基于幸福河湖目标的城市河道生态修复技术研究

丁 源，姜翠玲

(1.The University of Manchester，Manchester M13 9PL UK;2.河海大学，江苏 南京 210098)

城市河道是保障城市安全和社会经济发展的重要支撑，也是构成城市生态系统和景观的主要组成部分，承担着防洪排涝、调蓄水源、纳污净化、通航水运、景观文化、休闲娱乐等多种功能。随着城市的发展和扩张，大量河道被人工改造，如裁弯取直、两岸硬化、近岸开发、闸泵调控、覆盖填埋等，阻断了河流上、中、下游之间的纵向连通性，割裂了水、陆2个生态系统间的横向联系，降低了河道的自净能力，加上城市点源和非点源污染物的排放，造成城市河道水质差，生物多样性低，黑臭河道多[1- 2]。随着河长制实施和水生态文明建设的不断推进，城市河道整治的思路也逐步由一般的水利建设和水质提升向“舒适、优美、休闲、文化”等综合治理生态工程转化[3]。打造幸福河湖成为未来河道和湖泊治理的主要目标，这是新时代的一个新概念、新方向和新要求[4]。幸福河湖是指能够维持自身健康，生态结构完好，支撑流域经济社会高质量发展，体现人水和谐，让流域内人民具有安全感、获得感与满意度的河流和湖泊[5- 6]。自2019年以来，我国很多省、市、县、区制定了幸福河湖的评价指标体系，虽然不同区域，制定的评价指标有差别，但基本上都要求达到生态功能良好、水质环境优良这样的目标，因此，水生态修复是幸福河湖建设的重要内容，也是优美水景观的基础保障。城市河道由于人工化程度高，针对城市河道的生态修复技术及维持生态系统的稳定是最具挑战性的。满足幸福河的生态修复目标除了使城市河道水质优良、安全畅通、生态健康以外，更强调河流生态保护与人类社会对河流需求总体上的一种平衡，即实现人水和谐。

1 国内外河道生态修复研究进展

生态修复是协助已遭受退化、损伤或破坏的生态系统恢复的过程[7- 9]。生态修复成功的核心标准是河道生态系统能自我维持，对外部干扰具有更强的抵抗和恢复能力，以便只需要最低限度的后期维护[10]。城市河道不同于其他地区(如乡村或自然区域等)的河道，在修复目标、评价与策略等方面具有一定的特殊性[11]。城市河道修复所面临的实际挑战是，如何在人工化的空间和局限的建成环境下恢复河道的动力过程、自净能力和生态系统。

国外在水生态修复理论和技术研究方面开始的较早，目标是改善水质和水动力条件、创造有利于鱼类生存繁殖的生态环境、提高绿化水平。1938年由德国Seifert提出的“近自然河溪治理概念”，被认为是河流生态修复的开端[12]。1965年，德国的Ernst Bittmann在莱茵河利用芦苇和柳树进行了生态护岸试验[13]。此后，河流生态修复技术在欧美、日本等发达国家相继展开[14- 16]，提出了诸如多自然型河流、生态工法、生态堤岸、自然河道设计等理念，并将其应用在莱茵河、密西西比河、基西米河、坂川河等河流的整体生态修复中[17- 18]。

国外的生态修复主要从整条河流或流域出发，对河道实施修复和保护措施，关注的重点是河道的自然蜿蜒形态、鱼类等生物栖息地的保护、污染治理等方面[2]，通常在实践的过程中同步开展理论研究，并在一些河道实施了修复后的跟踪监测和效果后评估。虽然在欧美等发达国家已有大量有关河道生态修复的研究和成功案例，但专门针对城市河道的生态修复仅占很小的比例[19- 20]。由于城市河道大多都为裁弯取直、混凝土硬质化的人工河道，修复的空间较为有限，并且征地难度大、成本高，导致大部分的修复项目呈现小尺度、片段化的空间特征[11，21- 22]，采取的措施主要包括截污、岸坡改造、滨岸带绿化等技术[23]。

我国河道生态修复技术起步较晚，自上世纪末开展了生态流量、生态修复、生态工程等的理论研究和初步实践，在本世纪初，生态修复在一些大型以及污染重的河湖陆续开展，主要目的是改善水质，增加生物多样性。随着生态文明建设和河湖长制的实施，生态修复成为河湖治理的主要任务，由此，在全国各大城市广泛开展了河湖水环境保护和水生态修复，并因地制宜地落实“一河一策”“一湖一策”的战略任务。随着生态河湖、健康河湖、幸福河湖的建设，以及评价指标体系的形成，对城市河道的生态修复提出了越来越高的要求。

2 城市河道生态修复技术分析

纵观国内外实施的河道生态修复技术，从性质上可以划分为物理修复、化学修复和生物修复3大技术类型[24- 25]。

2.1 物理修复技术

采取如人工增氧、底泥疏浚、调水稀释等措施改善河道的水文条件和底质环境。

(1)人工增氧。城市河道由于污染严重、自净能力差，往往存在溶解氧(DO)浓度低、还原性物质如氨氮(NH3-N)、硫化氢(H2S)等污染物浓度高等现象，特别是流动缓慢的河道和黑臭水体，容易出现缺氧现象，严重影响水生动、植物的生存，因此，曝气是增加水中溶解氧，促进污染物好氧分解的重要措施。对城市流动和交换缓慢的水体，曝气还能改善水动力条件，防治水体的富营养化和蓝藻水华的暴发。城市河道常用的人工增氧技术有微孔曝气、推流曝气、喷泉曝气、纳米曝气、臭氧曝气、跌水曝气等多种方法[26- 27]。

(2)底泥清淤。底泥是河道的内污染源，水质差的水体有大量污染物质累积在底泥中，包括营养盐、难降解的有毒有害有机质、重金属离子等。受扰动和环境因子变化的影响，底泥中的污染物质很容易释放进入水体中，导致水体浑浊、水质恶化、藻类繁殖。城市河道清淤能够快速去除受污染的底泥，改善水环境，是修复河道的一项有效措施[28]。清淤技术主要包括工程清淤、环保清淤和生态清淤等技术，清淤设备大体上可分为耙吸式、绞吸式、链斗式、抓斗式和铲斗式挖泥船等，环保和生态清淤技术常选用绞吸式清淤设备。

(3)调水及补水。调水及补水可以起到加快水体流动、提高自净能力、缩短换水周期的功能，实现“以动治静、改善水质”的目标[29- 30]。如1999年开始实施的南京玄武湖及市区内河引水补水工程。该工程引长江水和南京化纤股份有限公司处理后的景观用水至玄武湖，年度补水量达3086万～7960万m3，经玄武湖调蓄后补给市区内河，显著改善了玄武湖和内河的水质，结合其他的生态修复工程，使玄武湖由重度富营养化湖泊转为轻度富营养化水平。

2.2 化学修复技术

通过投加化学试剂，去除或抑制水体中的污染物，如向河道中投入絮凝剂、除藻剂、锁磷剂等处理药剂与污染物发生化学反应从而去除水体中的污染成分。

(1)絮凝剂。絮凝沉淀和絮凝过滤是降低水体悬浮物质、胶体物质、有机质、磷等污染物，增加透明度的一种有效措施。絮凝剂如PAC(聚合氯化铝)、PAM(聚丙烯酰胺)在国内外广泛应用于饮用水、工业用水和污水处理领域[31]，近几年也开始应用于城市河道水质净化，具有絮凝沉淀速度快、适用范围广、净水效果明显等优点[32]。由于待处理水体通常是一种复杂、稳定的分散体系，单一的絮凝剂往往无法满足处理的需要，复合絮凝剂的应用是一种必然的趋势。絮凝沉降的污染物可以通过过滤从水体中清除，如超磁分离技术、絮凝沉淀技术等[33- 34]。

(2)除藻剂。化学除藻主要是通过投加化学药剂，阻碍藻类生长繁殖，达到除藻的目的。化学除藻剂可分为氧化性除藻剂，如臭氧、氯气、二氧化氯、过氧化氢、高锰酸钾等[35]；非氧化型化学除藻剂包括硫酸铜、有机溴、表面活性剂等无机和有机化学药剂。化学除藻剂可快速、高效、彻底地杀死藻细胞，但其副作用明显，易产生二次污染，对水生态系统带来不利影响[36]。

(3)锁磷剂。磷是水体富营养化的主要限制因子，由于磷的迁移性能比较差，外源输入的磷进入水体以后，主要沉降在底泥中。因此，控制内源磷的释放是修复富营养化水体的关键。改性黏土矿物材料因成本低、改善水质效果好而经常被用于控制内源磷的释放，常用的固磷吸附剂有镧改性的沸石，铝改性的凹凸棒石，由铁、钙、锆改性的其他矿物磷吸附剂等，这些磷吸附剂的添加可将水体活性磷转变为更惰性的稳定磷，从而抑制磷的释放[37]。目前常用的锁磷剂是一种由镧改性的吸附材料[38]，其作用原理是基质中的离子与磷酸根反应，产生稳定的难溶于水的沉淀，使底泥沉积的磷难以释放。锁磷剂目前已经成为河道内源磷控制最常用的材料之一，在全球超过200多水体中得到了应用[39- 40]。

2.3 生物修复技术

生物修复技术是利用水生动植物、微生物等降解、转化、吸收水体和底泥中的污染物。包括栽种水生植物、放养水生动物、添加微生物制剂、生态砾石床等技术[41]。

(1)水生植物。城市河道水生态修复主要利用挺水植物、浮叶植物、沉水植物等大型维管植物[42]。挺水植物是城市河道的主要植被类型，主要布置在滨岸的浅水区域，适宜生长的水深一般在1m以内。由于其根系发达，在生长过程中能直接从水和底泥中吸收氮、磷等营养物质，对水体的净化作用很大，并能给许多其他生物提供生境，增加生态系统的多样性和稳定性。挺水植物也有改善城市河道滨岸带水景观的效果，常用的景观挺水植物有：美人蕉、再力、花叶芦竹、风车草、梭鱼草、黄菖蒲等。浮叶植物除了可以增加水生态系统的自净能力，控制浮游植物的发展以外，许多种类还是价值较高的观赏植物，如不同叶态和花色的睡莲、荇菜、水鳖、萍蓬草等。沉水植物是浅水河湖生态系统的主要初级生产者，对水体中的氮、磷等污染物有较高的净化能力，可固定沉积物、提高水体透明度、降低内源污染负荷，为水生动物提供食物和避难场所，增强生态系统的自净能力和稳定性。城市河道生态修复常用的沉水植物有：矮型苦草、轮叶黑藻、菹草、狐尾藻等。

(2)水生动物。在城市河道中，生态修复放养的水生动物主要为底栖生物和鱼类。底栖类如螺、蚌、河蚬等，以水中的藻类、细菌、原生动物、微型后生动物以及有机碎屑等为食，能净化水质，改善透明度。鱼类主要是滤食性的鲢鱼和鳙鱼，通过直接滤食浮游生物防止藻类的爆发，并从水体中带走氮、磷等营养物质，有利于减轻水体污染，防止水体富营养化。

(3)微生物制剂。微生物制剂是由多种微生物与基质共存的生物复合体，一般由光合细菌、放线菌、醋酸杆菌、酵母菌等类型的多种微生物菌群组合而成，或通过基因组合的方法制备出高效的微生物制剂，也可将多种具有不同降解功能和具有共生或互生关系的微生物以适当的比例进行混合培养，对受污染水体进行处理，达到降解有机物、脱氮除磷、改善水质的目的[43]。微生物制剂具有使用方便、经济安全等特点，常用于污染严重的黑臭水体、富营养化水体的净化治理[44- 45]。

(4)生态砾石床。实际为一种生物膜法，污染水体进入砾石床，砾石表面会附着各种微生物，形成一层生物膜，有的微生物能分泌粘性物质，使生物膜具有较好的吸附作用，能截留污水中的颗粒态物质、去除水体中的悬浮物(SS)、同时还能降解有机污染物。生物膜表层为好氧，随着厚度的增加，内部为厌氧状态，通过好氧和厌氧过程，水中的污染物被不同类型的微生物分解去除。该方法具有结构简单、投资省、水质净化效果好、没有二次污染等优点。

(5)生态浮床或浮岛技术。对城市内河，直立硬化的岸坡难以种植水生植物，可以在河道中采用浮床或浮岛技术[46]。生态浮床或浮岛是一种生长有水生植物或陆生植物的漂浮结构，利用位于水面以下的植物根部吸附、降解、吸收水体中的污染物，悬浮在漂浮材料下的根部也是水体微生物的附着场所，大量微生物能够分泌不同的酶，促进水体中有机物的分解。生态浮床或浮岛由于漂浮在水面，水生植物的生长不受水深、透明度、硬化坡岸的影响，是人工化河道、黑臭水体生态修复的关键技术之一，浮床和浮岛上也具有打造水体景观、为生物提供繁殖生长空间等功能。常用于浮床或浮岛的植物包括美人蕉、黄菖蒲、狐尾藻、风车草、金钱草、水蕹菜等[47]。

(6)生态绳或人工水草挂膜技术。该技术利用悬挂或插栽在水体中的人工绳索或人工水草作为载体，吸附水体中的微生物，在其巨大表面上形成生物膜，从而增加微生物与污染物的接触面积，吸附并降解污染物。一些硬质化的直立岸坡可采用植被披挂技术，如在岸边种植披挂植物黄馨，在生长过程中枝叶披挂在混凝土护岸两侧，起到遮挡和绿化的效果，也为岸边活动的生物提供隐蔽场所。

3 以幸福河为目标的生态修复技术

幸福河是将河道的水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化、水管理融为一体，与传统的生态修复技术相比，幸福河生态修复更强调河道纵向上的畅通性、横向上的连续性、河岸的稳定性、生态的多样性，将河道治理、污染净化、生态修复与景观美化有机结合起来，营造人水和谐的生态空间。自河长制实施以来，城市河道水生态环境已经有了明显改善，在此基础上，以打造幸福河为目的的生态修复在技术和方法上也在不断地提升和改进，更具有目标的针对性和技术上的复合型等特征。采取的措施有以下几种。

3.1 河流的自然化

根据幸福河建设的要求，在满足河道防洪排涝要求的前提下，应尽量保持河道的自然特性，即保证河流蜿蜒曲折的形态，起伏变化的河床及两岸生长植被的河岸，河道断面宽窄不一，水流深浅亦有变化；在部分河道及河底植石，营造出水体流动的多样性以有利于维持生物的多样性；确保河流在上、下游纵向和左右岸横向的连续性，保护河流与周边所形成的生物网络。

3.2 滨岸带的保护

滨岸带是水域与陆域系统间的过渡区域，是河道的天然保护屏障，具有截留、过滤、吸收污染物的环境净化功能；能为鱼类繁殖和鸟类栖息提供场所，增加河道生物多样性；并具有绿化、景观等休闲、娱乐功能。实施河道空间带修复，打造沿河绿色生态廊道是幸福河建设的基本要求。滨岸带的生态修复首先需要整理地形、减缓坡度、引种培育湿生植物，防止风浪对湖岸的直接冲刷，促进植被恢复、保护鱼类产卵和自然繁育场所、增加景观异质性。常用的滨岸带生态修复方法有枝岩互层法、石笼法、乔灌草护坡、生态混凝土护岸等技术，即增强了河岸抗冲刷能力，又能为水生生物提供附着、栖息、和觅食的场所[48- 49]。在幸福河打造过程中注重滨岸带的景观和生态网络建设，如构建河流生态廊道、沿河公园等，将河道生态修复与建成环境及社会环境建设成一个统一的有机整体。

3.3 人工湿地

滨岸带较宽的河道，或岸边有低洼地区，可以建设滨岸带人工湿地。人工湿地是通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由基质(土壤、碎石、砂砾等)、植物、微生物和水体组成的复合体，利用生态系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。也可以利用滨岸带的人工湿地对入河排污口、地表径流产生的非点源污染、污水处理厂尾水加以截留、分解、净化、吸收，减轻河流水体的污染负荷。

3.4 生态治理集成技术

由于城市河道污染来源多，人工化明显，污染相对严重，其生态修复往往采用多种技术组合的复合工艺。常用的组合技术有：清淤+曝气+浮床(或浮岛)；清淤+曝气+水生植物；清淤+曝气+生物膜+水生植物；人工浮岛+生物绳挂膜+高效曝气增氧等多种多样的组合技术，组合技术的选用针对水体的污染特征、污染来源、水体深度、透明度、岸坡结构等，因地制宜地选择不同的组合方式，形成高效的河流生态修复的耦合系统，真正实现“一河一策”的生态修复方案，达到净化河道水质，提高水体透明度，美化河流环境的效果[50- 51]。

3.5 加强水系连通

城市河道具有防洪、排涝、调蓄等功能，往往建有很多的闸、泵、堰、涵等，用以控制水流。另外，受城市开发建设的影响，有的河道被覆盖形成暗涵，有的河段被填埋形成断头河，影响了河水的流动性和交换能力，造成河道流速慢、自净能力差、水质恶化等现象。幸福河建设，水体的连通性是一个重要指标。河流修复要将河道作为城市重要的水体线性空间，并连接多种类型的生态节点，形成服务于城市水管理的绿色基础设施网络[52- 53]。通过移除河道上功能弱的堰、涵或小型水坝，设置补水通道，保障生态流量和生态水位等方法，修复河道上、中、下游的纵向连续性，恢复鱼类迁徙的通道。通过改造硬质化河岸为生态护坡、恢复滨岸带植被、划分河岸蓝线范围等措施，明确水线、岸线、水边自然系统的过渡关系，重建城市河道与河岸和陆地的联系，进而恢复河流的侧向物质和能量流及生物网络，实现雨洪滞蓄、污染截留、有机物保持等功能，并增加生物栖息地和景观的多样性[11]。

4 结语

由此可见，通过各种治理措施的集成作用，能达到改善城市河道生态环境的目的。生态环境治理工程需要大量的资金投入，虽然可以在短期内完成并取得一定的成效，但由于生态修复是人工行为，而生态系统具有自我演替和自我组织的能力，生态修复工程完成以后，如果缺乏人工调控，生态系统有退化的趋势，将影响生物多样性及生态服务功能的发挥。因此，研究城市河道各生态修复技术的作用和效果、对工程的生态效益进行评估，集成城市河道生态修复的优良技术，对进一步改善河道水质、建设生态河道、健康河道具有重要意义。以下是幸福河生态修复建设需要关注的重点。

(1)跟踪监测。河道生态修复的目的是通过人为干预，改善水质、净化环境、增加生物多样性、提高生态景观。但人为干预的生态系统往往不稳定，人工组合的生态系统通过生物与生物、生物与环境之间的相互作用，将发生演替，即可能向平衡的、稳定的生态系统方向发展，也可能发生退化。因此，城市河道生态修复并非是一个一蹴而就的过程，需要在对水质、生物群落不断跟踪监测的基础上，根据自然生态系统演替的规律和变化趋势，人为适当调整，使其向人类希望的方向发展。了解河道生态修复的各项技术、优缺点和效果，对科学合理实施河流生态治理，减少盲目性和失误，增强人民的幸福感和满意度，都具有非常重要的意义。

(2)开展生态修复后评估。在我国，随着河长制和“一河一策”政策的实施，各种河道生态修复技术在不同的河流中得到了实施和应用，取得了明显的成效。但也存在过分注重实践，缺乏理论和系统研究的问题。开展河流生态修复后评估是对修复工程的有效性、稳定性和生态系统演替发展方向进行跟踪监测和评价，据此提出补救方案或改进措施[54]。因此，在河流生态修复后需要进一步在评估指标和标准的确定、生态系统动态演变过程等方面加强研究。

(3)生态修复技术的优化组合。生态修复包括物理、化学和生物修复技术，不同城市河道存在的生态系统退化原因，退化程度不同，采取的生态修复技术也不一样，今后应在后评估的基础上，对单一技术、多种组合技术的作用机理、修复效果进行分析评价，鉴别生物间的互利或拮抗作用，提出高效、稳定的生态修复优化组合方案。生态修复成功的关键是河道生物多样性高，水质优良，生态系统对外部干扰抵抗能力强[5]。城市河道生态修复不应以短期治理为终点，而应以长期治理和控制为目标，集成多种技术方法，从立体、多层次的角度构建健康的河道生态系统。