的季節(jié)性變化、淹沒(méi)面積與頻率的變化、流量流速的變化、水體交換與更新（水齡）、河湖之間的補(bǔ)給方式等。河湖水系連通對(duì)水質(zhì)的影響主要通過(guò)影響河湖的水文情勢(shì)，進(jìn)而影響河湖水質(zhì)，河湖連通性受阻會(huì)增加河湖的水力停留時(shí)間，從而降低河湖的污染物稀釋降解能力，其次，河湖連通性受阻也會(huì)導(dǎo)致水溫、溶解氧等指標(biāo)的發(fā)生時(shí)空上的改變［35］。增加河湖水系連通性可以提高湖區(qū)水體流動(dòng)性，改善水系水動(dòng)力循環(huán)條件，使得“死水”變“活水”，從而加快水資源循環(huán)更新速率，提高河湖水系的自凈能力，增大河湖水系的水環(huán)境容量。河湖水系連通對(duì)水文水動(dòng)力的影響主要體現(xiàn)在對(duì)水體生境與生物的影響，首先，水沙連通是河湖連通的基礎(chǔ)，其中水是塑造河湖地形地貌的動(dòng)力條件，而泥沙是塑造河湖地形地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)［25］，地形地貌的多樣性塑造了生物生境的多樣性，故水體生境必然受到河湖連通的影響。其次，河湖連通性受阻導(dǎo)致河湖的年度豐枯變化和洪水脈沖受阻，從而影響生物信號(hào)的傳輸，進(jìn)而影響魚類等其他生物的產(chǎn)卵、索餌、遷徙等活動(dòng)［31］。

3 河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)體系構(gòu)建

在自然和社會(huì)活動(dòng)雙重脅迫下，河湖水系連通性受到退化或破壞。在較短的時(shí)間尺度內(nèi)，社會(huì)活動(dòng)的影響更為顯著。結(jié)構(gòu)連通性受損主要體現(xiàn)在閘壩阻隔和不透水的河湖護(hù)坡護(hù)岸、堤防襯砌結(jié)構(gòu)；功能連通性受損主要體現(xiàn)在河湖間水體吞吐受阻、自然水文節(jié)律受到影響等。河湖水系生態(tài)連通的目的是調(diào)整結(jié)構(gòu)、恢復(fù)過(guò)程和保障功能，調(diào)整河湖水系間的連通程度，恢復(fù)結(jié)構(gòu)連通關(guān)系和水力關(guān)系；順暢水系間物質(zhì)、物種、信息流動(dòng)和傳播，使河湖水體盡可能保留天然的水文及其伴隨過(guò)程節(jié)律及生態(tài)系統(tǒng)功能；達(dá)到總體改善水生態(tài)系統(tǒng)整體性的目的，保障河湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能正常發(fā)揮。以生態(tài)保護(hù)為主要功能的連通性修復(fù)任務(wù)表述為：修復(fù)河流縱向、橫向和垂向三維空間維度以及時(shí)間維度上的結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性，改善水動(dòng)力條件，促進(jìn)物質(zhì)流、物種流和信息流的暢通流動(dòng)，即河湖水系三流四維連通性修復(fù)。

在河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)中，為提高流域和區(qū)域水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力，改善河湖水體流通性，增強(qiáng)水體自凈能力，修復(fù)水生態(tài)功能，需通過(guò)各種技術(shù)，恢復(fù)河流和湖泊的縱向、橫向和垂向的連通性。因此，將河湖生態(tài)水系生態(tài)連通工程技術(shù)分為縱向連通工程技術(shù)、橫向連通工程技術(shù)和垂向連通工程技術(shù)。筆者所在課題組依托水利部水利行業(yè)專項(xiàng)“河湖水系連通規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，基于三流四維理論模型（三流四維理論模型介紹可參考董哲仁等研究）［32］，研發(fā)構(gòu)建了河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)體系，如圖2所示。

圖2 河湖水系生態(tài)連通工程技術(shù)空間分布示意圖（USEPA，2015）Fig.2 Schematic diagram of the spatial distribution of river and lake system connectivity engineering technologies（USEPA，2015）

3.1 縱向連通工程技術(shù)

在河流上建造大壩和水閘等水利設(shè)施，不但使物質(zhì)流（水體、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等）和物種流（洄游魚類、漂浮性魚卵、樹(shù)種等）運(yùn)動(dòng)受阻，而且因水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)造成自然水文過(guò)程變化導(dǎo)致信息流改變，影響魚類產(chǎn)卵和生存。恢復(fù)和改善縱向連通性的措施，包括綠色小水電建設(shè)、引水式水電站生態(tài)改建、水庫(kù)退役、建設(shè)過(guò)魚設(shè)施等。

3.1.1 綠色小水電發(fā)展及引水式電站閘壩生態(tài)改建

我國(guó)小型水電站主要分布在丘陵山區(qū)，且多為引水式電站。引水式電站對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾和破壞。引水式電站除了汛期短期棄水閘壩溢洪以外，在非汛期，電站運(yùn)行會(huì)造成閘壩與廠房間河段斷流、干涸，其長(zhǎng)度往往達(dá)到幾公里至十幾公里。其后果直接影響沿河居民飲水和用水，使水生植物失去水源供給，加之?dāng)r河閘壩阻礙了魚類和底棲動(dòng)物運(yùn)動(dòng)，給濱河帶植被和水生生物群落帶來(lái)摧毀性的打擊，造成河流生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化。2016年水利部印發(fā)了《水利部關(guān)于推進(jìn)綠色小水電發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》［36］，從小水電規(guī)劃、新建小水電站環(huán)境影響評(píng)價(jià)要求、最低生態(tài)流量保障、已建小水電站改造、監(jiān)控系統(tǒng)建立以及管理等諸多方面提出了政策要求。2017年水利部批準(zhǔn)發(fā)布了《綠色小水電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》［37］。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了綠色小水電評(píng)價(jià)的基本條件、評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法。

3.1.2 水庫(kù)退役

我國(guó)目前有大批水庫(kù)經(jīng)多年運(yùn)行庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，有效庫(kù)容已經(jīng)或基本淤滿，水庫(kù)已喪失原設(shè)計(jì)功能。另外，有些水庫(kù)大壩阻斷了水生生物洄游通道，威脅瀕危、珍稀、特有生物物種生存。對(duì)于這些有重大安全隱患、功能喪失或嚴(yán)重影響生物保護(hù)的水庫(kù)，經(jīng)論證評(píng)估應(yīng)對(duì)水庫(kù)降等或報(bào)廢。水庫(kù)降等與報(bào)廢以及大壩拆除是一項(xiàng)政策性和技術(shù)性很強(qiáng)的工作，必須充分論證，確?？茖W(xué)決策，避免決策任意性。2003年5月，水利部發(fā)布了《水庫(kù)降等與報(bào)廢管理辦法（試行）》［38］，2013年10月水利部發(fā)布了《水庫(kù)降等與報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》［39］。從行政規(guī)章和技術(shù)準(zhǔn)則兩個(gè)方面，規(guī)范了水庫(kù)降等與報(bào)廢工作。

3.1.3 過(guò)魚設(shè)施設(shè)置技術(shù)

在河湖水系生態(tài)縱向連通工程技術(shù)中，過(guò)魚設(shè)施設(shè)置技術(shù)是指為使洄游魚類繁殖時(shí)能溯河或降河通過(guò)河道中的水利樞紐或天然河壩而設(shè)置的建筑物及設(shè)施的總稱，通常采用的過(guò)魚設(shè)施包括魚道、仿自然通道、魚閘、升魚機(jī)和集運(yùn)魚船等［40］。

我國(guó)發(fā)布了兩種魚道設(shè)計(jì)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分別是2013年水利部發(fā)布的《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》［41］和2015年國(guó)家能源局發(fā)布的《水電工程過(guò)魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》［42］。魚道設(shè)計(jì)基本資料主要包括河段形態(tài)、水文、地質(zhì)、工程布置、工程特征水位及調(diào)度運(yùn)行方式。過(guò)魚對(duì)象資料包括種類、體長(zhǎng)、體寬、游泳能力、生活史、行為習(xí)性、主要過(guò)魚季節(jié)、洄游路線以及樞紐下游聚集區(qū)域狀況。魚道設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算和工程結(jié)構(gòu)計(jì)算，必要時(shí)開(kāi)展水工模型試驗(yàn)。

3.2 橫向連通工程技術(shù)

在河流橫向有兩類連通性受到人類活動(dòng)干擾。一類是河流與湖泊之間連通性受到圍墾和閘壩工程影響受到阻隔。另一類是河流與河漫灘之間連通性受到堤防約束而受到損害?；謴?fù)橫向連通性可以采取的工程措施包括恢復(fù)通江湖泊連通性、堤防后靠和重建、連通河漫灘孤立濕地、生態(tài)護(hù)岸技術(shù)、開(kāi)口式生態(tài)堤壩等。

3.2.1 恢復(fù)通江湖泊連通性

歷史上，由于圍湖造田和防洪等目的，建設(shè)閘壩等工程設(shè)施，破壞了河湖之間自然連通格局，造成江湖阻隔，使一些通江湖泊變成孤立湖泊，失去與河流的水力聯(lián)系。江湖阻隔使湖泊成為封閉水體，水體置換緩慢，使多種濕地萎縮。加之上游污水排放和湖區(qū)大規(guī)模圍網(wǎng)養(yǎng)殖污染，湖泊水質(zhì)惡化，呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)［43］。河湖阻隔的綜合影響是特有的河湖復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)退化，生態(tài)服務(wù)功能下降。

河湖連通工程，應(yīng)以歷史上的河湖連通狀況為理想狀況，確定恢復(fù)連通性目標(biāo)。但是完全恢復(fù)到大規(guī)模河湖改造和水資源開(kāi)發(fā)前的自然連接狀況幾乎是不可能的，只能以自然狀況下的河湖水系連通狀況作為參照系統(tǒng)，立足現(xiàn)狀，制定恢復(fù)連通性規(guī)劃。具體可取大規(guī)模水資源開(kāi)發(fā)和河湖改造前的河湖關(guān)系狀況，如20世紀(jì)50、60年代的河湖水系連通狀況作為理想狀況，通過(guò)調(diào)查獲得的河湖水系水文—地貌歷史數(shù)據(jù)，重建河湖水系連通的歷史景觀格局。但通江湖泊連通性的恢復(fù)，應(yīng)綜合考慮區(qū)域防洪安全等限制因素，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化決策分階段分區(qū)域逐步恢復(fù)通江湖泊的連通性。

3.2.2 堤防后靠和重建

在防洪工程建設(shè)中，一些地方將堤防間距縮窄，目的是騰出灘地用于經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)和農(nóng)業(yè)耕地，其后果一方面切斷了河漫灘與河流的功能連通性，造成河漫灘萎縮，喪失了許多濕地和沼澤，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化；另一方面，削弱了河漫灘滯洪功能，增大了洪水風(fēng)險(xiǎn)。生態(tài)修復(fù)的任務(wù)是將堤防后靠和重建，恢復(fù)原有的堤防間距，即將圖3 現(xiàn)狀（c）恢復(fù)到歷史上的（a）狀態(tài)。這樣既滿足防洪要求，也保護(hù)了河漫灘棲息地。堤防后靠工程除堤防重建以外，還應(yīng)包括清除侵占河灘地的建筑設(shè)施、農(nóng)田和魚塘等。

圖3 堤距縮窄導(dǎo)致河漫灘萎縮Fig.3 Shrinkage of river floodplain due to narrowing of dike spacing

3.2.3 連通河漫灘孤立濕地

河流在長(zhǎng)期演變過(guò)程中，形成了河漫灘多樣的地貌單元。在歷史上大中型河流的主河道由于自然或人工因素改道，原有河道成為脫離主河道的故道。由于河道自然或人工裁彎取直，形成了脫離河流主河道的牛軛湖。河漫灘上還有一些面積較大的低洼地，形成間歇式水塘。這幾種地貌單元在降雨或洪水作用下，形成季節(jié)性濕地。在自然狀況下，這類濕地與主河道之間存在間歇式的功能連通。當(dāng)汛期洪水漫溢到牛軛湖、故道或低洼地時(shí)，河流向這類濕地補(bǔ)水。在非汛期，這類濕地只能依靠降雨和少量的地表徑流匯入維持。

由于防洪需要建設(shè)堤防，完全割斷了河流與故道或牛軛湖的功能連通，使得故道或牛軛湖變成了孤立濕地。因缺乏可靠水源，孤立濕地的水位往往較低，旱季還可能面臨干涸的風(fēng)險(xiǎn)。孤立濕地中的水體缺乏流動(dòng)性，加之污染物排放，夏季常常出現(xiàn)水華現(xiàn)象，甚至變成蚊蟲(chóng)孳生的場(chǎng)所。

故道或牛軛湖濕地的生態(tài)修復(fù)有兩種情況。一種是故道或牛軛湖位于堤防以內(nèi)，生態(tài)修復(fù)的任務(wù)是修復(fù)河流—濕地的結(jié)構(gòu)連通性，控制水位，擴(kuò)大濕地面積，實(shí)現(xiàn)自流式補(bǔ)水。另一種是位于堤防外側(cè)，屬于孤立濕地。生態(tài)修復(fù)的任務(wù)是人工恢復(fù)河流—濕地的結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性，使?jié)竦鼐哂锌煽康乃床⒛軡M足濕地的生態(tài)水文需求，實(shí)現(xiàn)河流—濕地泵送補(bǔ)水。

3.2.4 生態(tài)護(hù)岸建設(shè)技術(shù)

在河湖水系生態(tài)橫向連通工程技術(shù)中，生態(tài)護(hù)岸建設(shè)技術(shù)指拆除硬質(zhì)不透水護(hù)底和岸坡防護(hù)結(jié)構(gòu)，采取自然化措施或多孔透水的近自然生態(tài)工程技術(shù)進(jìn)行岸坡侵蝕防護(hù)。

生態(tài)型岸坡防護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)主要需滿足規(guī)模最小化、外型緩坡化、內(nèi)外透水化、表面粗糙化、材質(zhì)自然化及成本經(jīng)濟(jì)化等要求。最終目標(biāo)是在滿足人類需求的前提下，使工程結(jié)構(gòu)對(duì)河流的生態(tài)系統(tǒng)沖擊最小，亦即對(duì)水流的流量、流速、沖淤平衡、環(huán)境外觀等影響最小，同時(shí)大量創(chuàng)造動(dòng)物棲息及植物生長(zhǎng)所需要的多樣性生活空間。生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)種類多樣，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，如土體生態(tài)工程技術(shù)、生態(tài)磚/魚巢磚等構(gòu)件、石籠席、天然材料墊、土工織物扁袋、混凝土預(yù)制塊、土工格室、間插枝條的拋石護(hù)岸、椰殼纖維捆、木框墻、三維土工網(wǎng)墊、消浪植生型生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件等［44］。其中，土體生態(tài)工程技術(shù)［45］大多利用自然材料，在自然力的作用下達(dá)到生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)的目的，主要有木樁、梢料層、梢料捆、梢料排、椰殼纖維柴籠以及不同組合形式等。

3.2.5 開(kāi)口式生態(tài)堤壩

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)堤防工程的人與河流隔斷的問(wèn)題，筆者所在課題組研發(fā)了一種開(kāi)口式生態(tài)堤壩結(jié)構(gòu)［46］。堤壩結(jié)構(gòu)包括堤身和預(yù)留在堤身內(nèi)且用于連通堤壩兩側(cè)的通道；通道處設(shè)有可隔斷通道的側(cè)滑門；側(cè)滑門在低水位時(shí)為開(kāi)門位置，通道為連通狀態(tài)；側(cè)滑門在高水位時(shí)為閉門位置，通道為閉合狀態(tài)。開(kāi)口式生態(tài)堤壩構(gòu)成的生態(tài)型堤防系統(tǒng)，在河道汛期時(shí)較低水位下，水位線位于其通道的中部及以下位置，此時(shí)側(cè)滑門為開(kāi)啟狀態(tài)；河道汛期時(shí)較高水位下，水位線位于通道的中部以上位置，此時(shí)側(cè)滑門為閉合狀態(tài)。

這種生態(tài)堤壩結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)堤防的構(gòu)造形式，在防洪的基礎(chǔ)上，為人類的親水需求提供了更加便捷的方式，更好的滿足了人類生活親水的需求，有利于汛期主流的側(cè)向漫溢，為主流與灘地之間物種流、信息流、物質(zhì)流及能量流的溝通提供渠道。其優(yōu)勢(shì)在于建筑原理簡(jiǎn)潔明了，便于施工，有利于普遍推廣，同時(shí)在滿足防洪及生態(tài)性的要求下，可保持較好的整體穩(wěn)定性。

3.3 垂向連通工程技術(shù)

河流垂向連通性反映地表水與地下水之間的連通性。人類活動(dòng)導(dǎo)致河流垂向連通性受損，主要緣于地表水與地下水交界面材料性質(zhì)發(fā)生改變，諸如城市地區(qū)用不透水地面鋪設(shè)代替原來(lái)的土壤地面，改變了水文下墊面特征，阻礙雨水入滲；不透水的河湖護(hù)坡護(hù)岸和堤防襯砌結(jié)構(gòu)，阻礙了河湖地表水與地下水交換通道。恢復(fù)垂向連通性的目的在于盡可能恢復(fù)原有的水文循環(huán)特征，緩解垂向連通性受損引起的生態(tài)問(wèn)題，主要包括擬自然減滲技術(shù)、生態(tài)清淤技術(shù)、濱水區(qū)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)等。

3.3.1 擬自然減滲技術(shù)

在河湖水系生態(tài)垂向連通工程技術(shù)中，擬自然減滲技術(shù)是通過(guò)模擬天然河道致密保護(hù)層的結(jié)構(gòu)特性，利用人為技術(shù)措施，形成減滲結(jié)構(gòu)層，達(dá)到河道減滲的目的。在河湖水系連通工程中，可根據(jù)河湖床質(zhì)特性及水資源情況等具體環(huán)境條件，具體環(huán)境條件，通過(guò)材料配比、施工工藝調(diào)整等，調(diào)配確定適合具體河湖水系生態(tài)垂向連通工程需要的減滲材料施工方案。

擬自然減滲技術(shù)的典型結(jié)構(gòu)從上至下分為保護(hù)層、減滲層、找平層及砂礫石基礎(chǔ)。保護(hù)層起著對(duì)減滲核心層的保護(hù)作用，防止減滲層被水流沖刷破壞，就地取材，利用當(dāng)?shù)芈训[石，節(jié)約資金成本。減滲層是擬自然減滲技術(shù)的核心部分，需要根據(jù)河床質(zhì)材料土工物理特性，利用河床質(zhì)、壤土、調(diào)理劑等材料進(jìn)行配比形成適宜河湖減滲目標(biāo)的減滲材料，鋪設(shè)形成減滲層。找平層位于減滲層和基礎(chǔ)層之間，起平整場(chǎng)地、防止礫石突兀、破壞防滲結(jié)構(gòu)的功能。砂礫石基礎(chǔ)是在基礎(chǔ)平整的基礎(chǔ)上進(jìn)行碾壓夯實(shí)，起到稱重的作用。

圖4 擬自然減滲技術(shù)Fig.4 Proposed natural seepage reduction technology

3.3.2 生態(tài)清淤技術(shù)

在河湖水系生態(tài)垂向連通工程技術(shù)中，生態(tài)清淤技術(shù)是指為了改善河湖生態(tài)環(huán)境，通過(guò)生態(tài)清淤機(jī)械設(shè)備清除河湖水體中含有污染物的底泥，通過(guò)阻斷污染源以減少水體的污染而采取的工程措施，同時(shí)亦可改善地表-地下水體交換頻率，保持垂向連通性。

3.3.3 濱水區(qū)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)

在城市河湖濱水區(qū)采用低影響開(kāi)發(fā)（LID）技術(shù)保持垂向連通性。低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)采用分散式微觀管理方式，使土地開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)場(chǎng)地水文功能的影響達(dá)到最小，保持場(chǎng)地水體的滲透和存儲(chǔ)功能，延長(zhǎng)水體匯集徑流時(shí)間。進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)劃時(shí)，重點(diǎn)要識(shí)別影響水文條件的敏感區(qū)域，包括溪流及其支流、河漫灘、濕地、跌水、高滲透性土壤區(qū)和林地。為基本維持開(kāi)發(fā)前的場(chǎng)地水文功能，應(yīng)采用生物滯留設(shè)施、增加水流路徑、滲濾技術(shù)、排水洼地、滯留區(qū)等方法，還可能增添場(chǎng)地的美學(xué)價(jià)值和休閑娛樂(lè)功能。在小型流域、集水區(qū)、住宅區(qū)和公用區(qū)采用微管理技術(shù)，對(duì)通過(guò)這些場(chǎng)地的雨洪進(jìn)行分散式控制。微管理技術(shù)的目標(biāo)是維持場(chǎng)地的水文功能，包括滲透、洼地儲(chǔ)水、攔截以及延長(zhǎng)水流匯集時(shí)間。源頭控制雨洪，將土地利用活動(dòng)的水文影響最小化并將其降低到接近開(kāi)發(fā)前的狀況，對(duì)水文功能的補(bǔ)償或恢復(fù)措施，應(yīng)盡可能布置在產(chǎn)生干擾或影響的源頭。小型、分散、微控制的設(shè)施，不會(huì)影響整體雨洪控制功能，小型設(shè)施設(shè)計(jì)多用淺洼地、淺水沼澤、緩坡水道等地貌單元，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。LID 將雨洪管理技術(shù)整合成一種多功能景觀地貌，對(duì)暴雨徑流實(shí)施源頭微管理和微控制，各種城市景觀和基礎(chǔ)設(shè)施要素，可設(shè)計(jì)成具有滯留、滲透、延遲、徑流利用等多功能單元。在LID設(shè)計(jì)中，應(yīng)在不影響城市防洪排澇的前提下，展開(kāi)相關(guān)設(shè)計(jì)。

4 討論與展望

（1）河湖水系連通的目的是調(diào)整結(jié)構(gòu)、恢復(fù)過(guò)程和保障功能。河湖水系連通性是指在河流縱向、橫向和垂向的結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性。結(jié)構(gòu)連通性是連通的基礎(chǔ)，反映河流地貌結(jié)構(gòu)特征。功能連通性是河湖生態(tài)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。結(jié)構(gòu)連通性與功能連通性相結(jié)合，共同維系棲息地的多樣性和種群多樣性。河湖水系連通的功能并不僅限于輸送水體，水是輸送和傳遞物質(zhì)、信息和生物的載體和介質(zhì)。河湖水系連通性是輸送和傳遞物質(zhì)流、物種流和信息流的基礎(chǔ)。在自然力和人類活動(dòng)雙重作用下，河湖水系連通性發(fā)生退化或破壞。在較短的時(shí)間尺度內(nèi)，人類活動(dòng)影響更為顯著。河湖水系連通的目的是調(diào)整結(jié)構(gòu)、恢復(fù)過(guò)程和保障功能：調(diào)整河湖水系間的連通程度，恢復(fù)結(jié)構(gòu)連通關(guān)系和水力關(guān)系；順暢水系間物質(zhì)、物種、信息流動(dòng)和傳播，使河湖水體盡可能保留天然的水文及其伴隨過(guò)程節(jié)律及生態(tài)系統(tǒng)功能；達(dá)到總體改善水生態(tài)系統(tǒng)整體性的目的，保障河湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能正常發(fā)揮。

（2）河湖水系連通的主要任務(wù)是修復(fù)河流縱向、橫向和垂向3 維空間維度以及時(shí)間維度上的結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性，改善水動(dòng)力條件，促進(jìn)物質(zhì)流、物種流和信息流的暢通流動(dòng)，即河湖水系三流四維連通性修復(fù)。河湖水系連通工程具有綜合效益?；謴?fù)河湖水系連通性，在生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、水資源配置、水資源保護(hù)和防洪抗旱等方面，都具有生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。河湖水系連通可以改善水域棲息地的水文條件和水動(dòng)力條件，恢復(fù)和創(chuàng)造多樣的棲息地條件，維系物種多樣性，同時(shí)也為洄游魚類和其他生物的遷徙提供廊道。以生態(tài)保護(hù)為主要功能的連通性修復(fù)任務(wù)表述為：修復(fù)河流縱向、橫向和垂向3維空間維度以及時(shí)間維度上的結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性，改善水動(dòng)力條件，促進(jìn)物質(zhì)流、物種流和信息流的暢通流動(dòng)，即河湖水系三流四維連通性修復(fù)。

（3）河湖水系連通規(guī)劃應(yīng)與流域綜合規(guī)劃相協(xié)調(diào)，發(fā)揮河湖水系連通的綜合功能。應(yīng)在流域尺度上制定恢復(fù)河湖水系連通規(guī)劃，而不宜在區(qū)域或河段尺度上進(jìn)行。至于跨流域水系連通，則屬于跨流域調(diào)水工程范疇，其生態(tài)環(huán)境影響和社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)流域內(nèi)的河湖連通問(wèn)題，需要深入論證和慎重決策，本項(xiàng)目不涉及跨流域調(diào)水問(wèn)題。流域綜合規(guī)劃是流域水資源戰(zhàn)略規(guī)劃?；謴?fù)河湖水系連通性規(guī)劃應(yīng)在綜合規(guī)劃的原則框架下，成為水資源配置和保護(hù)方面的專業(yè)規(guī)劃。

恢復(fù)河湖水系連通性規(guī)劃除了需要論證在生態(tài)修復(fù)方面的功能以外，還需論證在水資源配置、水資源保護(hù)和防洪抗旱方面的作用。通過(guò)河湖水系連通和有效調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)河流—湖泊間、湖泊—湖泊間、水庫(kù)—水庫(kù)間的水量調(diào)劑，優(yōu)化水資源配置?；謴?fù)連通性對(duì)改善湖泊水動(dòng)力學(xué)條件，防止富營(yíng)養(yǎng)化方面也具有明顯作用?；謴?fù)河流與湖泊、河漫灘和濕地之間的連通性，有助于提高蓄滯洪能力，降低洪水風(fēng)險(xiǎn)?；謴?fù)河湖水系連通性，還能改善規(guī)劃區(qū)內(nèi)自然保護(hù)區(qū)和重要濕地的水文條件，提升規(guī)劃區(qū)內(nèi)城市河段的美學(xué)價(jià)值和文化功能。

（4）實(shí)現(xiàn)河湖水系連通需工程措施與管理措施相結(jié)合、結(jié)構(gòu)連通與功能連通相結(jié)合。在以自然為導(dǎo)向、適度人工干預(yù)原則下，實(shí)現(xiàn)河湖水系連通性目標(biāo)，不僅要靠包括縱向、橫向和垂向的連通工程措施，還要依靠多種管理措施。管理措施包括立法執(zhí)法，加強(qiáng)岸線管理和河漫灘管理；在滿足防洪和興利要求的前提下，改善水庫(kù)調(diào)度方案，兼顧生態(tài)保護(hù)和修復(fù)；在水網(wǎng)地區(qū)，制定合理的水閘群調(diào)度方案，改善水網(wǎng)水質(zhì)；建設(shè)河道與河漫灘濕地的連通閘壩，合理控制濕地補(bǔ)水和排水設(shè)施，恢復(fù)河漫灘生態(tài)功能等。利用圖論等方法分析計(jì)算河湖水系的結(jié)構(gòu)連通性，特別注意處理好各級(jí)河道縱坡銜接關(guān)系，通過(guò)水量水質(zhì)水生態(tài)模型計(jì)算，規(guī)劃功能連通性，通過(guò)多種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性比選，確定總體連通方案。

（5）河湖水系連通的同時(shí)需考慮潛在風(fēng)險(xiǎn)。河湖水系連通性恢復(fù)工程在帶來(lái)多種效益的同時(shí)，也存在著諸多風(fēng)險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)可能源于連通工程規(guī)劃本身，也可能來(lái)自于氣候變化等外界因素。這些風(fēng)險(xiǎn)包括污染轉(zhuǎn)移、外來(lái)生物入侵、底泥污染物釋放、有害細(xì)菌擴(kuò)散以及血吸蟲(chóng)病傳播等。特別是在全球氣候變化的大背景下，極端氣候頻發(fā)，造成流域暴雨、超標(biāo)洪水、高溫、凍害以及山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，不可避免地對(duì)恢復(fù)連通性工程構(gòu)成威脅。因此在規(guī)劃階段必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，充分論證各種不利因素和工程負(fù)面影響，制定適應(yīng)性管理預(yù)案，應(yīng)對(duì)多種風(fēng)險(xiǎn)和不測(cè)事件?！?/p>