基于自然解决方案在永定河生态修复中的应用简析

徐爱霞，邓卓智

(北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

基于自然解决方案(Nature-based solutions，NBS)指“受到自然的启发和支持，持续地管理和利用自然或改造的生态系统，以有效和适应性地应对社会-环境挑战，同时益于人类福祉和生物多样性”。近年来，国际社会重新重视基于自然解决方案，并应用到应对气候变化、水安全、水污染、粮食安全、人类健康和灾害风险管理等方面。尽管我国迄今很少应用“基于自然解决方案”的概念，但已在海绵城市建设、生态修复等方面实际工作中得到应用。本文梳理了基于自然解决方案在水利领域的主要应用，并结合永定河治理和生态修复，总结分析了基于自然的方案在河道修复和水源地保护等方面的应用，为基于自然解决方案在我国水利领域的进一步推广和应用提供参考。

1 基于自然解决方案在水利领域的应用

长期以来，人们通常首先选择建造水利工程设施(“灰色”设施)，改善水资源管理，满足人们的涉水需求。在这个过程中，经常忽略采用更为环保的传统或当地知识。基于自然解决方案的应用，不是要用利用生态系统过程和功能的绿色基础设施取代灰色基础设施，而是统筹考虑多个目标和利益，确定灰色基础设施和基于自然解决方案的最合适，最具有成本-效益和可持续性的方案。面对水资源需求的不断增加，生态环境恶化，以及气候变化等多方面影响，需要探索新途径来管理水资源。基于自然解决方案强调与自然的和谐相处，而非斗争，且通常具有成本-效益和环境、社会和经济效益。对水利领域，基于自然解决方案已在水量、水质和水灾害风险管理方面得到应用，开拓了水资源管理的新视野。

1.1 水量管理

通过管理与水有关的生态系统过程和功能，可以为人们提供“生态系统服务”带来的益处。所有生态系统服务都依赖于水，但一些特定的生态系统服务又直接影响到产水量。基于自然解决方案主要通过管理降水、渗透、运移和蓄水等，改善可供人们需求的水的分布、时间和数量，从而助力解决供水问题。建设更多水库受到淤积、可用径流减少、环境、移民等问题的限制，在许多发达国家具有成本-效益和最可行的建设地点已经被使用，这也限制进一步增加水库建设。在许多情况下，其他生态系统友好型的蓄水形式，如利用天然湿地、提高土壤湿度、更有效的地下水补给，可能比传统的灰色基础设施(如水坝)更具可持续性和成本效益。

基于自然解决方案和灰色基础设施相结合的我国海绵城市建设，是增加城市可用水量，实现对城市径流管控的典型例子。通过建设生态排水设施，充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，优先利用自然排水系统，有效缓解城市内涝，增加可利用水量(节约水资源)，同时削减城市径流污染负荷。

1.2 水质管理

水源保护降低了城市水供应部门的水处理成本，并有助于提高农村社区获得安全饮用水的机率。在城市水源的汇水区，通过对森林、湿地和草地以及土壤和作物的适当管理，可以利用生态系统捕获和保留污染物以及吸收养分，减少沉积物负荷，其可在保护供水水源水质方面发挥重要作用。在水受到污染的地方，人工建设和自然生态系统都可以帮助改善水质。来自农业的非点源污染，特别是营养元素，仍然是世界性的难题，它也最适合应用基于自然解决方案，因为这可以利用生态系统过程，改善土壤养分，从而降低肥料需求，同时减少径流或渗透到地下水的营养元素。

城市绿色基础设施越来越多地被用于管理和减少城市径流造成的污染。城市中的绿墙、屋顶花园、草地渗透或排水洼地，可以帮助废水处理和减少雨水径流。湿地也在城市环境中被应用于缓解受污染的地表径流和废水的影响，利用天然和人工湿地实现生物降解或固定一些污染物。对于某些特定化学污染物，基于自然解决方案甚至可能是唯一的处理方案。

1.3 水旱灾害风险管理

气候变化导致的极端降水事件增加，导致有关洪水和干旱灾害风险增加。全球范围内估计约有30%的人口居住在经常受洪水或干旱事件影响的地区，水旱灾害损失巨大，且呈增加趋势。与洪水共存的理念，可以促进基于自然解决方案的应用，绿色与灰色基础设施相结合的方法可以节省成本，并可大幅降低水旱灾害风险。基于自然解决方案用于洪水管理，包括管理渗透和陆地表面流，提高河湖水文连通性，增加蓄水行洪空间，提高洪水蓄滞和排泄能力。

干旱灾害并不像有时所描述的那样仅发生在干旱地区，在通常不缺水的地区也可能发生干旱灾害。基于自然解决方案可以缓解干旱灾害，主要措施包括提高土壤和地下水在内的区域蓄水能力，以缓解极端缺水时期的影响。降雨的季节性变化为区域蓄水提供了机会，在雨季时的蓄水可为干旱时期的生态用水和人们生产生活用水提供水源。当前自然蓄水(特别是通过土壤、地下蓄水层)减少灾害风险的潜力远未实现。流域和区域尺度的水源规划，应考虑到地表和地下蓄水等多方案的组合，以在水资源变率不断增加的背景下取得最优的环境和经济效果。

2 永定河综合治理与生态修复

2.1 基于自然解决方案在总体方案中的应用

永定河是海河水系最大的一条支流，由发源于内蒙古自治区兴和县的洋河和发源于山西省宁武县西南管涔山的桑干河汇流而成，中下游经河北省、北京市、天津市入渤海，全长747km，流域面积4.7万km2。

永定河是京津冀区域重要水源涵养区、生态屏障和生态廊道。自20世纪70年代中后期，受气候变化、上游水库建设、沿岸工农业开发用水需求增加等因素影响，目前存在流域水资源过度开发、环境承载力弱、水污染严重、河道断流、生态系统退化、部分河段防洪能力不足等问题。作为2017年京津冀协同发展的重要任务之一，《永定河综合治理与生态修复总体方案》(以下简称总体方案)得到国家发展改革委、水利部和国家林业局的联合批复。目前永定河的综合治理和生态修复工作已正式启动实施。

总体方案提出把永定河恢复成为“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”，再现河道清水长流、湖泊荡漾涟漪、沿岸绿树连绵、城乡山川相融的自然山水风貌的总体目标，确定了河流生态环境需水量及配置方案，从水资源节约与生态用水配置、河道综合整治与修复、水源涵养与生态建设、水环境治理与保护等方面，提出了重点治理一系列措施。在总体方案中，特别是在具体治理措施方面，充分利用了基于自然解决方案。

2.1.1 河道生态治理修复

针对永定河河道生态退化问题，采取河道主槽整治、河岸绿化、生态护岸、水面恢复等措施，推进河道生态修复，实现“河畅、水清、岸绿、景美”的自然风貌，打造贯穿京津冀晋四省市、连接山区和平原、沟通陆地和海洋的绿色生态河流廊道。

2.1.2 河道防护林建设

永定河河道两侧现有河道防护林0.24万hm2。通过造林、现有林管护等措施，新建河道防护林面积1.54万hm2，恢复河道两岸生态植被，强化河岸水土保持和防风固沙功能，美化河道景观。

2.1.3 水源涵养林建设

通过上游水源涵养林建设，提高上游地区水源涵养、水土保持生态功能；加强幼龄林抚育管理，推进低质低效林改造，提升森林水源涵养能力；完善自然保护区和森林公园基础设施与管理能力建设，促进生物多样性保护。

2.1.4 清洁小流域建设

永定河官厅水库上游地区现有水土流失面积1.5万km2，其中中度及以上流失面积5699km2。针对山区水土流失和水环境污染特点，采取沟道整治、水土流失防治、农村生活污染处置设施建设等措施，建设清洁小流域107条，新增水土流失治理面积1384km2，提高河流上游水源涵养能力，减少面源污染负荷，维护重要水源地安全，改善河道水环境，恢复河道服务功能。

2.1.5 重点水源地保护

官厅水库位于永定河山峡入口处，总库容41.6亿m3，控制流域面积4.34万km2，是防洪、灌溉、供水、发电等综合利用的水库。规划建设八号桥、妫水河入库口水质净化湿地，扩建黑土洼水质净化湿地，并结合库滨带退耕还湿，控制周边地区污染物输入，净化永定河上游及妫水河来水，进一步改善入库水质。

2.2 基于自然解决方案的八号桥湿地案例

八号桥入库湿地位于怀来县丰沙铁路八号桥下游永定河右岸滩地，与左岸的八号桥水文站隔河相望。永定河沿湿地东部边界自北向南流过，丰沙铁路绕行湿地的西部、北部，湿地距永定河汇入官厅水库的入口处约4km，南北最长约3.5km，东西宽约700m，总面积约3152亩。地势北部高，南部低，西部高，东部低，高程在477～480m之间。

根据八号桥水文监测资料，永定河入官厅水库现状水质为Ⅴ类，主要污染物为总氮和总磷。八号桥湿地作为河道湿地，主要功能是生态恢复和水质净化，同时作为河北怀来官厅水库湿地公园恢复区的组成部分，具有科普宣传教育功能。根据功能定位，规划建设湿地类型主要以表面流湿地。表面流湿地，污水在湿地的基质表层流动，水位较浅，一般在0.1～0.6m。这种系统与自然湿地最为接近，依靠生长在植物水下部分的茎、杆上的生物膜实现对污水中的绝大部分有机污染物的去除。表面流湿地同时还具有生态功能优越，建设造价低，维护成本低，景观效果好，最接近自然风貌等特点。

根据现状高程，整个湿地区顺河道方向布局。河道主槽与大秦铁路、沙蔚铁路、八号公路桥、丰沙铁路将整个湿地(场区)分割为十个区域。按照水质净化要求，湿地充分利用土地面积，发挥湿地净化效率，对各个区域进行功能划分，设计水体流线，并将十个区域进行优化组合设计，形成整体水质净化工程总体布置。各分区湿地照现状地形地势为基础进行土方挖填整理而成，通过开挖引水溪流使河道与湿地连接，自永定河主槽引水，通过蜿蜒的溪流和湿地，使河水在湿地中穿行，实现溪流、深潭、浅水等不同的流动形态，在此过程中实现水体与土壤、水生植物等得充分接触，增加水的停留时间，实现水体净化。

通过八号桥湿地，净化永定河上游来水，净化规模3m3/s，折合约26万m3/d。其与黑土洼湿地工程相协调，共同发挥湿地净化水质效果，使入库水质达地表水Ⅳ类。未来，随着上游来水质量的进一步改善，通过八号桥湿地和黑土洼湿地共同作用，有望将入库水质主要指标提升至地表水Ⅲ类。

3 讨论

基于自然方法解决水资源管理问题在国际上重新受到重视，其在提高水资源供应、改善水质、减少与水有关的风险方面得到一定程度的应用。随着生态文明建设成为我国社会主义现代化建设“五位一体”总体布局的重要组成，“尊重自然、顺应自然、保护自然”的生态文明理念的确立，生态环境保护与修复在我国日益受到重视，基于自然解决方案将在河湖生态治理和修复中将进一步得到重视和应用。

在永定河综合治理与生态修复方案中，基于自然解决方案体现在流域水源涵养区的涵养林建设和清洁小流域建设，河道的生态治理修复和保护林建设，以及水源地保护的设计中，特别是规划了沿河库的八号桥湿地和黑土洼湿地等湿地工程，充分利用湿地净化水质。这显示了基于自然解决方案在河道治理与生态修复中的应用潜力。

基于自然解决方案通常被认为比传统的工程(灰色系统)效率更低，或者风险更大，而实际情况可能迥异，这需要结合具体的情况，对基于自然解决方案的水文-生态绩效、成本效益等进行公正和有力的评估。同时需要加强基于自然解决方案和灰色基础设施选项进行正确组合的技术导则、方法和措施的制定。

基于自然解决方案不是万能药，其需要与传统水利工程相互结合，相互补充，相得益彰。基于自然方法可以实现的目标是有限的，存在一定的局限性。如认识到生态系统承载能力的有限性，超过压力阈值(例如污染物和有毒物质增加)将导致对生态系统的不可逆转的破坏。对工业废水处理而言，基于自然解决方案不能有效解决一些特殊污染物类型及其负荷，仍需要灰色基础设施解决。另外，关于基于自然解决方案的一个经常夸大的认识是其具有成本效益，而这应该建立在考虑多种效益的科学评估基础上，在一些小规模尺度上，基于自然解决方案可能是低成本，但其应用在较大规模尺度上，可能需要大量投资。