自然生态工法理论与实践

自然生态工法理论与实践

金德钢①翁大朋②

（宁波市水利水电规划设计研究院①江阴格宾金属复合材料有限公司②）

[摘要：近十年，国家对水环境的治理和建设已进行了大量投入，但就达到的效果而言，与我国城市经济高速、持续发展、人民生活质量提高的迫切要求，存在着不小的差距。特别是城市水体的恢复与水环境建设，进展尤为缓慢。问题十分明显，如何逐步恢复城市水环境，使城市河道具有生命力，恢复城市水生态环境，在水工建筑物方面如何融入生态的理念，应用国外成功的经验，采用自然生态工法，使城市河道做到水清可游、景美可赏。

关键词 : 生态系统生态工法生态学环境退化生态恢复水文循环

食物链养分循环能量交换

一、生态的概念

生态广义上是指阳光、空气、水、生物群（动物、植物、微生物）与其他物质环境。它涉及到生物与非生物相互的影响、物质与能量的交换、自然稳定的循环系统、生态系统的食物链、平衡生态系统的特定承载环境。

二、自然生态工法的发展历史

自然生态工法的理念乃源自于欧洲意大利、德国及瑞士，近年来正逐步推展至世界各国。国内所偏重的多为设计安全、材质坚固、经济实惠、施工管理便利的工程措施，但缺少配合环境调和必要所考虑的造型设计、自然材料的选择、绿化美化的运用，因此虽然保护的目的达到了，但对环境、生态却也造成伤害而不自知。

最早在1890年代意大利的工程界已开始使用类似自然生态工法的应用，1938年瑞士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，可以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。至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。1962年H.T.Odum 首次提出“Ecological Engineering”，将生态学概念运用于工程中。随着生态学

理论的发展，人们对溪流治理有了新的认识，对于生态治理的目标，除了要满足人类对河溪利用的要求，同时要维护或创造河溪的生态多样性。治理时考虑溪流的水理特性和地形特点，将溪流的自然状况或原始状态，作为衡量溪流整治与人为活动干预程度的标准。

1971年Schlueter认为近自然治理（near nature control）的目标，首先要满足人类对河溪利用的要求，同时要维护或创造河溪的生态多样性。1983年Bidner 提出河道整治首要考虑河道的水力学特性、地貌学特点与河溪的自然状况，作为衡量河道整治与人为活动干预程度的标准。1985年Holzmann认为生态治理是通过生态治理创造出一个具有各式各样水流断面、不同水深及不同流路的溪流，把河岸植被看待为具有多种小生态环境的多层结构，强调生态多样性在生态治理的重要性，注重工程治理与自然景观的和谐性。到了1989年Pabst则把生态治理看为一种工程治理方式，溪畔仅用带石块的原有土壤或纯石块覆盖，河岸植被则应该是由自然下种形成的，其它一切刻意促进植被恢复和改良土壤的措施如撒种、栽植、洒水、施肥等均应禁止，溪流的自然特性依靠自然力去恢复。1992年Hohmann从维护河溪生态系平衡的观点出发，认为近自然河溪治理是减轻人为活动对河溪的压力，维持河溪环境多样性、物种多样性及其河溪生态系统平衡，并逐渐恢复自然状况的可行性工程措施。近自然治理的实质就是景观生态学与河道治理学的完美结合，亦就是既有防护作用又能维护河道自然景观的管理工程。就生态工法最初的主流定义是：首度提及“ecological engineering”一词；直至1989年生态学家Mitsch及Jorgensn正式探讨Ecological Engineering的观念并赋予定义，生态工法可谓正式诞生。「the design of human society with its natural environment for the benefit of both（Mitsch and Jorgensn，1989）」，进而到了1993年五月一场由美国NAS（National Academy of Sciences）所主办的生态工法研讨会中，对生态工法的定义变成了：“the design of sustainable ecosystems that integrate human society with its natural environment for the benefit of both”（Mitsch，1996）。我国水利部科学技术委员会副主任；生态水工学的工程理念；董哲仁。

其后一连串更深入的研究与实际应用，则为生态工法渐渐勾勒出更鲜明的轮廓。上述国内外专家学者对于生态工法的定义和说明，可以归纳到图表3.1及3.2来分析。

三、自然生态工法的定义

生态工法同时包含了“生态”与“工程”两门学科的所谓“生态工法”。

关于生态工法，简单地说就是人类与自然和谐的工程理念，生态工法的解释及内涵，因各相关研究专长领域不同，对该等名词的理论构架、实务工作内涵及研究范畴的认知亦差异甚大。生态工法的理论与实践就是将生态融入工程当中。目前社会环保意识提高，与“自然生态工法”有关的理念众多，尤其常有将景观设计、自然工程、亲水设施与生态工程等混淆不清的情势，并常未能合理应用在山川、河道、湖泊和水库…等等的特殊性，长久下来使得工程师们裹足不前。故希望能将诸多讨论的理念加以整理，藉由调查、汇整与探讨，能分析归纳出适合

国内生态条件的自然工法设计准则，供尔后相关单位应用时参考。

四、自然生态工法的应用

图表3.1

从图表上可以分析，生态工程的应用可以分为四大类：

1、生态环境工程，指利用生态自净能力，进行污染修复。

2、人工生态系，指复制或利用自然生态特性解决污染问题。

3、生态产业，指在不破坏生态平衡的原则下，以永续的原则满足人类对可再生资源的需求。

4、生态工法，指河道用自然生态的方式治理。

生 态 工 程

类 别 范 围 方 法

图表3.2

从自然生态工程的操作模式，对于生态治理的规划设计前期应该具备以下的精神：

（一）尊重自然环境原有的多样性。

（二）依照现存的自然条件，建设一个良好水循环及安全的溪流环境。

（三）积极的使自然环境再生创造出水与绿的具有生命力的生态网络。五、自然生态工法的研究领域及规划

自然工法或生态工法的研究领域，因研究地区生态系结构与功能性的差异，区域开发程度及考虑尺度的不同，以及研究规划人员的学经历背景、工作属性的差异，对自然生态工法的解读不同。以河道生态系统环境来定义生态工法。广义的生态工法规划应考虑以下三个指标：

1、安全的考虑

当施工地区有特定保护对象（如村落、民宅）、重要维生体系（如山坡地、水库、农业生态系）或特殊灾害地点（生态系无法自然复原）时，安全考虑将是第一优先，设计规划时需依安全评估、安全系数设定、应力力学验算及坡面稳定分析为依据。

2、保育的考虑

当施工地区为生态保护区、特有或稀有生物的自然保护区、或自然复育演替可能性高的地区时，应注意工程建筑物的负面效应，设计规划时尽量减低外物的导入及人为干扰，依据生物或环境栖地自然复原的预测或“极相理论”的推测、评估为依据。

3、经济的考虑

除安全及保育的考虑外，设计规划时亦应注意工程设施的经济性。设计时，就国土资源开发或自然保护对策的整体评估，以及依照河川整治率或集水区复育

率的设定，进行投资效益的分析。

六、建筑物的设计

设计水工建筑物，一般收集资料及评估步骤如下：

1、取得地形图、航测图、投影图、施工平面图。

2、工地调查、路线规划、纵向横向剖面图、水文资料。

3、评估河床地质成分、水文调查分析结果及河岸稳定性。

4、评估调查计划区域内环境、植栽情形及可用的水生态资料。

5、建立灾损发生原因，以利未来修复工作需要。

6、建立工程完成最终目标及届时的外观。

7、选择具生命力枝条及枯枝当施工材料。

8、选择适当施工方式及类型。

9、评估都市区域计划法令如土地所有权、使用人、权利、义务等。

10、评估水环境上细节。

11、选择最理想生态工法植栽断面执行。

七、生态工法的研究步骤及材料应用

1、自然生态工法的准备步骤

自然生态工法结构物的设计规划乃由“点”开始，延伸至“线”，乃至于“面”。即由个案的防护对象及范围开始，考虑其工法选择（点）；进而参照个案的现存治理工法，符合河道治理其防护的一致性（线）；其最终目的在于配合国土规划及环境评估的整体规划（面）。

2、自然生态工法的应用材料

如单纯以“安全”为考虑，则土、砂、水泥、钢筋、复合材料、自然材料、新材料等工程材料可为主要使用材料。除工程材料外，若善加利用施工现场或附近现存的块石、木材等天然资材，并辅以有利生物栖息生长的人造资材（如加劲纤维、网格笼、复合覆绿植被等）多样性的材料，则可增加自然美质景观；并有助于不同生态复位（Niche）及栖地的增加。但应用材料的生态价值，并不在于其材料本身的特性，而在于因应不同使用目的，如生物栖地重建维护等，将新材料新技术灵活运用组合以达到生态保育的效果。

3、开发利用与生活体验

河道、坡地开发最初的目的，在于平地土地面积不足，因而利用河道、坡地以增加土地面积，所以就经济上看来，河道、坡地的合理开发为首要任务。然生活并非全然只有经济生产考虑，因生活水准与质量提升的需求升高，相对的休闲游憩等生活体验也是主要用途的一，尤以河道、坡地等周边区域最为重要。以上就是目前应当提倡的“生活、自然、亲水”。例如已开发国家多以实际操作“河川绿地亲水公园”。

所以自然生态工法规划设计时，应以循序渐进的方式，考虑其应用范围及目的，权衡安全、经济及保育三者的利害关系，鼓励及促进规划设计人员，进行制式工程构造物的改善，由较多的尝试个案，包括成功个案与失败个案，才能汇整及建立可供相关案例参考的规范。

八、自然生态工法的尺度

违反生态原则的工程技术，常常是效率不彰又花费昂贵，如能改由生态水循环藉助自然水文循环系统力量来治理，不但符合环保更是经济，例如波士顿Charles 河整治计划于河川上游大量购买湿地，作为吸纳洪水的保留区而节省大约九成水利工程经费，这是另一典型生态防洪案例。

因此在谈到“自然生态工法”设计规划时，所以保护复育的区域范围不同，其设计理念及方向即有很大的差异。现根据不同考虑尺度时，实物设计的主轴理念，归纳如下：

（一）区域计画与规划（Planning）

此一设计将牵涉一大范围地域的整体规划，可能包括特定目标生物复育保护，同时恢复其栖地多样性及生育的复原。尤其于保护区或国家公园或属重要保育生态系的等区域，其规划的整体构想需考虑生态系（含农地、森林等维生生态系）的稳定及次级生态系相互间栖地走廊的连结性，其中工程措施、经营管理等为配合规划目的的次要考虑因素，则较属于生态工法的范畴。

（二）工程规划与设计（Engineering）

当进行实体工程规划与设计时，规划区域内自然环境、工程经济、工程配置及该地土地利用状况等，均为重要考虑因素，由于需因应生活环境的要求，设计时需一并考虑工程整体功能、景观协调美化及周边保全对象的生活互动等因素，则较属自然工法的范畴。

（三）工程建筑物的设计（Structure）

依环境特性调查、水文水力学分析等客观条件，已确定需进行工程建筑物（如防砂坝、护岸等）的地点，就合乎保护目的的构造物本身，进行改善构造物的型态与结构以符合部分自然生态目标的设计，即为“自然生态工法”所欲达成的目标。依此原则，其规划设计的主要考虑方向如下：

1、表面粗糙化（结构物表面杂异化）

2、高坝低矮化（坝体阶段化）

3、坡度缓坡化（栖地廊道与景观美质）

4、材质自然化（材料多样化）

5、施工经济化（现地条件与合理规划）

生态工法或生态保育工程原则上应以研究某区域或周边范围生态系生物与

其环境相关性的基本资料调查为基础，了解生态系内生物与其生存基本要素（如大气、水、地质、日照、食物链等）的相互依存关系，强调生态系结构的稳定、生态系环境的多样性，以及生物栖息廊道连续性的创造工法为目标，所进行的相关措施及工程。一般而言，研究或工作人员、国家公园或自然保护区的研究人员，较常使用生态工法的名称，以符合实际的工程设计或规划理念。

九、生态工法的施工方式

1、格笼挡土墙（crib retaining wall）

将木块制成的条块排成井字形，内部填满块砾石，利用格笼内部块砾石的重量，抵抗土压作用力量的一种挡土墙。内部填充的块砾石透水性良好，坡面渗水涌水或滨水地区使用效果显著。建议每层高度3m以下，总高度不得超过6m。

2、砌石墙工

在坡面上切出宽0.5～1.0M的水平阶段，于离外缘0.1～0.2M处砌块石，斜率为1：0.3～0.5，高度0.5～1.0M，背后填充混合肥料的砂土，并栽植苗木的工法称的。地表只铺贴草皮而有崩塌危险或岩石露出形成凹凸不平的地方，适用本法。

2、板状栅工（plate hurdle works）

为防止崩坍土砂后坡面流失，利用木板栅工，通常设置在坡脚，耐久性良好的工法。

3、条带工(条带状工法，ground still)

河川整治工程的一种横向工程，没有落差的固床工。稳定现有河床，维持河床坡降（斜率）为主要目的。

4、河岸绿化（河川绿化riverside planting）

河川的河道、堤防等河岸列为都市环境整理或河川环境整理的一环而予以绿化，但以不妨害河川管理规定为要。栽植的位置、树种、形状应依河川法的相关规定。在堤防上禁止栽植树木，惟近年来在堤防外侧填土，有其上种植景观树种或生态绿化树种。

5、格网工法（boxes & mattress）

以钢丝复合材料编织成笼形，内装块石或不溶于水等，作为边坡、档墙或软基安全防护的应用。搭配植草、植栽，适用性较广、安全性较好。

6、环境护岸工法（环境护岸embankment landscaping）

在河川、湖沼、海岸等地设置多目标护岸，除治水外，为保育生态系，提升景观、亲水性而有各种不同形状或形式的总称。亲水护岸有时归类于此。以保育

生态系为目的的护岸即设置鱼礁作为保护鱼类护岸，或考虑为保育昆虫或两栖类的栖息地。为了提升护岸景观而采用格网工法、绿化栽植矮树藤蔓类植物、草皮等的绿化护岸。

7、亲水护岸工法（amenity embankment）

河川、湖沼、海岸等的护岸不只着眼于治水、利水机能，同时具有亲水性的休闲空间而设置阶梯状缓坡。

8、柳枝条工法（wicker works）

将萌芽力强的柳树类枝条，切成30～100cm埋入土中，由其萌芽恢复植生的工法。此方法为国外采用的植生方法名词。

10、植栽工法（vegetables works.0）

生态工法采用植株来保护河岸具有以下优点，植株不会过度阻碍水流或限制水流经过；密植草皮可以种植在所需特定区域，短时间内快速生长成功；草皮具有很长生命期，相较其它保护工法便宜，维护上亦相当简单

十、自然生态工法在宁波市河道中的应用

随着我省万里清水河道建设的蓬勃兴起，我市千里清水河道也正在抓紧实施中，如何使当前河道整治融入生态理念，首先应从设计入手，河道设计是否满足生态要求，应是一个水工设计人员所应该考虑的；其次懂得如何灵活应用自然生态工法，这对整个城市和乡村河道断面设计将起着重要作用，下面就从我市河道断面设计上采用自然生态工法作简单介绍。

化工区排水河道断面，采用蜂巢格网工法，即以钢丝复合材料编织成笼形，内装石渣或卵石等，作为边坡、挡墙，两岸搭配植草、植栽，并在软土地基上不做任何地基处理情况下建造自然生态型高挡墙获得成功，目前，化工区河道施工已完成过半。

颜公河整治和鄞东南甬新排水工程河道断面设计中同样也采用格网工法，采用蜂巢护垫和挡墙两种形式，两岸配合景观绿化，设计得到了建设单位的充分肯定。

慈溪四灶浦西侧围涂工程护塘河，慈溪徐家浦两侧围涂工程海王山以西护塘河两岸护坡结构采用砌石墙工，主要采用干砌石不勾缝挡墙为主，两岸斜坡采用自然复绿。

慈溪四灶浦、水云浦、半掘浦等排涝河部分采用板状栅工，采用松木桩加松木隔栅进行固岸，正常水位以上采用自然复绿。

另外，在我市各级河道整治中应用最广的是河岸绿化和环境护岸工法，目前，

所有的河道两岸均采用不同风格的河道绿化方案，部分河道还进行了专门绿化景观设计，使河道成为我市的一道亮丽的风景线。

参考文献：

1、高甲荣，1999，近自然治理—以景观生态学为基础的荒溪（野溪）治理工程，北京林业

大学学报，21（1）：80-85。

2、Mitsch，W. J.，J?rgensn，S. E.，1989，Ecological engineering：An introduction to

Ecotechnology，Wiley，New York.

3、Mitsch，W. J.，1996，Ecological engineering：a new paradigm for engineers and ecologists，

National Academy Press，Washington，D.C.

4、Mitsch，W. J，1998，Ecological engineering – the 7-year itch，Ecological Engineering，

10：119-130.

5、U.S.EPA，1998，Stream-Corridor-Restoration-Principles，Processes，and Practices.Wang，

R. S.，Yan，J. S.，1998，Integrating hardware，software and mindware for sustainable ecosystem development：Principles and methods of ecological engineering in China，Ecological Engineering，11：277-289.

6、董哲仁，水利部科学技术委员会副主任,水利部国际合作与科技司司长。在《中国水利》

2003年第1期发表《生态水工学的工程理念》

作者介绍：金德钢，1969.2，男，1990年7月毕业于河海大学，宁波市水利水电规划设计研究院，副总工程师，高级工程师