浅谈河流生态恢复内容和技术

2011-02-16张晓晖乔保军

中国水土保持 2011年12期

侯巍，张晓晖，胡雪，乔保军

(1.北京林丰源生态环境规划设计院有限公司，北京100083;2.北京市水务局，北京100038)

河流系统是自然界最重要的生态系统之一。纵观人类文明发展史，河流是人类赖以生存的水环境，是人类社会生存和发展的摇篮。但是，由于人口增长、工业的兴起和发展、人类认识的局限性及不合理的河流利用方式等原因，造成河流系统产生诸多问题，如河水污染、水量减少、生物消失、形态单一等。而社会经济的发展、人们环境保护意识和科学技术的不断提高，使我们重新认识和利用河流，从而可以从生态、环境保护等角度，系统地研究和整治河流[1]。

河流是连接生物生境的廊道，河岸植物群落对河流生态系统起着保护作用。传统的城市河道整治工程只考虑到河岸的防洪功能，多采用实用性、耐久性较好的混凝土式护岸和砌底，忽略了河流的生态功能，从而破坏了河流的各种生态过程，导致河流的综合功能严重退化。

近几年来，我国水利工作者已深刻认识到现行的水利工程对河流生态系统的危害，开始探索研究河流生态恢复的基本内容、实验方法和技术手段，河流恢复措施前后效果评价的科学方法，与之相关的生态学原理、恢复机理等。

1 河流生态恢复的含义

目前，诸多学者对河流生态恢复的含义并没有一个统一的认识，更多的是基于对生态恢复概念的理解，认为河流系统仅是诸多类型生态系统中的一种。所谓的生态恢复[2]是指利用大自然的自我修复能力，在适当的人工措施辅助下，恢复生态系统原有的保持水土、调节小气候、维护生物多样性的生态功能和开发利用等经济功能。生态恢复不是指将生态系统完全恢复到其原始状态，而是指通过修复使生态系统的功能不断得到恢复与完善，其含义包括三个方面:①生态恢复是以大自然的自我修复为主，是通过对一个区域或一个小流域的严格管护，排除人为因素对其干扰及破坏，使区域内的整个生态系统得到休憩并恢复其生态群落结构及功能的过程。②生态恢复是一个生态自我恢复、发展和提高的过程。在生态恢复过程中，生态系统的结构及其群落，是由简单向复杂、由单功能向多功能、由抗逆性弱向抗逆性强转变的。③生态恢复是人和自然和谐相处思想的具体体现，是在保持生态系统生态功能的同时实现人类物质发展的需要。就河流生态系统而言，生态恢复是指利用河流本身的自我修复能力，辅以一定的人工措施，恢复受损河流生态结构和功能，同时使其具有一定经济和社会功能。

2 河流生态恢复的内容及其研究现状

受损河流是河流生态恢复的主要对象。目前的研究主要集中在从河流连续性、整体性角度出发，运用水文学、生态学等原理，应用生态工法来改善河流水质、增加河流水量、重建和丰富河流生态系统结构和功能、建构河流多种形态、建立河流与周边环境联系，以及对受损河流生态恢复效益进行分析与评价[3]。

2.1 改善污染河流的水质

随着工业化、城市化进程的加快，河流污染日趋严重，多数河流水体富营养化、藻类泛滥。河流的污染物主要有三类:重金属、有机物、营养元素[3]。净化河流水体的传统方法主要是物理和化学方法。物理方法，如人工曝气法，能提高河流水体的含氧量，但不能根治河流污染且会产生噪音、对河流生态系统产生不良扰动。而化学方法则极易造成河流及其周边环境的二次污染，在清除污染物的同时，也危害河流生物。研究表明，水生植物修复具有明显去除氮、磷的效果，沉水植物可以直接吸收湖水中的营养盐，降低湖水营养水平，抑制浮游藻类的生长[4]。但是，植物措施治理河流污染受季节影响较大，夏季的去除效果明显，冬季的去除就不是很明显，原因在于冬季多数植物不能生存[5]。生态恢复措施对河道试验区的水质改善有显著的效果，溶解氧和透明度上升幅度明显，氨氮和COD含量有所下降[6]。

影响河流水质的重要因素之一是底泥对河流的二次污染，吸附在底泥颗粒上的污染物只有在与孔隙水发生交换后，或底泥颗粒分散悬浮于水流中时，才能向河流释放污染物，并形成二次污染[7]。通过生态疏浚工程可清除高营养盐含量的表层沉积物，包括沉积在淤积物表层的悬浮、半悬浮状的絮状胶体等，进而改善水质[3]。

2.2 增加河流水量

河流水系中适量而连续的河川径流是维护河流健康的关键，它使河流的自然功能得以维护、社会功能得以正常发挥。所谓适量而连续的河川径流，是指在维持河流自然功能和社会功能均衡发挥的前提下，能够将河流的河床、水质和生态维持在良好状态所需要的河川径流条件[8]。建立河床、水质和河流生态系统状况等与河川径流条件的响应关系，是恢复受损河流功能的关键。

目前，我国计算河流需水量的方法很多，但没有统一标准，在实践中应用起来比较困难[9]。河流生态需水量的计算方法主要分六类:保护水生生物栖息地的生态需水量，防治河流水质污染的生态需水量，水环境功能设定法，水面蒸发生态需水量，维持河流水沙平衡的需水量和未考虑河流特定用途的生态需水量。

国外计算河流生态需水量的方法需要大量生物资料和现场数据的支撑，对于生态需水量研究处于刚起步状态的我国并不完全适合。目前对水体稀释自净需水量的研究较多，但存在着一定的缺陷，例如:对沿河污染物种类的复杂性和污染物排放的不确定性影响缺乏充分考虑，对非点源污染物的影响考虑缺乏，没有探讨极小流量和断流条件下河流稀释自净需水量的变化特点等。

河流系统的各项水体需水量具有相互重叠的特点，有些项能够相互满足，关于这方面目前还讨论得较少。现有生态需水量的计算方法以单项研究较多，而要真正能指导水资源的合理配置、实现水资源的可持续利用，还需从整个区域(流域)出发研究生态需水。

2.3 恢复和重建河流生态系统

河流生态系统组成包括生物和非生物环境两大部分。非生物环境由能源、气候、基质和介质、物质代谢原料等组成，这些非生物成分是河流生态系统中各种生物赖以生存的基础;生物部分则由生产者、消费者和分解者组成，但是随着水资源的过度开发和不合理利用，河流水量减少甚至断流，致使河流生物失去生存空间，多数河流已成为“死水”。

目前我国学者对于河流生态系统的研究主要集中在河流生态系统的典型特征和河流生态系统的服务功能及其经济功能价值的评价上，如采用什么方法评价水利工程对河流生态系统服务功能的影响，而对如何恢复和重建受损河流生态系统还没有一个完整的科学体系[10]。

2.4 恢复和重构河流形态

目前，我国多数河流形态均一化，主要表现为:将蜿蜒曲折的天然河流改造成直线或折线型的人工河流或人工河网，把自然河流的复杂形状变成梯形、矩形及弧形等规则几何断面，河岸边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料等。之所以要恢复和重构河流形态，是由于河流形态的多样性是河流生物多样性的基础[11]。

然而，由于每条河流都有其不同的特点，因此怎样才能恢复其多变的河流形态还缺乏理论指导与实践经验，保护和恢复河流形态多样性目前只停留在理论探讨阶段，还没有具体可行的措施体系[12]。恢复河流形态的主要困境之一是经济发展的需要与河流形态的生态要求之间的矛盾，这也使得河流形态恢复需要一个过程。

2.5 受损河流生态恢复效益分析与评价

合理的河流生态恢复工程的效益分析对于正确评价修复河流的措施效果有明显的指导意义。评价河流生态恢复方案的一个重要步骤是经济分析，更具体一点来说就是不同方案的成本效益分析。成本效益分析可用来评估河流恢复方案的经济可行性。

成本效益分析是将河流恢复后所获得的效益和投入成本折算成货币价值。但对作为恢复对象的河流而言，有些价值是难以用货币衡量的。例如采用工程措施恢复的河流，建设期间设备产生的噪音、施工设备可能带来的危险等，这些都是项目的隐性并且非常实际的成本，但要赋予它们货币价值却非常困难，有时甚至不可能。对于难以用货币衡量的成本和效益只能通过人们的支付意愿去计算[13]。另外在对一个河流生态恢复方案进行经济可行性分析的时候，应充分考虑其对环境质量的影响。

3 河流生态恢复的主要技术

3.1 微生物强化方法

微生物强化方法又称投菌法，主要是利用微生物的降解作用降解水体中的污染物，当水体污染严重而又缺乏有效微生物作用时，投加微生物可以促进有机污染物降解[14]。

3.2 植物净化方法

植物净化方法的核心是将植物种植到水面上，利用植物的生长从污染水体中吸收大量污染物(主要是氮、磷等营养元素)，从而净化水体。

3.3 生物过滤方法

生物过滤方法又称渗流生物膜技术，是指利用河流中的水生植物、沙石和沉积物表面生长的生物膜降解净化河流有机污染物，其生物膜主要由藻类、细菌、原生动物等组成，称为周丛生物。可以用卵石等作填料在河滩或者河岸构筑渗流生物膜净化床，强化去除有机污染物的作用。渗流生物膜净化床因填料材料和粒径的不同，除了生物降解有机物外，还可能产生物理吸附、沉降、过滤等作用，去除悬浮物和氮、磷、重金属等。

3.4 除藻技术

除藻技术主要有利用病毒控制藻类生长的技术、利用有益微生物去除丝状蓝绿藻技术和超声波蓝绿藻去除技术[15]:①利用病毒控制藻类生长的技术。目前已有专家分离出侵噬蓝藻的病毒(称为蓝藻噬菌体)，实验证明，蓝藻接种该病毒后，藻体数量明显降低，藻类生长受到抑制。②利用有益微生物去除丝状蓝绿藻技术，是利用生物过滤器内填充的大量有益微生物去除藻类，当污水流经该过滤器时有益微生物能捕食和分解丝状蓝绿藻，从而可达到净化水质的目的。③超声波蓝绿藻去除技术，是指利用超声波辐射破坏藻类液胞，从而使它们沉入湖底，进而被细菌分解。

3.5 自然型河流构建技术

构建自然型河流，是指通过河流生态系统的修复，恢复提高河流的自净能力。自然型河流构建技术主要包括生物和物理两部分:

(1)生物部分。自然型河流构建技术中应用的生物主要是水生植物和动物。利用水生植物净化河水的原理是利用水生植物吸收水中的氮、磷，有些水生植物如凤眼莲、满江红等能较高浓度地富集重金属离子，芦苇则能抑制藻类生长。此外，水生植物还能通过减缓水流流速促进颗粒物的沉降。利用植物净化水体与自然条件下植物发挥净化河水的作用有不同之处:首先大部分水生植物在冬季枯萎死亡，净化能力会下降;其次植物收获后有处理处置的问题，若处置不当，会造成二次污染。

(2)物理部分。包括自然型河道物理结构和生态护岸物理结构。自然型河道物理结构建设的思路是还河流以空间，构造复杂多变的河床、河滩结构;富于变化的河流物理环境有利于形成复杂的河流动植物群落，保持河流水生生物多样性。目前，生态护岸常采用蛇笼护岸、土工材料固土种植基、植被型生态混凝土等几种结构，它们共同的特点是采用有较高结构强度的材料进行护堤或护岸。这些材料通常做成网状或者格栅状，其间填充有可供植物生长的介质，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。生态护岸在达到一定强度河岸防护的基础上，有利于实现河水与河岸的物质交换，有助于形成完整的河流生态系统，削减河流面源污染。

3.6 土壤生物工程

土壤生物工程是一项建立在土壤工程基础上的生物工程，即采用存活植物及其他辅助材料来构筑各类边坡(山地斜坡、江河湖库堤岸和海岸岸坡等)结构，实现稳定边坡、减少水土流失和改善栖息地生境等功能的集成工程技术[16]。其主要原理是采用有生命力植物的根、茎(枝)或整体作为结构的主体元素，按一定方式和方向排列，扦插、种植或掩埋在边坡的不同位置，在植物群落生长和建群过程中加固和稳定边坡，控制水土流失和实现生态修复。其主要技术包括四种:扦插、梢捆、灌丛垫、复合技术[16-17]。

扦插是利用可以生根的植物活枝，直接扦插或按压进入坡岸土壤的一种土壤生物工程措施。扦插多采用柳条，要求柳条的平均基径为2.3 cm，截取柳条40～60 cm长，与水平面大致成15°插入坡岸土壤中30～50 cm，枝条上部用修枝剪刀在靠近坡面土壤处修平，柳条的间距为1 m左右。

梢捆是把植物活枝捆在一起，形成圆状柱的活枝捆扎束，可按水平或垂直方向埋于坡脚或坡岸。

灌丛垫是将枝条按交叉或重叠的方式水平铺在土层间，枝条顶部向外，根部插入坡岸;植物枝条交互成层或成排列状，可按水平或垂直方向布设。

复合技术(传统结构+土壤生物工程+水生植物系列技术)是采用水泥桩浆砌石块的传统护岸工程，以达到在复杂地质条件下的固坡作用，辅以活枝柴笼捆插和活枝扦插技术以达到生态护坡的效果。复合岸坡固坡效果好，能最大限度地保持岸坡的生境和生物多样性以及河道生态系统的完整性，但成本较高，工程技术要求也较高。