山區河流生態修復理論與技術研究進展

劉 青，毛轉梅，李松陽，彭爾瑞*

(1.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 水利學院，云南 昆明 650201)

河流具有航運、供水、防洪、發電等多種社會經濟功能，以及調節氣候、維持全球的水分循環等生態功能，是人類社會可持續發展以及改善生態環境的重要保障[1]。隨著城市化的發展，人們對河流生態系統的需求日益增大，興建了大量的水庫、水閘等水利工程，導致了河流水量不足、水體流動性差等一系列現象，再加上農業面源污染、生活污水排放，導致河流水質惡化，水體自凈能力降低，河流生態環境遭到嚴重的破壞，河流生態系統退化加劇，已經不能單純依靠污染治理手段，因此河流生態修復工作刻不容緩[2]。

山區河流具有匯流時間短、流速大、坡降大等特點，因此山區河流整治時必須結合其特點對河流進行生態修復。生態修復在早期的研究中，被作為一種恢復生態系統的方法，其定義多為簡單的描述，如Gore和Shields認為恢復或修復的過程是嘗試使生物和地球水文過程達到或接近受干擾前的狀態[1]。目前，生態修復是指通過人為的干預，采取適當的措施，使項目工程周邊的生態系統得到改善，從而達到近自然狀態的過程。近年來，由于人們的環保意識不斷提高，河流的水質改善已經取得了一定的進展，綜合性的河流生態修復已成為當前研究的熱點。本文從河流生態修復的定義出發，歸納了國內外河流生態修復的理念，在此基礎上總結了山區河流生態修復的技術與方法，闡述了國內外河流生態修復后評價，最后總結了目前河流生態修復中存在的問題，以便為后期河流生態修復工作提供參照。

1 河流生態修復的基礎理論研究

1.1 國外河流生態修復的基礎理論研究

在未正式形成河流生態修復的概念之前，國外的人們就開始對河流進行了早期的研究，從而形成了早期的河流修復理念。

1938年德國Seifert率先提出“近自然河溪治理”的概念，這是河流生態修復研究的開端[3]。但最早進行河流生態修復實踐的是德國Ernst Bittman[4]，他于1965年利用柳樹和蘆葦在萊茵河岸邊進行了生態護岸實驗，實現了對河流結構的修復。20世紀70年代末瑞士的克里斯琴·戈爾迪[5]在Ernst Bittman生態護岸的基礎上，將其發展為“多自然型河道生態修復技術”，使河流保持原始自然狀態。

之后，Christian Goldi的河流生態修復方法在日本以及歐美國家全面展開。美國的Mitsch和Jorgensn于1989年在Odum生態工程概念的基礎上，提出了“生態工程”這一理論[4]，奠定了河道生態修復技術的理論基礎。日本從1986年才開始學習歐洲的河道治理技術，但“多自然型河道生態修復技術”在日本卻飛速發展。日本要求凡有條件的河段盡量使用天然材料修建河堤，摒棄傳統的水泥板等材料，并命名為“生態河堤”。同時，西方國家美國、法國、德國、瑞士等國家開始拆除先前河道修筑過程中鋪設的硬質材料，以天然材料代替，逐步恢復河道以及周邊的原始自然狀態。如法國對河道建設過程中的不透水面積進行了定量；德國開始在全國范圍內進行硬化河道整治；瑞士把優先使用生物材料治理河道作為明文規定。隨著河流生態修復方法的成功，20世紀90年代美國、丹麥等發達國家，嘗試開展流域尺度下的河流生態修復工程[3]，如對密西西比河、斯凱恩河進行整體修復，通過重塑河道的蜿蜒性，恢復河流物理及水文動力，改善生物棲息地條件，從而實現流域尺度下河流生態修復的成功。

整體來說，國外在對河流生態修復的研究中，關于河流形態修復的研究較多，但對于其修復過程、機理以及其實驗證明的研究則相對較少。

1.2 國內河流生態修復的基礎理論研究

相對于西方國家，我國在河流生態修復方面的研究起步較晚，早期的研究主要側重于河流生態系統的單個功能，如河岸帶植被的特征、河岸帶的功能及管理，以及對污染河道生態修復機理機制的探討等。

我國對河流生態修復的研究始于1999年劉樹坤“大水利”理論的提出，標志著我國河流生態修復工作的開始[6]。2002年高甲榮等[7]在分析傳統河溪治理的基礎上，提出了河溪近自然治理的原則，并對其基本模式進行了探討。2003年董哲仁[8]提出了“生態水工學”的概念，從生態系統的角度出發，對修復河流生態環境提出了一系列理論和方法。王超等[9]在2004年提出了五位一體的城市水生態系統建設模式。2004年楊海軍等[10]在分析傳統水利工程對河流生態過程破壞的基礎上，提出了我國受損河岸生態系統修復的研究方法。趙彥偉等[11]于2005年提出了評價河流生態系統健康的指標體系和量化方法。達良俊等[12]于2005年首次在我國提出“近自然型人工水景觀建設”的理念與概念。陳慶偉等[13]在2007年闡述了大壩建造對河流生態系統造成的影響，并介紹了水庫生態調度措施。

總的來說，目前我國對河流生態修復理論研究已經取得了一定的成果。但主要集中在模式探討和實驗室內，對河流系統的研究理論較少見。

2 山區河流生態修復技術與方法

在對山區河流進行生態修復時，必須考慮山區河流的特點，針對山區河流的特征，采取工程措施與生物措施相結合的辦法，對河流進行生態修復[14]。

2.1 水質生態修復技術

水質生態修復技術是指對污染的水體進行生態修復，使其水質類別有所提升。常用的水質生態修復技術包括生態浮床、底泥疏浚、機械除藻以及人工濕地等修復技術。具體的水質生態修復技術特征與應用見表1。

2.1.1 生態浮床的研究與應用 生態浮床，又稱生物浮島，是指將植物種植在浮于水面的床體上，使植物在生長過程中利用根系吸收水體中的污染物質，同時植物根系附著的微生物降解水體中的污染物，從而有效進行水體修復的技術[15]。它具有原位修復[16]、可移動、操作簡單、造價低、材料來源廣、結構組裝方便、凈化能力好、使用壽命長等優點，因此該技術受到國內外生物學家的重視[17-18]。

蔡魯祥等[19]通過水生植物修復技術與生態浮床復合技術凈化廢水的對比實驗得出，生態浮床復合技術對廢水中的污染物有較強的去除能力。唐林森[20]在生態浮床上種植空心菜、美人蕉等植物，發現實驗水體質量得到了較大的改善，從而得出這些植物作為浮島植物治理水體富營養化是基本合適的。羅固源等[21]通過示蹤試驗與物料衡算的方法，研究了美人蕉和菖蒲生態浮床的凈化能力，發現這2種生態浮床對水體中TN、TP等的凈化效果較好。高陽俊等[22]在淀山湖千墩浦河口選取水芹、水蔥、美人蕉等7種水生植物實施生態浮床試驗工程，結果發現浮床區的進水和透明度都分別提升，浮床系統有效改善了千墩浦來水水質和浮床外圍水質。張華[23]針對丁香湖水體惡化問題，采用鳳眼蓮與美人蕉搭配設置人工浮島進行水質改善，發現人工浮島運行后對水體中TN、TP的凈化效果良好。

2.1.2 底泥疏浚的研究與應用 底泥疏浚主要是針對底泥污染嚴重的河段，所采取的一種措施，它在一定程度上可削減河道的內源污染，從而起到改善水質的作用[9]。底泥疏浚具有工程量大、費用高、精度高等缺點，因此在開工前應對挖泥量和挖泥深度作出界定[2]。

王娜[24]通過對南陽湖湖心區和泗河河口區進行原位泥樣采集,對比疏浚和未疏浚前后氮磷的總濃度和釋放速度,得到疏浚對氮磷的控制效果。王敬富等[25]評估了阿哈水庫底泥疏浚工程對內源污染的影響，結果表明：疏浚后實驗區底泥的TP、TN、Fe、TS等主要污染物含量明顯下降。吳芝瑛等[26]對西湖底泥疏浚工程前后沉積物中營養物質含量、水質以及水生生物群落各主要類群等方面的研究，探討了該工程對生態的影響。研究結果表明：底泥疏浚降低了西湖各層沉積物中的有機質、N、P含量和水體富營養化程度。

2.1.3 機械除藻的研究與應用 機械除藻[27]作為一種物理除藻法，是以機動性好的浮船為載體，安裝合適的過濾裝置，定時收集一定量的藻類之后用人工操作的高壓水流沖刷的方法去除，如固頂式抽藻、流動式除藻、移動式抽藻及人工打撈等機械清除物理措施。此方法耗費大量的人力，需要人員定時監管，自動化程度低，覆蓋面不夠，除藻效果不顯著[28]。

董悅安等[29]通過對比吸附性材料凈水試驗、水葫蘆凈化水體試驗和機械除藻試驗，發現機械除藻試驗后水中的葉綠素含量比除藻前下降降幅較大，說明通過除藻，水體中藻的數量明顯減少，除藻試驗效果顯著。沈銀武等[30-31]通過試驗研究發現，在湖泊造成藍藻堆集時，采用機械方法大量清除藍藻，能有效降低湖泊的N、P含量和藻類素含量。馬夢華[28]根據南水北調輸水渠道產生的季節性藻類，依托當前國內外的除藻技術、設備及原理，設計適用于南水北調工況的除藻機械，止水閘口的除藻設備，實現了除藻機械的自動化控制。

2.1.4 人工濕地的研究與應用 人工濕地主要是通過模擬天然濕地形成的結構和功能，形成基質—微生物—植物復合生態系統[32]。它主要利用物理、化學、生物三者共同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解等作用，實現對水質的凈化[2]。與傳統方法相比，人工濕地具有投資少、運行費用低、處理效果好等優點[33]。

吳曉鶯等[32]構建美人蕉潛流人工濕地系統，對比模塊化填料人工濕地系統和普通碎石填料人工濕地系統，結果發現模塊化填料人工濕地對氨氮和總磷的去除效果比較明顯。喬廈等[34]根據武漢市徑流的水質和水量特征，采用多級串聯的表面流人工濕地系統對其進行了徑流凈化研究，發現在濕地系統整個試驗期內，人工濕地均表現出良好的凈化效果，有效地減輕了城市徑流水質。張智涌等[35]采用新型折流式人工濕地對成都市進行降雨徑流凈化研究，發現折流式人工濕地系統對城市降雨徑流凈化效果顯著，可用于城市降雨徑流污染的控制和雨水利用。

2.2 河道形態修復技術

河道形態修復技術是指尊重河道的天然形態，修復河道的縱向形態和橫向形態，使河道蜿蜒曲折的形態得以保留，從而保護河道的多樣性[39]。河道形態修復技術主要包括河道縱向形態修復、河道橫向斷面修復、河道濱水帶修復等方面的修復[40]。具體的河道形態修復技術的方法與應用見表2。

表1 水質生態修復技術的特征與應用

2.2.1 河道縱向形態修復研究與應用 河道縱向形態修復主要是拆除阻礙河流的攔水建筑物[41]，使河流保持自然蜿蜒的河道形態。常采用的措施包括構建河道的蜿蜒形態、恢復河道的連續性、增加水體流動的多樣性等[40]。

郝曉磊[42]認為蜿蜒性是自然河流的重要特征，河流的蜿蜒性形成了豐富的河濱植被、河流植物，成為鳥類、兩棲動物的棲息地。保持河流的蜿蜒性是保護河流形態多樣性的重點。因此在進行生態河道設計時，必須尊重河道的天然形態，避免直線和折線型。馮若文[43]通過綜述國內外自然過程連續性視角下的河流生態修復理論與實踐，以多尺度、多步驟混合審視的研究方法，在秦嶺北麓太平河流域展開實踐應用研究，提出秦嶺北麓太平河從流域尺度到河段尺度的自然過程連續性生態修復規劃策略。

2.2.2 河道橫向斷面修復研究與應用 河道橫向斷面修復是指采取人工設計與河流橫截面特征相結合的方式，對河床橫斷面進行修復。常采用的方法有：復合形斷面形態生態修復；橫向斷面河床深潭與淺灘生態修復[9]；拆除河床先前的硬質材料，恢復河床自然泥沙狀態等[40]。

王超等[9]認為復合形斷面是比較理想的河道橫斷面形式，在正常水位和枯水條件時，河流由中心河槽向下游流去，兩側平臺為水生植物與動物提供生存空間；洪水位時河流由全河槽向下游流去，兩側平臺淹沒，河道行洪斷面增大，有效地排泄洪水。河道橫向斷面河床深潭與淺灘生態修復是維系河流生物多樣性的重要措施。

2.2.3 河道濱水帶修復研究與應用 河道濱水帶是介于陸地以及水體的中間地帶，是河岸區域一條具有生命力的綠色緞帶，由不同的綠色植物組成，濱水帶可以是自然的，也可以是經過人工加工或者恢復過的[9]。研究表明，濱水帶是重要的生物自然凈化區域，對于保護河流生態系統和維護人類健康有著重要的作用。

張飲江等[44]通過對濱水帶生態景觀功能分析，系統地歸納了國內外退化濱水景觀帶植物群落生態修復相關技術研究現狀，提出了今后濱水帶生態修復技術的研究方向，為我國退化濱水生態景觀帶植物群落生態修復集成技術的研究提供參考。楊海軍等[45]提出了一種在確保河岸工程具有抗洪防止河岸侵蝕結構的前提條件下,將河岸工程設計為蘆葦等生物能夠生存的多孔隙結構,恢復重建河岸生態系統的工程化方法。王瑩[46]認為壘石型護岸技術適用于較陡、沖蝕較嚴重的水岸帶，在這種情況下，光種植植物是不夠的，還應采用石塊壘堆起來，污染水可以在縫隙中曲折的流動或在石塊表面流動。在石頭的縫隙種植具有處理性能好、成活率較高的水生植物，如蘆葦等，形成了一個獨特的動植物生態環境，對污水進行凈化。這種護岸能增強水岸帶的防洪功能。

河道形態修復對水生態系統具有重要的影響，縱向形態決定水體流速，從而決定泥沙沉積、河道的地形侵蝕過程、水體凈化能力等；橫向形態不同對水體凈化能力、水生動物棲息空間等的影響也不同，但復合形斷面形式有利于水生態系統的良性循環。

2.3 水生生物修復

水生生物修復技術是指充分利用水體中的植物、動物和微生物的吸收、降解和轉化作用，將水體中的有害污染物降至最低，實現河道水質生態恢復的目標[49]。水生生物修復包括水生植物修復和水生動物修復2類。

表2 河道形態修復技術的方法與應用

2.3.1 水生植物修復 水生植物修復主要是根據河道的水位情況以及底質，對河道內的水生植物進行修復。水生植物的恢復主要包括3個步驟[2]：(1)基于區域內水生植物的狀況，選擇適應能力強、生長狀況好又有水質凈化能力的水域現存植被物種作為建群種；(2)再根據水域內先鋒物種的伴生物種及相關試驗，確定群落結構組成；(3)最后結合水域的地貌特征及水環境狀況，合理布置水生植物群落。

王國祥等[50]依據湖泊中不同生態類型水生高等植物的微生境特點，設計建造了由漂浮、浮葉、沉水植物為優勢種的斑塊小群叢構成的鑲嵌組合水生植物群落。

2.3.2 水生動物修復 水生動物修復主要是以恢復水中的魚、蟹等動物，構建“水生植物微生物藻類水生動物”食物鏈，實現水生態系統的完整性，從而輔助水生植物對河道進行凈化。

2.4 流域生態修復

流域是指河流或湖泊的出口控制斷面所對應上游的由地表水及地下水的分水線所包圍的集水區，是一個從源頭到河口有徑流注入的水文單元，是典型的自然生態系統。流域的范圍有大有小，所涉及的地區通常包括不同的省份。因此對流域進行生態修復時，應從整體上進行考慮。

王思凱等[51]根據萊茵河綜合治理的情況得出長江流域生態治理的方案：(1)建立全流域跨部門的綜合管理機構；(2)制定流域總體目標和行動計劃；(3)建立生態補償機制協調流域內各方利益；(4)積極鼓勵企業和公眾參與；(5)從源頭治理污染，提升水質；(6)建立完整的全流域監測方案；(7)完善生態修復模式。翟文娟等[52]針對岷江流域生態環境保護制定了上、中、下游不同的生態修復措施。上述研究都根據流域的實際情況而采取不同的生態修復措施，歸結起來則是“綜合管理、分而治之”。

此外，在河流生態修復的方法上，許多學者進行了研究。Deason在2001年針對污水處理提出了自己的觀點，為人類治理河流污染提供了參照[6]；在2004年Brilly等人研究了修復城市河流魚類棲息地的方法；楊海軍等[10]介紹了河流生態修復的方法，他們認為應該開展以修復生物棲息環境為目標的河岸生態修復技術研究；陳慶偉等[13]詳細介紹了水庫生態調度技術措施。

3 生態修復后評價研究

3.1 國外河流生態修復后評價研究

后評價研究涉及項目過程的所有方面，如生物、植被、地質地貌等[53]。河流生態修復后評價主要是把修復后的各種要素指數與修復前的進行對比，從而評判生態修復措施是否成功。國外學者多采用指示物種法與指標體系法這2種方法[54]。

3.1.1 指示物種法 指示物種法[55]主要是依據生態系統的關鍵物種、特有物種、指示物種、瀕危物種和環境敏感物種等的數量、生物量、生產力、結構指標、功能指標及一些生理生態指標來描述生態系統的健康狀況。指示物種法是通過定量觀測計算指示物種的參數來評價河流生態[56]。這種方法由于其快速、簡單而被人們廣泛地應用。常用的水生態系統健康評價指示物種主要包括魚類、藻類和無脊椎動物3種類型。如Lopa等[57]在對Kamisaigo河進行生態修復評價時，以魚類作為指示物種來判斷河流的健康。Sonstegard等[58]指出銀大馬哈魚對北美大湖區的生態系統健康有指示作用。Edwards等[59]等采用鮭魚為指示種來監測湖泊貧營養化。

3.1.2 指標體系法 指標體系法[55]是根據生態系統的特征及其服務功能建立指標體系來進行定量評價，是目前區域生態系統健康評價的主要方法，選取的指標既包括生態系統的結構、功能和過程指標，也可以是社會經濟和景觀格局、土地利用指標，該方法以其提供信息的全面性和綜合性而被廣泛應用于生態系統健康評價中。指標體系法的評估指標大多集中在水質、物種豐富度、地貌等方面，如美國環保署[54]在1999年推出的新版RBPs，以人為干預極小的河流作為參照，確定參考狀態，以河床泥沙組成、河床表層生境等10個生境指標用于表征棲息地質量；英國在20世紀90年代建立的河流保護評價系統(SERCON)，采用35個特征指標，從自然性、種群豐富度等方面對河流進行評價[60]；澳大利亞的溪流狀態指數(ISC)，以河流形態特征、河岸帶狀況、河流水文學、水質以及水生生物5個指標評價長期河流管理和恢復中干擾的有效性[54]；吳阿娜等[61]在1994年針對河口地區，提出了南非EHI指數，用水質指數、生物健康指數等綜合評價河口健康狀況。

3.2 國內河流生態修復后評價研究

目前，我國的河流生態修復工作總體上處于起步階段，關于河流生態修復后評價的工作開展較少，對生態環境方面的評價比較簡單，多為水質方面的評價，無法為河流生態修復技術和方法提供反饋信息。近年來，我國學者也相繼開展了有關城市河流生態修復后評價的研究。

3.2.1 評價方法的研究 郭維等[62]運用層次分析法對北京市轉河進行生態修復評價；趙進勇等[63]針對在不同形勢下解決河流生態修復的規劃、設計和實施過程的決策問題，提出了河流生態修復負反饋調節規劃設計方法；董曉軍等[64]針對河流的綜合利用、生態效應和經濟可行性3個方面效應，建立了基于網絡分析法的河流生態修復后評估指標體系模型；張慧娟等[65]采用潛在風險指數法和風險評估法對河流沉積物中重金屬進行評估；蔡楠等[66]運用層次分析法，確定了各指標的權重，構建了城市河流生態修復評估體系；張瑞等[67]采用群組決策的層次分析法，從環境效益、技術管理與維護及社會經濟功能3個方面構建再生水補給型河湖水生態修復技術評價指標體系。

3.2.2 評價指標的研究 孫東亞等[68]提出了包括水利功能、公眾參與機制、生態狀況等在內的7項綜合評估準則；朱曉博[69]從城市河流生態修復的角度出發，提出了城市河流生態修復效果的“環境效應—價值效應”綜合評價體系；曹欠欠等[70]從河流自然功能、生態環境功能和社會經濟功能3個方面構建了河流生態修復效果評價指標體系；王姝等[71]等構建了包含水利功能保持情況、技術指標、工程指標、生態干擾、生態恢復力等在內的9個方面共26項指標的重慶市城區段河流生態修復后評價指標體系；陳歆等[72]等從水文、水質、生物、生境等5個要素12個指標對拉薩河進行了河流健康評價。陳淼等[73]等依據大型水庫影響下的庫區河流生態環境特點，構建了包括水文情勢、河流形態和河岸帶生境3個方面18個指標的庫區河流生境評價指標體系，對三峽庫區支流進行生境質量評價。

4 結論

總結國內外河流生態修復工作的研究進展及其評價，我們可以得出一下結論：

(1)在河流生態修復理論研究上，國外主要集中在河流形態、生態修復材料的開發以及工程實踐上，對于其生態修復的理論、機理等的研究較少。

(2)我國的河流生態修復工作起步較晚，屬于初級階段，且主要集中在河流的模式探討上，對河流生態修復機理，山區河流生態修復以及河流的整體生態修復還較少，有待更進一步的開展。

(3)在河流生態修復技術方面，人們對城市河流進行了大量的生態修復，而山區河流長期以來卻鮮見報道。對于山區河流，我們必須根據其自身的特點，針對山區河流的特征，采取工程措施與生物措施相結合的生態修復方法。且在對它進行修復時，應充分考慮其作為一個連續的生態體系，必須從流域層面整體上對河流進行生態修復。

(4)在河流生態修復后評估方面，國外主要采取指標體系法和指示物種法2種方法對修復后的河流進行評估。我國學者對后評估的方法與指標體系的構建已進行了大量的研究，并取得了相應的成果，產生了許多河流后評估的方法。但對于山區河流后評價的方法和指標體系的構建研究較少，需進一步加深。