山西典型河流水生態修復技術體系研究

朱文濤 董靜 孫一鳴 喬曉榮 齊朔風

摘 要：文章以山西河流為研究對象，概括總結了山西河流典型特征，歸納分析了山西河流的水生態環境現狀與存在的主要水生態問題，并將全省河流縱向劃分為上游源頭及湖庫保護區河段、中游納污區河段、中游城市景觀河段、下游入河口緩沖區河段等四個典型河段。在此基礎上，結合河道水質凈化、岸帶生態恢復、底泥疏浚及水生態系統構建等典型的河流生態修復技術，構建了山西河流從上游到下游的全流域水生態修復技術體系。

關鍵詞：山西河流 水生態修復 全流域 技術體系

中圖分類號：F207? 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2021）04-133-03

一、引言

河流是人類賴以生存的水環境，不僅為人類提供了各種資源，還承擔了涵養水分、調節氣候、調蓄洪水、凈化水質及休閑娛樂等功能[1][2]。然而，多年來人類從自身安全與發展要求出發，不斷對河流進行改造，在滿足人類需求的同時，也造成了河流生態空間被壓縮、生態基流無法保障、水質嚴重惡化及水生生物銳減等問題，河流生態系統受到嚴重損害[3][4]。當前，我國政府已經把生態文明建設作為國家發展的大政方針，提倡尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，堅持“綠水青山就是金山銀山”，頒布了有關水生態系統保護與修復的方針政策，要求正確處理開發與保護的關系，在保護生態的基礎上合理開發利用水資源，推進生態脆弱河流的生態修復[5][6]。山西是我國重要的能源重化工基地，也是全國最缺水的省份之一[7][8]。長期以來，資源的粗放型利用、過度開采與礦井水疏干，導致地下水超采、巖溶大泉干涸、地面沉降、河道生態基流得不到滿足、水體污染嚴重，濕地空間不斷縮小，極大地制約了山西經濟社會可持續發展[9][10][11][12][13]。因此，開展水生態系統保護和修復，對恢復山西水環境、保障經濟社會可持續發展已迫在眉捷。

二、山西河流特征

山西河流劃分為黃河、海河兩大流域，西及西南部屬黃河流域，東及東北部屬海河流域。絕大部分河流發源于境內，向省外發散流出，屬于自產外流型水系，水源主要來自大氣降水。除流經省界西、南兩面長達695km的黃河干流以外，全省流域面積大于10000km2的較大河流有5條，分別為黃河流域的汾河、沁河，海河流域的桑干河、漳河、滹沱河[14]。山西河流受區域地形條件和自然氣候的影響，呈現出明顯的山地型和夏雨型特征。

一是河流眾多，但河川徑流量普遍較小。山西以山地和黃土丘陵溝壑為主的地貌特征，使得山西擁有眾多的河流，但多數河流屬于季節性河流，河川徑流量普遍較小。

二是水量季節分布不均，洪水徑流高度集中。由于受東亞季風環流支配，山西地表水的年內分配表現為典型的夏雨型，天然情況下，多年平均連續最大4個月徑流量占年徑流量的比例50%～80%之間，出現月份集中在6～9月或7～10月。

三是多為山地型河流，河道坡降大，源短流急。山西的河流大多發源于東西兩翼山區，具有山地型河流的特點，河長都比較短，河道比降一般在3‰以上，坡度比較陡，普遍具有源短流急，侵蝕切割嚴重的特點。

四是水土流失嚴重，河流生態本底脆弱。由于地處黃土高原區，地形起伏，河道比降大，加上降雨集中，多暴雨洪水，致使地表侵蝕嚴重，河流泥沙含量高，水生態環境脆弱。

三、山西河流水生態現狀及問題診斷

山西省河流屬典型的北方山區性河流，與其他區域相比，呈現出顯著的地域特征，包括：河川徑流量普遍較小、洪水期集中、冬季冰封期長，河道空間普遍狹窄且坡降較大、水土流失較重等。然而，在山西省工業化、城市化發展進程中，河流作為各類污染源的受體，遭受了不同程度的污染和破壞。當前，山西省河流水生態現狀總體表現為：

一是河川徑流量不斷減小，斷流問題突出，除蓄水河段外，河水水位普遍較淺。自20世紀80年代以來，由于降水減少及地表條件變化，造成河川徑流逐年遞減;另一方面隨著經濟社會發展，需水量不斷增加，河水大部分被引用消耗，徑流量迅速減小，小泉小河干枯，部分大河斷流。

二是河流污染負荷重，多源污染問題突出，超過河流水環境容量，除源頭區外，其余河段均遭受不同程度的污染。全省流域整體水質屬中度污染，主要污染物為NH3-N、BOD5和COD，并且NH3-N污染最為普遍，五大重點流域及沿黃支流設置的監測斷面均存在無法穩定達標的問題。

三是河道空間普遍狹窄，坡降較大，且人工化改造嚴重。多數河流自然形態被破壞，河流廊道空間被侵占，尤其是城區景觀河段，河道裁彎取直、渠系化及硬質化問題突出。

四是河流生境破壞嚴重，水生生物多樣性差。多數河流中下游河段存在生態基流無法保障，外源污染負荷重等問題，破壞了水生生物的棲息地，導致水生生物多樣性差，河流水生態功能基本喪失。目前，除少數良好水體保護區域外，全省大部分河段魚蝦絕跡，河流生態系統受損嚴重。

基于山西河流的自然特征及區域分布，根據各河段的水環境功能及生態現狀，可將全省河流縱向劃分為四個典型河段：上游源頭及湖庫保護區河段、中游納污區河段、中游城市景觀河段、下游入河口緩沖區河段。結合各河段的特征及生態現狀，診斷存在的典型問題，進而確定其水生態修復的主要任務。

首先，上游源頭及湖庫保護區河段：該河段在山西省范圍內多為山區型河段，且普遍建有水庫，承擔了供水功能，水質多數達到或優于地表水Ⅲ類標準，如五大河流域及沿黃支流嵐漪河、蔚汾河、三川河、屈產河等源頭河段都具有該特點，屬山西省良好水體保護區。相比而言，該河段受外界干擾較小，水生態環境總體較好，應以源頭及庫區水質保護和改善為主。

其次，中游納污區河段：主要流經農村和城市區域，受人類活動干擾較大，承擔了納污功能。多數河流由于上游建壩蓄水，導致下游20km～30km河段斷流，生態基流無法保障;除降雨補給外，沿途接納了各類污水，內外源污染負荷重;違章建筑及各類垃圾沿河傾倒，導致河道空間被侵占問題突出，運城的涑水河、晉城的丹河、呂梁的文峪河、大同的御河等中游河段均普遍存在該類問題。該河段應以河流空間恢復、水源補給及水質改善為主。

第三，中游城市景觀河段：該河段主要為人工改造后的蓄水河段，承擔了景觀功能。山西省大多數穿越城區的河段都實施了蓄水美化工程，如汾河太原段、臨汾段，三川河離石區段、柳林縣城段，朔州七里河段及桃河陽泉市區段，該蓄水河段大多為“死水”，清水補給量少，水體流動性差，河道渠系化及硬質化問題突出，水體自凈能力基本喪失。同時，水陸過渡帶及基底硬質化導致水生生境被破壞，河道及岸帶水生生物絕跡，且部分河段景觀協調性差，不能滿足人們的親水要求。該河段應以水質改善和岸帶生態恢復為主，同時考慮景觀需求。

第四，縣城下游至入河口緩沖區段：該河段多為峽谷型河段，逐漸遠離市區，受人工干擾相對較小，屬水質緩沖區，河水自凈能力逐漸恢復，水生生物增多。但由于上游河段污染嚴重，超過該區域的自凈能力，水質雖有所改善，但未達到水環境質量要求，出境斷面水質超標問題較普遍。該河段可在上游水質改善的基礎上，以河流水生態自修復為主。

四、河流生態修復技術

河流生態修復是指在充分發揮生態系統自修復功能的基礎上，采取工程和非工程措施，促使河流生態系統恢復到較為自然的狀態，改善其生態完整性和可持續性的生態保護行動[15][16]。目前，國內外關于河流生態修復的技術很多，涉及河流形態恢復，河道水質凈化，岸帶生態防護，河流深潭和淺灘序列的重建，河流水生態系統重建，洪泛區濕地特征的創建，親水設施建設，河道底泥疏浚，多孔和透水護岸材料、結構的開發及工程施工技術的應用等[17][18][19]。其中，關于河道水質凈化、岸帶生態恢復、底泥疏浚及水生態系統構建等方面的技術在國內河流生態修復方面應用較為廣泛。

（一）河道水質凈化技術

主要指在“控源截污”的基礎上，對受污染河道水進行綜合治理。目前，采用較多的技術有河道復氧技術、人工濕地處理技術、生物接觸氧化、氧化塘處理系統、植物—土壤處理系統、生態浮島技術、生物操縱技術等。其中，生物處理技術具有工程造價少，能耗和運行成本低、凈化效果顯著等特點。

（二）岸帶生態恢復

主要用于已有硬化河岸的生態修復，屬于城市水體污染治理的長效措施。生態型護岸技術種類多樣，可依據具體情況進行調整設計，可采取植草溝、天然材料墊、透水磚等形式，對原有硬化河岸（湖岸）進行改造，通過恢復岸線和水體的自然凈化功能，強化水體的污染治理效果。對于濱岸坡面或直立岸堤，鼓勵采用近自然岸堤、生態混凝土、石籠護岸、柵欄護岸及藤蔓植物仿自然等技術對濱岸帶進行生態化改造，去除硬質化、渠系化及“三面光”河道。其設計模式主要有：

1.自然原型生態駁岸。可結合景觀設計，采用喬灌草相結合的方式，營造近自然狀態下的植被群落來保護河岸，保持水道的自然堤岸特性，通過植被發達的根系吸附、過濾污染物、凈化水體，穩固堤岸。該類型生態駁岸具有調節洪水、過濾污染物、控制養分流失以及保護生物多樣性的多種生態功能。建設模式：水面→沉水植被→挺水植物→灌草地→喬木林。

2.自然型生態駁岸。結合現有的防洪石質堤壩等水利設施，沿河道兩側建設自然型生態駁岸，按駁岸原有的生態位植被模式進行補充和重植，增強堤岸抗水流沖刷能力。實行喬灌草結合，不僅可固堤護岸，而且可過濾污染物，控制氮、磷，防治面源污染。建設模式：水面→石頭或木樁→灌草地→喬木林。

3.親水堤岸。親水堤岸是為人們親水提供空間環境，其設計既要考慮堤岸的防洪安全和親水空間，也要考慮到人身安全。需根據水位的變化，選擇種植垂柳、蘆葦、菖蒲等鄉土水生植物，形成多層次、多樣化的濱水濕地景觀，為野生動物提供良好的棲息生境，促進濕地生態系統自然演替，維護濕地生態平衡。建設模式：水面→自然型駁岸→親水棧道→灌草地→喬木林帶→公路。

（三）底泥疏浚

主要指清除沉積物表層的氮、磷、有機質富集層，切斷河道水體內營養鹽物質循環鏈，將富含營養鹽的物質移出河道水體，它是以減少內源污染負荷為目的的技術，被認為是控制河道內源污染效果最為明顯的工程技術措施。常用的底泥疏浚的方法有兩種：一種是抽干湖/河水后清淤;另一種是用挖泥船直接從水中清除淤泥。后者的應用范圍較廣，江河湖庫都可用之。底泥疏浚能相對快速地改善水質，但清淤過程因擾動易導致污染物大量進入水體，影響到水體生態系統的穩定，因而具有一定的生態風險性，不宜作為一種污染水體的長效治理措施。

（四）水生態系統構建

水生態系統構建技術是針對水質得到改善后的河流，通過完善整個生物群落組成，形成生物群落與水體環境的雙向反饋協調，其中水生植物、水生動物、底棲動物、浮游動物、微生物等各種類數量均衡協調，充分利用水生植物的凈化效果，重建健康的水生態系統，提升河流的自凈能力，實現水環境治理和水生態恢復的目的。該技術主要通過人工輔助，選擇適于該區域生長的沉水、挺水及浮葉等水生植物，恢復水生植物系統，在保護水生植物凈水功能的前提下，完善人工生態系統食物鏈和食物網結構，在水體中放養一定種類和數量雜食性魚類和底棲動物，提高水生生態系統的穩定性。

五、山西河流水生態修復技術體系構建

河流生態修復是一項系統工程，影響因素較多，不僅需對河流自身功能和特性、污染成因及污染程度進行分析，還需考慮修復技術的經濟性、治理效果及其維護管理的難易性。通過對山西各典型河段存在的水生態問題及重點修復任務進行梳理，發現各河段存在的問題涉及到河流形態、水質、岸帶及生態系統等多個方面，僅靠單一的治理措施是無法實現河流生態系統修復的。因此，本研究將基于河流生態修復的目標要求，結合現有的各類修復措施，從技術適宜性、經濟性及生態友好性角度進行篩選、評估，通過不同技術的優化、組合構建山西河流生態修復的技術體系，為全省河流水生態系統恢復提供技術指導。

（一）上游源頭及庫區河段

修復需求為源頭及庫區水質改善。該河段受外源污染影響小，水質相對較好。基于該河段的水質特點和要求，可選擇生態修復措施對源頭及庫區水質進行改善，如人工濕地凈化系統、水生植物強化凈化技術、河岸生態防護、庫區周邊生態修復、庫區內生態修復等。該類技術具有投資少、運行費用低、水質改善效果明顯且無二次污染等特點。以汾河水庫為例，該水庫承擔了太原市的飲用水功能，但因上游支流河段受到不同程度的污染，對庫區水質影響較大。基于該河段的水質改善需求，可對匯入庫區內的各支流河段采用人工濕地系統進行水質凈化;對庫區周邊可實施岸帶生態防護工程，如構建生態護岸，阻隔面源污染;對庫區內水質，可通過在庫尾構建具有凈化功能的水生植物系統，包括挺水植物、漂葉植物及沉水植物，同時在庫區內種植大量沉水植物，對水中污染物進行吸收、降解，達到水質凈化的目的。通過實地調查，適宜山西省氣候條件且具有明顯凈化功能的水生植物有蘆葦、香蒲、黃花鳶尾、水蔥、美人蕉、花葉蘆竹、千屈菜、黑藻、褐藻、伊樂藻、菹草、荇菜、狐尾藻、金魚藻等，可根據實際情況搭配選擇。

（二）中游納污區河段

該區域修復需求為河流空間恢復、水質凈化及河流生境恢復。該河段受人類活動干擾較大，流經農村區域的河段，農田及垃圾侵占河道問題較突出，而城市河段則普遍存在道路及各類建筑侵占河道的現象。因此，需對河道范圍內的農田、垃圾及各類違章建筑實施退出、清理，保障河流足夠的生態空間，恢復河流形態的多樣化。同時，該河段水質污染負荷較重，黑臭水體居多。基于河流污染成因及特點，可按控源截污、內源治理、水源補給及河道水體污染綜合治理的思路消除河道黑臭，改善水質。“控源截污”主要針對入河的點源及面源污染。該河段存在的點源類型包括分散點源和集中排放源。分散點源治理技術可選擇截污納管和河岸帶阻控技術。其中，河岸帶阻控技術主要針對無法納入污水收集系統的排放源，可通過原位凈化處理后達標排放。目前應用較多的技術有常規污水二級處理+人工濕地系統和地埋式一體化設備，如生物凈化槽等。集中排放源主要指處理后的工業廢水或城鎮污水廠尾水，也可經原位深度凈化處理后排河，如人工濕地處理系統、生態塘系統、生物接觸氧化技術等均可達到治理效果。面源污染主要為經雨水徑流匯入河道的各類污染源，可結合初期雨水控制技術和生態護岸技術等實現面源污染阻控。其中，初期雨水控制技術可選用人工濕地處理技術、下凹式綠地調蓄和凈化技術、生態濾岸技術、梯級生態阻控技術等。內源治理主要針對污染底泥，應用較多的技術有底泥生態疏浚、原位覆蓋污染控制技術、底泥生物修復技術等。其中，底泥生態疏浚是目前城市河道內源治理普遍采用的及時，主要針對河流的污染底泥沉積層，通過底泥的疏挖將污染物質移出水體，清除內源污染，改善水生態循環，并為水生態系統的恢復創造條件。河道水體凈化以原位就地凈化為主，適宜流量小且污染嚴重的河段。目前，國內外應用較多的河道水體原位治理技術主要包括河道曝氣復氧、生物接觸氧化、河流濕地系統、生態浮島等。基于本河段的污染特點，通過技術比選，人工曝氣復氧技術、生物制劑原位凈化技術、河流濕地系統、生態浮島技術及外源優化調水技術比較適于山西省中游河段的重污染水體治理。其中，外源優化調水技術除采用跨河調水外，可充分利用城市污水處理廠中水及雨水進行水源補給。流經農村區域的河段，在水質改善的基礎上，以河流水生態系統自修復為主。而城市區域的河段，可對其岸帶和基底進行生態化改造，如構建近自然型生態駁岸、河底鋪設卵石等方式改善河流生境，然后通過恢復水生植物、水生動物逐步恢復河流的生態功能。

（三）中游城市景觀河段、縣城下游至入河口緩沖區河段

修復需求為水源補給、水體自凈能力恢復、生態護岸構建及水生生物多樣性恢復等。針對水源不足的問題，除引水補給外，可對雨水進行收集、凈化處理后回補河道。可采用生物接觸氧化技術或人工濕地處理技術沿河岸構建帶狀凈化系統，達到面源污染治理和水源補給的作用。對于河道水質改善，可選擇河道復氧技術、水生植物強化凈化技術、生態浮島技術對景觀水體進行水質凈化。生態護岸建設主要是針對現有的硬質化直立岸堤進行生態化設計、改造。基于山西省城市景觀河道岸帶硬質化的問題，生態護岸的構建需依據實際情況進行設計。針對城市區段普遍存在的直立岸堤，可采用近自然岸堤、生態混凝土、石籠護岸、柵欄護岸及藤蔓植物仿自然等技術對濱岸帶進行生態化改造，強化岸帶的污染治理阻控效果，同時增加親水平臺的設計元素。水生生物多樣性恢復主要是在水質改善的基礎上，通過人工輔助的手段快速恢復該河段的水生生態系統，主要包括水生植物和水生動物的恢復，實現水生態系統的自平衡。水生植物恢復首選是先鋒物種。基于適應性、本土性、強凈化能力及可操作性原則，在廣泛調查的基礎上，結合原有水生生物種類，進行先鋒物種的選擇。其次是群落配置。可通過人為設計，根據環境條件和群落特性，按一定的比例，在空間、時間上布置植物群落。水生動物恢復主要是根據河流生態恢復的需要，人工引入貝類、螺類等底棲動物和魚類等進行恢復。上游水質改善后，縣城下游植入河口緩沖區河段的污染負荷降低，依靠水體自凈能力，河流生態系統可逐步恢復健康。該河段亦可適當增加一些水生凈化植物，強化河流的自凈能力。

六、研究小結

在流域污染綜合治理的思路下，針對山西省河流各河段存在的水生態問題，提出適宜的治理措施，從上游到下游構建全流域的水生態修復治理技術體系，包括河流形態和空間恢復、河流水質凈化、河流生境改善及生態護岸構建等。通過典型河流水生態修復技術體系的構建，為全省河流水生態修復工作提供技術指導。

[基金項目：本文為山西省重點研發計劃項目（社會發展方面201703D321002）：山西典型河流水生態修復關鍵技術研究;山西省重點研發計劃項目（社會發展方面201903D311004）：山西省典型河流水生態環境治理與修復技術研究成果。]

參考文獻：

[1] 范小杉，何萍.河流生態系統服務研究進展[J].地球科學進展，2018（8）：852-864.

[2] 白楊，王敏，李暉，黃沈發，Juha M.Alatalo.生態系統服務供給與需求的理論與管理方法[J].生態學報，2017（17）：5846-5852.

[3] 王金龍.遼河流域水生態功能三級區水生態服務功能評價[D].遼寧：遼寧大學，2013.

[4] 李瑤瑤，于魯冀，呂曉燕，王莉，徐艷紅，范鵬宇.淮河流域（河南段）河流生態系統健康評價及分類修復模式[J].環境科學與技術，2016（7）：185-192.

[5] 趙蓉，紀玲妹，沈蓓緋.常州市構建河流生態文明的實踐[J].中國水利，2011（22）：56-58.

[6] 孟偉，范俊韜，張遠.流域水生態系統健康與生態文明建設[J].環境科學研究，2015（10）：1495-1500.

[7] 李建華，張蒙，郜春花，盧朝東.山西省水資源承載力及其可持續利用[J].國土與自然資源研究，2009（1）：77-78.

[8] 劉水泉.山西水資源可持續利用對策思考[J].中國水利，2009（5）：44-45.

[9] 李旭霞.從生態環境現狀思考山西的綠色變革與發展[J].科技與創新，2014（1）：148-150.

[10] 孫妙然.山西省水資源現狀以及可持續發展[J].經營管理者，2017（23）

[11] 張志祥，張永波，付興濤，王凱，師永麗.煤礦開采對地下水破壞機理及其影響因素研究[J].煤炭技術，2016（2）：211-213.

[12] 張志祥，張永波，付興濤，王凱，師永麗.煤礦開采對地下水破壞機理及其影響因素研究[J].煤炭技術，2016（2）：211-213.

[13] 孫從建，陳若霞，張子宇，李偉，陳偉.山西淺層地下水水化學特性時空變化特征分析[J].干旱區地理，2018（2）：314-324.

[14] 李英明，潘軍峰.山西河流[M].北京：科學出版社，2004.

[15] 賈艾晨，王旭旭.北方河流生態修復模式研究[J].中國農村水利水電，2016（12）：59-62.

[16] 陳興茹.河流生態修復效益評估研究進展[J].中國水利水電科學研究院學報，2016（6）：443-447.

[17] 林俊強，陳凱麒，曹曉紅，祁昌軍.河流生態修復的頂層設計思考[J].水利學報，2018（4）：483-491.

[18] 同琳靜，李曉宇，王倩，劉曉青.中國退化河流生態系統修復的理論和實踐[J].環境科學與技術，2018（2）：235-240.

[19] 劉歡，楊少榮，王小明.基于河流生態系統健康的生態修復技術研究進展[J].水生態學雜志，2019（2）：1-6.

（作者單位：朱文濤，喬曉榮，齊朔風，山西新科聯環境技術有限公司 山西太原 030031;董靜，孫一鳴，太原理工大學 山西太原? 030024）

[作者簡介：朱文濤，山西新科聯環境技術有限公司工程師，碩士，主要從事河流生態環境修復研究及相關工作;董靜（通訊作者），太原理工大學講師，博士，主要從事河流生態環境修復、生態環境用水安全、污染環境的生物修復等方面的研究;孫一鳴，太原理工大學環保產業創新研究院科研助理，碩士，研究方向為水文水資源;喬曉榮，山西新科聯環境技術有限公司高級工程師，碩士，研究方向為河流生態修復;齊朔風，山西新科聯環境技術有限公司工程師，碩士，研究方向為河流生態修復。]

（責編：賈偉）