夏繼紅，鞠 蕾，林俊強，陳永明，王為木，韓玉玲，胡 玲

(1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098;2.密西西比大學國家水科學計算與工程中心，密西西比州牛津 38655;3.浙江省河道管理總站，浙江杭州 310009)

河岸帶(Riparian Zone)是陸地系統(tǒng)與水域系統(tǒng)之間的過渡帶［1-2］，由于其獨特的邊緣效應特點，具有調節(jié)水流、調蓄洪水、緩沖污染、提供棲息地、調節(jié)氣候、提供資源、景觀旅游等自然保護、生態(tài)保護、社會經濟價值等功能［3-5］。隨著人們對河岸帶認識的進一步深入，很多國家越來越重視河岸帶的建設、保護和管理，認識到保證河岸帶寬度要求是發(fā)揮其功能的關鍵因子，并對其寬度做出了明確規(guī)定［6］。如，美國自20世紀60年代末開始河岸帶的研究，制定了河岸帶保護與建設導則和條例，提出了包括河岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理模型(REMM)在內的多種河岸帶寬度定量計算方法，明確了其寬度范圍［7］。我國自20世紀90年代末開始重視河岸帶的保護，但其建設和管理往往與農業(yè)生產、建設開發(fā)之間存在用地之爭，且我國目前還沒有定量劃定河岸帶區(qū)域范圍的方法，使河岸帶寬度得不到保障，無法充分發(fā)揮其功能。因此，定量確定河岸帶區(qū)域范圍是目前河道管理和建設中迫切需要解決的問題。本文在分析河岸帶動態(tài)過程的基礎上，探討河岸帶寬度的要求和影響因素，歸納國外河岸帶寬度的計算方法和參照值，為我國河流生態(tài)建設中河岸帶區(qū)域范圍的準確劃定提供參考。

1 河岸帶結構及動態(tài)過程

河岸帶在地理空間上是典型的三維結構邊緣交界區(qū)［7］。在縱向上，多個功能區(qū)蜿蜒交錯;在垂向上，地表水與地下水相互交換;在橫向上，地表水系統(tǒng)與陸地系統(tǒng)交匯［3］。河岸帶的這一結構特點決定了河岸帶存在著較為復雜的水文、水動力過程、生態(tài)過程和溶質遷移轉化過程［8］，如圖1所示。

a.水文、水動力過程。河岸帶主要有徑流和蒸發(fā)2個水文過程。降雨時，雨水在地表形成徑流，一部分形成坡面徑流，匯入地表水;一部分形成土壤滲流，匯入地下水或地表水。無降雨時，在植被和光照作用下，土壤中的水分會蒸發(fā)進入大氣。由此可見，河岸帶有三類徑流:岸(坡)面徑流、河流徑流和地下水徑流［3］。徑流流動過程中伴隨著水流交換以及徑流與土壤、植被之間動力作用。如地下水與地表水之間的交換形成潛流，坡面徑流的侵蝕、河流徑流的淘蝕、植被的阻水等動力作用過程［3］。

b.生態(tài)過程。河岸帶是一個獨特的生態(tài)系統(tǒng)，具有較高的生物多樣性，主要棲息著陸生植物、水生植物、哺乳動物、爬行動物、兩棲動物、水生動物以及微生物等［9-10］。各生物之間存在捕食、競爭過程，形成復雜的食物網，使河岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有完整的物質交換、能量流動和信息傳遞的生態(tài)過程［1］。如:植物的落葉殘枝是水生動物的食物來源;很多鳥類喜歡棲息于河岸帶，并以無脊椎動物和小型水生動物為食物來源;陸地哺乳動物常常以河岸帶為運動廊道，沿河獵取爬行、兩棲、水生生物等。

c.溶質遷移轉化過程。在水動力和生態(tài)過程的作用下，河岸帶內的泥沙、有機質、營養(yǎng)、污染等會發(fā)生溶解、輸運、沉積、吸收、分解以及氧化還原等溶質遷移與轉化過程［11］。有機質包括落葉、殘枝、動物尸體等;營養(yǎng)物質主要來自過剩農作物肥料的氮、磷、鈣、鎂等;污染物質主要來自于農藥、交通和居民生活等。

圖1 河岸帶結構及動態(tài)過程示意圖Fig.1 Sketch map of structure and dynamic processes of riparian zone

2 河岸帶適宜寬度要求及影響因素

2.1 適宜寬度要求

河岸帶只有滿足一定的寬度要求，才能有效發(fā)揮其功能。適宜寬度是指滿足特定條件、特定功能要求的河岸帶寬度。通常包括最小、最大、最優(yōu)等寬度要求。(a)最小寬度。最小寬度指滿足河岸帶主體功能的最低寬度要求。不同功能，其最小寬度要求有所差異。如，當河岸帶寬度增加到一定程度后，削污效率無明顯增加，這一寬度即為削污最小寬度要求。對于防洪要求較高的河道，滿足防洪安全和河岸穩(wěn)定要求的河岸帶寬度即為河岸帶最小寬度。(b)最大寬度。最大寬度指能滿足所有功能的最大寬度要求。由于河岸帶動物生活范圍較為寬廣，所以最大寬度通常是指當岸外可利用土地資源足夠時，滿足河岸帶生物棲息所需的寬度要求。對于某些特殊功能也有其相應的最大寬度要求。如，對于可利用土地資源足夠的水源地河岸，滿足削減95%～100%污染和泥沙所需的河岸帶寬度即為最大寬度。(c)最優(yōu)寬度?？傮w而言，河岸帶越寬越有利于防洪安全、保護資源、削減污染、減少侵蝕。但由于河岸寬度往往會受岸外可利用土地資源空間的限制，所以在建設和管理中，應考慮當地實際生產需要，選擇最優(yōu)寬度，使其既滿足防洪安全、環(huán)境保護、生態(tài)保護要求，又滿足降低占地的經濟成本要求。

2.2 影響因素

河岸帶寬度主要受坡度、土壤類型、植被類型、降雨量以及岸外土地利用情況等因素影響。(a)坡度。當坡度增加時，坡面水流流速將會增加。因此，坡度越陡，滿足流速降低、污染吸收和泥沙沉積所需的河岸帶越寬。很多研究者建議河岸帶建設中岸坡坡度不宜過大。對于特陡岸坡，應在岸外留有足夠的緩沖空間。(b)土壤類型。不同土壤類型河岸帶其寬度要求也不相同。黏性越大的土滲透性越差，越容易產生地表徑流，匯流時間短、較寬的河岸帶才能滿足一定的功能要求。通常較濕潤、酸性較強的土壤能很好地去除氮，較窄的河岸帶即能滿足相關要求。(c)降雨量。河岸侵蝕、面源污染進入河流與降雨量密切相關。當降雨強度較小時，較窄的河岸帶就能有效攔截泥沙和污染;相反，則需要較寬的河岸帶。(d)植被類型。不同植被類型對河岸帶功能的作用效果不同。如，草能攔截61%的硝酸鹽、72%的磷和44%的磷酸鹽。草與喬木混合能去除92%的硝酸鹽、93%的磷、85%的磷酸鹽［12］。可見，組合型植被比單一植被河岸帶能更有效地攔截污染，其所需寬度也更小。(e)土地利用。岸外土地利用情況決定了坡面匯流特點、污染類型和污染量。如果岸外為農業(yè)耕種區(qū)，則匯流相對較慢，徑流較小，污染主要為面源污染。如果岸外為城鎮(zhèn)居住區(qū)，匯流快，徑流流量大，污染主要為生活污染及路面污染。不同的土地利用方式，其寬度要求也不相同。

3 河岸帶寬度計算方法

準確確定河岸帶適宜寬度是河岸帶管理和建設的基礎性工作，目前主要有統(tǒng)計回歸模型、基于動態(tài)機制的數學模型、綜合優(yōu)化模型等多種計算方法。

3.1 統(tǒng)計回歸模型

a.單因子回歸模型:單因子回歸模型是單一因子與一定寬度河岸帶功能發(fā)揮效果之間的關系模型。如，Nieswand等［13］將河岸坡度與寬度作為影響河岸侵蝕、截留泥沙最主要的因子，建立了河岸帶寬度與坡度之間的回歸計算關系式;Mayer等［14］分析建立了河岸帶寬度與氮素去除率之間的回歸關系式。

3.2 基于動態(tài)機制的數學模型

河岸帶的水文、水動力、生態(tài)學、物質遷移轉化等動態(tài)過程是決定河岸帶寬度的基本驅動機制。因此，一些學者以河岸帶動態(tài)過程為基礎，建立了河岸帶寬度的計算方法。主要包括基于坡面流與泥沙運動機理的計算模型、基于坡面流與溶質運動機理的計算模型以及綜合多動態(tài)過程的計算模型等。

a.基于坡面流與泥沙運動機理的計算模型。該模型是通過計算坡面流流速與泥沙沉降速度的對比值，確定能使泥沙有效沉降在坡面上的河岸帶最小寬度［16］:

式中:WRZ——河岸帶寬度，m;S——河岸坡度，°;RRN——氮素去除率，%。

b.多因子回歸模型:多因子回歸模型是考慮坡度、水流、降雨、植被、岸外土地利用、污染源等因子共同作用下，滿足一定功能要求的河岸帶寬度計算模型。如，Hawes等［12］提出了河岸帶寬度與坡度、侵蝕因子之間的回歸關系式。Cook大學環(huán)境資源系提出了河岸帶寬度與坡度、坡面流流動時間之間的回歸關系式［12］。Mander借鑒通用水土流失方程，提出了河岸帶寬度與地表徑流強度、流域坡降、坡度、地表粗糙度系數、滲透系數及土壤的吸附能力之間的回歸關系式［15］。

其中

式中:Fs——安全系數;vs——泥沙沉降速度，m/s;v——坡面流流速，m/s;Ltr——調整長度，m，通常為3.048 m;n——曼寧系數。

b.基于坡面流與溶質運動機理的計算模型。該模型是以水流運動方程為基礎，耦合溶質動態(tài)方程，計算溶質下滲的最大深度，再利用坡度、深度、寬度之間的幾何關系，計算所需的河岸帶寬度［17］。溶質最大下滲深度計算式為

式中:C——溶質質量濃度，mg/L;t——時間，s;Dsh——擴散系數;θ——土壤含水量;Rf——阻滯因子;ˉv——坡面流平均流速，m/s;x——垂向深度，m;H——溶質最大下滲深度，m;λ——一階動力衰減系數;C0——溶質初始質量濃度，mg/L。

c.綜合多動態(tài)過程的計算模型。該模型是在綜合考慮水文、水動力過程，生態(tài)過程，泥沙運動過程，溶質運動過程等動態(tài)過程的基礎上，研究不同功能要求河岸帶寬度的計算模型，目前主要有REMM，CREAMS，WEPP等，其中REMM應用較為廣泛。REMM將河岸帶橫向分成3個區(qū)，垂向分成3層［8］，模擬水流、泥沙、營養(yǎng)(主要是氮、磷、碳等)、植被生長等在橫向和垂向的動態(tài)變化，預測不同河岸帶寬度、坡度、土壤特性、植被布置等因素對水質、河岸侵蝕的影響。該模型是研究河岸帶邊緣區(qū)動態(tài)特性的專門性模型，已在美國佐治亞蒂弗頓地區(qū)河岸帶管理中得到較好應用。但由于該模型需要準備較多的基礎資料，所以給推廣應用帶來了一定的困難。范小華等［18-19］對該模型進行了介紹，但未見具體應用成果。

3.3 綜合優(yōu)化模型

上述模型僅考慮了滿足功能要求的河岸帶寬度計算方法，但現實中岸外土地資源往往對河岸帶寬度存在一定的限制。如果單純考慮滿足河岸帶功能要求，可能會產生一些不良社會影響，如農民失去土地后的社會成本。因此，在劃定河岸帶區(qū)域范圍時應綜合考慮功能要求與資源可用程度，協(xié)調用地矛盾。Sparovek等［20］在綜合考慮河岸帶效益和占用耕地而使農民失去土地后的社會成本后，提出攔截泥沙量最大、占地最少的最優(yōu)河岸帶寬度Wop。Wop須滿足:(a)產沙量Sy小于等于目標沙量Tsy;(b)WRZ大于等于河岸帶最小需求寬度Wmin;(c)河岸帶占用農田面積最小。Cerucci［21］根據這一假設提出了河岸帶寬度優(yōu)化模型:

式中:Ci——第 i段河岸帶占地成本，元;Ai——第 i段河岸占地面積，m2;WRZi——第 i段河岸帶寬度，m;Syit——第i段河岸帶t時間產沙量，kg;P——小于目標沙量的概率;Pfix——目標概率。

4 國外河岸帶寬度參照值

自20世紀60年代以來，美國、澳大利亞、加拿大、英國等通過制定相關條例法令和建設導則，明確規(guī)定了河岸帶寬度范圍，給出了最大寬度和最小寬度的參照值范圍，見表1。

a.美國。目前對河岸帶研究較多的是美國，美國有49個州制定了河岸帶建設導則，根據不同類型河道的保護要求，給出了寬度推薦值［6］。Hawes等［12，15］歸納總結了美國不同功能要求的河岸帶寬度推薦參照值。

b.澳大利亞。Price等［22］在分析了國家推薦值后指出實際工程中，河岸帶寬度既要考慮產量效益的增加，又要考慮環(huán)境條件的改善，應滿足多個目標要求，否則會不能滿足功能目標要求，或造成資源浪費。

表1 不同國家不同目標的河岸帶寬度推薦值范圍Table 1 Recommended riparian zone widths for different functions in different countries m

c.加拿大。Lee等［7，23］歸納了加拿大河岸帶寬度的具體要求。

d.其他國家。英國研究人員發(fā)現，5～20 m寬的植被帶能有效保護河流棲息地結構及大范圍無脊椎動物的種群。保護河流及濕地的河岸植被緩沖帶，最小寬度應在15～30 m之間［24］。瑞典規(guī)定河岸帶設置寬度在10～30 m，依設置地點的敏感度而定。愛爾蘭規(guī)定在中等或較陡的坡地，河岸帶寬度最小為10～20 m，而在侵蝕嚴重的地區(qū)，寬度應在15～25 m之間［24］。

5 結 論

a.多尺度、多因素綜合優(yōu)化。河岸帶是一個三維結構的復雜系統(tǒng)，在空間上涉及河段、河流、流域尺度，在時間上涉及現時、短期和長期尺度。既涉及水文、氣象、生物、土壤、地理等自然因素，又涉及社會生產、河岸帶管理以及人文歷史等人為因素。所以河岸帶寬度在定量計算中，應綜合考慮多尺度、多因素綜合影響的多目標優(yōu)化計算方法。

b.多方法綜合應用、相互驗證?，F有的多種河岸帶寬度定量計算方法對研究區(qū)域是適用的，能滿足河岸帶管理要求，但不一定適用于我國。因此我國在應用相關方法時，須多方法綜合應用，比較優(yōu)劣，相互驗證。根據我國河岸帶特點和具體條件，研究適用的綜合方法，為河岸帶建設和管理提供依據。

c.3S技術的動態(tài)決策方法。河岸帶是多尺度、多因素系統(tǒng)，涉及數據眾多，涵蓋區(qū)域范圍寬。為能準確直觀地給出河岸帶寬度，需借助3S技術，準確獲得現場數據，耦合數學模型和決策支持技術，通過GIS系統(tǒng)將決策數據與地理圖像相互鏈接，形成全河道，甚至全流域河岸帶適宜寬度的專題地圖，這將是未來河岸帶寬度確定的重要工具和方法。

致謝:衷心感謝美國密西西比大學國家水科學計算與工程中心(NCCHE)提供了良好的研究條件和資源，衷心感謝Wu Weiming教授、Altinakar Mustafa教授、Wang Sam SY教授、Wei Zhangping博士等給予的幫助!

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