基于幸福河湖目標的城市河道生態(tài)修復技術研究

丁 源，姜翠玲

(1.The University of Manchester，Manchester M13 9PL UK;2.河海大學，江蘇 南京 210098)

城市河道是保障城市安全和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，也是構成城市生態(tài)系統(tǒng)和景觀的主要組成部分，承擔著防洪排澇、調(diào)蓄水源、納污凈化、通航水運、景觀文化、休閑娛樂等多種功能。隨著城市的發(fā)展和擴張，大量河道被人工改造，如裁彎取直、兩岸硬化、近岸開發(fā)、閘泵調(diào)控、覆蓋填埋等，阻斷了河流上、中、下游之間的縱向連通性，割裂了水、陸2個生態(tài)系統(tǒng)間的橫向聯(lián)系，降低了河道的自凈能力，加上城市點源和非點源污染物的排放，造成城市河道水質差，生物多樣性低，黑臭河道多[1- 2]。隨著河長制實施和水生態(tài)文明建設的不斷推進，城市河道整治的思路也逐步由一般的水利建設和水質提升向“舒適、優(yōu)美、休閑、文化”等綜合治理生態(tài)工程轉化[3]。打造幸福河湖成為未來河道和湖泊治理的主要目標，這是新時代的一個新概念、新方向和新要求[4]。幸福河湖是指能夠維持自身健康，生態(tài)結構完好，支撐流域經(jīng)濟社會高質量發(fā)展，體現(xiàn)人水和諧，讓流域內(nèi)人民具有安全感、獲得感與滿意度的河流和湖泊[5- 6]。自2019年以來，我國很多省、市、縣、區(qū)制定了幸福河湖的評價指標體系，雖然不同區(qū)域，制定的評價指標有差別，但基本上都要求達到生態(tài)功能良好、水質環(huán)境優(yōu)良這樣的目標，因此，水生態(tài)修復是幸福河湖建設的重要內(nèi)容，也是優(yōu)美水景觀的基礎保障。城市河道由于人工化程度高，針對城市河道的生態(tài)修復技術及維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定是最具挑戰(zhàn)性的。滿足幸福河的生態(tài)修復目標除了使城市河道水質優(yōu)良、安全暢通、生態(tài)健康以外，更強調(diào)河流生態(tài)保護與人類社會對河流需求總體上的一種平衡，即實現(xiàn)人水和諧。

1 國內(nèi)外河道生態(tài)修復研究進展

生態(tài)修復是協(xié)助已遭受退化、損傷或破壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復的過程[7- 9]。生態(tài)修復成功的核心標準是河道生態(tài)系統(tǒng)能自我維持，對外部干擾具有更強的抵抗和恢復能力，以便只需要最低限度的后期維護[10]。城市河道不同于其他地區(qū)(如鄉(xiāng)村或自然區(qū)域等)的河道，在修復目標、評價與策略等方面具有一定的特殊性[11]。城市河道修復所面臨的實際挑戰(zhàn)是，如何在人工化的空間和局限的建成環(huán)境下恢復河道的動力過程、自凈能力和生態(tài)系統(tǒng)。

國外在水生態(tài)修復理論和技術研究方面開始的較早，目標是改善水質和水動力條件、創(chuàng)造有利于魚類生存繁殖的生態(tài)環(huán)境、提高綠化水平。1938年由德國Seifert提出的“近自然河溪治理概念”，被認為是河流生態(tài)修復的開端[12]。1965年，德國的Ernst Bittmann在萊茵河利用蘆葦和柳樹進行了生態(tài)護岸試驗[13]。此后，河流生態(tài)修復技術在歐美、日本等發(fā)達國家相繼展開[14- 16]，提出了諸如多自然型河流、生態(tài)工法、生態(tài)堤岸、自然河道設計等理念，并將其應用在萊茵河、密西西比河、基西米河、坂川河等河流的整體生態(tài)修復中[17- 18]。

國外的生態(tài)修復主要從整條河流或流域出發(fā)，對河道實施修復和保護措施，關注的重點是河道的自然蜿蜒形態(tài)、魚類等生物棲息地的保護、污染治理等方面[2]，通常在實踐的過程中同步開展理論研究，并在一些河道實施了修復后的跟蹤監(jiān)測和效果后評估。雖然在歐美等發(fā)達國家已有大量有關河道生態(tài)修復的研究和成功案例，但專門針對城市河道的生態(tài)修復僅占很小的比例[19- 20]。由于城市河道大多都為裁彎取直、混凝土硬質化的人工河道，修復的空間較為有限，并且征地難度大、成本高，導致大部分的修復項目呈現(xiàn)小尺度、片段化的空間特征[11，21- 22]，采取的措施主要包括截污、岸坡改造、濱岸帶綠化等技術[23]。

我國河道生態(tài)修復技術起步較晚，自上世紀末開展了生態(tài)流量、生態(tài)修復、生態(tài)工程等的理論研究和初步實踐，在本世紀初，生態(tài)修復在一些大型以及污染重的河湖陸續(xù)開展，主要目的是改善水質，增加生物多樣性。隨著生態(tài)文明建設和河湖長制的實施，生態(tài)修復成為河湖治理的主要任務，由此，在全國各大城市廣泛開展了河湖水環(huán)境保護和水生態(tài)修復，并因地制宜地落實“一河一策”“一湖一策”的戰(zhàn)略任務。隨著生態(tài)河湖、健康河湖、幸福河湖的建設，以及評價指標體系的形成，對城市河道的生態(tài)修復提出了越來越高的要求。

2 城市河道生態(tài)修復技術分析

縱觀國內(nèi)外實施的河道生態(tài)修復技術，從性質上可以劃分為物理修復、化學修復和生物修復3大技術類型[24- 25]。

2.1 物理修復技術

采取如人工增氧、底泥疏浚、調(diào)水稀釋等措施改善河道的水文條件和底質環(huán)境。

(1)人工增氧。城市河道由于污染嚴重、自凈能力差，往往存在溶解氧(DO)濃度低、還原性物質如氨氮(NH3-N)、硫化氫(H2S)等污染物濃度高等現(xiàn)象，特別是流動緩慢的河道和黑臭水體，容易出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，嚴重影響水生動、植物的生存，因此，曝氣是增加水中溶解氧，促進污染物好氧分解的重要措施。對城市流動和交換緩慢的水體，曝氣還能改善水動力條件，防治水體的富營養(yǎng)化和藍藻水華的暴發(fā)。城市河道常用的人工增氧技術有微孔曝氣、推流曝氣、噴泉曝氣、納米曝氣、臭氧曝氣、跌水曝氣等多種方法[26- 27]。

(2)底泥清淤。底泥是河道的內(nèi)污染源，水質差的水體有大量污染物質累積在底泥中，包括營養(yǎng)鹽、難降解的有毒有害有機質、重金屬離子等。受擾動和環(huán)境因子變化的影響，底泥中的污染物質很容易釋放進入水體中，導致水體渾濁、水質惡化、藻類繁殖。城市河道清淤能夠快速去除受污染的底泥，改善水環(huán)境，是修復河道的一項有效措施[28]。清淤技術主要包括工程清淤、環(huán)保清淤和生態(tài)清淤等技術，清淤設備大體上可分為耙吸式、絞吸式、鏈斗式、抓斗式和鏟斗式挖泥船等，環(huán)保和生態(tài)清淤技術常選用絞吸式清淤設備。

(3)調(diào)水及補水。調(diào)水及補水可以起到加快水體流動、提高自凈能力、縮短換水周期的功能，實現(xiàn)“以動治靜、改善水質”的目標[29- 30]。如1999年開始實施的南京玄武湖及市區(qū)內(nèi)河引水補水工程。該工程引長江水和南京化纖股份有限公司處理后的景觀用水至玄武湖，年度補水量達3086萬～7960萬m3，經(jīng)玄武湖調(diào)蓄后補給市區(qū)內(nèi)河，顯著改善了玄武湖和內(nèi)河的水質，結合其他的生態(tài)修復工程，使玄武湖由重度富營養(yǎng)化湖泊轉為輕度富營養(yǎng)化水平。

2.2 化學修復技術

通過投加化學試劑，去除或抑制水體中的污染物，如向河道中投入絮凝劑、除藻劑、鎖磷劑等處理藥劑與污染物發(fā)生化學反應從而去除水體中的污染成分。

(1)絮凝劑。絮凝沉淀和絮凝過濾是降低水體懸浮物質、膠體物質、有機質、磷等污染物，增加透明度的一種有效措施。絮凝劑如PAC(聚合氯化鋁)、PAM(聚丙烯酰胺)在國內(nèi)外廣泛應用于飲用水、工業(yè)用水和污水處理領域[31]，近幾年也開始應用于城市河道水質凈化，具有絮凝沉淀速度快、適用范圍廣、凈水效果明顯等優(yōu)點[32]。由于待處理水體通常是一種復雜、穩(wěn)定的分散體系，單一的絮凝劑往往無法滿足處理的需要，復合絮凝劑的應用是一種必然的趨勢。絮凝沉降的污染物可以通過過濾從水體中清除，如超磁分離技術、絮凝沉淀技術等[33- 34]。

(2)除藻劑?；瘜W除藻主要是通過投加化學藥劑，阻礙藻類生長繁殖，達到除藻的目的?；瘜W除藻劑可分為氧化性除藻劑，如臭氧、氯氣、二氧化氯、過氧化氫、高錳酸鉀等[35]；非氧化型化學除藻劑包括硫酸銅、有機溴、表面活性劑等無機和有機化學藥劑。化學除藻劑可快速、高效、徹底地殺死藻細胞，但其副作用明顯，易產(chǎn)生二次污染，對水生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響[36]。

(3)鎖磷劑。磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子，由于磷的遷移性能比較差，外源輸入的磷進入水體以后，主要沉降在底泥中。因此，控制內(nèi)源磷的釋放是修復富營養(yǎng)化水體的關鍵。改性黏土礦物材料因成本低、改善水質效果好而經(jīng)常被用于控制內(nèi)源磷的釋放，常用的固磷吸附劑有鑭改性的沸石，鋁改性的凹凸棒石，由鐵、鈣、鋯改性的其他礦物磷吸附劑等，這些磷吸附劑的添加可將水體活性磷轉變?yōu)楦栊缘姆€(wěn)定磷，從而抑制磷的釋放[37]。目前常用的鎖磷劑是一種由鑭改性的吸附材料[38]，其作用原理是基質中的離子與磷酸根反應，產(chǎn)生穩(wěn)定的難溶于水的沉淀，使底泥沉積的磷難以釋放。鎖磷劑目前已經(jīng)成為河道內(nèi)源磷控制最常用的材料之一，在全球超過200多水體中得到了應用[39- 40]。

2.3 生物修復技術

生物修復技術是利用水生動植物、微生物等降解、轉化、吸收水體和底泥中的污染物。包括栽種水生植物、放養(yǎng)水生動物、添加微生物制劑、生態(tài)礫石床等技術[41]。

(1)水生植物。城市河道水生態(tài)修復主要利用挺水植物、浮葉植物、沉水植物等大型維管植物[42]。挺水植物是城市河道的主要植被類型，主要布置在濱岸的淺水區(qū)域，適宜生長的水深一般在1m以內(nèi)。由于其根系發(fā)達，在生長過程中能直接從水和底泥中吸收氮、磷等營養(yǎng)物質，對水體的凈化作用很大，并能給許多其他生物提供生境，增加生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性。挺水植物也有改善城市河道濱岸帶水景觀的效果，常用的景觀挺水植物有：美人蕉、再力、花葉蘆竹、風車草、梭魚草、黃菖蒲等。浮葉植物除了可以增加水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，控制浮游植物的發(fā)展以外，許多種類還是價值較高的觀賞植物，如不同葉態(tài)和花色的睡蓮、荇菜、水鱉、萍蓬草等。沉水植物是淺水河湖生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者，對水體中的氮、磷等污染物有較高的凈化能力，可固定沉積物、提高水體透明度、降低內(nèi)源污染負荷，為水生動物提供食物和避難場所，增強生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力和穩(wěn)定性。城市河道生態(tài)修復常用的沉水植物有：矮型苦草、輪葉黑藻、菹草、狐尾藻等。

(2)水生動物。在城市河道中，生態(tài)修復放養(yǎng)的水生動物主要為底棲生物和魚類。底棲類如螺、蚌、河蜆等，以水中的藻類、細菌、原生動物、微型后生動物以及有機碎屑等為食，能凈化水質，改善透明度。魚類主要是濾食性的鰱魚和鳙魚，通過直接濾食浮游生物防止藻類的爆發(fā)，并從水體中帶走氮、磷等營養(yǎng)物質，有利于減輕水體污染，防止水體富營養(yǎng)化。

(3)微生物制劑。微生物制劑是由多種微生物與基質共存的生物復合體，一般由光合細菌、放線菌、醋酸桿菌、酵母菌等類型的多種微生物菌群組合而成，或通過基因組合的方法制備出高效的微生物制劑，也可將多種具有不同降解功能和具有共生或互生關系的微生物以適當?shù)谋壤M行混合培養(yǎng)，對受污染水體進行處理，達到降解有機物、脫氮除磷、改善水質的目的[43]。微生物制劑具有使用方便、經(jīng)濟安全等特點，常用于污染嚴重的黑臭水體、富營養(yǎng)化水體的凈化治理[44- 45]。

(4)生態(tài)礫石床。實際為一種生物膜法，污染水體進入礫石床，礫石表面會附著各種微生物，形成一層生物膜，有的微生物能分泌粘性物質，使生物膜具有較好的吸附作用，能截留污水中的顆粒態(tài)物質、去除水體中的懸浮物(SS)、同時還能降解有機污染物。生物膜表層為好氧，隨著厚度的增加，內(nèi)部為厭氧狀態(tài)，通過好氧和厭氧過程，水中的污染物被不同類型的微生物分解去除。該方法具有結構簡單、投資省、水質凈化效果好、沒有二次污染等優(yōu)點。

(5)生態(tài)浮床或浮島技術。對城市內(nèi)河，直立硬化的岸坡難以種植水生植物，可以在河道中采用浮床或浮島技術[46]。生態(tài)浮床或浮島是一種生長有水生植物或陸生植物的漂浮結構，利用位于水面以下的植物根部吸附、降解、吸收水體中的污染物，懸浮在漂浮材料下的根部也是水體微生物的附著場所，大量微生物能夠分泌不同的酶，促進水體中有機物的分解。生態(tài)浮床或浮島由于漂浮在水面，水生植物的生長不受水深、透明度、硬化坡岸的影響，是人工化河道、黑臭水體生態(tài)修復的關鍵技術之一，浮床和浮島上也具有打造水體景觀、為生物提供繁殖生長空間等功能。常用于浮床或浮島的植物包括美人蕉、黃菖蒲、狐尾藻、風車草、金錢草、水蕹菜等[47]。

(6)生態(tài)繩或人工水草掛膜技術。該技術利用懸掛或插栽在水體中的人工繩索或人工水草作為載體，吸附水體中的微生物，在其巨大表面上形成生物膜，從而增加微生物與污染物的接觸面積，吸附并降解污染物。一些硬質化的直立岸坡可采用植被披掛技術，如在岸邊種植披掛植物黃馨，在生長過程中枝葉披掛在混凝土護岸兩側，起到遮擋和綠化的效果，也為岸邊活動的生物提供隱蔽場所。

3 以幸福河為目標的生態(tài)修復技術

幸福河是將河道的水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀、水文化、水管理融為一體，與傳統(tǒng)的生態(tài)修復技術相比，幸福河生態(tài)修復更強調(diào)河道縱向上的暢通性、橫向上的連續(xù)性、河岸的穩(wěn)定性、生態(tài)的多樣性，將河道治理、污染凈化、生態(tài)修復與景觀美化有機結合起來，營造人水和諧的生態(tài)空間。自河長制實施以來，城市河道水生態(tài)環(huán)境已經(jīng)有了明顯改善，在此基礎上，以打造幸福河為目的的生態(tài)修復在技術和方法上也在不斷地提升和改進，更具有目標的針對性和技術上的復合型等特征。采取的措施有以下幾種。

3.1 河流的自然化

根據(jù)幸福河建設的要求，在滿足河道防洪排澇要求的前提下，應盡量保持河道的自然特性，即保證河流蜿蜒曲折的形態(tài)，起伏變化的河床及兩岸生長植被的河岸，河道斷面寬窄不一，水流深淺亦有變化；在部分河道及河底植石，營造出水體流動的多樣性以有利于維持生物的多樣性；確保河流在上、下游縱向和左右岸橫向的連續(xù)性，保護河流與周邊所形成的生物網(wǎng)絡。

3.2 濱岸帶的保護

濱岸帶是水域與陸域系統(tǒng)間的過渡區(qū)域，是河道的天然保護屏障，具有截留、過濾、吸收污染物的環(huán)境凈化功能；能為魚類繁殖和鳥類棲息提供場所，增加河道生物多樣性；并具有綠化、景觀等休閑、娛樂功能。實施河道空間帶修復，打造沿河綠色生態(tài)廊道是幸福河建設的基本要求。濱岸帶的生態(tài)修復首先需要整理地形、減緩坡度、引種培育濕生植物，防止風浪對湖岸的直接沖刷，促進植被恢復、保護魚類產(chǎn)卵和自然繁育場所、增加景觀異質性。常用的濱岸帶生態(tài)修復方法有枝巖互層法、石籠法、喬灌草護坡、生態(tài)混凝土護岸等技術，即增強了河岸抗沖刷能力，又能為水生生物提供附著、棲息、和覓食的場所[48- 49]。在幸福河打造過程中注重濱岸帶的景觀和生態(tài)網(wǎng)絡建設，如構建河流生態(tài)廊道、沿河公園等，將河道生態(tài)修復與建成環(huán)境及社會環(huán)境建設成一個統(tǒng)一的有機整體。

3.3 人工濕地

濱岸帶較寬的河道，或岸邊有低洼地區(qū)，可以建設濱岸帶人工濕地。人工濕地是通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由基質(土壤、碎石、砂礫等)、植物、微生物和水體組成的復合體，利用生態(tài)系統(tǒng)中基質-水生植物-微生物的物理、化學和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。也可以利用濱岸帶的人工濕地對入河排污口、地表徑流產(chǎn)生的非點源污染、污水處理廠尾水加以截留、分解、凈化、吸收，減輕河流水體的污染負荷。

3.4 生態(tài)治理集成技術

由于城市河道污染來源多，人工化明顯，污染相對嚴重，其生態(tài)修復往往采用多種技術組合的復合工藝。常用的組合技術有：清淤+曝氣+浮床(或浮島)；清淤+曝氣+水生植物；清淤+曝氣+生物膜+水生植物；人工浮島+生物繩掛膜+高效曝氣增氧等多種多樣的組合技術，組合技術的選用針對水體的污染特征、污染來源、水體深度、透明度、岸坡結構等，因地制宜地選擇不同的組合方式，形成高效的河流生態(tài)修復的耦合系統(tǒng)，真正實現(xiàn)“一河一策”的生態(tài)修復方案，達到凈化河道水質，提高水體透明度，美化河流環(huán)境的效果[50- 51]。

3.5 加強水系連通

城市河道具有防洪、排澇、調(diào)蓄等功能，往往建有很多的閘、泵、堰、涵等，用以控制水流。另外，受城市開發(fā)建設的影響，有的河道被覆蓋形成暗涵，有的河段被填埋形成斷頭河，影響了河水的流動性和交換能力，造成河道流速慢、自凈能力差、水質惡化等現(xiàn)象。幸福河建設，水體的連通性是一個重要指標。河流修復要將河道作為城市重要的水體線性空間，并連接多種類型的生態(tài)節(jié)點，形成服務于城市水管理的綠色基礎設施網(wǎng)絡[52- 53]。通過移除河道上功能弱的堰、涵或小型水壩，設置補水通道，保障生態(tài)流量和生態(tài)水位等方法，修復河道上、中、下游的縱向連續(xù)性，恢復魚類遷徙的通道。通過改造硬質化河岸為生態(tài)護坡、恢復濱岸帶植被、劃分河岸藍線范圍等措施，明確水線、岸線、水邊自然系統(tǒng)的過渡關系，重建城市河道與河岸和陸地的聯(lián)系，進而恢復河流的側向物質和能量流及生物網(wǎng)絡，實現(xiàn)雨洪滯蓄、污染截留、有機物保持等功能，并增加生物棲息地和景觀的多樣性[11]。

4 結語

由此可見，通過各種治理措施的集成作用，能達到改善城市河道生態(tài)環(huán)境的目的。生態(tài)環(huán)境治理工程需要大量的資金投入，雖然可以在短期內(nèi)完成并取得一定的成效，但由于生態(tài)修復是人工行為，而生態(tài)系統(tǒng)具有自我演替和自我組織的能力，生態(tài)修復工程完成以后，如果缺乏人工調(diào)控，生態(tài)系統(tǒng)有退化的趨勢，將影響生物多樣性及生態(tài)服務功能的發(fā)揮。因此，研究城市河道各生態(tài)修復技術的作用和效果、對工程的生態(tài)效益進行評估，集成城市河道生態(tài)修復的優(yōu)良技術，對進一步改善河道水質、建設生態(tài)河道、健康河道具有重要意義。以下是幸福河生態(tài)修復建設需要關注的重點。

(1)跟蹤監(jiān)測。河道生態(tài)修復的目的是通過人為干預，改善水質、凈化環(huán)境、增加生物多樣性、提高生態(tài)景觀。但人為干預的生態(tài)系統(tǒng)往往不穩(wěn)定，人工組合的生態(tài)系統(tǒng)通過生物與生物、生物與環(huán)境之間的相互作用，將發(fā)生演替，即可能向平衡的、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)方向發(fā)展，也可能發(fā)生退化。因此，城市河道生態(tài)修復并非是一個一蹴而就的過程，需要在對水質、生物群落不斷跟蹤監(jiān)測的基礎上，根據(jù)自然生態(tài)系統(tǒng)演替的規(guī)律和變化趨勢，人為適當調(diào)整，使其向人類希望的方向發(fā)展。了解河道生態(tài)修復的各項技術、優(yōu)缺點和效果，對科學合理實施河流生態(tài)治理，減少盲目性和失誤，增強人民的幸福感和滿意度，都具有非常重要的意義。

(2)開展生態(tài)修復后評估。在我國，隨著河長制和“一河一策”政策的實施，各種河道生態(tài)修復技術在不同的河流中得到了實施和應用，取得了明顯的成效。但也存在過分注重實踐，缺乏理論和系統(tǒng)研究的問題。開展河流生態(tài)修復后評估是對修復工程的有效性、穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)演替發(fā)展方向進行跟蹤監(jiān)測和評價，據(jù)此提出補救方案或改進措施[54]。因此，在河流生態(tài)修復后需要進一步在評估指標和標準的確定、生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)演變過程等方面加強研究。

(3)生態(tài)修復技術的優(yōu)化組合。生態(tài)修復包括物理、化學和生物修復技術，不同城市河道存在的生態(tài)系統(tǒng)退化原因，退化程度不同，采取的生態(tài)修復技術也不一樣，今后應在后評估的基礎上，對單一技術、多種組合技術的作用機理、修復效果進行分析評價，鑒別生物間的互利或拮抗作用，提出高效、穩(wěn)定的生態(tài)修復優(yōu)化組合方案。生態(tài)修復成功的關鍵是河道生物多樣性高，水質優(yōu)良，生態(tài)系統(tǒng)對外部干擾抵抗能力強[5]。城市河道生態(tài)修復不應以短期治理為終點，而應以長期治理和控制為目標，集成多種技術方法，從立體、多層次的角度構建健康的河道生態(tài)系統(tǒng)。