淺談河流生態恢復內容和技術

侯 巍，張曉暉，胡 雪，喬保軍

(1.北京林豐源生態環境規劃設計院有限公司，北京100083;2.北京市水務局，北京100038)

河流系統是自然界最重要的生態系統之一。縱觀人類文明發展史，河流是人類賴以生存的水環境，是人類社會生存和發展的搖籃。但是，由于人口增長、工業的興起和發展、人類認識的局限性及不合理的河流利用方式等原因，造成河流系統產生諸多問題，如河水污染、水量減少、生物消失、形態單一等。而社會經濟的發展、人們環境保護意識和科學技術的不斷提高，使我們重新認識和利用河流，從而可以從生態、環境保護等角度，系統地研究和整治河流[1]。

河流是連接生物生境的廊道，河岸植物群落對河流生態系統起著保護作用。傳統的城市河道整治工程只考慮到河岸的防洪功能，多采用實用性、耐久性較好的混凝土式護岸和砌底，忽略了河流的生態功能，從而破壞了河流的各種生態過程，導致河流的綜合功能嚴重退化。

近幾年來，我國水利工作者已深刻認識到現行的水利工程對河流生態系統的危害，開始探索研究河流生態恢復的基本內容、實驗方法和技術手段，河流恢復措施前后效果評價的科學方法，與之相關的生態學原理、恢復機理等。

1 河流生態恢復的含義

目前，諸多學者對河流生態恢復的含義并沒有一個統一的認識，更多的是基于對生態恢復概念的理解，認為河流系統僅是諸多類型生態系統中的一種。所謂的生態恢復[2]是指利用大自然的自我修復能力，在適當的人工措施輔助下，恢復生態系統原有的保持水土、調節小氣候、維護生物多樣性的生態功能和開發利用等經濟功能。生態恢復不是指將生態系統完全恢復到其原始狀態，而是指通過修復使生態系統的功能不斷得到恢復與完善，其含義包括三個方面:①生態恢復是以大自然的自我修復為主，是通過對一個區域或一個小流域的嚴格管護，排除人為因素對其干擾及破壞，使區域內的整個生態系統得到休憩并恢復其生態群落結構及功能的過程。②生態恢復是一個生態自我恢復、發展和提高的過程。在生態恢復過程中，生態系統的結構及其群落，是由簡單向復雜、由單功能向多功能、由抗逆性弱向抗逆性強轉變的。③生態恢復是人和自然和諧相處思想的具體體現，是在保持生態系統生態功能的同時實現人類物質發展的需要。就河流生態系統而言，生態恢復是指利用河流本身的自我修復能力，輔以一定的人工措施，恢復受損河流生態結構和功能，同時使其具有一定經濟和社會功能。

2 河流生態恢復的內容及其研究現狀

受損河流是河流生態恢復的主要對象。目前的研究主要集中在從河流連續性、整體性角度出發，運用水文學、生態學等原理，應用生態工法來改善河流水質、增加河流水量、重建和豐富河流生態系統結構和功能、建構河流多種形態、建立河流與周邊環境聯系，以及對受損河流生態恢復效益進行分析與評價[3]。

2.1 改善污染河流的水質

隨著工業化、城市化進程的加快，河流污染日趨嚴重，多數河流水體富營養化、藻類泛濫。河流的污染物主要有三類:重金屬、有機物、營養元素[3]。凈化河流水體的傳統方法主要是物理和化學方法。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產生噪音、對河流生態系統產生不良擾動。而化學方法則極易造成河流及其周邊環境的二次污染，在清除污染物的同時，也危害河流生物。研究表明，水生植物修復具有明顯去除氮、磷的效果，沉水植物可以直接吸收湖水中的營養鹽，降低湖水營養水平，抑制浮游藻類的生長[4]。但是，植物措施治理河流污染受季節影響較大，夏季的去除效果明顯，冬季的去除就不是很明顯，原因在于冬季多數植物不能生存[5]。生態恢復措施對河道試驗區的水質改善有顯著的效果，溶解氧和透明度上升幅度明顯，氨氮和COD含量有所下降[6]。

影響河流水質的重要因素之一是底泥對河流的二次污染，吸附在底泥顆粒上的污染物只有在與孔隙水發生交換后，或底泥顆粒分散懸浮于水流中時，才能向河流釋放污染物，并形成二次污染[7]。通過生態疏浚工程可清除高營養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，進而改善水質[3]。

2.2 增加河流水量

河流水系中適量而連續的河川徑流是維護河流健康的關鍵，它使河流的自然功能得以維護、社會功能得以正常發揮。所謂適量而連續的河川徑流，是指在維持河流自然功能和社會功能均衡發揮的前提下，能夠將河流的河床、水質和生態維持在良好狀態所需要的河川徑流條件[8]。建立河床、水質和河流生態系統狀況等與河川徑流條件的響應關系，是恢復受損河流功能的關鍵。

目前，我國計算河流需水量的方法很多，但沒有統一標準，在實踐中應用起來比較困難[9]。河流生態需水量的計算方法主要分六類:保護水生生物棲息地的生態需水量，防治河流水質污染的生態需水量，水環境功能設定法，水面蒸發生態需水量，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需水量。

國外計算河流生態需水量的方法需要大量生物資料和現場數據的支撐，對于生態需水量研究處于剛起步狀態的我國并不完全適合。目前對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:對沿河污染物種類的復雜性和污染物排放的不確定性影響缺乏充分考慮，對非點源污染物的影響考慮缺乏，沒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等。

河流系統的各項水體需水量具有相互重疊的特點，有些項能夠相互滿足，關于這方面目前還討論得較少。現有生態需水量的計算方法以單項研究較多，而要真正能指導水資源的合理配置、實現水資源的可持續利用，還需從整個區域(流域)出發研究生態需水。

2.3 恢復和重建河流生態系統

河流生態系統組成包括生物和非生物環境兩大部分。非生物環境由能源、氣候、基質和介質、物質代謝原料等組成，這些非生物成分是河流生態系統中各種生物賴以生存的基礎;生物部分則由生產者、消費者和分解者組成，但是隨著水資源的過度開發和不合理利用，河流水量減少甚至斷流，致使河流生物失去生存空間，多數河流已成為“死水”。

目前我國學者對于河流生態系統的研究主要集中在河流生態系統的典型特征和河流生態系統的服務功能及其經濟功能價值的評價上，如采用什么方法評價水利工程對河流生態系統服務功能的影響，而對如何恢復和重建受損河流生態系統還沒有一個完整的科學體系[10]。

2.4 恢復和重構河流形態

目前，我國多數河流形態均一化，主要表現為: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，把自然河流的復雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規則幾何斷面，河岸邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質材料等。之所以要恢復和重構河流形態，是由于河流形態的多樣性是河流生物多樣性的基礎[11]。

然而，由于每條河流都有其不同的特點，因此怎樣才能恢復其多變的河流形態還缺乏理論指導與實踐經驗，保護和恢復河流形態多樣性目前只停留在理論探討階段，還沒有具體可行的措施體系[12]。恢復河流形態的主要困境之一是經濟發展的需要與河流形態的生態要求之間的矛盾，這也使得河流形態恢復需要一個過程。

2.5 受損河流生態恢復效益分析與評價

合理的河流生態恢復工程的效益分析對于正確評價修復河流的措施效果有明顯的指導意義。評價河流生態恢復方案的一個重要步驟是經濟分析，更具體一點來說就是不同方案的成本效益分析。成本效益分析可用來評估河流恢復方案的經濟可行性。

成本效益分析是將河流恢復后所獲得的效益和投入成本折算成貨幣價值。但對作為恢復對象的河流而言，有些價值是難以用貨幣衡量的。例如采用工程措施恢復的河流，建設期間設備產生的噪音、施工設備可能帶來的危險等，這些都是項目的隱性并且非常實際的成本，但要賦予它們貨幣價值卻非常困難，有時甚至不可能。對于難以用貨幣衡量的成本和效益只能通過人們的支付意愿去計算[13]。另外在對一個河流生態恢復方案進行經濟可行性分析的時候，應充分考慮其對環境質量的影響。

3 河流生態恢復的主要技術

3.1 微生物強化方法

微生物強化方法又稱投菌法，主要是利用微生物的降解作用降解水體中的污染物，當水體污染嚴重而又缺乏有效微生物作用時，投加微生物可以促進有機污染物降解[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，利用植物的生長從污染水體中吸收大量污染物(主要是氮、磷等營養元素)，從而凈化水體。

3.3 生物過濾方法

生物過濾方法又稱滲流生物膜技術，是指利用河流中的水生植物、沙石和沉積物表面生長的生物膜降解凈化河流有機污染物，其生物膜主要由藻類、細菌、原生動物等組成，稱為周叢生物。可以用卵石等作填料在河灘或者河岸構筑滲流生物膜凈化床，強化去除有機污染物的作用。滲流生物膜凈化床因填料材料和粒徑的不同，除了生物降解有機物外，還可能產生物理吸附、沉降、過濾等作用，去除懸浮物和氮、磷、重金屬等。

3.4 除藻技術

除藻技術主要有利用病毒控制藻類生長的技術、利用有益微生物去除絲狀藍綠藻技術和超聲波藍綠藻去除技術[15]:①利用病毒控制藻類生長的技術。目前已有專家分離出侵噬藍藻的病毒(稱為藍藻噬菌體)，實驗證明，藍藻接種該病毒后，藻體數量明顯降低，藻類生長受到抑制。②利用有益微生物去除絲狀藍綠藻技術，是利用生物過濾器內填充的大量有益微生物去除藻類，當污水流經該過濾器時有益微生物能捕食和分解絲狀藍綠藻，從而可達到凈化水質的目的。③超聲波藍綠藻去除技術，是指利用超聲波輻射破壞藻類液胞，從而使它們沉入湖底，進而被細菌分解。

3.5 自然型河流構建技術

構建自然型河流，是指通過河流生態系統的修復，恢復提高河流的自凈能力。自然型河流構建技術主要包括生物和物理兩部分:

(1)生物部分。自然型河流構建技術中應用的生物主要是水生植物和動物。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。此外，水生植物還能通過減緩水流流速促進顆粒物的沉降。利用植物凈化水體與自然條件下植物發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，凈化能力會下降;其次植物收獲后有處理處置的問題，若處置不當，會造成二次污染。

(2)物理部分。包括自然型河道物理結構和生態護岸物理結構。自然型河道物理結構建設的思路是還河流以空間，構造復雜多變的河床、河灘結構;富于變化的河流物理環境有利于形成復雜的河流動植物群落，保持河流水生生物多樣性。目前，生態護岸常采用蛇籠護岸、土工材料固土種植基、植被型生態混凝土等幾種結構，它們共同的特點是采用有較高結構強度的材料進行護堤或護岸。這些材料通常做成網狀或者格柵狀，其間填充有可供植物生長的介質，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。生態護岸在達到一定強度河岸防護的基礎上，有利于實現河水與河岸的物質交換，有助于形成完整的河流生態系統，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建立在土壤工程基礎上的生物工程，即采用存活植物及其他輔助材料來構筑各類邊坡(山地斜坡、江河湖庫堤岸和海岸岸坡等)結構，實現穩定邊坡、減少水土流失和改善棲息地生境等功能的集成工程技術[16]。其主要原理是采用有生命力植物的根、莖(枝)或整體作為結構的主體元素，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，在植物群落生長和建群過程中加固和穩定邊坡，控制水土流失和實現生態修復。其主要技術包括四種:扦插、梢捆、灌叢墊、復合技術[16-17]。

扦插是利用可以生根的植物活枝，直接扦插或按壓進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，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。

復合技術(傳統結構+土壤生物工程+水生植物系列技術)是采用水泥樁漿砌石塊的傳統護岸工程，以達到在復雜地質條件下的固坡作用，輔以活枝柴籠捆插和活枝扦插技術以達到生態護坡的效果。復合岸坡固坡效果好，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系統的完整性，但成本較高，工程技術要求也較高。

4 結語

河流生態恢復是一個長期復雜的過程。目前國內的河流生態恢復研究主要有河流水質污染的生態恢復，保障河流生態需水量，重建和豐富河流形態，恢復河流生態系統及生態恢復效益分析與評價幾個方面。河流生態恢復技術也在不斷完善，已從單純的水質治理發展到恢復河流生物多樣性、河流自然形態、河流活力等多方面。

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