城市河流生態修復技術研究

雷國龍 季建國 邸琰茗

(北京市北運河管理處，北京 101100)

城市河流指流經城市區域的河流，以及一些人工開挖，或具有自然河流特點的運河、渠系等[1]，在城市發展中承擔著供水、排水、防洪、景觀娛樂、生態服務和文化載體等多種自然和社會功能，關系到人類社會的可持續發展[2]。改革開放以來，我國經濟建設取得歷史性成就，同時也積累了大量生態環境問題，特別是對城市河流環境保護缺乏重視，引發了嚴重的水環境生態問題。

城市發展所引發的河流生態環境問題，導致河流功能受損，對城市生態安全以及城市居民生活質量造成了影響，制約了城市的未來發展[3]。解決好城市河流環境問題已成為城市發展過程中的首要任務，也是社會生態文明發展的必然要求。當前階段，人們對城市河流的治理目標已經由最初的實現防洪抗澇，提升到改善水質，恢復河流自然生態功能為目標，保障河流在城市發展中功能的完整性，實現生態環境和社會經濟的融合可持續發展。在“十四五”期間，我國的水生態環境保護工作，要在水環境改善的基礎上，更加注重水生態保護修復，注重“人水和諧”。因此，對于城市水環境的修復與提升也提出了新的要求。本研究通過對城市河流現狀與污染成因進行分析，系統闡述了城市河流生態修復技術體系，為河流的生態治理提供理論借鑒。

1 我國城市河流污染現狀與成因

1.1 城市河流現狀

我國的城市河流多為中小型河流，由于受到城市開發建設等人為活動影響，導致河流的自然結構與生態系統受到嚴重影響，并引發了一系列生態環境問題。城市發展過程中，產業發展、人口增加、水資源需求量隨之增加，尤其在大中型城市，出現河流常年無水的現象。用水量的增加也導致污水排放量增加，大量的生活、生產污水被直接排放到河流中，排污量日益增加，超過了河流本身的自凈能力，引發水環境污染。2019年《北京市水資源公報》顯示，在全市監測的河道中，符合Ⅱ類標準的占45.1%；符合Ⅲ類標準的占22.5%；符合Ⅳ類標準的占18.0%；符合Ⅴ類標準的占5.4%；劣Ⅴ類占8.9%，水環境問題仍舊突出[4]。城市河流水環境污染類型呈現多樣性，水體中的主要污染物為化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總氮、總磷和高錳酸鹽指數、溶解氧等指標，大部分城市河流水環境主要為Ⅴ類與劣Ⅴ類[5]。城市建設面積擴張，出現圍墾灘地，細小支流被填埋等，導致河流水域面積萎縮，河流水系間的連系阻斷，水動力不足。同時，單一追求河流防洪排澇能力，對河道進行裁彎取直，改變河流走向，對河床岸坡進行水泥硬化，使河道呈現三面光的結構，加之河流工程化嚴重，阻斷了水體與土壤之間的物質能量交換，隔絕了河道與岸上生態系統之間的連通性，導致流域生態系統被破壞，生態自我修復能力下降。

1.2 城市河流污染成因

城市河流污染程度不一，成因復雜多樣。根據城市發展結構以及河流自身特性，大致可將污染成因歸為內源污染和外源污染。外源污染主要包括城市區域地表徑流，城市工業、生活污水排放，郊區農業污染等，內源主要是受污染的河流底泥。

1.2.1 地表徑流攜污入河

隨著城市建設發展，城市區域地面中不透水的面積增加，導致降水期地表徑流的總量增加。加之城市空氣環境質量下降，在非降水時期地面累積了固體懸浮物、金屬離子、富營養化物質、有毒物質等污染物，并最終達到累積的極值[6-7]。在降水過程中，雨水裹挾大氣中與地表上的污染物進入地表徑流中，匯入城市河流中，加劇水體污染。李倩倩等[8]通過對天津市城市區域地表徑流進行檢測，發現地表雨水徑流污染物SS、COD、BOD5平均質量濃度分別為153.15～676.21mg/L、70.00～314.00mg/L、10.27～80.65mg/L，污染負荷量分別為793～3369kg/(hm2·a)、349～1564kg/(hm2·a)、51～402kg/(hm2·a)，超過我國地表水Ⅴ類水標準，超過污水排放一級A的標準，SS、COD濃度甚至高于城市污水。

1.2.2 污水排放量增加

城市作為經濟發展的中心區域，承擔著第二以及第三產業的發展，集中了密集的人口，對于水資源的需求量隨經濟發展逐漸增大，相應的污水排放量也增加。2019年《北京市生態環境質量統計年報》顯示，北京市2019年廢水排放總量為126413t，較2018年增加了3.3%。其中城鎮生活污水排放量為117899t，占全年廢水排放總量的93%，增加了3.9%[9]。由于水資源短缺，城市工業、生活污水經過處理后產生的再生水，會進行利用作為城市河湖補充用水，2018年北京市再生水利用量約為10.76億m3，其中約9.75億m3用于城市河湖補水，占再生水利用總量的90.61%[10]。但目前，在我國許多城市的污水處理能力相對不足，2019年我國城市污水處理率為94.54%、部分地區不及90%[11]。污水中所含的有害物質以及難降解物質會進入城市地表水環境。此外，在城市邊緣的城鎮地區，由于污水排放量小且分散，管網收集設施不完善，以及配套污水處理設施落后等因素，出現生活污水直排現象[12]。

1.2.3 農業面源污染

城市人口的增加，對果蔬類、肉蛋奶的需求增大，促進了分布在城市河流上游的郊區農業的發展。在農業生產生活過程中，農藥化肥的不合理施用、畜禽養殖、生活垃圾以及農村生活污水等，通過降雨徑流、農田灌溉及地下水泄露等方式進入城市河流中造成水環境污染[13]。研究顯示，北京市北運河上游的主要河流中，除京密引水渠外，大部分水質為劣Ⅴ類。流域內基本農田總面積約為1667hm2，普遍過度使用化肥農藥，導致氮、磷盈余明顯，影響了下游的水環境質量[14]。宋梓菡等[15]通過對哈爾濱市主城區河流污染物來源進行分析，發現哈爾濱市城市河流污染主要集中在城郊地區，污染物主要來自農村生活和農業生產，其貢獻率分別為49%和31%。趙吉睿等[16]通過對天津市內海河流域的農業面源排放特征進行分析，發現農村生活源對COD污染負荷的貢獻最大，貢獻率為28.85%；種植業源對TN污染負荷的貢獻最大，為46.98%；畜禽養殖業源對TP污染負荷的貢獻最大，為38%。

1.2.4 底泥污染的釋放

由于過去在生態環境方面欠賬太多，河流底泥中累積了大量的污染物。王圣瑞等[17]對蘇州河道等城市河流的研究表明，城市河道沉積物的TP含量在1000mg/kg以上，TN的含量有的甚至超過5000mg/kg。當水體環境發生變化時，底泥中的氮、磷以及重金屬等污染物會釋放到水體中，成為上覆水體的污染物源[18]。已有的研究顯示，我國一些河湖水體中的底泥污染已經成為水體污染的重要來源，杭州西湖的內源污染負荷已經達到外源污染負荷的41%，安徽巢湖的內源污染負荷是外源污染負荷的21%[19]。楊洋等[20]通過對太湖流域的河流等地表水體中的沉積物進行研究分析，發現沉積物中總氮和總磷的含量分別為1748mg/kg和760mg/kg，其中有機氮污染程度指數評價結果為Ⅲ～Ⅳ級，污染程度嚴重。

2 國內外城市河流生態修復理念的發展

城市河流生態修復是依據生態工程學原理和手段，對受損的河流生態系統和結構進行修復與重構，恢復河流原有的功能價值，使其達到穩定、健康的狀態[21]。在河流生態修復的概念沒有正式提出之前，對于城市河流的治理與修復，重點圍繞解決城市河流的防洪排澇、供水安全、水質污染等問題進行治理，但隨著城市的發展，傳統的河流治理與修復弊端越來越突出，無法滿足城市發展對于河流的價值需求，因此逐步開始探索恢復河流多種功能的河流生態修復理論。20世紀初，Seifert首先提出“近自然河溪治理”的概念，這是河流生態修復的初始概念[22]。在此基礎上，歐美、日本等不斷對河流生態修復理論進行研究，主張在城市河流生態修復方面充分尊重自然規律，注重人水和諧，通過加強對河流自然生態環境的恢復和保護，使河流的綜合服務功能得到充分的發揮。同時各個國家也都頒布了相應的導則來促進河流生態修復理念的實踐，如日本頒布的《鶴見川河流管理基本規劃》、美國的《水生生物資源生態恢復指導性原則》、歐盟的《歐盟水框架指令手冊》等，英國的泰晤士河、日本的隅田川均采用生態修復理念進行綜合治理[23-26]。

我國的河流生態修復理念起步較晚，最初由中國水科院董哲仁、劉樹坤等教授在20世紀末，提出了生態河治新理念，開啟了對于河流生態修復的重視和研究[27]。2004年，水利部頒布了《關于水生態系統保護與修復的若干意見》，首次明確提出了對水生態系統保護與修復的要求，采用遵循自然規律原則的保護和恢復措施，充分發揮自然生態系統的自我修復能力，保持水生態系統的健康狀況[28]。北京市也提出建設“水清、流暢、岸綠、通航”的現代化水系城市目標[29]。在借鑒歐美等西方國家成熟的理論技術基礎上，經過十幾年的發展，我國的河流生態修復理論研究得到了快速發展，以新發展理念為宗旨，遵循以山水林田湖草為生命共同體的原則，以流域為單元進行生態修復，并且積累了大量的工程實踐經驗。如：北京市近年來實行的北運河、永定河等流域綜合治理，針對不同河流的特性提出因地制宜的修復策略，根據近自然修復理念，采用自然的方案解決自然的問題，注重河段單元的連續性、完整性、水生物種棲息地的連通性以及相應的管理，并以此形成了圓明園生態修復模式，在北京市河湖水系進行推廣實施，構建首都藍綠交織、水城共融的城市生態環境體系[30-31]。

3 城市河流生態修復技術體系

城市河流生態修復作為一項系統性工程，應從流域角度出發，把握城市發展和河流生態保護之間的平衡，遵循系統性治理、低干擾、分類施策以及建管并重的原則。其主要內容包括河流生態調查與評價、污染源的控制與削減、水質修復、生態系統的恢復與重構等。根據區域社會經濟發展狀況，結合調查結果以及河流自身結構特點，以流域為單元，進行全面設計治理，按照用生態的辦法解決生態問題的理念，針對河流功能有針對性地制定河流生態修復技術措施與目標，提高河流的水體自凈能力和生態系統的自我修復能力，以實現流域的自然、經濟、人文、環境的協調可持續發展[32]。

3.1 河流生態調查與評價

河流生態調查與評價是河流生態修復與管理的基礎，前期可為確定河流生態修復目標和修復技術提供依據，后期對修復效果進行評價并進行生態管理。結合區域經濟社會發展狀況以及河流歷史資料，通過對河流水質水量等水文信息，水域空間生態狀況、動植物種類以及生境現狀開展多學科的調查，評估河流的健康狀態[33-34]。在中德合作的北京市小型水體近自然修復中，對流域內植被、底棲動物、浮游生物、魚類、水文地貌、水質(物理化學)等建立了評價方法與指標，指導修復技術方案，比對修復效果。

3.2 污染源控制與削減

城市河流污染源的控制與削減能從根本上改善城市河流水環境的污染問題，主要是通過在各污染源發生地采取措施，減少污染物的產生，以及在污染物入河過程中進行攔截，盡可能地減少污染物進入城市河流水環境中。

3.2.1 外源控制

對于外源污染物的控制主要包括截污納管、城市降雨徑流污染控制、推廣綠色農業等。

a.截污納管是通過增加污水處理設施與完善城市污水管網系統，提高城市的污水收集與處理能力，控制污水入河量。在德國Emscher河流生態修復工程中，通過建立4座污水處理廠、鋪設400km的污水管道以及建設290座合流制溢流構筑物，有效解決了污水直排入河和城市降雨徑流污染的問題[35]。其技術方法主要包括外源控制和內源控制。

b.在城市降雨徑流污染控制方面，目前各個國家均通過采用建設海綿城市的措施來解決城市降雨徑流污染以及降雨產生的城市內澇問題。主要采取綠色屋頂、雨水罐、下沉式綠地、透水鋪裝、植草溝、雨水花園等結構性措施對城市降雨進行滲、滯、蓄、凈、用、排。Xiao et al.[36]研究發現海綿城市中的生物溝能有效削減88.8%的徑流量，降雨徑流中的重金屬、有機碳和固體懸浮顆粒等污染物的綜合負荷削減率達到95.4%。

c.在郊區農業區，推廣綠色農業，調整畜禽養殖規模與結構，采用糞污水資源化利用技術，控制畜禽養殖污染排放，優化種植結構，科學合理施肥施藥，以生物肥藥替代傳統化學肥藥，加強農村小型污水處理站建設，降低農業污染風險。

3.2.2 內源控制

內源控制主要是對河流底泥的污染控制，根據技術原理可將其分為物理控制、化學修復以及生物修復[37]。

a.物理控制技術。物理控制主要采用底泥疏浚以及底泥原位覆蓋技術。其中底泥疏浚主要是通過機械方式對河流底泥進行疏挖，將污染底泥清離河道，并對疏浚后的底泥進行資源化與無害化處理，在美國的New Bedfold港的治理中，通過底泥的疏浚有效地降低了沉積物中的多氯聯苯[38]。底泥原位覆蓋技術主要是通過在底泥上覆蓋潔凈沉積物、砂子、砂礫以及一些特殊人工材料，阻隔污染底泥向水體中釋放污染物。薛傳東等[39]采用底泥原位覆蓋技術，使用天然紅土添加適量的粉煤灰及石灰粉作為阻隔覆蓋物，對滇池富營養化水體進行修復，結果顯示，可有效降低底泥中內源營養鹽的釋放量，同時還具有除藻作用。物理控制技術雖見效快但工程量大、成本高，若底泥疏挖過深以及底泥覆蓋均會破壞河流水生態系統的整體性，底泥的后期處置也會引發環境問題[40-41]。

b.化學修復技術。化學修復是指向污染底泥中投放化學制劑，通過氧化還原、聚合、絡合以及水解等一系列化學反應，使底泥中的污染物實現穩定化或無害化，常用的修復制劑有鋁鹽、鐵鹽和鈣鹽等[42]。Ripl et al.[43]研究發現硝酸鈣可以控制底泥中磷的釋放，但由于硝酸鈣的加入導致上覆水中氮的含量顯著增加；王熙等[44]通過對河流支流入海口處的底泥進行修復處理發現，投加過氧化鈣后水體的平均DO由0.09mg/L上升至6.11mg/L，水體中的氮磷濃度顯著下降。化學修復操作便捷、成本較低、效果顯著，但是容易引起水體環境二次污染，在生態修復中使用較少。

c.生物修復技術。生物修復主要包括植物修復和微生物修復。植物修復是通過植物的生長吸收代謝底泥中的污染物，同時還能通過根系微生物作用降解污染物。商傳蓮[45]研究發現常綠苦草等沉水植物對水體中總氮的去除率均在80%以上；James et al.[46]研究發現，沉水植物可以改善底泥與水交界面的DO和pH值，增強底泥微生物活性，降低底泥中磷的釋放速率。微生物修復是指通過提高底泥原有微生物的活性或者向底泥中添加具有定向降解作用的微生物菌種，利用微生物的降解作用控制底泥中的污染物。生物修復技術成本較低，綠色安全、應用廣泛，但修復周期較長，微生物與植物的生長受外界環境影響較大，影響修復效果。

目前，河流底泥均為復合污染物，因此在實際工程實踐中，往往采用聯合修復技術，即多技術組合，如植物、微生物聯合修復，生物、化學聯合修復技術等，充分發揮各技術的優勢，提高修復效果。

3.2.3 河流水質生態修復技術

河流水質的生態修復采用綠色生態治理技術，以生態優先為原則，通過增強河流自身的水體自凈能力，改善河流水質狀況。河流生態系統水質修復主要措施見表1。

表1 河流生態系統水質修復技術[47]

3.2.4 河流生態恢復與重構

河流生態恢復與重構主要通過河道空間修復、生物生境構建以及濱水空間的建設進行，目的是恢復河道的自然屬性和生物群落，增加生物多樣性，提高河流生態系統自我修復能力，使河流生態系統恢復到一個健康的狀態。

河道空間修復主要是使河流形態“近自然化”。傳統的城市河流治理思路，過于追求河流的單一功能，對河道采取裁彎取直，以及渠道化等河床硬化措施，對岸坡采用傳統的漿砌石等護坡技術，阻斷了河道內外之間的物質、能量和信息的交換，破壞了河流的自然形態，影響了河流的垂向連通性。城市河流大多數承擔了城市防洪排澇任務，在進行河道空間修復中需要結合防洪功能，將河道自然形態與防洪功能相結合。在永定河王平段治理修復中，以河道地形為基礎，依據河道流場形態，清理行洪主槽，疏挖河道重污染淤泥8300m3，既保障了汛期河道行洪安全，又解決了內源污染問題，同時重構河床微地形形態，融合景觀造型，在河道設置深槽、淺灘、江心洲等，塑造蜿蜒曲折、深淺交替、寬窄相間的“近自然化”河流形態。岸坡修復作為河道空間修復的一部分，多采用鉛絲石籠、植物等自然或人工生態護岸材料，不僅可防止水土流失，同時可與沿岸景觀建設相結合，保障生物棲息地的連續性。

生物生境的構建主要包括構建河道內生境通道以及河岸生物棲息地。污染物排放增加以及河道硬質化導致水生生物以及河岸生物的棲息地遭到破壞，生物多樣性銳減，河流自我修復能力受損。通過合理搭配種植水生植物、構建水下森林、增殖放流等措施，增加生物多樣性，恢復生物鏈完整性。如在北京圓明園水體修復中，通過在淺水水域構建“沉水植物+貝+魚”的清水穩態水生態系統，建立較為完整的生物鏈架構系統，在水下提高植被覆蓋度和植物種類豐度，選定暖季型、冷季型沉水植物進行合理搭配，為水生動物提供生境，恢復水體的自然功能。

城市河流承擔了一定的城市生態景觀功能，河岸濱水空間的建設是河流生態修復的重要部分。河流濱水空間的建設結合區域城市河流文化，通過濱水空間將自然與人文進行融合，主要包括景觀植物和景觀設施建設。濱水空間景觀植物的配置應堅持多樣性的原則，以本土景觀樹種為主，喬木與灌木合理搭配，形成有層次性的景觀。親水景觀設施需要結合河流自然形態，進行科學合理分區布局，主要設施包括親水平臺、親水廊道以及親水娛樂廣場等，形成具有休憩、旅游觀景、健身運動、文化娛樂等一體化的城市公共空間，提升城市居民的幸福感和獲得感。

4 結 語

我國城市河流主要存在水污染嚴重、水域面積縮小、水量匱乏、河道工程化嚴重等問題，生態問題突出，生態修復迫在眉睫。隨著生態環境保護的不斷深化，目前已基本形成了以“近自然”修復理念為核心的生態修復技術體系，主要包括河流生態調查與評價、污染源的控制與削減、水質修復、生態系統的恢復與重構等。河流的生態修復也需要全周期進行實施，不僅需要前期的修復技術也需要后期的生態管理，形成閉環體系，因此需要建立完善的城市河流生態管理體系，未來需要將工作集中在以下幾方面：

a.不斷完善修復技術體系。在城市河流生態修復技術體系中，需要將污染源控制放在首位，截留污染物入河，提升水質。根據區域社會經濟發展狀況，調整沿河區域產業結構，控制生產生活污染物排放量，完善城市污水收集管網系統，提升城市污水處理能力；推進海綿城市建設，合理利用雨洪，降低徑流污染和城市河流洪水頻率；根據河流調查狀況，采取工程措施修復河道空間，連通城市水網體系，促進河湖間水量、能量和信息流動，同時因地制宜進行生態恢復與重構，恢復河流自我修復能力，構建人水和諧，藍綠交織的城市河流生態文化帶。

b.建立動態生態監測平臺。通過對河流水文地貌形態,河流水質、生物多樣性、水土流失等指標進行全過程動態監測，掌握數據變化情況，建立相關基礎數據庫信息，為修復過程、后期管理維護以及修復效果評價提供數據支撐。

c.加強后期生態管控。對于修復后期水生植物、動物種群、陸地植物等進行合理管控，保障生物群落良性發展，同時加強修復工程措施的維護與管理，保障河流的基礎運行條件。

d.完善技術體系與法規制度保障。通過建立相關制度來保障修復工程質量，同時規范人類活動的不合理行為，減少對河流水生態的影響。目前對于河流生態反退化機制、河流生態修復技術體系等尚未形成技術標準與規范，對于流域生態系統的保護、河岸帶的管理、流量的配制等缺乏專項法律保護，需要建立針對河流生態修復與管理的制度法規保障，將生態修復工作法制化、長效化。

e.推動社會公共參與。利用新媒體平臺，向公眾宣傳河流生態修復與保護知識，提高人們對城市河流的認識，增強保護意識，動員社會力量參與后期的保護與管理。

基于以上研究工作的開展，逐步完善并建立符合我國區域特征的河流生態修復技術體系，從前期修復到后期管控，全過程制度保障，多方參與，對河流生態環境進行修復與保護，實現城市河流水生態環境的提升，促進城市高質量發展。