城市河道生態(tài)修復研究綜述

廖軼鵬， 李 云， 王芳芳， 王朝勇， 李 媛

(1.南京水利科學研究院水工水力學實驗所， 江蘇 南京 210029；2.河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098； 3.蘇州市水務局， 江蘇 蘇州 215011)

1 概 述

城市河道承擔著城市的防洪、排水、供水、航運以及納污等多重功能，既是城市經濟社會發(fā)展的重要可利用資源，也是城市生態(tài)系統(tǒng)和景觀體系的珍貴資源，是城市生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分[1]。由于城市的高速發(fā)展，大量城市河道被人為的進行開發(fā)與改造，對城市徑流的生態(tài)環(huán)境造成嚴重的負面效果。例如，許多城市河道承受著裁彎取直、河底硬化、邊壁渠化以及河道侵占等現(xiàn)狀，這阻斷了城市河道內生態(tài)與陸地生態(tài)的相互聯(lián)系，降低河道原本具有的自凈功能，也減少水生物的多樣性，從而帶來一系列的水環(huán)境問題[2]。隨著社會不斷進步，不少城市河道無法支撐起人們對城市水體的幸福感需求，這既不利于現(xiàn)代城市文明的健康發(fā)展，也與當代社會所提倡的水生態(tài)文明建設思想背道而馳。開展城市河道生態(tài)修復，是實現(xiàn)當前人類與自然和諧共處的關鍵舉措。

2 河道生態(tài)修復的發(fā)展

2.1 河道生態(tài)修復的概念

世界上對河道生態(tài)修復的研究最早可追溯到20世紀30年代[3]，彼時歐洲國家面對日益增長的河道航運需求，考慮到工程耐久性而通過混凝土等硬性材料對河道進行硬性改造。由于河道生態(tài)功能的破壞，引發(fā)的一系列水質惡化現(xiàn)象使得歐洲國家將河流管理的重點放在水污染治理和河道生態(tài)保護上。1938年德國的Seifert首先提出近自然河溪整治的概念，此概念的意義在于設計的河道治理方案在經濟合理的情況下盡可能達到接近自然、景觀美的條件下，完成各類傳統(tǒng)的河道治理任務[4]。經過多年的修復實踐，生態(tài)修復的概念逐漸成熟，并與實際的工程方法研究相輔相成。美國土木工程師協(xié)會(ASCE)認為河道生態(tài)修復旨在將河道的生態(tài)系統(tǒng)還原至接近未被干擾條件下的一種狀態(tài)。此狀態(tài)下河道系統(tǒng)具有可持續(xù)特征，并可保持生態(tài)系統(tǒng)價值和水生物多樣性包括重建先前的水文、水動力、地形特征條件，通過物理化學清理措施等對水環(huán)境的調節(jié)，以及恢復植被、引入缺失物種等的生物措施[5]。在此背景下1989年美國的生態(tài)學家Mitsch等[6]提出了生態(tài)工程概念，并將其定義為“對人工化的河道、水系進行遵循自然法則下的設計，以便生態(tài)與人類共存共榮。日本于20世紀90年代在此基礎上提出“多自然河川工法”理念，重視水生物的生存環(huán)境和尊重河流地區(qū)間的差異和個性[7]，之后相關國內外學者在研究中不斷豐富河道生態(tài)修復理論，逐漸轉換傳統(tǒng)工程結構和理念，以減少人類活動干擾對河道生態(tài)系統(tǒng)的影響生態(tài)修復的研究領域也由單一河道擴展到流域尺度[8-9]。

2.2 城市河道生態(tài)修復

城市河道由于被人類大量的開發(fā)利用和改造，其河流特征及水生態(tài)機制已經與未被人類活動擾動的完全自然狀態(tài)截然不同，人們在修復實踐的同時也不斷加深對河道生態(tài)修復的理解。城市河道生態(tài)修復主要有方面任務。一是修復城市河道的水質和水力條件；二是修復城市河道的地貌特征；三是修復城市河道水生物物種。總體目標是為了改善城市河道生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能，提高河道生物群落多元性[10]。

3 城市河道生態(tài)修復方法

城市河道生態(tài)修復方法主要分為兩類，近自然生態(tài)法和水文模式修復法。

3.1 近自然生態(tài)法

近自然生態(tài)法遵循日本的“多自然河川工法”理念，注重城市河道的綜合治理，強調城市河道與水生動植物之間的內在影響和協(xié)調作用，旨在提高城市河道和河漫灘的連續(xù)性，注重綠色生態(tài)和景觀建設。實施過程中通過時空兩個層面對河道的過程和形態(tài)進行綜合修復，包括空間層面的河道-淺灘地形構造，時間層面的水流加速減速、營養(yǎng)物質的獲取及釋放，及河道多樣性與動態(tài)性結合在內的生物綜合修復法[11]。典型的方法措施有將渠化河岸改造成河灘綠地并利用河灘進行旁側型水質凈化設施建設、濕地恢復，魚類棲息地營造等生態(tài)構建；對護坡進行自然化和多樣化改造，在濱水部分恢復水生植物以及魚蝦等水生生物棲息地；水岸線的自然化、還彎去直等[12]。同時因地制宜，正確地了解和量化物理變量和生物變量之間的響應曲線，以解決人為作用對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫問題。并在城市河道生態(tài)修復工作中，不斷探索生態(tài)水利工程建設技術方法。自20世紀80年代開始，近自然生態(tài)法已在歐美國家的工程建設、流域治理等方面得到了廣泛應用，并有制定相關的政策和技術規(guī)范。典型的近自然生態(tài)法修復工程實踐有韓國首爾清溪川修復工程、新加坡加冷河修復工程和美國密西西比河修復工程[13-14]。

3.2 水文修復法

水文修復法又可成為流量修復法，是針對目標河道自然水文特征進行改變而提出的城市河道修復法。其目標是以水文調度等模式，提高城市河道流量、修復水文周期、洪水歷時等水文參數(shù)，從而改善目標河道的生態(tài)和水環(huán)境條件，提高城市河道自凈能力[15]。相關研究學者認為，城市徑流的水文條件可反映城市河道的基本特征，是人類后天作用對河道的直接干預對象，也是城市河道生態(tài)系統(tǒng)退化的直接影響因子。人類在對城市河道空間結構改造的同時也引起河道水文條件的變化，進而促使河道中營養(yǎng)物質、有機質等系列變化[16]。但在如今的城市布局中，城市河道兩岸往往分布有重要的經濟和工業(yè)區(qū)域，并伴有大量人口聚集。因而水文修復的流量大小只能建立在城市河道安全行洪能力要求的前提下通常該修復流量的大小以河道的最小生態(tài)補水量作為基準。在該徑流量下，水生物的生存條件可以基本得到滿足，城市河道的水生態(tài)功能可以正常維持。在實際修復過程中，也需考慮城市河道補水量的動態(tài)變化，不僅牽涉到具體河道的生態(tài)保護目標，也照顧不同時間段城市河道生態(tài)系統(tǒng)對徑流的需求，進而為河道生態(tài)系統(tǒng)多樣性給予保障[17]。自20世紀70年代起，該方法已在許多國家得以實踐，并取得了較好的效果，如日本東京的隅田川修復工程、國內的“引江濟太”工程和長三角地區(qū)平原河網水環(huán)境修復工程[18]等。其中長三角地區(qū)平原河網水環(huán)境修復成果榮獲2018年中國水利行業(yè)優(yōu)質工程的最高獎“大禹獎”。

3.3 修復方法對比

與近自然生態(tài)法相比，水文修復法原理較為簡單，工法成本也有所降低，在防洪系統(tǒng)完善的發(fā)達城市中往往可以達到較好的實施效果。在實際修復過程中，需考慮城市河道補水量的動態(tài)變化，不僅牽涉到具體河道的生態(tài)保護目標，也照顧不同時間段河道生態(tài)系統(tǒng)對徑流的需求，進而為河道生態(tài)多樣性給予保障。但河道生態(tài)補水量的計算方法眾多，學術界對生態(tài)補水量的概念和內涵并沒有形成統(tǒng)一的定義，國內外學者對城市河道的生態(tài)補水量計算方法也各有自己的理解[19]，在實際計算中缺乏科學性分類。因而水文修復法對城市河道的生態(tài)修復效果目前還沒有能被很好地量化評估。同時城市河道的生態(tài)系統(tǒng)在修復過程中會逐漸適應徑流的變化過程，這種兩者之間適應過程的自然規(guī)律尚未被揭示。在目前重視水文修復法結果的現(xiàn)狀下，生態(tài)補水量與河道生態(tài)修復的響應關系需有待進一步的研究。

近自然生態(tài)法目前也存在著部分理論研究上的欠缺，在近自然治理的理念的原則深入人心的現(xiàn)狀下，近自然生態(tài)法的“近自然修復程度”當前還沒有清晰的評價標準[20]，部分修復工程也過于注重城市河道景觀的修復，強調以土石坎或岸邊植樹代替原來河道坡面的自然面貌，從修復的程度和代價等方面來看，這些均已背離“近自然”的修復理念。另一方面，在近自然修復的過程中，在河道的自然功能和社會功能的平衡性上較難以斟酌，因而在一些生態(tài)修復工作中過度夸大“自然”的作用，最終不免走向只重視封禁保護和不管運營的極端自然保護主義。正確處理城市河道自然功能和社會功能兩者關系，最終營造一個接近自然的河道生態(tài)系統(tǒng)，真正體現(xiàn)城市中人與自然的和諧，會成為現(xiàn)在及未來近自然生態(tài)法的研究核心。

4 國內外城市河道生態(tài)修復實踐

4.1 日本東京隅田川修復工程

世界上遵循生態(tài)流量理念修復城市河道水環(huán)境的工作始于日本。隅田川為日本《河川法》法定的一級河流，全長23.5 km，平均河寬約150 m，流經東京都7個行政區(qū)。該流域地區(qū)人口集中、工廠密布、為日本戰(zhàn)后迅猛發(fā)展的經濟區(qū)。因其大部分流淌于平原低洼地帶，河床落差小、流速慢，污水極難遷移擴散，20世紀50年代后隅田川水質急劇惡化，水面散發(fā)嚴重異味。1964年東京政府為改善日益嚴重的隅田川水生態(tài)問題，在隅田川與上游的荒川和利根川之間修建“荒川溢洪道”等引水設施，將16.6 m3/s的生態(tài)補水量(相當于隅田川原流量的3～5倍)引入隅田川。并結合黑臭底泥清淤和兩岸緩坡性親水平臺建設，及防災治水，景觀更新等一系列的長期治理措施，如今隅田川水質清澈，各類水生物種回歸。水上渡船、畫舫往來頻繁，岸上賞櫻花、看花火的江戶文化也再度進入人們的視野。隅田川修復工程開創(chuàng)世界上引生態(tài)補水量修復城市河道生態(tài)的先河，也為濱海平原河網城市發(fā)展中的水生態(tài)文明建設提供了寶貴經驗[21]。

4.2 蘇州城市河網水環(huán)境修復工程

蘇州地處太湖流域的中心地帶，是長三角地區(qū)典型的平原河網城市。歷史上蘇州河網水系由太湖水勢驅動，湖水經胥江到達蘇州水系。但隨著河網人工改造和水系分割，近年來蘇州西南方向的太湖水位與東北方向的陽澄湖水位基本持平，胥江已難以向蘇州城區(qū)調引清水。且由于蘇州城中防洪大包圍的封閉運行，河網中水更加難以流動，使得原本水清岸綠、小橋流水的美麗水系景觀逐漸衰退成臭不可聞、路人紛紛躲避的死水溝潭。為修復蘇州河網水環(huán)境，還“東方威尼斯”之貌，蘇州市政府組建科研團隊，研究河網生態(tài)補水方案?；凇耙騽堇麑?、江湖共濟、活水自流”的修復思路，于河網外圍通過水利工程自古城北面望虞河引長江活水入城，城區(qū)內部通過大包圍內閘泵工程調節(jié)，形成古城區(qū)內河網南北向的10～20 cm水位差，促水流動并實現(xiàn)自流活水。在引水修復期間保持24 h活水不斷，流速不減，水體在水閘開啟下自然流動。

自生態(tài)補水修復工程實施后，古城區(qū)日進水量70萬m3，河網槽蓄量可實現(xiàn)每日更新一次，河網水質顯著提升，水體感官愉悅度恢復至七八十年代水平。蘇州古城區(qū)風貌回歸江南水鄉(xiāng)風韻，游客量大增。蘇州也成為我國城市河道生態(tài)修復的城市典范[29]。

5 未來發(fā)展趨勢

城市曾一度被認為是大自然的對立面，而現(xiàn)今隨著社會的進步，城市與生態(tài)兩者結合的必要性越來越大。從世界各地的城市河道生態(tài)修復實踐來看，城市河道生態(tài)修復的實施，往往來自于經濟高度發(fā)展之后人們對城市生態(tài)的需求。結合以上國內外城市河道生態(tài)修復的成功案例，可知城市河道生態(tài)修復的實施要建立在了解城市河道生態(tài)問題和河道特征的基礎上，并結合河道、岸線的能量和物質交換情況，涉及經濟、環(huán)境、社會等多方面因素，利用生態(tài)學、地貌學、水力學等學科交叉成果對河道生態(tài)和景觀有序構建[22]。

目前國內外對城市河道生態(tài)修復仍在進行研究和探索，也取得一定成果。但該研究大多體現(xiàn)在對宏觀問題的實際解決，缺乏理論的深入，對于生態(tài)修復中的部分機理仍處于探索階段。如生態(tài)補水量的內涵和在修復過程中的實施和管理，及生態(tài)補水對水源地的生態(tài)影響，目前尚沒有研究清楚。今后值得研究的幾個發(fā)展趨勢概括如下：

(1)將泥沙輸運的研究與城市河道生態(tài)修復緊密聯(lián)系起來。人類對河道的人工改造必然會帶來河流來沙的變化，進而對河床演變產生作用，影響水情[23]。目前泥沙輸運的理論研究已經較為成熟，泥沙作為河床營養(yǎng)鹽和水體污染物的載體，會對城市河道水質和依賴于營養(yǎng)鹽的河道生態(tài)帶來一定影響[24-25]。但泥沙輸運對河床產生的變化是否會對河道生態(tài)修復產生有利或不利的作用目前尚未可知。因此未來泥沙輸運理論與河流生態(tài)修復的耦合研究將成為一個新的課題。

(2)河道生態(tài)修復的適應性管理研究。作為復雜而龐大的工程項目，城市河道生態(tài)修復的結果往往無法一步到位。成功的河道生態(tài)修復需要處理好自然科學與社會層面的分歧，且離不開對自然、文化、歷史、財政和政治等因素的綜合考慮。在科學地實施河道生態(tài)修復中，需要正確地了解和處理好各因子之間的相互影響，研究出量化關系曲線，并建立起相對的理論模型，從而對修復產生指導性作用。同時還能根據關系量化模型，積極觀察河道對修復措施的響應，實時調整修復措施。更科學、更嚴謹?shù)倪m應性管理研究，將成為未來河道生態(tài)修復工程成功的重要保證。

綜上所述，實踐中并不存在完美的生態(tài)修復，所有的修復方法都只是在近似自然條件下的各種動物、植物、微生物等元素的組合練習[26]。未來，針對河道生態(tài)修復的顯著特質，深入和細化不同生態(tài)修復機理與機制研究，建立專門的生態(tài)修復理論模型，是生態(tài)修復成效的關鍵，也可更好地為河湖治理服務。