城市河道生态水利工程的设计原则与方法研究

马俊

（中工武大设计集团有限公司，武汉 430070）

1 引言

近年来，城市水利工程建设规模不断扩大，建设数量不断增多。城市河流建设是城市建设中不可忽略的部分，具有较强的实用性，能够起到良好的防洪、发电、灌溉、排涝等作用。但是，随着经济社会的发展，经常出现污水排放、河道污染、干涸等现象，这对河道生态环境造成了极其不利的影响。再加上传统水利工程建设的缺陷，导致河道的原有生态系统发生改变，破坏了河道周围的生态环境，因此，加强城市河道生态化治理工作迫在眉睫。在城市河道生态化水利工程建设的过程中，要正确认识生态化治理理念，采取科学有效的措施保护河道生态环境，坚持规划设计原则，采用先进的规划设计方法，增强河道规划与设计的科学性，提高工程可行性，从而促进生态效益与经济效益的齐头并进。

2 城市河道生态水利工程概述

城市河道生态水利建设工程是一项关系民生的工程，是在保留河道自然因素的基础上对河道进行生态化治理。城市河道建设工程的核心问题就是确保河道的蓄水量与水容量，将生态化建设理念融入其中，对于新时代城市河道水利工程建设具有良好的指导作用。

1）有利于保护生物的多样性。城市河道在建设与治理过程中难免会影响水生物的生存环境，影响物种多样性，破坏河道生态系统平衡。落实生态化工程建设是对河道的自然环境进行改进，采取科学配置措施，将与河道相关的所有自然因素进行整合分配，组成一个互惠共存的水体生态系统。能尽可能地减少对河道生物的影响，遵循自然环境中的食物链原则，更有利于维持生态系统的多样性。

2）有利于保持河道的自然性质。传统的水利工程建设通常会改变河道的自然环境与地理环境，例如，将自然河流改造成人工河流、将河道改成沟渠等，极大地破坏了河流的自然属性，违背了自然规律。采用生态化建设治理理念，则是以保护河道周围的生态环境为准则，尊重河道的自然属性，不破坏河道周围的植被，更有利于保护河道的自然性。

3）有利于促进社会发展。建设城市河道生态水利工程，对河道流域进行生态化建设与治理，以充足的水资源及高质量的水环境为整个城市的发展提供保障，让水资源与水环境相互联系、相互支撑，共同助力城市未来的发展[1]。

3 城市河道生态水利工程的设计原则

城市河道水利工程是城市基础设施建设中不可缺少的一部分，对城市的发展以及市民的生活具有重要影响。建设城市河道生态化水利工程需要遵循相应的设计原则，满足城市对水资源与水环境的实际需求，推动生态化设计理念在我国城市河道水利工程建设中的有效应用，下面将具体探讨城市河道生态水利工程建设的设计原则。

3.1 空间异质性原则

城市河道中往往蕴涵着众多的小生境，为多物种提供了共同生存的环境，即河道具有较高的生境空间异质性。如果破坏了城市河道的空间异质性，就会相应地破坏生物种群的多样性，导致生物群落的性质、数量、密度、质量等因此受到影响，严重的甚至可能导致生态系统出现一定程度上的退化。特别是传统的大规模城市河道水利工程建设，将自然河流改为渠道河流，人工痕迹严重，影响河流的连续性，破坏河道的自然性质。再加上各种人类活动对河道造成的影响，难免会破坏河流生态的多样化，从而导致河道的生态系统发生不同程度的衰退。建设生态水利工程要以提高河流形态的空间异质性为原则，核心是让河道水利工程在地貌学原理上呈现出自然的特征，不破坏生物群落的多样性，并采取辅助措施，例如，引进其他生物物种或者配置岸边植物，创造有利于更多生物群落生存的自然环境。

3.2 景观尺度与整体性原则

开展城市河道生态水利工程建设不能以某一特定景观为尺度或者只对某一河段进行规划，而是要从整体出发，以可持续、长时期、大景观的层面为规划原则。也就是说，在规划设计中要防止从小尺度、短时期、零散局部的角度看问题。

1）整体性原则。是指在工程前期规划设计中，以整体的、全面的眼光看待问题，把生态系统的整体功能与结构作为着力点，通过分析与明确各个生态要素之间的关系，综合考虑多方面因素，采取科学、可行的方案，而不是仅考虑某一方面的问题或者单纯地对河道的植被或者动物进行修复。

2）景观尺度原则。城市河道生态系统涵盖水文系统、生物系统和人造水利工程等。在建设生态化水利工程时，需要从长期的大局观角度考虑，放宽视野，不局限于短期或某个局部。从大景观角度落实河道生态工程建设，更能提高生态修复效果。

3）如在生态水利护坡规划中，可以采取直生块草坪设计，这样可以达到绿化和防止水土流失的双重效果。

3.3 自设计性原则

众所周知，城市河道生态系统具备一定程度的自组织功能，简单来说，就是生态系统进行自然选择、自我组织。多样化的物种能够在自组织功能下找到与自身生存条件相符的组织，从而生存下来，维持生态的平衡性。因此，在河道生态水利工程建设规划中，要遵循自设计性原则，让生态系统自然选择物种，尽可能地不破坏河道原生态环境中的自然元素，让整个生态系统达到平衡、科学、合理的状态。在设计过程中，要打破固有思维，摒弃征服自然的陈旧思想，开拓创新，维护生态环境的自然性质。同时，又要结合水利工程建设的现实要求，将水文、水质、水量、地形、地貌等自然因素与生物的种类、繁殖、数量等进行融合考虑。例如，在对河道周围生物进行恢复的时候，可以采用植物培育、其他生物引进、种群动态调控等科学方法构建平衡的、多样的河道生态体系。

4 城市河道生态水利工程的设计方法研究

4.1 河道线形设计

河道线形设计主要涉及河道总体平面。近些年，城市建设不断向外扩张，城市用地越来越紧张，不可避免地侵占了河道滨水地带，由此造成河道的宽度不断变窄，水面逐渐减少，也对河道的泄洪功能造成了影响。因此，人们不断地将河床向下挖深，将河道取直，以此确保河道的泄洪能力。但同时也导致驳坎的强度越来越大，投入的资金、人力、物力也越来越多，河道变成泄洪的主要手段，自然属性被逐渐削弱，生态功能慢慢地退化。而生态化水利工程建设更注重恢复滨水地带，退地还河，为河道断面设计留有更多设计空间，将以往视觉单一、乏味、热岛效应突出的渠道护岸进行拆除，让河道的线形保持天然的曲直状态，宜弯则弯、宜直则直，不再是单一的直线化，打破了视觉上的单调。这样自然曲折的河道提供了多样性的生境，水中能够保持充足的含氧量，更有利于生物的生存，为多物种的生长提供了良好的环境基础[2]。

例如，在一些河湾、凹岸区便于生物繁殖，洪水时期生物也可以在此避难，在保持河道自然属性的同时有利于提高生物的多样性。从工程建设角度来看，自然、曲折的河道在突遇洪水的时候可以缓解洪峰、减缓水流速度、削减流水能量，从而有效避免速度过快的水流对河岸造成冲刷，对沿线护岸起到良好的保护作用。因河制宜，保持河道的自然曲折，才能更好地提高工程建设的经济效益、社会效益与生态效益。

4.2 河道断面设计

在河道断面设计过程中，要综合分析河道的主导功能、土地利用情况以及河岸生态景观等，提高河流的亲水性，促进水路生态系统的可持续发展。以往的河道水利工程大多是采用矩形断面形式，为了保证泄洪与蓄水的实际要求，在建设中会采用高驳坎方法，导致陆地与水环境系统两者相互隔离，两栖动物跃上高驳坎存在较大的难度，给生物群落的繁殖生长造成阻碍。采用梯形断面形式的河道可以保证水环境与陆地系统的连续性，但是在亲水性方面存在缺陷。陡坡断面一方面阻碍生物的生长，另一方面也不便于植被的配置；缓坡断面对建设用地具有较高的要求，因此受到建设用地的限制。复式断面在常水位以下部分设置矩形或者梯形断面，在常水位以上的部分设置二级护岸或者缓坡，将上下两部分相结合，组成复合断面。在水流量较小的枯水期间，水流归主河道；在水流量较大的洪水期间，则以漫滩的形式让过水断面陡然变大。这样既可以解决传统断面的亲水性缺陷，又可以满足泄洪与蓄水的要求，同时为植被配置提供了更多空间。

除此之外，降低了驳坎护岸的高度，为两栖动物生长繁殖提供了有利条件，护岸的结构抗力因此减小。在护岸形式的选用中可以采取柔性护岸而放弃刚性护岸，避免对河道造成过多的人为痕迹。在河道断面设计中，应当以满足现实要求为前提，尽量采用天然河道断面，在不破坏河道原有生态系统的基础上，优先选择复式河道断面；然后是梯形断面，最后是矩形断面。

4.3 河道护岸形式设计

我国以往的河道护岸通常是采用混凝土或浆砌块石等高强度材料，虽然提高了河道的安全性，但是缺乏对河道生态系统的考虑。采用高强度材料让整个护岸形成一个密不透风的体系，却因此破坏了水生动物的生存环境，阻碍了生物链的有效连接。水体之间仿佛隔着一道屏障，地下水无法与河水进行连通，水循环过程也因此受到阻碍。在河道护岸形式设计中，要重点思考河道护岸自我修复能力的强弱，能否为生物生长创造有利条件，是否满足生态建设要求等。在生态护岸设计中，要将土工材料与植物进行有效结合，在满足护岸结构的基础上，有效减轻护岸坡面与坡脚的侵蚀，提高结构稳定性，与此同时，构成具有良好的净化能力、自我修复能力、多物种的繁殖与共存得自然水工结构。

4.4 植物配置设计

配置适当的植物可以提高土壤的有机质含量，保持良好的持水性，改善土壤的性能与结构，强化抗侵蚀、抗冲刷能力，从而对河道整体起到保护作用。随着植被的生长过程，其给河道带来的保护作用也随之增强。植物繁茂的枝叶可以截留雨水，过滤地表径流；水边的植物枝叶可以缓解水流能量，植物吸收污水中的氮磷物质，实现污水分离，减少对护岸的冲刷，达到涵养水源、净化水质的效果。除此之外，植物群落可以为动物、生物提供必要的栖息、产卵、生长场所。例如，配置香蒲、芦苇、落羽杉等耐水湿植物，可以活跃滨水景观效果，减少水流侵蚀，还能够有效降低NH4+TP、COMn等指标，有效提升水体质量，实现净化水质的目的[3]。

5 结语

综上所述，将生态化建设理念融入城市河道水利工程建设中是非常有必要的。在生态化设计过程中，要坚持设计原则，采取科学的设计方法，坚持功能效益、环境效益、社会效益为一体，推动生态化设计理念深入落实，遵循自然规律，保护生态平衡，维护生态系统的多样性。