一种高山峡谷区河流系统生态修复技术

背景技术：

在全球气候变化挑战面前，伴随人口数量增长和社会经济发展所带来的城镇化扩张，河流生态系统的健康遭受巨大压力。道路工程、水利工程、农业工程、市政工程等人类活动已经不同程度地导致栖息地改变、水文循环加剧、物种入侵和水质污染，造成大部分水生生态系统退化，淡水生物多样性明显降低，河流修复目前已经成为改善河流系统生态功能的重要手段。河漫滩是河流系统中陆地与水域之间的生态过渡带，通常被认为是生物多样性的中心和生物生产力的中心，具报道，大约有80％的动物种群分布在河漫滩，其中有47％的物种被列为濒危物种；同时，河漫滩对洪峰流量的调节和沉积物的迁移与储存具有深远的影响，并且这与植被发育程度相关。然而，有研究指出，河漫滩生态系统的退化会破坏河道的横向连通性，并会加剧区域气候的干燥程度，激发沙漠化形成的潜在因素，加速沙漠化过程。因此，河漫滩生态系统的质量关乎河流生态系统服务和功能的可持续，迫切需要保护现有的河漫滩生态系统，并恢复岸边植被，保持一定程度的生态完整性。

河漫滩生态修复最早开始于欧洲，以多瑙河生态修复工程作为代表。20世纪90年代，瑞士和德国提出了“近自然河流工程”的理念，成为部分国家河流管理的转折，随后于20世纪末在全球范围内掀起了河流修复的热潮，据报道，在此阶段光日本全国就启动了23000多项河流修复工程，河流系统生态修复技术也趋于成熟。目前，中国对于河漫滩的恢复往往关注于水质净化、雨洪调蓄和景观恢复，如CN 207498888 U公开了一种河漫滩湿地坑塘系统的设计办法，既提高了河漫滩湿地的水文连通性，又增强了湿地系统的污水处理能力；CN116427342 A以“斑块-通道-节点”模式对河流生态廊道生态空间重新布局，解决了河流生态廊道如何布局的问题，为恢复河流生态功能提供支持；CN 115710879 A提出一种仿自然河道及河漫滩湿地的构建方法，实现了土壤保持、滞蓄洪水和改善水环境质量等服务功能。相比之下，中国河流管理仍处于发展阶段，河漫滩生态修复对策存在明显不足。

高山峡谷区河流往往具有流速快、流量大、侵蚀强的特点，当洪水来临时，河漫滩通常作为行洪通道分担流量，普遍的洪水冲蚀往往会导致河漫滩上的细粒物质大量流失，造成洪水退却后，河漫滩上粗砾遍布、土壤贫瘠，生态功能不强；并且强烈的侵蚀使得河流生态系统急速退化，加速沙漠化过程，威胁到一些地区(如西藏地区)关键物种和生境的保护，影响当地的生态平衡。然而在这些地区仅仅依靠自然植被恢复难以修复退化的生态系统。利用生态工程措施修复河流系统，能够加速退化生态系统的恢复速度，改良局部小气候环境，并依靠植物根系增加土壤内聚力来提高岸坡土体的强度、稳定沟道，植物自身的拦截作用还可以滞留洪水，缓解下游城市的防洪压力。同时，通过生态工程对原有地貌的修整，利用特殊的结构耗散水流能量，能够进一步弱化侵蚀，保护河流生态系统。因此，发明有效的河流系统生态修复技术，稳定河道、提高粗质化河漫滩的生态恢复潜力、加快当地生态系统恢复的速度、改良局部小气候环境，对当地的物种保护与生态平衡具有重要意义。

发明内容：

针对上述问题，本发明的目的是为高山峡谷区河流系统提供一种生态修复技术，该技术能够削弱水流侵蚀动力，并且稳固河道、控制河漫滩上细粒物质的流失，还可以促进河漫滩土壤质量提升，加快河漫滩生态系统恢复，改良局部小气候环境，综合提升河流系统生态服务功能。

本发明所采用的技术方案如下：一种高山峡谷区河流系统生态修复技术，包括河床治理措施、岸坡防护措施和河漫滩修复措施。所述河床治理措施，通过河道的纵向治理削弱水流能量，限制河流的横向侵蚀，特征在于建立阶梯消能系统，阶梯由块石构成，具有水平或向下反坡的阶梯面，阶梯高度由阶梯长度和河床坡降综合控制。所述岸坡防护措施，具有与河岸线平行的乔木带，特征在于乔木种植时采用客土种植，并且客土由纤维卷包裹，随后布置于设计尺寸的沟内，旨在提高成活率、加快成熟速度。所述河漫滩修复措施，仿照自然的形式将河漫滩修整为沙波，沙波与河岸线成一定的夹角，特征在于具有浅沟、沙垄，且呈流线状连接，剖面为波浪状，并通过生态学调查数据设计河漫滩生态恢复物种，沙垄上种植灌木，其间撒播草籽。河漫滩修复措施还包括沿河岸线布置石笼，石笼具有埋深，位于乔木带内侧。

优选地，所述阶梯消能系统，利用机械自下游向上平整阶梯面，阶梯面应保持水平或具有向下的反坡，从挖出的砾石中筛选粒径大于0.4m的块石修筑阶梯，其余留下备用，以填充石笼；

优选地，所述乔木选择根系发达、耐寒耐涝的乡土树种，应培育至树径达3～4cm粗，平行于河岸线种植1～2排，所述客土应由当地开采，所述纤维卷采用椰丝或秸秆编制而成，直径为0.5m，埋设时应于河岸线间隔0.5m，避免对岸坡造成剧烈扰动；

优选地，所述河漫滩修复措施中，石笼应该埋深0.4m，高于地面0.4m，宽0.6m；

优选地，所述河漫滩沙波，应按照放大设计后的尺寸修建，采取挖浅沟、筑沙垄的方式修建，并做流线状连接，并且沙波应与河岸线方向呈45°，旨在缓解洪水流速、诱导洪水向河漫滩外围扩散；所述修建有公路的河漫滩，在距离路堤2～3m处应平行于路堤再次修筑土垄，土垄前挖排水沟。

优选地，所述河床治理措施、岸坡防护措施和河漫滩修复措施，若河流位于山脚，只需在一侧岸坡、河漫滩进行修复治理；当河流位于峡谷中间时，则需对两侧的岸坡、河漫滩进行修复治理，两侧的修复模式对称于河流。

本发明进一步提供了河床治理措施、岸坡防护措施和河漫滩修复措施的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：基础数据调查，包括：

河面宽度W、河水深s、河床坡降S以及当地发育较好生态系统的群落、物种组成、关键物种，关键物种通过计算各物种的重要值进行判断；

步骤2：阶梯系统设计，主要设计阶梯高度H与石块粒径d。根据最大阻力假说以及拥堵效应，阶梯高度H与石块粒径d满足以下关系式：

1<(H/L)/S<2式1

W/d≤5 式2

式中，L为阶梯长度，S为河床比降，W为河流宽度；

步骤3：岸坡防护措施，需沿河岸线种植本土树种，主要根据已有生态学调查数据，对纤维卷布置、埋深以及树种种植间距进行设计，所选树种要求根系发达、耐寒耐涝；

步骤4：河漫滩修复措施，主要设计石笼布置方式以及埋深、高度，以及沙波尺寸，包括沙波高度h、沙波长度l与沙波同河岸线夹角。沙波高度h与沙波长度l依据Julien andKlaasse(1995)确定的方法计算，该方法能够综合反映洪水期间河床底部沙波的形态特征。具体方法如下：

(1)中值粒径D

τ

式中τ

(2)沙波高度

式中，r为洪水深，ε为经验系数；

(3)沙波长度

式中，γ为经验系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出一种河流系统的生态修复方法，将河流系统生态修复的目标分解到各个河流部位，并设计出相应的对策，包括河床治理措施、岸坡防护措施和河漫滩修复措施，各项对策之间相互协调、共同作用，综合提升了河流系统的生态服务功能；

(2)本发明通过构建阶梯系统纵向治理河床，利用阶梯系统高效的消能特性，减缓流速、削弱水流动力，扼制了河流对河床和岸坡的侵蚀。并在岸边种植乔木，利用其根系增加土壤内聚力，进一步加强了岸坡的稳定性，所采用纤维卷包裹客土的种植方式，既保证了乔木种植的成活率和成熟速度，又利用纤维卷的腐化持续供给养分。同时，纤维卷连接成整体，具有较强的抗侵蚀能力，能够在乔木种植初期防止岸坡被侵蚀，稳固河道，保证了岸坡防护措施的治理质量；

(3)本发明仿照洪水冲击河流的自然河床形态，将河漫滩土地修整为沙波，在洪水来临时，为河漫滩上流经的洪水提供了最稳定且形状阻力较大的床面，减小了洪水对河漫滩物质的侵蚀，并且可在洪水退却后，通过浅沟截留细粒物质，改善土壤条件，加快当地生态系统恢复的速度。另外，石笼具有透水性，可在洪水水位较小时，将水流扩散到河漫滩；在水位较高时，缓冲洪水冲击，并且与河漫滩恢复后的植被一同滞蓄洪水，降低下游城市面临的洪水风险；

(4)本发明通过生态学调查数据设计河漫滩生态恢复物种，提高了生态修复物种的成活率，保证了生态恢复群落的稳定性。在河漫滩恢复植被群落后，能够保土固沙、改良局部气候干燥程度，并且在沙垄种植灌木形成植物沙障，进一步防止沙漠化的形成、减缓沙漠化过程；

(5)本发明进一步提供了阶梯系统和沙波设计参数的计算方法，保证了河流系统生态修复的稳定性和持续性。

附图说明

图1为一种河流系统生态修复技术的综合模式图；

图2为单侧实施河流系统生态修复的平面布置图；

图3为阶梯消能系统的剖面图；

图4为岸坡防护措施的剖面图；

图5为河漫滩沙波的剖面图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.阶梯，2.乔木，3.客土，4.纤维卷，5.石笼，6.排水沟，7.土垄，8.浅沟，9.灌木，10.沙垄，11.麻绳，12.原始河漫滩地面。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

吉隆藏布峡谷地处喜马拉雅南坡，海拔从1700m升至5600m，峡谷内形成了独具特色的垂直生态系统组合体系，从亚热带常绿阔叶林生态系统到高寒草甸生态系统共跨越了6大生态系统体系，巨大的自然带差异使得吉隆藏布峡谷区拥有许多珍稀动植物种类。吉隆藏布峡谷还位于喜马拉雅山脉中段，是珠穆朗玛国家级自然保护区重要的组成部分，珠峰保护区重点保护的动植物物种和生态系统在吉隆藏布谷地有广泛分布。因此，吉隆藏布峡谷生态系统功能强弱关乎区域生态系统保护，然而吉隆藏布河中游河床纵比降大，河漫滩上粗砾遍布，生态系统退化严重，现有生态功能不强。并且隆藏布河中游气候干热，具有土地沙漠化发生的脆弱环境基质，有较高的沙漠化内在危险性。

现针对吉隆藏布河中游河流系统设计具体的生态修复方案。

1、基础参数获取

通过对河流物理参数进行测量，并结合多个河漫滩生态系统调查，获得以下基础数据：

河流宽度W＝2m；河流深度s＝1m；河床坡降S＝10％；

生态系统类型包括草甸生态系统和灌丛生态系统；两类生态系统的物种组成各异，草甸生态系统包括矮生嵩草、毛苞刺头菊、笔直黄耆、宝盖草、头花独行菜、毛苞刺头菊、锦鸡儿、小叶棘豆、冷蒿、蒲公英，灌丛生态系统包括披碱草、冷蒿、头花独行菜、黄花铁线莲、柽柳、沙棘。

关键物种按重要值区别，草甸生态系统物种重要值排名前二位的是矮生嵩草、毛苞刺头菊，灌丛生态系统物种重要值排名前二位的是柽柳、沙棘。

2、阶梯系统设计

根据已有调查数据，设计段河流阶梯系统中阶梯高度H与石块粒径d应满足：

0.1

d≥0.4m

进一步，在保证施工便捷性的同时，为了使治理段河床与原始河床能够平整连接，本设计所采取阶梯长度L＝10m，阶梯高度H＝1m，石块粒径大于0.4m。推荐的工程措施为利用机械自下游向上平整阶梯面，阶梯面应保持水平或具有向下的反坡，并从平整阶梯面时挖出的砾石中筛选粒径大于0.4m的块石修筑阶梯1，其余留下备用，以填充石笼5；沿水平方向平整出长度L＝10m的阶梯面后，在距离现阶梯面高度1m处继续修整下一阶梯面。另外，为保证阶梯系统的稳定性，应首先在阶梯修筑位置处向下挖宽2m、深0.5m的浅沟，再将块石堆叠形成具有梯形截面的阶梯。

3、岸坡防护措施

岸坡防护措施利用植被根系增加土壤内聚力提高河岸强度，要求所选树种为根系发达、耐寒耐涝的乡土树种。根据已有调查数据，选择河岸乔木带种植乔木2为沙柳。所种植沙柳要求树径为3～4cm，沙柳种植间距为0.8m，待乔木高度2.0m时进行“打顶”处理，减小植被受风的载荷的影响，并合理抚育间伐。具体种植时，为了不破坏岸坡稳定性并保证沙柳的成活率和成熟速度，在距离岸坡0.5m处采取纤维卷4包裹客土3的种植办法：首先在距离岸坡0.5m处挖掘宽0.5m、深0.5m的浅沟，随后将适合长度的麻绳11每隔2m垂直于浅沟铺设在沟底用于后续系紧纤维卷，同时将纤维卷展开平铺于浅沟，纤维卷连接处相互交错，向纤维卷内填充客土，将沙柳种植于其中后系紧麻绳，纤维卷表层应覆盖砂石。

4、河漫滩修复措施

河漫滩修复措施包括石笼布置和沙波整地。石笼5位于岸坡防护措施植被带后，具体布置方式为：首先在距离植被带0.5m处挖掘宽0.6m、深0.4m的浅沟，其次用砾石填充石笼后将其置于浅沟内，石笼高0.8m、宽0.6m。

沙波高度h与沙波长度l确定过程如下：

(1)中值粒径D

根据已有调查数据，河床比降S＝0.1；水力半径用水深代替，R＝1.2m；能坡用起始河床比降代替，S

τ

(2)沙波高度

取ε＝2.5，代入式5；

(3)沙波长度

取γ＝1.5，代入式6；

为了使洪水退却后，在河漫滩沉积更多的细粒物质，对沙波高度采取放大设计，设计沙波高度h＝0.8m，沙波长度l＝4.5m。沙波与河岸线方向呈45°夹角，旨在缓解洪水流速、诱导洪水向河漫滩外围扩散。在河漫滩通过修整土地修建沙波，推荐的工程措施为：利用机械在修复段河漫滩间隔4.5m挖掘深0.4m的浅沟8成波谷，将挖出的土壤、砂石于两条浅沟中间位置堆成沙垄10，即为波峰；随后由机械或人工修整沟、垄面，使得浅沟8与沙垄10流线状连接，最终建成沙波。遇河漫滩上建有公路，需在距离路堤3m处挖沟6用以排水，沟宽1m、深0.4m，挖出的土壤、砂石堆放于一侧夯实成高0.8m的土垄7。最后在河漫滩均匀的撒播草籽，草种为毛苞刺头菊、笔直黄耆、披碱草、矮生嵩草，灌木种为柽柳、沙棘，柽柳、沙棘需培育至树径达1cm时沿沙垄种下，种植间距为0.5m。

所述河流系统生态修复方案，当河流靠近山脚时，只需在一侧河漫滩按上述设计实施河漫滩整地；当河位于河谷中央时，则需在两侧河漫滩进行整地，修建沙波，沙波设计方案保持一致。

最后应说明的是：以上所述仅为优选实施案例，并不用于限制本专利，尽管参照前述案例进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施案例所描述的技术方案进行修改或组合，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围以内。