城市河流生态修复技术研究

雷国龙 季建国 邸琰茗

(北京市北运河管理处，北京 101100)

城市河流指流经城市区域的河流，以及一些人工开挖，或具有自然河流特点的运河、渠系等[1]，在城市发展中承担着供水、排水、防洪、景观娱乐、生态服务和文化载体等多种自然和社会功能，关系到人类社会的可持续发展[2]。改革开放以来，我国经济建设取得历史性成就，同时也积累了大量生态环境问题，特别是对城市河流环境保护缺乏重视，引发了严重的水环境生态问题。

城市发展所引发的河流生态环境问题，导致河流功能受损，对城市生态安全以及城市居民生活质量造成了影响，制约了城市的未来发展[3]。解决好城市河流环境问题已成为城市发展过程中的首要任务，也是社会生态文明发展的必然要求。当前阶段，人们对城市河流的治理目标已经由最初的实现防洪抗涝，提升到改善水质，恢复河流自然生态功能为目标，保障河流在城市发展中功能的完整性，实现生态环境和社会经济的融合可持续发展。在“十四五”期间，我国的水生态环境保护工作，要在水环境改善的基础上，更加注重水生态保护修复，注重“人水和谐”。因此，对于城市水环境的修复与提升也提出了新的要求。本研究通过对城市河流现状与污染成因进行分析，系统阐述了城市河流生态修复技术体系，为河流的生态治理提供理论借鉴。

1 我国城市河流污染现状与成因

1.1 城市河流现状

我国的城市河流多为中小型河流，由于受到城市开发建设等人为活动影响，导致河流的自然结构与生态系统受到严重影响，并引发了一系列生态环境问题。城市发展过程中，产业发展、人口增加、水资源需求量随之增加，尤其在大中型城市，出现河流常年无水的现象。用水量的增加也导致污水排放量增加，大量的生活、生产污水被直接排放到河流中，排污量日益增加，超过了河流本身的自净能力，引发水环境污染。2019年《北京市水资源公报》显示，在全市监测的河道中，符合Ⅱ类标准的占45.1%；符合Ⅲ类标准的占22.5%；符合Ⅳ类标准的占18.0%；符合Ⅴ类标准的占5.4%；劣Ⅴ类占8.9%，水环境问题仍旧突出[4]。城市河流水环境污染类型呈现多样性，水体中的主要污染物为化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总氮、总磷和高锰酸盐指数、溶解氧等指标，大部分城市河流水环境主要为Ⅴ类与劣Ⅴ类[5]。城市建设面积扩张，出现围垦滩地，细小支流被填埋等，导致河流水域面积萎缩，河流水系间的连系阻断，水动力不足。同时，单一追求河流防洪排涝能力，对河道进行裁弯取直，改变河流走向，对河床岸坡进行水泥硬化，使河道呈现三面光的结构，加之河流工程化严重，阻断了水体与土壤之间的物质能量交换，隔绝了河道与岸上生态系统之间的连通性，导致流域生态系统被破坏，生态自我修复能力下降。

1.2 城市河流污染成因

城市河流污染程度不一，成因复杂多样。根据城市发展结构以及河流自身特性，大致可将污染成因归为内源污染和外源污染。外源污染主要包括城市区域地表径流，城市工业、生活污水排放，郊区农业污染等，内源主要是受污染的河流底泥。

1.2.1 地表径流携污入河

随着城市建设发展，城市区域地面中不透水的面积增加，导致降水期地表径流的总量增加。加之城市空气环境质量下降，在非降水时期地面累积了固体悬浮物、金属离子、富营养化物质、有毒物质等污染物，并最终达到累积的极值[6-7]。在降水过程中，雨水裹挟大气中与地表上的污染物进入地表径流中，汇入城市河流中，加剧水体污染。李倩倩等[8]通过对天津市城市区域地表径流进行检测，发现地表雨水径流污染物SS、COD、BOD5平均质量浓度分别为153.15～676.21mg/L、70.00～314.00mg/L、10.27～80.65mg/L，污染负荷量分别为793～3369kg/(hm2·a)、349～1564kg/(hm2·a)、51～402kg/(hm2·a)，超过我国地表水Ⅴ类水标准，超过污水排放一级A的标准，SS、COD浓度甚至高于城市污水。

1.2.2 污水排放量增加

城市作为经济发展的中心区域，承担着第二以及第三产业的发展，集中了密集的人口，对于水资源的需求量随经济发展逐渐增大，相应的污水排放量也增加。2019年《北京市生态环境质量统计年报》显示，北京市2019年废水排放总量为126413t，较2018年增加了3.3%。其中城镇生活污水排放量为117899t，占全年废水排放总量的93%，增加了3.9%[9]。由于水资源短缺，城市工业、生活污水经过处理后产生的再生水，会进行利用作为城市河湖补充用水，2018年北京市再生水利用量约为10.76亿m3，其中约9.75亿m3用于城市河湖补水，占再生水利用总量的90.61%[10]。但目前，在我国许多城市的污水处理能力相对不足，2019年我国城市污水处理率为94.54%、部分地区不及90%[11]。污水中所含的有害物质以及难降解物质会进入城市地表水环境。此外，在城市边缘的城镇地区，由于污水排放量小且分散，管网收集设施不完善，以及配套污水处理设施落后等因素，出现生活污水直排现象[12]。

1.2.3 农业面源污染

城市人口的增加，对果蔬类、肉蛋奶的需求增大，促进了分布在城市河流上游的郊区农业的发展。在农业生产生活过程中，农药化肥的不合理施用、畜禽养殖、生活垃圾以及农村生活污水等，通过降雨径流、农田灌溉及地下水泄露等方式进入城市河流中造成水环境污染[13]。研究显示，北京市北运河上游的主要河流中，除京密引水渠外，大部分水质为劣Ⅴ类。流域内基本农田总面积约为1667hm2，普遍过度使用化肥农药，导致氮、磷盈余明显，影响了下游的水环境质量[14]。宋梓菡等[15]通过对哈尔滨市主城区河流污染物来源进行分析，发现哈尔滨市城市河流污染主要集中在城郊地区，污染物主要来自农村生活和农业生产，其贡献率分别为49%和31%。赵吉睿等[16]通过对天津市内海河流域的农业面源排放特征进行分析，发现农村生活源对COD污染负荷的贡献最大，贡献率为28.85%；种植业源对TN污染负荷的贡献最大，为46.98%；畜禽养殖业源对TP污染负荷的贡献最大，为38%。

1.2.4 底泥污染的释放

由于过去在生态环境方面欠账太多，河流底泥中累积了大量的污染物。王圣瑞等[17]对苏州河道等城市河流的研究表明，城市河道沉积物的TP含量在1000mg/kg以上，TN的含量有的甚至超过5000mg/kg。当水体环境发生变化时，底泥中的氮、磷以及重金属等污染物会释放到水体中，成为上覆水体的污染物源[18]。已有的研究显示，我国一些河湖水体中的底泥污染已经成为水体污染的重要来源，杭州西湖的内源污染负荷已经达到外源污染负荷的41%，安徽巢湖的内源污染负荷是外源污染负荷的21%[19]。杨洋等[20]通过对太湖流域的河流等地表水体中的沉积物进行研究分析，发现沉积物中总氮和总磷的含量分别为1748mg/kg和760mg/kg，其中有机氮污染程度指数评价结果为Ⅲ～Ⅳ级，污染程度严重。

2 国内外城市河流生态修复理念的发展

城市河流生态修复是依据生态工程学原理和手段，对受损的河流生态系统和结构进行修复与重构，恢复河流原有的功能价值，使其达到稳定、健康的状态[21]。在河流生态修复的概念没有正式提出之前，对于城市河流的治理与修复，重点围绕解决城市河流的防洪排涝、供水安全、水质污染等问题进行治理，但随着城市的发展，传统的河流治理与修复弊端越来越突出，无法满足城市发展对于河流的价值需求，因此逐步开始探索恢复河流多种功能的河流生态修复理论。20世纪初，Seifert首先提出“近自然河溪治理”的概念，这是河流生态修复的初始概念[22]。在此基础上，欧美、日本等不断对河流生态修复理论进行研究，主张在城市河流生态修复方面充分尊重自然规律，注重人水和谐，通过加强对河流自然生态环境的恢复和保护，使河流的综合服务功能得到充分的发挥。同时各个国家也都颁布了相应的导则来促进河流生态修复理念的实践，如日本颁布的《鹤见川河流管理基本规划》、美国的《水生生物资源生态恢复指导性原则》、欧盟的《欧盟水框架指令手册》等，英国的泰晤士河、日本的隅田川均采用生态修复理念进行综合治理[23-26]。

我国的河流生态修复理念起步较晚，最初由中国水科院董哲仁、刘树坤等教授在20世纪末，提出了生态河治新理念，开启了对于河流生态修复的重视和研究[27]。2004年，水利部颁布了《关于水生态系统保护与修复的若干意见》，首次明确提出了对水生态系统保护与修复的要求，采用遵循自然规律原则的保护和恢复措施，充分发挥自然生态系统的自我修复能力，保持水生态系统的健康状况[28]。北京市也提出建设“水清、流畅、岸绿、通航”的现代化水系城市目标[29]。在借鉴欧美等西方国家成熟的理论技术基础上，经过十几年的发展，我国的河流生态修复理论研究得到了快速发展，以新发展理念为宗旨，遵循以山水林田湖草为生命共同体的原则，以流域为单元进行生态修复，并且积累了大量的工程实践经验。如：北京市近年来实行的北运河、永定河等流域综合治理，针对不同河流的特性提出因地制宜的修复策略，根据近自然修复理念，采用自然的方案解决自然的问题，注重河段单元的连续性、完整性、水生物种栖息地的连通性以及相应的管理，并以此形成了圆明园生态修复模式，在北京市河湖水系进行推广实施，构建首都蓝绿交织、水城共融的城市生态环境体系[30-31]。

3 城市河流生态修复技术体系

城市河流生态修复作为一项系统性工程，应从流域角度出发，把握城市发展和河流生态保护之间的平衡，遵循系统性治理、低干扰、分类施策以及建管并重的原则。其主要内容包括河流生态调查与评价、污染源的控制与削减、水质修复、生态系统的恢复与重构等。根据区域社会经济发展状况，结合调查结果以及河流自身结构特点，以流域为单元，进行全面设计治理，按照用生态的办法解决生态问题的理念，针对河流功能有针对性地制定河流生态修复技术措施与目标，提高河流的水体自净能力和生态系统的自我修复能力，以实现流域的自然、经济、人文、环境的协调可持续发展[32]。

3.1 河流生态调查与评价

河流生态调查与评价是河流生态修复与管理的基础，前期可为确定河流生态修复目标和修复技术提供依据，后期对修复效果进行评价并进行生态管理。结合区域经济社会发展状况以及河流历史资料，通过对河流水质水量等水文信息，水域空间生态状况、动植物种类以及生境现状开展多学科的调查，评估河流的健康状态[33-34]。在中德合作的北京市小型水体近自然修复中，对流域内植被、底栖动物、浮游生物、鱼类、水文地貌、水质(物理化学)等建立了评价方法与指标，指导修复技术方案，比对修复效果。

3.2 污染源控制与削减

城市河流污染源的控制与削减能从根本上改善城市河流水环境的污染问题，主要是通过在各污染源发生地采取措施，减少污染物的产生，以及在污染物入河过程中进行拦截，尽可能地减少污染物进入城市河流水环境中。

3.2.1 外源控制

对于外源污染物的控制主要包括截污纳管、城市降雨径流污染控制、推广绿色农业等。

a.截污纳管是通过增加污水处理设施与完善城市污水管网系统，提高城市的污水收集与处理能力，控制污水入河量。在德国Emscher河流生态修复工程中，通过建立4座污水处理厂、铺设400km的污水管道以及建设290座合流制溢流构筑物，有效解决了污水直排入河和城市降雨径流污染的问题[35]。其技术方法主要包括外源控制和内源控制。

b.在城市降雨径流污染控制方面，目前各个国家均通过采用建设海绵城市的措施来解决城市降雨径流污染以及降雨产生的城市内涝问题。主要采取绿色屋顶、雨水罐、下沉式绿地、透水铺装、植草沟、雨水花园等结构性措施对城市降雨进行渗、滞、蓄、净、用、排。Xiao et al.[36]研究发现海绵城市中的生物沟能有效削减88.8%的径流量，降雨径流中的重金属、有机碳和固体悬浮颗粒等污染物的综合负荷削减率达到95.4%。

c.在郊区农业区，推广绿色农业，调整畜禽养殖规模与结构，采用粪污水资源化利用技术，控制畜禽养殖污染排放，优化种植结构，科学合理施肥施药，以生物肥药替代传统化学肥药，加强农村小型污水处理站建设，降低农业污染风险。

3.2.2 内源控制

内源控制主要是对河流底泥的污染控制，根据技术原理可将其分为物理控制、化学修复以及生物修复[37]。

a.物理控制技术。物理控制主要采用底泥疏浚以及底泥原位覆盖技术。其中底泥疏浚主要是通过机械方式对河流底泥进行疏挖，将污染底泥清离河道，并对疏浚后的底泥进行资源化与无害化处理，在美国的New Bedfold港的治理中，通过底泥的疏浚有效地降低了沉积物中的多氯联苯[38]。底泥原位覆盖技术主要是通过在底泥上覆盖洁净沉积物、砂子、砂砾以及一些特殊人工材料，阻隔污染底泥向水体中释放污染物。薛传东等[39]采用底泥原位覆盖技术，使用天然红土添加适量的粉煤灰及石灰粉作为阻隔覆盖物，对滇池富营养化水体进行修复，结果显示，可有效降低底泥中内源营养盐的释放量，同时还具有除藻作用。物理控制技术虽见效快但工程量大、成本高，若底泥疏挖过深以及底泥覆盖均会破坏河流水生态系统的整体性，底泥的后期处置也会引发环境问题[40-41]。

b.化学修复技术。化学修复是指向污染底泥中投放化学制剂，通过氧化还原、聚合、络合以及水解等一系列化学反应，使底泥中的污染物实现稳定化或无害化，常用的修复制剂有铝盐、铁盐和钙盐等[42]。Ripl et al.[43]研究发现硝酸钙可以控制底泥中磷的释放，但由于硝酸钙的加入导致上覆水中氮的含量显著增加；王熙等[44]通过对河流支流入海口处的底泥进行修复处理发现，投加过氧化钙后水体的平均DO由0.09mg/L上升至6.11mg/L，水体中的氮磷浓度显著下降。化学修复操作便捷、成本较低、效果显著，但是容易引起水体环境二次污染，在生态修复中使用较少。

c.生物修复技术。生物修复主要包括植物修复和微生物修复。植物修复是通过植物的生长吸收代谢底泥中的污染物，同时还能通过根系微生物作用降解污染物。商传莲[45]研究发现常绿苦草等沉水植物对水体中总氮的去除率均在80%以上；James et al.[46]研究发现，沉水植物可以改善底泥与水交界面的DO和pH值，增强底泥微生物活性，降低底泥中磷的释放速率。微生物修复是指通过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种，利用微生物的降解作用控制底泥中的污染物。生物修复技术成本较低，绿色安全、应用广泛，但修复周期较长，微生物与植物的生长受外界环境影响较大，影响修复效果。

目前，河流底泥均为复合污染物，因此在实际工程实践中，往往采用联合修复技术，即多技术组合，如植物、微生物联合修复，生物、化学联合修复技术等，充分发挥各技术的优势，提高修复效果。

3.2.3 河流水质生态修复技术

河流水质的生态修复采用绿色生态治理技术，以生态优先为原则，通过增强河流自身的水体自净能力，改善河流水质状况。河流生态系统水质修复主要措施见表1。

表1 河流生态系统水质修复技术[47]

3.2.4 河流生态恢复与重构

河流生态恢复与重构主要通过河道空间修复、生物生境构建以及滨水空间的建设进行，目的是恢复河道的自然属性和生物群落，增加生物多样性，提高河流生态系统自我修复能力，使河流生态系统恢复到一个健康的状态。

河道空间修复主要是使河流形态“近自然化”。传统的城市河流治理思路，过于追求河流的单一功能，对河道采取裁弯取直，以及渠道化等河床硬化措施，对岸坡采用传统的浆砌石等护坡技术，阻断了河道内外之间的物质、能量和信息的交换，破坏了河流的自然形态，影响了河流的垂向连通性。城市河流大多数承担了城市防洪排涝任务，在进行河道空间修复中需要结合防洪功能，将河道自然形态与防洪功能相结合。在永定河王平段治理修复中，以河道地形为基础，依据河道流场形态，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，又解决了内源污染问题，同时重构河床微地形形态，融合景观造型，在河道设置深槽、浅滩、江心洲等，塑造蜿蜒曲折、深浅交替、宽窄相间的“近自然化”河流形态。岸坡修复作为河道空间修复的一部分，多采用铅丝石笼、植物等自然或人工生态护岸材料，不仅可防止水土流失，同时可与沿岸景观建设相结合，保障生物栖息地的连续性。

生物生境的构建主要包括构建河道内生境通道以及河岸生物栖息地。污染物排放增加以及河道硬质化导致水生生物以及河岸生物的栖息地遭到破坏，生物多样性锐减，河流自我修复能力受损。通过合理搭配种植水生植物、构建水下森林、增殖放流等措施，增加生物多样性，恢复生物链完整性。如在北京圆明园水体修复中，通过在浅水水域构建“沉水植物+贝+鱼”的清水稳态水生态系统，建立较为完整的生物链架构系统，在水下提高植被覆盖度和植物种类丰度，选定暖季型、冷季型沉水植物进行合理搭配，为水生动物提供生境，恢复水体的自然功能。

城市河流承担了一定的城市生态景观功能，河岸滨水空间的建设是河流生态修复的重要部分。河流滨水空间的建设结合区域城市河流文化，通过滨水空间将自然与人文进行融合，主要包括景观植物和景观设施建设。滨水空间景观植物的配置应坚持多样性的原则，以本土景观树种为主，乔木与灌木合理搭配，形成有层次性的景观。亲水景观设施需要结合河流自然形态，进行科学合理分区布局，主要设施包括亲水平台、亲水廊道以及亲水娱乐广场等，形成具有休憩、旅游观景、健身运动、文化娱乐等一体化的城市公共空间，提升城市居民的幸福感和获得感。

4 结 语

我国城市河流主要存在水污染严重、水域面积缩小、水量匮乏、河道工程化严重等问题，生态问题突出，生态修复迫在眉睫。随着生态环境保护的不断深化，目前已基本形成了以“近自然”修复理念为核心的生态修复技术体系，主要包括河流生态调查与评价、污染源的控制与削减、水质修复、生态系统的恢复与重构等。河流的生态修复也需要全周期进行实施，不仅需要前期的修复技术也需要后期的生态管理，形成闭环体系，因此需要建立完善的城市河流生态管理体系，未来需要将工作集中在以下几方面：

a.不断完善修复技术体系。在城市河流生态修复技术体系中，需要将污染源控制放在首位，截留污染物入河，提升水质。根据区域社会经济发展状况，调整沿河区域产业结构，控制生产生活污染物排放量，完善城市污水收集管网系统，提升城市污水处理能力；推进海绵城市建设，合理利用雨洪，降低径流污染和城市河流洪水频率；根据河流调查状况，采取工程措施修复河道空间，连通城市水网体系，促进河湖间水量、能量和信息流动，同时因地制宜进行生态恢复与重构，恢复河流自我修复能力，构建人水和谐，蓝绿交织的城市河流生态文化带。

b.建立动态生态监测平台。通过对河流水文地貌形态,河流水质、生物多样性、水土流失等指标进行全过程动态监测，掌握数据变化情况，建立相关基础数据库信息，为修复过程、后期管理维护以及修复效果评价提供数据支撑。

c.加强后期生态管控。对于修复后期水生植物、动物种群、陆地植物等进行合理管控，保障生物群落良性发展，同时加强修复工程措施的维护与管理，保障河流的基础运行条件。

d.完善技术体系与法规制度保障。通过建立相关制度来保障修复工程质量，同时规范人类活动的不合理行为，减少对河流水生态的影响。目前对于河流生态反退化机制、河流生态修复技术体系等尚未形成技术标准与规范，对于流域生态系统的保护、河岸带的管理、流量的配制等缺乏专项法律保护，需要建立针对河流生态修复与管理的制度法规保障，将生态修复工作法制化、长效化。

e.推动社会公共参与。利用新媒体平台，向公众宣传河流生态修复与保护知识，提高人们对城市河流的认识，增强保护意识，动员社会力量参与后期的保护与管理。

基于以上研究工作的开展，逐步完善并建立符合我国区域特征的河流生态修复技术体系，从前期修复到后期管控，全过程制度保障，多方参与，对河流生态环境进行修复与保护，实现城市河流水生态环境的提升，促进城市高质量发展。