河流生态修复关键技术.doc

河流生态修复技术
摘要：在河流生态系统普遍遭受严重破坏今天，河流生态修复成为研究热点。本文在广泛查阅国内外河流生态修复资料基本上，分析人类活动在老式水利工程、污染物排放、过量引水及农渔业活动方面对河流生态系统胁迫作用。本文对河流系统及河流生态修复进行了探讨，对不同河流生态修复技术进行了归类分析。简要简介了水域生态修复技术：水生生物群落恢复技术、生态浮岛技术、曝气增氧技术、微生物修复技术；河流水陆交错带植被修复技术；生态护岸技术等。
核心词：河流；生态修复；生态修复技术

The River Ecological Restoration Technology
Abstract：The ecological restoration of river ecosystem has become a research hotspot because the river ecosystems were generally severely damaged. On the basis of broad access to the information of the domestic and international ecological restoration，the stress of the river ecosystem which was forced by human activities in the traditional water conservancy project，pollutant emissions，excessive diversion of water project and fishing activities also was analyzed. Investigate of the river systems and river ecological restoration. The adaptability of different river ecological restoration technologies were classified and analyzed. Waters of ecological restoration technology is made，such as aquatic community recovery techniques，ecological floating bed technology，aeration technology，microbial remediation；Rivers crisscross ecological restoration technology of water bank，such as vegetation restoration technology；ecological revetment technology etc.
Keywords：river；ecological restoration；ecological restoration technologies

引言
水环境污染和水资源短缺是当今全球淡水资源面临两大危机。河流是国内水环境重要构成某些，是人们生活生产水资源基本，在社会发展中发挥着巨大作用，水环境质量好坏直接制约地区乃至全国整个国家经济持续发展[1]。近年来，随着国内人口增长和社会经济迅速发展，一方面，都市污水解决设施建设严重滞后于工业化和城乡化进程，导致大量未经解决工业废水和生活污水排入自然水体；另一方面，农业生产中过量施用农药化肥，导致更为广泛非点源污染不断汇人自然水体；此外，为了过度追求经济利益，自然河流不断被人为渠道化、直线化以及硬质化，导致自然河流自净能力和纳污能力削弱。以上一系列人为活动均导致了水体环境严重污染，河道生态功能不断退化，使水资源可持续发展受到严重影响。因而，保护和改进河流水资源整体质量，保护河流生态系统良性循环，是保证并增进社会可持续发展核心问题之一。
河流生态修复是指运用生态系统原理，采用各种办法修复受损伤水体生态系统生物群体及构造，重建健康水生生态系统，修复和强化水体生态系统重要功能，并能使生态系统实现整体协调、自我维持、自我演替良性循环[2]。近年来，人们生态环保意识不断提高，河流水质改进也巳经获得了一定成效， 河流综合性治理即生态修复开展已成趋势[3]。国内外学者开展了大量河流生态修复研究与实践。本文在对国内外河流生态修复研究梳理基本上，归纳总结了某些惯用河流生态修复技术。
1 人类活动对河流生态系统影响
人类活动对河流生态系统影响使其整体性、持续性等特点遭到破坏，往往导致河流生态环境恶化，生物多样性减少，生态服务功能减少，甚至导致不可逆生态退化。这种胁迫重要有老式水利工程对河流生态系统胁迫、污染物排放对河流污染、引水量过大、沿河农业、渔业生产对河流生态系统胁迫等。
1.1 老式水利工程对河流生态系统影响
老式水利工程（大坝、河道硬化等）修建对河流原有水文条件、河流地貌以及河流水力特性导致严重影响，破坏了河流生态系统自身特性，从而导致了其对河流生态系统胁迫。例如大坝修建，将河流分割开来，破坏了河流持续性，使河流上游形成高位水头、下游流量减少，中断了大坝上下游能量、物质和信息传递，导致河流原有生境变化，而生物群落和生境具备统一性，导致河流生物群落栖息和迁徙规律受到影响[4]，最后使生物群落多样性减少。再如河道硬化整治，由于对河道采用截弯取直和大量采用混凝土等硬质材料，一方面变化了河流地貌和河流水力特性，破坏了河流开放性和多样性，使本来蜿蜒河道变得顺直，河水流速加快，阻碍了河流与河岸之间互换、地表水与地下水之间联系，变化了水域生态系统构造和功能[5]，导致生物多样性减少和生态退化；另一方面，致使河流原有景观遭到破坏，河道形状几何规则化，变得十分单调，减少了河流生态系统景观服务功能。
1.2 污染物排放对河流污染
人类在生产、生活过程中向河流排入大量污染物质，如果其数量超过河流生态系统自净能力，将导致水质变坏（如水体富营养化、水体中具有大量悬浮颗粒物等），直接对河流生态系统导致破坏（如水生生物大量死亡等），减少其淡水供应等生态服务功能。此外，由人类活动引起硫化气体大量排放，导致酸雨形成，也会间接导致河流水质恶化。
1.3 引水量过大
随着社会发展，工农业以及人类生活引用了大量河水，但是每条河流循环水量是有限[6]。无限制引用河水，使河流生态系统水量低于生态需水量下限，将导致原有河流生态系统构造破坏，生态服务功能退化，生物多样性减少，甚至导致河水干涸，整个河流生态系统彻底毁灭。
1.4 沿河农、渔业活动对河流生态系统影响
沿河农业活动对河流生态系统胁迫重要体当前对河滩开垦和耕作。由于土地肥沃，人们加大了对河滩、湖岸、河边湿地开垦。大量开垦造田使河滩、湖岸及河边湿地原有天然植被受到严重破坏，水文条件、河流地貌及水力特性均随之发生变化，导致河滩、湖岸土地以及河滩湿地退化，减少河滩本来拥有丰富生物多样性，减少其生态系统服务功能（如河滩湿地对河流水质净化作用等）。此外，河滩开垦还会导致水土流失，在河滩田地中大量使用农药、化肥，会对河流水质导致新污染。而渔业活动则会导致河流中经济鱼种受到过度捕捞，破坏了原有食物链，导致河流生态系统完整性受损。
2 河流水域水体生态修复技术
河流水体生态系统具备自净能力，但当污染物数量超过其自净容量时，将导致河流生态系统构造破坏，功能受阻，致使河流生态平衡失调。此时，必要实行污染物综合治理办法和办法，消除污染物影响，修复河流水生态系统。
2.1 人工湿地技术
人工湿地是一种简便有效生态工程型污水解决技术，具备辽阔应用前景。此技术由于运营简便、管理费用低、无二次污染等长处而得到广泛应用[7]。植物是人工湿地系统重要构成某些， 在其中起着非常重要作用。湿地植物在生长发育过程中， 所必须N、P等营养元素都是从水中直接吸取， 通过一系列同化和异化作用而被转化成植物体内组分， 最后通过植物收割而从人工湿地系统中去除。人工湿地普通由人工基质和生长在其上水生植物（如芦苇、香蒲等）构成，形成基质植物微生物生态系统，运用湿地中填料、水生植物和微生物之间互相作用，通过一系列物理、化学及生物过程实现对污水净化。人工湿地技术从20世纪80年代起，在河流污染治理中逐渐受到注重。当前中华人民共和国已在诸多都市建立了人工湿地系统，水中污染物去除率均超过了50%[8]。
2.2 水生生物群落恢复技术
河流水体生态系统生物群落恢复涉及水生植物恢复、底栖动物恢复、浮游生物恢复、鱼类恢复等。在河流水体污染得到有效控制以及水质得到改进后，生物群落恢复就变得相对容易，可以通过自然恢复或进行相应人工强化，必要时可以采用人工重建办法。
大型水生植物(涉及沉水植物、挺水植物、浮水植物)在水污染治理中可以发挥各种作用。通过自身生长代谢可大量吸取氮、磷等营养物质，植物光合伙用增长水体溶解氧，同步，某些物种还可以富集重金属或吸取、降解某些有机污染物。水生植物通过增进微生物代谢，使水中大某些可生物降解有机物得到降解，同步抑制藻类生长，从而控制水体富营养化，运用植物及共存微生物体系去除环境中污染物[9]。据文献[10-11]研究，通过在水体中种植水生植物，运用植物吸取、挥发、过滤、降解、稳固等作用，可以将水中有机和无机污染物进行有效去除，达到净化水质目。
在河流生态系统中，原生及后生微型动物、底栖动物可以吞食藻类、细菌及某些悬浮状有机物，可防止藻类、细菌过度增殖，加速污染河流水质净化，同步自身又是良好鱼饵。杂食性鱼类(如鲤鱼、鲫鱼)捕食水中食物残屑和浮游动物；滤食性鱼类(如鲢、鳙)和草食性鱼类(如草鱼)等滤食活动及生理代谢，增进了氮磷释放，有助于浮游植物大量繁殖，同步可以控制藻类过度增殖，防止水华。例如田利[12]等人通过在富营养化水体中放养鲢鱼、芦台鮊鱼实验表白在一定密度下放养滤食性鲢鱼可以有效地起到控制富营养化水体中藻类生长作用；李传红[13]通过选取在惠州南湖进行鲤鱼围隔实验和去除鱼类全湖实验，以鲤鱼对南湖底质扰动所导致沉积物再悬浮为核心，初次较为系统地研究了鲤鱼对湖泊营养盐水平、浮游植物生产力、浮游动物种类构成和数量等方面生态效应，探讨了底栖性鲤鱼在热带浅水富营养化湖泊生态系统作用，实验成果表白了鱼类对水体中TN和TP有一定去除效果。
2.3 人工浮岛技术
人工浮岛技术最早是在20世纪80年代由德国BESTMAN公司开发，日后又由以日本为代表国家和地区成功应用到了地表水污染治理和生态修复上面[14]。人工浮岛技术是运用生态学原理，在受污染河道，用木头、泡沫等轻质材料搭建浮岛，以浮岛作为载体，按照自然规律，在水面上种植高等水生植物，通过植物根部吸取、吸附作用和物种竞争相克机制，削减富集水体中氮、磷及有机质，将水体中氮、磷以及有机物作为自身营养物质运用，并最后通过对植物体收获将其带离出水体，从而达到净化水体，适当各种生物繁衍栖息环境目[15-17]。该技术重要合用于富营养化及有机污染河流，工程量小，维护简朴，解决效果好，避免重复污染，可实现资源持续运用。
2.4 曝气增氧技术
耗氧有机污染物、营养物等消耗水体中大量溶解氧，导致水体复氧来不及补充，水体溶解氧急剧下降，甚至消耗殆尽，有机物不完全分解和大量有毒物质释放，使水生生态系统遭到严重破坏，水质恶化，浮现水体黑臭现象，无法自行恢复，河流水体失去自净能力。运用人工曝气增氧，可以极大增长河流溶解氧，有助于河流微生物区系由厌氧向好氧转化，加速了好氧微生物增殖，提高水体中COD、BOD、N、P等污染物质好氧降解；另一方面刺激河道藻类生长，并形成河流水体藻类自然复氧机制，消除水体黑臭。人工曝气复氧能保证水体好氧环境，提高水体中好氧微生物活性，可达到消除黑臭，减少污染负荷，维持生态净化系统构造稳定和最大净化功能，增进水生态系统恢复等目[l8] .国内外采用人工曝气复氧技术重要有纯氧增氧系统、鼓风机-微孔布气管曝气系统、叶轮吸气推流式曝气器和水下射流曝气等设备。
2.5 微生物修复技术
微生物作为生态系统中分解者，对污染物去除和养分循环起着很重要作用，是河流生物修复技术核心[19]。当前河流微生物修复过程中使用较多微生物制剂是运用微生物生命过程中代谢机理，将污水中有机物分解成为简朴无机物，从而去除有机污染过程。微生物制剂是由几十种具备各种功能微生物构成一种良性循环微生物生态系统，重要涉及了光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌等，构成了功能强大“菌团”。其作用原理是运用“菌团”具有微生物唤醒或激活河道中、污水中原有存在可以自净，但被抑制而不能发挥其功能微生物。通过她们迅速增殖，强力地钳制有害微生物生长和活动，进而分解水中有机污染物，增进氮反硝化作用，加速磷无害化，并锁定水体中重金属元素。
2.6 生物膜法解决技术
生物膜法是依照天然河床上附着生物膜净化及过滤作用，人工填充填料或载体，供细菌絮凝生长，形成生物膜，人造生物膜是一层附着在载体表面微生物细胞[20]，对蛋白质、淀粉等大分子降解能力很强，降解速度快，成本少，已经成为西方国家水质净化核心技术。生物膜法运用滤料和载体比表面积大，附着微生物种类多、数量大特点，从而使河流自净能力成倍增长[21]。生物膜法具备较高解决效率，有机负荷较高，接触停留时间短，占地面积小，投资少，对受有机物及氨氮轻度污染水体有明显效果，适合于都市中小河流直接净化。
2.7 底泥疏浚
底泥疏浚是解决河流内源污染重要办法，它重要是通过底泥疏挖去除底泥中所含污染物，清除污染水体内源，减少底泥污染物向水体释收，重要合用于富营养化河流治理来自于河流与湖库底部沉积物释放内源污染物质是导致水体污染重要因素之一。氮和磷元素是水生生态系统中重要营养限制因子，来自于内源释放氮磷营养物质对上覆水营养物质贡献率可以达到甚至超过外源污染贡献率[22]。因而，虽然在外源污染得到较好控制时，河流水体中营养物质依然处在较高水平，致使水体富营养化问题难以得到彻底解决。底泥疏浚可以将富含污染物底泥从水体中永久性去除，可以控制内源污染物释放或减少污染物生物有效性，因而被以为是河道湖库治理中重要工程办法而被广泛应用[23]。在外源氮磷营养物质得到有效控制前提下，底泥疏浚是控制内源氮磷负荷有效技术手段[24]。底泥疏浚技术控制内源污染释放，修复水生生态系统在国内太湖、西湖以及广州等地均有实际应用，并获得了宝贵实践经验。然而底泥疏浚后新生表层沉积物物理、化学和生物性质与疏浚表层沉积物均发生了主线性变化，变化沉积物中微生物群落构成，导致微生物群落功能多样性减少，从而对沉积物中生源要素循环产生影响[25]。日本隅田川河[26]和俄罗斯莫斯科河[27]曾采用污泥疏浚治理办法，从而使得水质恢复。但底泥疏浚法工程量大，造价高，并需拟定合理挖掘深度和挖泥量，否则容易破坏水生生态系统[28]。
3 河流水陆交错带植被修复技术
河流水陆交错带植被修复是国内外河流生态修复使用最广泛办法[29]。植被恢复可以保护河岸，增长河岸稳定性，有助于建立良好河流水陆交错带生态系统。水生植物吸取氮、磷等营养。水生植物根部具备富集重金属功能，可提高重金属去除效率；每株水生植物都像一台小小供氧机，向河流水体供氧；水生植物植物根系与土壤微生物构成根际微生物群落系统，根茎为细菌和微生物提供生长介质，去除BOD和COD功能有所提高，在土壤污染净化过程中发挥着重要作用。此外，水生植物在减缓航运引起波浪对堤岸冲击方面起到较好效果；湿生大型植物限制了近岸水流流速，它们浅层根团也起到加固河岸表面作用，同步，植物根、径等对地表径流还具备拦截泥沙和颗粒态污染物、减少流速等作用。河岸植被能起到有效降温、过滤、控制水土流失、提高生物多样性作用；同步，有助于动、植物迁徙和生存繁衍，并起到生物多样性保护作用。河岸带植被恢复办法普通采用乡土植被恢复、物种引进技术和生物工程办法。河流沿岸生态修复工程办法还涉及土地渗滤修复技术、砾石床解决技术、湿地解决技术等[30]。
4 生态护岸技术
河道是生态环境重要载体，护岸工程是河道生态治理一项重要办法。生态护岸指恢复自然河岸或具备自然河流“可渗入性”人工护岸，它可以充分保证河岸与河流水体之间水分互换和调节功能，同步具备抗洪基本功能[31] 。生态护岸是结合治水工程与生态环保而兴起一种新型护岸技术，对水陆生态系统物流、能流、生物流发挥着廊道、过滤器和天然屏障功能。在治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增长动植物种类、调节微气候和美化环境方面均有着巨大作用。生态护岸根据其使用重要护岸材料分为植被护岸、木材护岸和石材护岸3种类型。
4.1 植被护岸
植被护岸是生态护岸中比较重要一种形式，岸坡植被有柳树、水生植物、草坪、天然材料织物、三维棕榈纤维等。水生植物复合护岸是运用水生植物根、茎、叶对水流消能和对岸坡保护形成保护性岸边带，增进泥沙沉淀，减少水流挟沙量[ 32]，并能直接吸取水体中有机物和营养物质，防止水体有机污染和富营养化。单独水生植物护岸承受水流侵蚀能力弱，只合用流速较小缓流水体，普通采用水生植物与其她护岸材料配合使用复合型护岸构造。草皮护坡是直接在土坡上种植草，或是以草为主体，兼用土工织物加固，在坡面防护上普通采用草皮植物复合型护坡[33]。网垫植被复合型护坡普通用以聚乙烯或聚丙烯等高分子材料制成网垫，其综合了人工网和植物护坡长处，大大提高了边坡安全性和稳定性。
4.2 木材护岸
惯用木材有圆木。用解决过圆木互相交错形成箱形构造—木框挡土墙，在其中充填碎石和土壤，并扦插活枝条，构成重力式挡土构造。重要应用于陡峭岸防护，可减缓水流冲刷，增进泥沙淤积，迅速形成植被覆盖层，营造自然型景观，为野生动物提供栖息地环境。枝条发育后根系具备土体加筋功能，木框挡土墙圆木可向水中补充有机物碎屑，其间隙为野生动物提供遮蔽所。
4.3 石材护岸
抛石办法在国内外河道整治工程中应用十分广泛。在老式技术基本上结合植被等办法，抛石能达到兼顾加强和改进河岸栖息地目。石材护岸技术施工简朴，块石适应性强，已抛块石对河道岸坡和河床后期变形可作自我调节。块石有很高水力糙率，可减小波浪水流作用，保护河岸土体，抵抗冲刷侵蚀。
5 河流生态景观建设
河流生态景观建设是指在河流治理工程中除了完善防洪、排涝、航运和供水等老式水利功能以外，还力图使河流更接近自然状态，完善河流生态系统构造和功能，呈现自然河流美学价值，发掘河流人文历史精神，创造良好人居环境。生态景观建设重要分为水边景观建设和跨河建筑物景观建设，它以景观生态学为理论指引，需遵循与老式水利目的相融合，尊重历史，道法自然，景观持续等原则[34]。在进行景观建设时要注意如下几点：
（1）防洪与亲水协调
亲水是人与生俱来天性，景观建设要满足人们在视觉、听觉、触觉上对美需求，感受水魅力。因而，水边建筑物不适当高出人们视线，妨碍人们欣赏水景，且构建亲水设施能拉近人水距离，使人能在岸边漫步休闲、接触水体。
（2）提高景观空间异质性
在河流平面形态方面，需恢复其蜿蜒性特性，形成水曲之美；在河流横断面上，要恢复河流断面多样性，构成多样性地貌特性；在水陆交错带恢复乡土种植被等。使河流在纵、横、深三维方向都具备丰富景观异质性，形成浅滩与深潭交错，急流与缓流相间，植被错落有致，水流消长自如景观空间格局。
（3）因地制宜地选取植被造景
将植物和天然材质造景功能引入岸坡防护设计，是河道整治和景观建设发展趋势。植物造景，特别是人工植物群落景观营造，成为河流生态景观建设重要内容。河道植物要选取合用性强、亲和性强、功能广、具备观赏价值植物，且植被搭配要考虑不同季节景观整体变化，满足人们视觉上享有。

结语
随着近代社会迅速发展，人类活动过度干扰以及对河流不合理开发使自然水体产生了一系列生态环境方面问题，并且在某些流域日趋严重。随着研究工作不断进一步和治理工作不断展开，生态修复理念贯穿于整个工作之中，生态修复技术随着研究和实践工程进一步也得到了发展与完善，在河流污染防治与生态修复中发挥了重要作用。为了更好地理解和应用生态修复技术改进河流生态环境，必要理解各项技术基本特点，结合特定合理环境特性，综合性地选用适当办法，以最经济合理配备，构建稳定可持续发展河流水生态环境系统。
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