城市水系的生态堤岸设计.docx

2010 年 6 月Journal of Beijing Forestry University ( Social Sciences)Jun. 2010城市水系的生态堤岸设计华1 ，庞晓丽2 ，张超3赵(1 . 天津大学建筑学院; 2 . 长沙有色冶金设计研究院; 3 . 北京东方园林股份有限公司)摘要: 水是生命之源，对水资源的合理利用和保护应该成为人类发展中一件头等大事。 堤岸是水系的基本元素，堤岸形式和材料的选择对水系环境具有直接影响。 分析了目前我国城市水系堤岸存在的问题，介绍了国外生态堤岸 的发展史、常用的生态水系堤岸的基本设计形式及其对我国城市水系建设的借鉴作用。关键词: 水系; 生态工法; 生态堤岸中图分类号: TU984文献标志码: A文章编号: 1671 -6116 (2010 ) -02 -0094 -07Design of Ecological Embankment for Urban Water SystemsZHAO Hua1 ，PANG Xiao-li2 ，ZHANG Chao3(1 . School of Architecture，Tianjin University，300072 ，P . R . China;2 . Changsha Engineering and Research Institute of Nonferrous Metallurgy，410011 ，P . R . China;3 . Beijing Orient Landscape Co. ，Ltd. ，100012 ，P . R . China)Abstract: Water is the source of life. Rational use and protection of water resources should be a toppriority in human development. Embankment is a basic element of water systems and its form and material have direct impact on water environment. This paper analyzes problems of urban water systems in China，introduces the history of ecological embankment and usual basic design methods of ecological embankment for the water systems，and provides reference to the development of urban water systems in China.Key words: water system ; ecological engineering; ecological embankment“水是生命之源”，亦是城市自然环境的重要因素。 一个城市 的 诞 生 和 发 展 与 水 系 息 息 相 关。 水 系是城市的 灵 性 所 在，而堤岸则是水系的基础，是 决定水系 质 量 优 劣 的 关 键 因 素。 但社会的高速发 展、永不停息 的 建 设活动以 及认识上的局限性，在 城市水系堤 岸 形 式 的 选 择 上，人 们 总 是 追 求“完 美 主义”，把维护管理的便捷化作为目标，人为地改变 或施加影响于自然景观1 。 同时，在经典水力学的 指导下，过去的河溪治理由于侧重于河溪的某些功 利价值，如防 洪、水 运、灌 溉 等，比较注重最佳水力 半径，单纯从增加行洪能 力 出发，使 河 道 人 工 化， 断面单一2 。 此 外，由于 对地 下 淡水的过量开采，而城市中的地面大部分为硬质地面，所以城市中数量有限的水系成为补充地下水的主要途径，地下水 位不断下 降。 为 了 防 止 水 系 中 的 水 渗 入 地 下 造 成 水系干枯，人们试图采用硬质堤岸这一“捷径”来解 决问题，忽略了整体和长远影响，形成恶性循环，导 致兴片利而增多害。 这些做法产生的后果是:大自 然馈赠给我们的多样性受到前所未有的冲击，水系 的基本形态被改变，与之相伴的价值观也发生了变 化。 因此建设近自然型水系堤岸迫在眉睫。一、我国城市水系堤岸存在的问题随着我 国 人 口 剧 增，城 市 建 设 的 飞 速 发 展，城收稿日期: 2009 -06 -09第一作者: 赵华，博士生。 主要研究方向:生态建筑设计及研究。 电话:022 -27400682 Email:zhhua226 126 . com 地址:300072 天津市南开区天 津大学建筑学院。赵 华等:城市水系的生态堤岸设计第 2 期95市中的水系堤岸建设状况却普遍令人担忧。( 一) 水系河道被硬化、渠化在城市中，人 们 忽 视 水 系 的 具 体 情 况，而 统 一 采用水泥混凝土或石材砌筑而成的“U ”形 堤 岸，割 裂了土壤与水体的关系，扼杀了水生动植物的生存 环境，破坏了 水 系 自 然 形 态，生物多样性遭到严重 破坏。 硬化、取直后 的河道 呈现僵硬笔直的 形 态， 失去了土壤 和 动 植 物 的 水 系 也 就丧失了生态功能 和自净能力，各种 N、P、K、S 等植物营养物质、氰化 物和重金属 等 有 毒 物 质 及 COD、BOD5 等 需 氧 污 染物得不到净 化 根 除，导致水体严重富营养化，水 系污染加重，水体变臭( 见图版 I-1 ) 。( 二) 水系景观质量差，亲水性差被简单地硬化、渠化的水系河道以及遭受污染 的水体已无任何美感可言。 在人工景观水系中，由 于淡水资源缺乏，往往出现干枯景象，水景变成“涸 景”，亲水设 计 也 拘 泥 于 水 泥 和 石 材 砌 筑 的 亲 水 平 台等设施( 见图版 I-2 ) 。 城市水系已看不到清澈见 底、绿意盎然 和 蜿 蜒 曲 折 的 宜 人 景 色，留 给 人 们 的 只有千篇一 律、呆 板 生 硬、死 气沉沉的线条和了无 生气的乌黑腥臭的水体( 见图版 I-3 ) 。( 三) 水系堤岸面积减少城市建设 不 断 扩 张，水 系 堤 岸 面 积 越 来 越 少。 由于生态型 堤 岸 ( 或 近 自 然 型 堤 岸) 比 硬 性 堤 岸 要 多占很多土地 ( 约 13 % 2 ) ，导致在那些人口密 集、 寸土寸金的城市里，水系的自然型堤岸面积不断被 道路和建筑物所侵占，其形式也被占地甚少的硬质 堤岸取代。然产生了巨大影响，提出应将生态学概念运用于工程中。1971 年 Odum 将生态工法的涵义加以延伸， 认为 生 态 工 法 是 一 种 自 然 治 理 方 法5 。 1983 年 Binder 认为:河道整治首 先要考虑河道的水力学特 性、地貌学特 点 与 河 溪 的 自 然 状 况，将 其 作 为 衡 量 河道整治与 人 为 活 动 干预程度的标 准6 。1985 年 Hohmann 提出了一种更为准确的近自然治理理念， 即通过生态治理创造出一个具 有 各 种 各 样 水 流 断 面、水深及流 速 的 河 溪，河 岸 植 被 应 该 是 具 有 多 种 小生态环境的多级结构，强调生态多样性在自然工 法治理中的重要性，注重工程治理与自然景观的和 谐性7 。 1989 年 Mitsch 和 Jorgensen 将 ecological engineering 定义为“生 态工法是一种对人类社会和 自然环境都有利 的 设 计 ”8 。 随 后 Odum 和 Mitsch 又对生态工法提出进一步阐述，认为生态学家应该 认识到他们所研究领域的自然环境问题，并给出解 决的方法，而 不 是 一 味 地 进 行 理 论 描 述; 工 程 师 应 该运用生物学和生态科学作为 解 决 环 境 问 题 的 基 本方法。1993 年 5 月，由美国国家科学院主办的生态工 法的研讨会，对 Mitsch 和 Joegensen 的生态工法定义 做了修改，变 成“生 态 工 法 是 一 种 可 持 续 的 生 态 系 统设计，它将 人 类 社 会 和 自 然 环 境 整 合 为 一 体，通 过互动达到互利共生的目的。”将 设 计 重 点 从 人 类 社会转移 到 对 环 境 可 持 续 系 统 的 设 计。 这 次 研 讨 会还制定了生态工法的目标:一是对由于人类活动 而惨遭破坏的生态可持续系统进行恢复;二是发展 新的具 有 人 文 和 生 态 价 值 的 可 持 续 生 态 系 统9 。 至此以后，生 态 工 法 在 世 界 范 围 内 迅 速 发 展 起 来，1991 年在瑞典的 Trosa 举办关于生态工法的国际会 议，主要讨论 生 态 工 法 在 废 水 处 理 方 面 的 应 用，作 为水系的基础元素 堤岸也备受关注，形成 了 一 系列生态堤岸的设计方法。( 二) 生态型堤岸的设计由于自然 资 源 不 断 减 少，人 口 数 量 不 断 增 加， 环境破坏继续恶化，且到目前为止仍没找到一种能 够恰当地解决地区和全球的污 染 及 可 再 生 资 源 短 缺等问题的方法。 美国国会曾在 20 世纪 70 年代颁 布“污水零排 放 ”法 令，要求美国的河溪在 1983 年 达到适合钓鱼和游泳的标准，但这种“污水零排放” 的成本 非 常 高。 所 以 当 生 态 工 法 理 论 提 出 后，北 美、欧洲及日本纷纷采用这种具有自然净化功能的 水系治理体系10 。生态堤岸按其承受的 水流冲刷强度可分为 3 类: 低强度 型 堤 岸，可 采 用 生 物 材 料 ( 植 物) 施 工 法; 中等强度型堤岸，可采用混合材料( 植物与木二、国外城市水系生态堤岸设计( 一) 生态工法生态工法( ecological engineering) 的理念源自于 意大利、德国及瑞士，近年来逐步推广至世界各国。 早在 19 世纪末，意大利的工程界已开始类似自然生 态工法的应用。1938 年瑞士人 Seifer 首先提出“近 自然河溪整 治”的 概 念，特别指 出 能够在完成传统 河流治理任务的基础上，达到接近自然并保持景观 美的一 种 治 理 方 法，使 人 类 从 物 质 文 明 到 文 化 文 明、从工程技 术 到 工 程 艺 术、从实用价值到美学价 值，同时特别 强 调 山 川、河道 治理工程中美学的成 分3 。20 世纪 50 年 代 德 国 正 式 创 立 了“近 自 然 河 道治理工程”，提 出河道 的 整治 要符合植物化和生 命化4 。“生态工法”一词是 Odum 于 1962 年 首 次 提 出 的，他认为人类从自然中摄取的能源相对于整个自 然资源来说是微小的，但摄取的方式和过程却对自北京林业大学学报( 社会科学版)96第 9 卷材或石材混用) 施工法; 高强度型堤岸，即遇有洪水凶猛、对河 岸 侵 蚀 强 度 很 大 的 场 合，也 可 选 用 坚 固材料( 木材、石材、混凝土) 施工法。 具体细分，国 外常用的生态堤岸形式主要有以下 10 种。1 . 椰子纤维捆堤岸将椰子壳纤维用麻线织物捆绑成圆筒状，一般 直径为 30 cm ，长 为 600 cm ，用木桩固定在堤岸坡 角，通常放置在 高 水 位 线 处 或 齐 岸 处。其 应 用 特 点 是:能够将沉 积 物 拦 下，利于 植被生长并保护堤岸 坡角部位免 受 流 水 侵 蚀; 椰子 壳 纤维捆具有弹性， 能够保持 堤 岸 蜿 蜒 曲 折 的 自 然 属 性。 这 种 技 术 必 须与其他生 态 技 术 结 合 使 用; 也可以应用在湖泊、 人工景观水系等水面较为平静的水系岸边，有助于 水生植物 的 生 长。 也 可 以将 芦苇等水生植物的种 子放置 在 椰 子 纤 维 捆 中，并 用 木 桩 将 其 固 定 在 岸 边，待种子发芽成长以后，形成活植物捆堤岸，为微 生物提供良 好 的 生 活 栖 息 环 境，过 滤 沉 淀 泥 沙，保 护水系堤岸( 见图 111 ) 。图 2 活桩堤岸中，用木桩固定，回填土壤并夯实。 其应用特点是:根系在土壤中扩展后有助于堤岸的稳定，防止浅层 滑坡，减少土壤侵蚀，并易于与活桩法结合使用 ( 见 图 313 ) 。 图版 -5 a 为多瑙河改造中应用的活枝 条捆堤岸，图版 -5 b 为枝条长成后的情景12 。图 3 活枝条捆堤岸4 . 活桩枝条堤岸将枝条分层铺设在岸边并用活木桩稳固，用土 壤覆盖夯实，是一种有效廉价的修复较小范围坍塌 和洞穴(0. 75 1. 5 m ) 的方法，但对深或宽大于 1. 5 m 的坍塌和洞穴没有作用( 见图 413 ) 。图 1 椰子纤维捆堤岸2 . 活桩堤岸将活树桩( 一般用柳树) 直接夯入土壤中，树桩 生根后将土壤盘结为一个整体，起到稳定堤岸土壤 的作用。 其应用特点是:适用于坡度较小但冲刷较 为严重的堤岸，以及容易发生小块滑坡和坍塌的堤 岸，还可作为 不 同 形 式 生 态 堤 岸 之 间 的 过 渡 段 ( 见 图 212 ) 。 奥地利在对多瑙河的改造中使用了这种 方式，取得了很好的效果( 见图版- 4 )12 。3 . 活枝条捆堤岸将活枝条捆绑后，沿等高线放置在开挖的槽沟图 4 活桩枝条堤岸5 . 灌木压条堤岸将活的枝 条 沿 等 高 线 或 者 在 水 系 岸 边 分 层 放 置( 水平或 者 有 一 定 角 度) ，然 后再覆上土壤夯实。 其应用特点是:根 枝干 土壤体系增强了堤岸的 抗冲刷侵蚀能力;伸出堤岸表面的多层次的枝条能 够有效过滤水流中的沉积物( 见图 513 ) 。赵 华等:城市水系的生态堤岸设计第 2 期97图 5 灌木压条堤岸图 7 灌木沉床堤岸6 . 植被土工格布堤岸用土工格布将覆盖在枝条上的土壤包裹起来， 其他做法同灌木压条法，这种方法必须在低水流流 速的条件下施工。 其应用特点是:用来加固坡度较 陡(1 1 以上) 的堤岸;修复遭到严重侵蚀的堤岸;过 滤沉积物;在植被没有长成之前也能够快速有效地漫上堤岸的 水 系;应 该 与 其 他 生 态 技 术 结 合 使 用;为鱼类和昆虫等生物提供生活空间，增加水系走廊 的生物多样性( 见图 813 ) 。加固堤岸( 见图 614 ) 。 设计师 F.Browne 采用X.了植被土工格布的方法对美国 Perkasie 河遭到侵蚀的河段进行整 修，图 版 -6 a 为 整 修 前 的 照 片，图 版 -6 b 为施工过程中的情景，图版-6 c 为 3 个月以后 的景观14 。图 8 原木和根垫堤岸9 . 活栅栏墙堤岸用原木或木条做成相互连接的箱形骨架，骨架 下部铺一层 石 块，上 部 覆 土 并 夯 实，将 枝 条 放 置 在 骨架内，并将 根 部 埋 入 土 壤 中，枝 条 成 活 后 将 逐 渐 取代骨 架 的 作 用。 其 应 用 特 点 是: 适 合 于 水 流 湍 急、冲刷强度 较 大 的 河 段，适 合 于 坡 度 较 大 甚 至 垂 直的堤岸，能够迅速修复被侵蚀的堤岸并保持堤岸 的自然属性;施 工 复 杂，造 价 较 高 ( 见 图 915 ) 。 奥 地利在整治多瑙河工程中在水 流 较 大 的 河 段 采 用 了这种方法，取得很好的效果，图 版 -7 a 为 刚 施 工 完的情景，图版-7 b 为 3 个月以后的景观12 。图 6 植被土工格布堤岸7 . 灌木沉床堤岸将活切条和 枝 条沿着坡度方向平铺在堤岸上 形成沉床( 枝条的根部朝下，头 部 朝 上 ) ，上 面 用 土 壤或块石 固 定。 其 应 用 特 点 是: 可快速保护堤岸， 但强度不高;适合于坡度小于 1 1 的堤岸;发生洪涝 时可过滤沉 积 物;可 迅速恢复水系的生态系统; 可 与活枝 条 捆 法 和 活 桩 法 等 生 态 技 术 结 合 使 用 ( 见 图 713 ) 。8 . 原木和根垫堤岸用块石或混 凝 土砌块将原木和树根固定在岸 边，为野生生物提供理想的生活栖息环境。 其应用 特点是:适合于蜿蜒曲折、水流流速平缓、水体没有图 9 活栅栏墙堤岸10 . 固定栽植堤岸将根部 削尖的活树桩 夯 入 土 壤 中，然 后 堆 积 ( 或者用砂浆砌筑) 一层块石;或者在堆积( 砌筑) 块 石时预留一些孔，然后将活树桩通过预留孔夯入土 壤中。 其应 用 特 点 是: 活 树 桩 成 活 后，其 根 系 和 树北京林业大学学报( 社会科学版)98第 9 卷干将块 石 和 土 壤 结 合 成 一 个 整 体; 可 以 美 化 块 石层，淡化人工构造物的生硬感。 与单独采用块石砌 筑的堤岸相 比，这 种 堤岸具有自然特性，可 以 为 动 植物提供更好的生活栖息环境;可以迅速修复并保 护受 到 侵 蚀 的 堤 岸; 施 工 简 单，可 广 泛 应 用 ( 见 图 1013 ) 。生态系统( 见图版-8 ) 。 在转河的改造中还有一个比较鲜明的特点就是注重人与自然的和谐共生，设 置了很多亲水平台，吸引众多市民尤其是老人和孩 子来这里垂钓和玩耍嬉戏 ( 见图版-9 ) 。 北京奥林 匹克公园内的水系堤岸设计采 用 相 似 的 近 自 然 型 设计手法，使 其 恢 复 自 然 属 性 和 自 我 净 化 的 功 能， 并放养了鸭、龟、鱼等水生动物，力求创造完整的生 态系统，体 现 人 与 自 然 和 谐 统 一 的 绿 色 奥 运 理 念( 见图版-10 ) 。四、生态堤岸技术存在的问题虽然生态堤岸具有诸多优点，但受生物材料和 技术规则上 的 限 制，其 自 身 也 具 有 很 多 缺 陷，所 以 在选择生态堤岸形式时，一定要根据本地区的实际 情况加以慎 重 考 虑，否 则 非 但 达 不 到 预 期 效 果，反 而会导致 不 堪 设 想 的 后 果。 生 态 堤 岸 建 设 存 在 的 问题主要表现为16 :1 ) 必须选用能够适应本地区环境条件的植被。2 ) 用石 材或混凝土砌筑成 的 传统堤岸 在 竣 工 后就可 以 马 上 使 用，但 修 建 生 态 堤 岸 需 要 一 定 时 间，待植被长成后才能发挥作用。3 ) 需要 冬眠的活枝条无法 在 冬季短暂 且 多 雨 的温热带气候地区应用。4 ) 植物 生长期过短的严寒 地 区对生态 堤 岸 的 建设具有不利影响。5 ) 对于水流流速过大或者会产生紊流的水系， 在生态堤岸建成初期，可能无法承受如此大的剪力 作用，必须采取保护措施。6 ) 生态 堤岸施工时间的选 择 必须要根 据 所 选 植被的冬眠期或者生长期而定:种子必须在其生长 期内播种，而活枝条则必须在其冬眠期内栽植。7 ) 对于损毁严重需要立即修复的堤岸，生态技 术很可能是 无 效 的，必 须 根 据 实 际 情 况 慎 重 考 虑; 对于在植物冬眠期内经常发生洪灾的水系，生态方 法的使用也具有很大困难。总之，任何 技 术 措 施 都 不 是 完 美 的，我 们 应 该 将生态技术 与 传 统 方 法 结 合 使 用，扬 长 避 短，寻 求 一条解决问题的最佳途径。人类如果想凌驾于自然之上，对自然随意进行 改造和破坏，迟早会遭到大自然的抛弃和报复。 因 此，对于大 自 然 的 重 要 因 素 水 系，我 们 必 须 给 予尊重和善待。 设计师应根据各地区的气候特点， 水系特点，生物物种种类、特点、生活习性以及生存 条件，为水系选择合适的自然型或近自然型堤岸形 式，使任何一 种 生 物 都 能 找 到 合 适 的 生 存 空 间，为 久居城市、远 离 自 然 的 人 们 提 供 享 受 自 然 环 境、与图 10 固定栽植堤岸三、我国城市水系生态堤岸的发展我国古 典 园 林 强 调 以 人 为 本，重 视 人 与 自 然、 人与人之间的和谐统一。 “崇尚自然，师法自然”我 中国古典 园 林 所 遵 循 的 原 则。 但随着近现代工业 技术的发展以及人们对“人定胜天”思想的误解，在 对城市水系的治理中总是试图驾驭水，而不是尊重 和善待它，从而造成本文开始所述的种种后果。近几年来，由 于 市 民 和 政 府 对 城 市 ( 尤 其 是 大 城市) 水系 问 题 的 关 注，国外生 态 工法理论的引入 以及水系生态治理所带来的巨大经济和社会效益， 中国各大城市纷纷开始对城市水系进行生态改造。 目前我国的 生 态 堤 岸 形 式 多 采 用最简单的低强度 型堤岸，仅适合水流平缓的河流或湖泊。 北京转河 的改造和奥 林 匹 克 公 园 内 的 水 系建设就属于较成 功的案例。 具 有 排 洪防汛功能的水系则需要采用 中等强度的生态堤岸甚至高强度的生态堤岸，由于 难度较大、技术复杂，目前大多仍采用硬质堤岸，改 造潜力很大。北京转河是 古 高 粱 河 的 一 部 分，20 世 纪 70 年 代被填埋，2001 年 市 政 府决 定 重新改造恢复转河， 并采用国外盛行的生态工法，摒弃了将水与土壤割 裂的石材或混凝土的硬质堤岸，采用近自然型的生 态堤岸，利 用 植 物、木桩和块石等来 防 风护岸，使 水、土壤和各类水生动植物共生共存。 岸边的植物 种类繁多、层次丰富，既有各种高大的乔木、低矮的 灌木，也有多种水生植物如芦苇、菖蒲、茅草、茭白、 荷花以及大量后来长成的野生植物，这些水生植物 具有良好的净化能力和很强的耐污耐碱性，能够直 接吸收水中 的 营 养 盐，抑制浮游藻类的生长，吸 收 重金属离 子 等。 同 时，树木和水生植物为鸟类、水 生动物和昆虫提供了食物和栖息地，形成多样性的赵 华等:城市水系的生态堤岸设计第 2 期99各种动植物和谐共处之乐趣的地方。Academy Press，1996 :111 -128 .10 WILLIAM J M ， SVEN E J. 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