侯 巍，張曉暉，胡 雪，喬保軍

(1.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100083;2.北京市水務(wù)局，北京100038)

河流系統(tǒng)是自然界最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一?？v觀人類文明發(fā)展史，河流是人類賴以生存的水環(huán)境，是人類社會(huì)生存和發(fā)展的搖籃。但是，由于人口增長(zhǎng)、工業(yè)的興起和發(fā)展、人類認(rèn)識(shí)的局限性及不合理的河流利用方式等原因，造成河流系統(tǒng)產(chǎn)生諸多問(wèn)題，如河水污染、水量減少、生物消失、形態(tài)單一等。而社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，使我們重新認(rèn)識(shí)和利用河流，從而可以從生態(tài)、環(huán)境保護(hù)等角度，系統(tǒng)地研究和整治河流[1]。

河流是連接生物生境的廊道，河岸植物群落對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)起著保護(hù)作用。傳統(tǒng)的城市河道整治工程只考慮到河岸的防洪功能，多采用實(shí)用性、耐久性較好的混凝土式護(hù)岸和砌底，忽略了河流的生態(tài)功能，從而破壞了河流的各種生態(tài)過(guò)程，導(dǎo)致河流的綜合功能嚴(yán)重退化。

近幾年來(lái)，我國(guó)水利工作者已深刻認(rèn)識(shí)到現(xiàn)行的水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的危害，開(kāi)始探索研究河流生態(tài)恢復(fù)的基本內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段，河流恢復(fù)措施前后效果評(píng)價(jià)的科學(xué)方法，與之相關(guān)的生態(tài)學(xué)原理、恢復(fù)機(jī)理等。

1 河流生態(tài)恢復(fù)的含義

目前，諸多學(xué)者對(duì)河流生態(tài)恢復(fù)的含義并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，更多的是基于對(duì)生態(tài)恢復(fù)概念的理解，認(rèn)為河流系統(tǒng)僅是諸多類型生態(tài)系統(tǒng)中的一種。所謂的生態(tài)恢復(fù)[2]是指利用大自然的自我修復(fù)能力，在適當(dāng)?shù)娜斯ご胧┹o助下，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)原有的保持水土、調(diào)節(jié)小氣候、維護(hù)生物多樣性的生態(tài)功能和開(kāi)發(fā)利用等經(jīng)濟(jì)功能。生態(tài)恢復(fù)不是指將生態(tài)系統(tǒng)完全恢復(fù)到其原始狀態(tài)，而是指通過(guò)修復(fù)使生態(tài)系統(tǒng)的功能不斷得到恢復(fù)與完善，其含義包括三個(gè)方面:①生態(tài)恢復(fù)是以大自然的自我修復(fù)為主，是通過(guò)對(duì)一個(gè)區(qū)域或一個(gè)小流域的嚴(yán)格管護(hù)，排除人為因素對(duì)其干擾及破壞，使區(qū)域內(nèi)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)得到休憩并恢復(fù)其生態(tài)群落結(jié)構(gòu)及功能的過(guò)程。②生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)生態(tài)自我恢復(fù)、發(fā)展和提高的過(guò)程。在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其群落，是由簡(jiǎn)單向復(fù)雜、由單功能向多功能、由抗逆性弱向抗逆性強(qiáng)轉(zhuǎn)變的。③生態(tài)恢復(fù)是人和自然和諧相處思想的具體體現(xiàn)，是在保持生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)人類物質(zhì)發(fā)展的需要。就河流生態(tài)系統(tǒng)而言，生態(tài)恢復(fù)是指利用河流本身的自我修復(fù)能力，輔以一定的人工措施，恢復(fù)受損河流生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)使其具有一定經(jīng)濟(jì)和社會(huì)功能。

2 河流生態(tài)恢復(fù)的內(nèi)容及其研究現(xiàn)狀

受損河流是河流生態(tài)恢復(fù)的主要對(duì)象。目前的研究主要集中在從河流連續(xù)性、整體性角度出發(fā)，運(yùn)用水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等原理，應(yīng)用生態(tài)工法來(lái)改善河流水質(zhì)、增加河流水量、重建和豐富河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、建構(gòu)河流多種形態(tài)、建立河流與周邊環(huán)境聯(lián)系，以及對(duì)受損河流生態(tài)恢復(fù)效益進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)[3]。

2.1 改善污染河流的水質(zhì)

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，河流污染日趨嚴(yán)重，多數(shù)河流水體富營(yíng)養(yǎng)化、藻類泛濫。河流的污染物主要有三類:重金屬、有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)元素[3]。凈化河流水體的傳統(tǒng)方法主要是物理和化學(xué)方法。物理方法，如人工曝氣法，能提高河流水體的含氧量，但不能根治河流污染且會(huì)產(chǎn)生噪音、對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不良擾動(dòng)。而化學(xué)方法則極易造成河流及其周邊環(huán)境的二次污染，在清除污染物的同時(shí)，也危害河流生物。研究表明，水生植物修復(fù)具有明顯去除氮、磷的效果，沉水植物可以直接吸收湖水中的營(yíng)養(yǎng)鹽，降低湖水營(yíng)養(yǎng)水平，抑制浮游藻類的生長(zhǎng)[4]。但是，植物措施治理河流污染受季節(jié)影響較大，夏季的去除效果明顯，冬季的去除就不是很明顯，原因在于冬季多數(shù)植物不能生存[5]。生態(tài)恢復(fù)措施對(duì)河道試驗(yàn)區(qū)的水質(zhì)改善有顯著的效果，溶解氧和透明度上升幅度明顯，氨氮和COD含量有所下降[6]。

影響河流水質(zhì)的重要因素之一是底泥對(duì)河流的二次污染，吸附在底泥顆粒上的污染物只有在與孔隙水發(fā)生交換后，或底泥顆粒分散懸浮于水流中時(shí)，才能向河流釋放污染物，并形成二次污染[7]。通過(guò)生態(tài)疏浚工程可清除高營(yíng)養(yǎng)鹽含量的表層沉積物，包括沉積在淤積物表層的懸浮、半懸浮狀的絮狀膠體等，進(jìn)而改善水質(zhì)[3]。

2.2 增加河流水量

河流水系中適量而連續(xù)的河川徑流是維護(hù)河流健康的關(guān)鍵，它使河流的自然功能得以維護(hù)、社會(huì)功能得以正常發(fā)揮。所謂適量而連續(xù)的河川徑流，是指在維持河流自然功能和社會(huì)功能均衡發(fā)揮的前提下，能夠?qū)⒑恿鞯暮哟病⑺|(zhì)和生態(tài)維持在良好狀態(tài)所需要的河川徑流條件[8]。建立河床、水質(zhì)和河流生態(tài)系統(tǒng)狀況等與河川徑流條件的響應(yīng)關(guān)系，是恢復(fù)受損河流功能的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)計(jì)算河流需水量的方法很多，但沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)踐中應(yīng)用起來(lái)比較困難[9]。河流生態(tài)需水量的計(jì)算方法主要分六類:保護(hù)水生生物棲息地的生態(tài)需水量，防治河流水質(zhì)污染的生態(tài)需水量，水環(huán)境功能設(shè)定法，水面蒸發(fā)生態(tài)需水量，維持河流水沙平衡的需水量和未考慮河流特定用途的生態(tài)需水量。

國(guó)外計(jì)算河流生態(tài)需水量的方法需要大量生物資料和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的支撐，對(duì)于生態(tài)需水量研究處于剛起步狀態(tài)的我國(guó)并不完全適合。目前對(duì)水體稀釋自凈需水量的研究較多，但存在著一定的缺陷，例如:對(duì)沿河污染物種類的復(fù)雜性和污染物排放的不確定性影響缺乏充分考慮，對(duì)非點(diǎn)源污染物的影響考慮缺乏，沒(méi)有探討極小流量和斷流條件下河流稀釋自凈需水量的變化特點(diǎn)等。

河流系統(tǒng)的各項(xiàng)水體需水量具有相互重疊的特點(diǎn)，有些項(xiàng)能夠相互滿足，關(guān)于這方面目前還討論得較少。現(xiàn)有生態(tài)需水量的計(jì)算方法以單項(xiàng)研究較多，而要真正能指導(dǎo)水資源的合理配置、實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，還需從整個(gè)區(qū)域(流域)出發(fā)研究生態(tài)需水。

2.3 恢復(fù)和重建河流生態(tài)系統(tǒng)

河流生態(tài)系統(tǒng)組成包括生物和非生物環(huán)境兩大部分。非生物環(huán)境由能源、氣候、基質(zhì)和介質(zhì)、物質(zhì)代謝原料等組成，這些非生物成分是河流生態(tài)系統(tǒng)中各種生物賴以生存的基礎(chǔ);生物部分則由生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者組成，但是隨著水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和不合理利用，河流水量減少甚至斷流，致使河流生物失去生存空間，多數(shù)河流已成為“死水”。

目前我國(guó)學(xué)者對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在河流生態(tài)系統(tǒng)的典型特征和河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其經(jīng)濟(jì)功能價(jià)值的評(píng)價(jià)上，如采用什么方法評(píng)價(jià)水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，而對(duì)如何恢復(fù)和重建受損河流生態(tài)系統(tǒng)還沒(méi)有一個(gè)完整的科學(xué)體系[10]。

2.4 恢復(fù)和重構(gòu)河流形態(tài)

目前，我國(guó)多數(shù)河流形態(tài)均一化，主要表現(xiàn)為:將蜿蜒曲折的天然河流改造成直線或折線型的人工河流或人工河網(wǎng)，把自然河流的復(fù)雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規(guī)則幾何斷面，河岸邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質(zhì)材料等。之所以要恢復(fù)和重構(gòu)河流形態(tài)，是由于河流形態(tài)的多樣性是河流生物多樣性的基礎(chǔ)[11]。

然而，由于每條河流都有其不同的特點(diǎn)，因此怎樣才能恢復(fù)其多變的河流形態(tài)還缺乏理論指導(dǎo)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保護(hù)和恢復(fù)河流形態(tài)多樣性目前只停留在理論探討階段，還沒(méi)有具體可行的措施體系[12]?；謴?fù)河流形態(tài)的主要困境之一是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要與河流形態(tài)的生態(tài)要求之間的矛盾，這也使得河流形態(tài)恢復(fù)需要一個(gè)過(guò)程。

2.5 受損河流生態(tài)恢復(fù)效益分析與評(píng)價(jià)

合理的河流生態(tài)恢復(fù)工程的效益分析對(duì)于正確評(píng)價(jià)修復(fù)河流的措施效果有明顯的指導(dǎo)意義。評(píng)價(jià)河流生態(tài)恢復(fù)方案的一個(gè)重要步驟是經(jīng)濟(jì)分析，更具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是不同方案的成本效益分析。成本效益分析可用來(lái)評(píng)估河流恢復(fù)方案的經(jīng)濟(jì)可行性。

成本效益分析是將河流恢復(fù)后所獲得的效益和投入成本折算成貨幣價(jià)值。但對(duì)作為恢復(fù)對(duì)象的河流而言，有些價(jià)值是難以用貨幣衡量的。例如采用工程措施恢復(fù)的河流，建設(shè)期間設(shè)備產(chǎn)生的噪音、施工設(shè)備可能帶來(lái)的危險(xiǎn)等，這些都是項(xiàng)目的隱性并且非常實(shí)際的成本，但要賦予它們貨幣價(jià)值卻非常困難，有時(shí)甚至不可能。對(duì)于難以用貨幣衡量的成本和效益只能通過(guò)人們的支付意愿去計(jì)算[13]。另外在對(duì)一個(gè)河流生態(tài)恢復(fù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析的時(shí)候，應(yīng)充分考慮其對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響。

3 河流生態(tài)恢復(fù)的主要技術(shù)

3.1 微生物強(qiáng)化方法

微生物強(qiáng)化方法又稱投菌法，主要是利用微生物的降解作用降解水體中的污染物，當(dāng)水體污染嚴(yán)重而又缺乏有效微生物作用時(shí)，投加微生物可以促進(jìn)有機(jī)污染物降解[14]。

3.2 植物凈化方法

植物凈化方法的核心是將植物種植到水面上，利用植物的生長(zhǎng)從污染水體中吸收大量污染物(主要是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素)，從而凈化水體。

3.3 生物過(guò)濾方法

生物過(guò)濾方法又稱滲流生物膜技術(shù)，是指利用河流中的水生植物、沙石和沉積物表面生長(zhǎng)的生物膜降解凈化河流有機(jī)污染物，其生物膜主要由藻類、細(xì)菌、原生動(dòng)物等組成，稱為周叢生物?？梢杂寐咽茸魈盍显诤訛┗蛘吆影稑?gòu)筑滲流生物膜凈化床，強(qiáng)化去除有機(jī)污染物的作用。滲流生物膜凈化床因填料材料和粒徑的不同，除了生物降解有機(jī)物外，還可能產(chǎn)生物理吸附、沉降、過(guò)濾等作用，去除懸浮物和氮、磷、重金屬等。

3.4 除藻技術(shù)

除藻技術(shù)主要有利用病毒控制藻類生長(zhǎng)的技術(shù)、利用有益微生物去除絲狀藍(lán)綠藻技術(shù)和超聲波藍(lán)綠藻去除技術(shù)[15]:①利用病毒控制藻類生長(zhǎng)的技術(shù)。目前已有專家分離出侵噬藍(lán)藻的病毒(稱為藍(lán)藻噬菌體)，實(shí)驗(yàn)證明，藍(lán)藻接種該病毒后，藻體數(shù)量明顯降低，藻類生長(zhǎng)受到抑制。②利用有益微生物去除絲狀藍(lán)綠藻技術(shù)，是利用生物過(guò)濾器內(nèi)填充的大量有益微生物去除藻類，當(dāng)污水流經(jīng)該過(guò)濾器時(shí)有益微生物能捕食和分解絲狀藍(lán)綠藻，從而可達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。③超聲波藍(lán)綠藻去除技術(shù)，是指利用超聲波輻射破壞藻類液胞，從而使它們沉入湖底，進(jìn)而被細(xì)菌分解。

3.5 自然型河流構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建自然型河流，是指通過(guò)河流生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)，恢復(fù)提高河流的自凈能力。自然型河流構(gòu)建技術(shù)主要包括生物和物理兩部分:

(1)生物部分。自然型河流構(gòu)建技術(shù)中應(yīng)用的生物主要是水生植物和動(dòng)物。利用水生植物凈化河水的原理是利用水生植物吸收水中的氮、磷，有些水生植物如鳳眼蓮、滿江紅等能較高濃度地富集重金屬離子，蘆葦則能抑制藻類生長(zhǎng)。此外，水生植物還能通過(guò)減緩水流流速促進(jìn)顆粒物的沉降。利用植物凈化水體與自然條件下植物發(fā)揮凈化河水的作用有不同之處:首先大部分水生植物在冬季枯萎死亡，凈化能力會(huì)下降;其次植物收獲后有處理處置的問(wèn)題，若處置不當(dāng)，會(huì)造成二次污染。

(2)物理部分。包括自然型河道物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)護(hù)岸物理結(jié)構(gòu)。自然型河道物理結(jié)構(gòu)建設(shè)的思路是還河流以空間，構(gòu)造復(fù)雜多變的河床、河灘結(jié)構(gòu);富于變化的河流物理環(huán)境有利于形成復(fù)雜的河流動(dòng)植物群落，保持河流水生生物多樣性。目前，生態(tài)護(hù)岸常采用蛇籠護(hù)岸、土工材料固土種植基、植被型生態(tài)混凝土等幾種結(jié)構(gòu)，它們共同的特點(diǎn)是采用有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的材料進(jìn)行護(hù)堤或護(hù)岸。這些材料通常做成網(wǎng)狀或者格柵狀，其間填充有可供植物生長(zhǎng)的介質(zhì)，利用材料和植物根系的共同作用固化河堤或者河岸的泥土。生態(tài)護(hù)岸在達(dá)到一定強(qiáng)度河岸防護(hù)的基礎(chǔ)上，有利于實(shí)現(xiàn)河水與河岸的物質(zhì)交換，有助于形成完整的河流生態(tài)系統(tǒng)，削減河流面源污染。

3.6 土壤生物工程

土壤生物工程是一項(xiàng)建立在土壤工程基礎(chǔ)上的生物工程，即采用存活植物及其他輔助材料來(lái)構(gòu)筑各類邊坡(山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸和海岸岸坡等)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定邊坡、減少水土流失和改善棲息地生境等功能的集成工程技術(shù)[16]。其主要原理是采用有生命力植物的根、莖(枝)或整體作為結(jié)構(gòu)的主體元素，按一定方式和方向排列，扦插、種植或掩埋在邊坡的不同位置，在植物群落生長(zhǎng)和建群過(guò)程中加固和穩(wěn)定邊坡，控制水土流失和實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。其主要技術(shù)包括四種:扦插、梢捆、灌叢墊、復(fù)合技術(shù)[16-17]。

扦插是利用可以生根的植物活枝，直接扦插或按壓進(jìn)入坡岸土壤的一種土壤生物工程措施。扦插多采用柳條，要求柳條的平均基徑為2.3 cm，截取柳條40～60 cm長(zhǎng)，與水平面大致成15°插入坡岸土壤中30～50 cm，枝條上部用修枝剪刀在靠近坡面土壤處修平，柳條的間距為1 m左右。

梢捆是把植物活枝捆在一起，形成圓狀柱的活枝捆扎束，可按水平或垂直方向埋于坡腳或坡岸。

灌叢墊是將枝條按交叉或重疊的方式水平鋪在土層間，枝條頂部向外，根部插入坡岸;植物枝條交互成層或成排列狀，可按水平或垂直方向布設(shè)。

復(fù)合技術(shù)(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)+土壤生物工程+水生植物系列技術(shù))是采用水泥樁漿砌石塊的傳統(tǒng)護(hù)岸工程，以達(dá)到在復(fù)雜地質(zhì)條件下的固坡作用，輔以活枝柴籠捆插和活枝扦插技術(shù)以達(dá)到生態(tài)護(hù)坡的效果。復(fù)合岸坡固坡效果好，能最大限度地保持岸坡的生境和生物多樣性以及河道生態(tài)系統(tǒng)的完整性，但成本較高，工程技術(shù)要求也較高。

4 結(jié)語(yǔ)

河流生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)的河流生態(tài)恢復(fù)研究主要有河流水質(zhì)污染的生態(tài)恢復(fù)，保障河流生態(tài)需水量，重建和豐富河流形態(tài)，恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)恢復(fù)效益分析與評(píng)價(jià)幾個(gè)方面。河流生態(tài)恢復(fù)技術(shù)也在不斷完善，已從單純的水質(zhì)治理發(fā)展到恢復(fù)河流生物多樣性、河流自然形態(tài)、河流活力等多方面。

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