上海市浦東新區周浦鎮河道水體生態修復研究

王彬酈 李艷華 李 弘 陳范模

河道不僅承擔著行洪排澇、灌溉供水、生態維持、養殖及景觀等功能，還是城鄉自然生態系統的核心組成部分。隨著城市的更新與擴張，城鄉中小型河道普遍面臨污染輸入劇增、水質惡化、水生態惡化等問題。以上海浦東新區周浦鎮河道水體生態修復工程為例，研究其采用水生植物直接種植并輔以適當工程手段的修復方法，結果表明選用的水生植物對地處城鄉結合地帶中的河道的水環境改善、水生態修復和水景觀營造具有明顯的提升作用。研究可為同類型河道的綜合治理提供參考與借鑒。

水生植物；河道；水體凈化；生態修復；工程手段

河道是陸地表面包括水體、植物、動物、土壤等多種環境因子的線型天然水道，具有明顯不同于其兩側陸地的土壤和植被特征，支持較高水平的物種多樣性、種群密度和生物生產率，是具有包括調節徑流、調蓄水量、去除水中有害物質、提供水生和陸生動物棲息地等多項生態功能的復雜的生態系統[1]。河道不僅承擔著行洪排澇、灌溉供水、生態、養殖及景觀等功能，還是城、鄉自然生態系統的核心組成部分[2]。由于工業化、城鎮化進程的不統一，在城市與農村之間形成一些獨特而復雜的城鄉結合地帶，這些地帶的中小河道面臨河道空間受壓縮、污染源復雜、生態服務需求不斷增長的多重壓力，存在水土流失、河道淤積、水體嚴重污染、水質變差等問題，河道的承載能力逐漸下降。因此，開展河道的水環境治理和生態修復工程，對于解決城鄉河道面臨的根本生態問題，以及城市水資源、水環境、水生態、水景觀問題至關重要[3]。

植物，尤其是水生植物在生長過程中，由于對于周圍環境中氮、磷等營養物質，有機污染物和重金屬有吸收、吸附作用，被大量應用于控制富營養化和修復污染水體。栽植水生植物成為近年來受到高度關注的水生態治理措施之一，具有成本低廉、管理方便、有經濟收益潛力、不產生二次污染、能夠改善生態景觀等優點。文章通過實際案例探析水生植物在地處城鄉中小河道水質凈化、生態修復和景觀營造及恢復中的應用，旨在為水生植物用于因受到河流空間壓縮、水動力不足、治理技術薄弱等各方面限制的城鄉中小脆弱河道的生態環境修復提供理論基礎和實踐經驗，為以水生植物為主要手段的生物修復技術的推廣和同類型河道的生態綜合治理提供示范和參考。

1 水生植物的生態修復功能

水生植物又稱水生高等植物，是指能夠長期或永久地在水中正常生活的植物，包括木本和草本植物。按照其生長空間又可細分為沉水、挺水、漂浮和浮葉植物。水生植物是河流、湖泊等水生態系統主要的初級生產者，具有顯著的環境生態功能，不僅能夠為水生動物、微生物提供食物和棲息地，而且對水體的物理、化學和生物特性具有調節作用。

近年來興起的植物修復技術是通過植物的吸收和代謝功能對環境介質中的有毒有害污染物進行分解、富集、穩定和移除[4]。植物修復的作用機理主要有植物固定、植物降解、植物揮發、植物提取、根系過濾。由于生長發育需要，水生植物在生長過程中可直接吸收污水中的氮、磷等營養物質。以水生植物根際為生存場所的微生物，是營養物質好氧/厭氧降解的主要介導[5]。水生植物對水體中的重金屬等污染物也有一定的吸附作用[6]。水生植物的根、莖、葉吸收水體中的有機污染物，如PAHs、TPHs、PCBs等，利用植物或植物與微生物共同降解作用實現清除[7]。此外，水生植物還具有釋放化感物質（Allelochemicals）[8]調節周圍生物活動的生態功能。水生植物代謝過程中會產生對特定受體（植物或微生物）具有調節作用（化感作用）的次生代謝物質，對水華藻類的生長產生抑制（克制）作用，而且化感物質對藻類的抑制作用具有明顯的選擇性。近年來國內外有大量關于水生植物化感抑藻作用的研究報道，目前已經確認具有較強化感抑藻作用的水生植物有：蘆葦、燈芯草、石菖蒲、馬蹄蓮、苦草、鳳眼蓮、金魚藻、穗花狐尾藻、蘆竹、浮萍、滿江紅、紫萍等10余種[9]。通過水生植物對藻類的化感抑制效應，可以控制藻類生長、改善水質、提高透明度，改善景觀[10]。對于以富營養化為主要特征的湖泊、水庫，水生植物被認為是湖泊生態系統結構的主導因子[11]。國內已有多個利用水生植物，特別是沉水植物治理富營養化藻型湖泊（水庫）的實際應用，均取得較好效果[12]。

城市濱河區是城市范圍內河道水域與陸地相接的區域，集中了各種自然因素，同時又受到人類活動和城市干擾，是人與自然共同作用最強烈的地帶之一[13]。城市河流具有行洪、排澇、納污、水土保持、水體自凈和構成、連接城市景觀等基本功能，是城市生態系統中具有生態景觀連通作用的重要紐帶。作為水生態環境的重要載體，城市河道在社會經濟發展中有著十分重要的地位。然而，伴隨城市發展的人類活動加劇，城市河流受到干擾和威脅，城市區域內產生的各種污染物直接或間接排入河道，導致城市河道嚴重污染，超過河道的自凈能力，河道水生態系統退化，既影響沿河居民的生活質量，也阻礙了城市的可持續發展。受城市人口增加和經濟活動日益強化的影響，城鄉河道普遍存在點源、面源污染輸入增加，濱岸空間受到擠壓，連通性喪失等問題，不僅給河道生態系統造成壓力，也給常見河道修復治理手段的應用實施造成難以逾越的障礙。在用于城市河道治理的多種措施中，水生植物不僅能吸收凈化水體中的重金屬和有機污染物，控制富營養化，作為初級生產者，還能完善水生生物群落結構，增加水體的生物多樣性，使城市河道恢復近自然條件，提高其自凈能力，而且具有低耗、高效、不產生二次污染的特點，日益受到關注和廣泛應用[14-15]。

河道治理中，水生植物的生態修復作用通常通過人工濕地、植物緩沖帶、生態浮床（島）等生態工程來實現[16-17]。另外，直接種植水生植物是一種更為靈活、有效、簡便的原位污染清除和水質改善措施。利用河道自身的水動力學特征，通過水生植物的生態過程，可以實現凈化清除水體污染、增加水體溶解氧、改善水生態健康、營造景觀、美化環境的目標。在滿足河道水利功能要求的前提下，合理配置沉水、挺水植物，充分發揮水生植物的形態、色彩等自然要素的作用，既能改善河道水質，又能起到美化環境、營造水景的作用。

2 上海浦東新區周浦鎮河道生態修復

項目位于浦東新區周浦鎮（北緯31°07′，東經121°35′），是航運河網的中樞，內通欽塘內各地，外與黃浦江相接，是城鄉結合的一處典型，也是承接市區產業擴散的第一圈層。周浦鎮屬老濱海平原區，地勢較低，地面標高為吳淞零上4 m左右，常年地下水位1.5 m，冬季為1.8～2 m，夏季為1.2～1.5 m。

2.1 河道現狀問題分析

通過實地調研，河道存在以下問題：（1）周邊用地類型復雜，主要有居住、公共綠化、工業、林業用地等，且許多坡岸被居民用來種植蔬菜。（2）因道路和城市建設的需要[18]，許多自然河道已被人工改造成多種形式，導致自然河流非連續化，許多河道流通不暢。（3）許多河道坡岸被開發為菜地，施肥后的徑流污染直接入河，導致河道富營養化。此外，畜禽養殖在近河地區仍然大量進行，也增加了河道的污染負荷。（4）雖然河道周邊均建立了截污納管的工程設施，但部分河道仍有周邊居民的生活污水進入。

2.2 綜合整治技術方案

水生態治理不僅要實現近期水質達標的目標，更應著眼于河道水環境及生態系統健康穩定的長遠目標。此次河道網絡綜合治理，根據河道現狀和規劃，設計了近期與遠期目標。近期目標為：項目實施1年后，消除黑臭；實施2年后，消除劣Ⅴ類水；主要水質指標：TP（總磷）≤0.4 mg/L，NH4+-N（氨氮）≤2 mg/L，DO（溶解氧）≥2.5 mg/L。遠期目標為：連通水系，大幅度提高調節、凈化能力，使水環境及生態系統健康穩定，最終實現“水清、水動、岸潔、岸綠”的總目標。

為此，項目制定“綜合考量—整體規劃—逐步實施”的技術方案，先將取樣河道的水質數據進行比較分析。以地表Ⅴ類水為標準，分析NH4+（氨離子）、TN（總氮）、TP、高錳酸鹽指數4個指標的污染嚴重程度。將這4個指標分為4個格子在地圖每條河道上標出，低于地表Ⅴ類水標準以藍色表示；在地表Ⅴ類水兩倍標準和地表Ⅴ類水標準之間的以黃色表示；在地表Ⅴ類水三倍標準和地表Ⅴ類水兩倍標準之間的以橙色表示；高于地表v類水三倍標準的以紅色表示，直觀反映河道周邊干擾最大的因素。綜合考慮項目及周邊地區的水系特點、水質及生態要求，結合每條河道的現狀條件、駁岸情況，將12條河道分為重度污染河道、中度污染河道、輕度污染河道三個類型，同時選取7條典型河道的水質數據進行橫向比較分析（圖1），形成對河道進行強化凈化和生態修復的“工程＋技術”措施，一河一策，在每條河道上形成節點凈化處理—水域強化凈化—岸線植物恢復的全方位水環境治理和生態修復系統。

1. 河道污染程度分析圖

在具體的修復技術措施實施時，結合前期清淤、截污納管工程，采用“節點凈化—生境構造—濕地生態—水域修復”的技術路線，同時輔助水系連通、飲水調水的設計架構，對城鄉中小河道進行綜合治理和生態修復，確保消除黑臭，消除劣Ⅴ類水體，最終實現全方位水質改善和生態功能提升。

2.3 栽植水生植物提升水體水質

根據不同區域的河道和駁岸形態，選用水生植物凈化水體，而構成駁岸植物帶的濕生植物，如受淹時間長，則受到水深、光照、水流速度、風浪等影響嚴重[19]，因而選取適宜的水生植物能夠更好地保證植物健康生長，同時減少風浪反沖，促進水體中營養成份的吸收，有效提升水質。植物配置選用挺水植物如水生美人蕉、再力花、黃菖蒲等，沉水植物如苦草、輪葉黑藻等，浮葉植物如耐寒睡蓮（表1）。

表1 植物配置表

以河道生態凈化和景觀要求為目標，通過一定密度、多種水生植物的片植、塊植與叢植，構建水下健全、健康的沉水植物及其支持的微生物凈水系統，為浮游動物提供棲息地和避難所，同時改變水體中氮、磷等營養鹽的循環動力學。通過介導作用促進氮的硝化/反硝化作用，抑制磷的沉降，也可有效抑制因底泥再懸浮和氮磷釋放導致的內源性污染，增強對浮游植物的控制和提升生態系統的自凈能力[20]。由沉水、挺水、浮葉植物立體搭配構成相互呼應、錯落有致的景觀系統，有力地提升了河道水域的觀賞性。

2.4 輔助工程治理措施及方法

2.4.1 不同類型駁岸的治理與生態修復

生物群落多樣性是河道生態系統健康的保障，而河道形態多樣性是生物群落多樣性的物理基礎[13]。駁岸作為水陸交接帶，不僅是生態治理中控制徑流入河污染的關鍵屏障，也是重要的景觀區域，所以駁岸的建設應依據現狀條件同時滿足生態修復和景觀功能的要求。結合現場調查，依據駁岸現有使用情況，本項目中12條河道的駁岸類型主要有自然型駁岸（斷面修復工程A）、已有木樁駁岸（斷面修復工程B）、直立硬質駁岸（斷面修復工程C）三種，項目組采取如下治理措施：

（1）斷面修復工程A。分析駁岸現有水生植物（茭草、水花生等）配置已不能滿足生態需求，決定采用人工干預修復河床基底，進行基底重構，采用挺水植物（黃菖蒲、茭草、蘆葦）和沉水植物（苦草、輪葉黑藻）復合種植進行生態恢復，通過水生態系統結構和功能的恢復，達到減緩徑流、吸收部分污染物、穩定河道兩岸的目的，最終改善整個河道生境，提升河道自我修復功能。

（2）斷面修復工程B。排查并修補破損或塌陷的木樁，同時對部分有景觀一致性要求的河段進行木樁增補。重構河床基底進行人工干預，根據現有水生植物分布情況，在河道邊補種挺水植物和沉水植物，通過水陸交錯帶植物的恢復，改善河道的生態環境。

（3）斷面修復工程C。采用格賓石籠混凝土或漿砌毛石擋墻沿硬質駁岸進行改造，使毫無生機的直立駁岸成為能夠提供棲息場所的駁岸。在直立硬質駁岸部分進行河床基底重構，利用格賓石籠的生態格網結構，實現工程結構與生態環境的有機結合。最后在格賓石籠上進行增補水生植物恢復，改善河道的生態環境（圖2）。

2. 斷面修復工程示意圖和效果圖

2.4.2 點源污染凈化的治理及修復

河道點源污染如排水口，有量大、排水集中、沖擊力強等特點。對此，污水口設計了攔截凈化工程，對排污量較大（生活污水、農業退水等）的河段進行水力學緩沖和初步凈化，降低污水中的懸浮物量，降低生活污水匯水負荷沖擊（圖3），必要時在大河道交匯河口設置生態基生物濾壩，使河道的匯水得到進一步凈化，同時攔截進入大河道的漂浮物，如生活垃圾、枯枝落葉等。河口生態基生物濾壩設置在與大河道交匯處約10～15 m的范圍內，采用沙袋和礫石袋作為底部鋪墊，上鋪礫石袋層，中間采用土工布分隔。壩頂布置兩道尼龍網，上部連接特制泡沫浮球，用來攔截進入區管河道的漂浮物，并采用鍍鋅管加以固定。水流較容易穿過空隙較大的礫石層，可進一步提高凈化效率。在水位過低時，河口生態基生物濾壩還能夠防止水過快流失，保證河道水生態系統的沉水植物擁有正常的生長水位，而當水位高于設定水位時，項目河道的水能夠沒過壩頂迅速排出（圖4）。

3. 排污口攔截凈化裝置

4. 生態基生物濾壩示意圖

2.4.3 部分節點凈化濕地治理及修復

節點凈化濕地針對長度僅為15～20 m的河道分支設計，此處水流較慢，水力停留時間相對較長，利于濕地系統對河道水體進行深度凈化，同時能夠有效營造水域景觀。節點凈化濕地采用深淺水域交替的設計，營造利于不同株高水生植物生長的基底條件，可分為淺水區、一級深水區、二級深水區三個區級。其中淺水區水深約為0.5 m，利于株高較低的挺水植物如茭草、旱傘草的生長；一級深水區水深約為0.8 m，利于株高較高的挺水植物如蘆葦、再力花的生長；二級深水區水深約1.5 m，利于沉水植物如苦草、輪葉黑藻的生長。對于節點濕地與陸域交界的邊坡處，采用礫石和土混合鋪墊，保護邊坡免受侵蝕（圖5）。

5. 節點凈化濕地示意圖

2.5 項目效果

通過增補大量水生植物，并輔以一系列人工工程手段進行生態整治后，周浦鎮地區河道水體凈化的效果較為明顯，生態得到有效恢復，進一步提升水生態穩定性，坡岸更整潔，水質更清澈透亮。

3 結語

研究得出，城鄉中小河道的水環境治理生態修復與綜合整治，因其現狀的復雜與特殊性，需要前期認真細致的現場勘查，分析周邊的環境影響因素如污染來源，根據各條河道的功能，制定一河一策的可實施方案。結合水利、水務建設要求，選用不同種類的水生植物，與不同類型的駁岸有效融合，利用水生植物吸收、凈化河道水體污染物和富營養元素，使河道景觀得到優化提升，最終實現綜合治理的目標。實踐證明，選用的水生植物搭配種植，配合適當的工程輔助，能夠顯著改善河道水質、恢復水體中生物的多樣性，有利于穩定河流生態系統的構建。