河流生态修复技术Word格式.docx
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引言
水环境污染和水资源短缺是当今全球淡水资源面临的两大危机。
河流是我国水环境的重要组成部分，是人们生活生产的水资源基础，在社会发展中发挥着巨大的作用，水环境质量的好坏直接制约地区乃至全国整个国家经济的持续发展[1]。
近年来，随着我国人口的增加和社会经济的快速发展，一方面，城市污水处理设施的建设严重滞后于工业化和城镇化的进程，导致大量未经处理的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，导致更为广泛的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，导致自然河流的自净能力和纳污能力减弱。
以上一系列的人为活动均导致了水体环境的严重污染，河道生态功能不断退化，使水资源的可持续发展受到严重影响。
因此，保护和改善河流水资源的整体质量，保护河流生态系统的良性循环，是保证并促进社会可持续发展的关键问题之一。
河流生态修复是指利用生态系统原理，采取各种方法修复受损伤的水体生态系统的生物群体及结构，重建健康的水生生态系统，修复和强化水体生态系统的主要功能，并能使生态系统实现整体协调、自我维持、自我演替的良性循环[2]。
近年来，人们的生态环保意识不断提高，河流的水质改善也巳经取得了一定成效，河流的综合性治理即生态修复的开展已成趋势[3]。
国内外学者开展了大量河流生态修复的研究与实践。
本文在对国内外河流生态修复研究梳理的基础上，归纳总结了一些常用的河流生态修复技术。
1人类活动对河流生态系统的影响
人类活动对河流生态系统的影响使其整体性、连续性等特点遭到破坏，往往造成河流生态环境的恶化，生物多样性减少，生态服务功能降低，甚至造成不可逆的生态退化。
这种胁迫主要有传统水利工程对河流生态系统的胁迫、污染物的排放对河流的污染、引水量过大、沿河农业、渔业生产对河流生态系统的胁迫等。
1.1传统水利工程对河流生态系统的影响
传统水利工程（大坝、河道硬化等）的修建对河流原有的水文条件、河流地貌以及河流的水力特性造成严重的影响，破坏了河流生态系统本身的特性，从而造成了其对河流生态系统的胁迫。
例如大坝的修建，将河流分割开来，破坏了河流的连续性，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、物质和信息的传递，造成河流原有生境的改变，而生物群落和生境具有统一性，导致河流生物群落的栖息和迁徙规律受到影响[4]，最终使生物群落的多样性降低。
再如河道硬化整治，由于对河道采取截弯取直和大量采用混凝土等硬质材料，一方面改变了河流地貌和河流的水力特性，破坏了河流的开放性和多样性，使原来蜿蜒的河道变得顺直，河水流速加快，阻碍了河流与河岸之间的交换、地表水与地下水之间的联系，改变了水域生态系统的结构和功能[5]，造成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，降低了河流生态系统的景观服务功能。
1.2污染物排放对河流的污染
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的自净能力，将导致水质变坏（如水体富营养化、水体中含有大量的悬浮颗粒物等），直接对河流生态系统造成破坏（如水生生物大量死亡等），降低其淡水供应等生态服务功能。
另外，由人类活动引起的硫化气体的大量排放，导致酸雨的形成，也会间接造成河流水质的恶化。
1.3引水量过大
随着社会的发展，工农业以及人类的生活引用了大量的河水，但是每条河流的循环水量是有限的[6]。
无限制的引用河水，使河流生态系统的水量低于生态需水量的下限，将导致原有河流生态系统结构的破坏，生态服务功能的退化，生物多样性减少，甚至造成河水干涸，整个河流生态系统的彻底毁灭。
1.4沿河的农、渔业活动对河流生态系统的影响
沿河的农业活动对河流生态系统的胁迫主要表现在对河滩的开垦和耕作。
由于土地肥沃，人们加大了对河滩、湖岸、河边湿地的开垦。
大量的开垦造田使河滩、湖岸及河边湿地原有的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改变，导致河滩、湖岸土地以及河滩湿地的退化，减少河滩本来拥有的丰富的生物多样性，降低其生态系统服务功能（如河滩湿地对河流水质的净化作用等）。
此外，河滩的开垦还会造成水土流失，在河滩田地中大量使用农药、化肥，会对河流水质造成新的污染。
而渔业活动则会造成河流中的经济鱼种受到过分的捕捞，破坏了原有的食物链，导致河流生态系统的完整性受损。
2河流水域水体生态修复技术
河流水体生态系统具有自净能力，但当污染物的数量超过其自净容量时，将造成河流生态系统结构的破坏，功能受阻，致使河流生态平衡失调。
此时，必须实施污染物综合治理的方法和措施，消除污染物的影响，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的生态工程型污水处理技术，具有广阔的应用前景。
此技术由于运行简便、管理费用低、无二次污染等优点而得到广泛应用[7]。
植物是人工湿地系统的重要组成部分，在其中起着非常重要的作用。
湿地植物在生长发育的过程中，所必需的N、P等营养元素都是从水中直接吸收的，经过一系列同化和异化作用而被转化成植物体内的组分，最后通过植物的收割而从人工湿地系统中去除。
人工湿地一般由人工基质和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲等）组成，形成基质植物微生物生态系统，利用湿地中填料、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理、化学及生物过程实现对污水的净化。
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重视。
目前中国已在很多城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
河流水体生态系统的生物群落恢复包括水生植物恢复、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善后，生物群落的恢复就变得相对容易，可以通过自然恢复或进行相应的人工强化，必要时可以采用人工重建措施。
大型水生植物（包括沉水植物、挺水植物、浮水植物）在水污染治理中可以发挥多种作用。
通过自身生长代谢可大量吸收氮、磷等营养物质，植物光合作用增加水体溶解氧，同时，一些物种还可以富集重金属或吸收、降解某些有机污染物。
水生植物通过促进微生物的代谢，使水中大部分可生物降解的有机物得到降解，同时抑制藻类的生长，从而控制水体富营养化，利用植物及共存微生物体系去除环境中的污染物[9]。
据文献[10-11]研究，通过在水体中种植水生植物，利用植物的吸收、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的去除，达到净化水质的目的。
在河流生态系统中，原生及后生微型动物、底栖动物能够吞食藻类、细菌及部分悬浮状有机物，可防止藻类、细菌过度增殖，加速污染河流水质净化，同时自身又是良好的鱼饵。
杂食性鱼类（如鲤鱼、鲫鱼）捕食水中的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）等的滤食活动及生理代谢，促进了氮磷的释放，有利于浮游植物的大量繁殖，同时能够控制藻类的过度增殖，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、芦台鮊鱼的试验表明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的作用；
李传红[13]通过选择在惠州南湖进行鲤鱼围隔实验和去除鱼类的全湖实验，以鲤鱼对南湖底质扰动所造成的沉积物再悬浮为核心，首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、浮游动物种类组成和数量等方面的生态效应，探讨了底栖性鲤鱼在热带浅水富营养化湖泊生态系统的作用，试验结果表明了鱼类对水体中的TN和TP有一定的去除效果。
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，后来又由以日本为代表的国家和地区成功应用到了地表水的污染治理和生态修复上面[14]。
人工浮岛技术是利用生态学原理，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，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相克机制，削减富集水体中的氮、磷及有机质，将水体中的氮、磷以及有机物作为自身营养物质利用，并最终通过对植物体的收获将其带离出水体，从而达到净化水体，适宜多种生物繁衍的栖息环境的目的[15-17]。
该技术主要适用于富营养化及有机污染的河流，工程量小，维护简单，处理效果好，避免重复污染，可实现资源持续利用。
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，水体的溶解氧急剧下降，甚至消耗殆尽，有机物不完全分解和大量有毒物质的释放，使水生生态系统遭到严重破坏，水质恶化，出现水体黑臭现象，无法自行恢复，河流水体失去自净能力。
利用人工曝气增氧，能够极大增加河流溶解氧，有助于河流微生物区系由厌氧向好氧转化，加速了好氧微生物的增殖，提高水体中的COD、BOD、N、P等污染物质的好氧降解；
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的好氧环境，提高水体中好氧微生物的活性，可达到消除黑臭，减少污染负荷，维持生态净化系统的结构稳定和最大净化功能，促进水生态系统的恢复等目的[l8].国内外采用的人工曝气复氧技术主要有纯氧增氧系统、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的分解者，对污染物的去除和养分的循环起着很重要的作用，是河流生物修复技术的核心[19]。
当前河流微生物修复过程中使用较多的微生物制剂是利用微生物生命过程中的代谢机理，将污水中的有机物分解成为简单的无机物，从而去除有机污染的过程。
微生物制剂是由几十种具备各种功能的微生物组成的一个良性循环的微生物生态系统，主要包括了光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌等，构成了功能强大的“菌团”。
其作用原理是利用“菌团”含有的微生物唤醒或激活河道中、污水中原有存在的可以自净的，但被抑制而不能发挥其功效的微生物。
通过他们的迅速增殖，强力地钳制有害微生物的生长和活动，进而分解水中的有机污染物，促进氮的反硝化作用，加速磷的无害化，并锁定水体中的重金属元素。
2.6生物膜法处理技术
生物膜法是根据天然河床上附着的生物膜的净化及过滤作用，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的微生物细胞[20]，对蛋白质、淀粉等大分子的降解能力很强，降解速度快，成本少，已经成为西方国家水质净化的关键技术。
生物膜法利用滤料和载体比表面积大，附着微生物种类多、数量大的特点，从而使河流的自净能力成倍增长[21]。
生物膜法具有较高的处理效率，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的效果，适合于城市中小河流的直接净化。
2.7底泥疏浚
底泥疏浚是解决河流内源污染的重要措施，它主要是通过底泥的疏挖去除底泥中所含的污染物，清除污染水体的内源，减少底泥污染物向水体的释收，主要适用于富营养化河流的治理。
来自于河流与湖库底部沉积物释放的内源污染物质是造成水体污染的主要因素之一。
氮和磷元素是水生生态系统中重要的营养限制因子，来自于内源释放的氮磷营养物质对上覆水营养物质的贡献率可以达到甚至超过外源污染的贡献率[22]。
因此，即使在外源污染得到较好控制时，河流水体中营养物质仍然处于较高水平，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的底泥从水体中永久性去除，能够控制内源污染物的释放或减少污染物生物有效性，因而被认为是河道湖库治理中的重要工程措施而被广泛应用[23]。
在外源氮磷营养物质得到有效控制的前提下，底泥疏浚是控制内源氮磷负荷有效的技术手段[24]。
底泥疏浚技术控制内源污染释放，修复水生生态系统在我国太湖、西湖以及广州等地均有实际应用，并取得了宝贵的实践经验。
然而底泥疏浚后新生表层沉积物的物理、化学和生物性质与疏浚的表层沉积物均发生了根本性变化，改变沉积物中微生物群落组成，导致微生物群落功能多样性降低，从而对沉积物中生源要素的循环产生影响[25]。
日本的隅田川河[26]和俄罗斯的莫斯科河[27]曾采用污泥疏浚的治理措施，从而使得水质恢复。
但底泥疏浚法工程量大，造价高，并需确定合理的挖掘深度和挖泥量，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的措施[29]。
植被的恢复能够保护河岸，增加河岸稳定性，有助于建立良好的河流水陆交错带生态系统。
水生植物吸收氮、磷等营养。
水生植物的根部具有富集重金属的功能，可提高重金属的去除效率；
每株水生植物都像一台小小的供氧机，向河流水体供氧；
水生植物的植物根系与土壤微生物组成的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的功能有所提高，在土壤污染的净化过程中发挥着重要作用。
另外，水生植物在减缓航运引起的波浪对堤岸的冲击方面起到很好的效果；
湿生大型植物限制了近岸水流的流速，它们的浅层根团也起到加固河岸表面的作用，同时，植物的根、径等对地表径流还具有拦截泥沙和颗粒态污染物、降低流速等作用。
河岸植被能起到有效的降温、过滤、控制水土流失、提高生物多样性的作用；
同时，有利于动、植物迁徙和生存繁衍，并起到生物多样性保护的作用。
河岸带植被恢复方法一般采用乡土植被恢复、物种引进技术和生物工程措施。
河流沿岸生态修复工程措施还包括土地渗滤修复技术、砾石床处理技术、湿地处理技术等[30]。
4生态护岸技术
河道是生态环境的重要载体，护岸工程是河道生态治理的一项重要措施。
生态护岸指恢复自然河岸或具有自然河流“可渗透性”人工护岸，它可以充分保证河岸与河流水体之间的水分交换和调节功能，同时具有抗洪的基础功能[31]。
生态护岸是结合治水工程与生态环境保护而兴起的一种新型护岸技术，对水陆生态系统的物流、能流、生物流发挥着廊道、过滤器和天然屏障的功能。
在治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增加动植物种类、调节微气候和美化环境方面都有着巨大作用。
生态护岸依据其使用的主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的一种形式，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。
水生植物的复合护岸是利用水生植物的根、茎、叶对水流的消能和对岸坡的保护形成保护性的岸边带，促进泥沙沉淀，减少水流挟沙量[32]，并能直接吸收水体中的有机物和营养物质，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，只适用流速较小的缓流水体，一般采用水生植物与其他护岸材料配合使用的复合型护岸结构。
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，在坡面防护上一般采用草皮植物的复合型护坡[33]。
网垫植被复合型护坡一般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的优点，大大提高了边坡的安全性和稳定性。
4.2木材护岸
常用的木材有圆木。
用处理过的圆木相互交错形成箱形结构—木框挡土墙，在其中充填碎石和土壤，并扦插活枝条，构成重力式挡土结构。
主要应用于陡峭岸的防护，可减缓水流冲刷，促进泥沙淤积，快速形成植被覆盖层，营造自然型景观，为野生动物提供栖息地环境。
枝条发育后的根系具有土体加筋功能，木框挡土墙的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
抛石措施在国内外河道整治工程中应用十分广泛。
在传统技术的基础上结合植被等措施，抛石能达到兼顾加强和改善河岸栖息地的目的。
石材护岸技术施工简单，块石适应性强，已抛块石对河道岸坡和河床的后期变形可作自我调整。
块石有很高的水力糙率，可减小波浪的水流作用，保护河岸土体，抵御冲刷侵蚀。
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、航运和供水等传统水利功能以外，还力图使河流更接近自然状态，完善河流生态系统的结构和功能，展现自然河流的美学价值，发掘河流的人文历史精神，创造良好的人居环境。
生态景观建设主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导，需遵循与传统水利目标相融合，尊重历史，道法自然，景观连续等原则[34]。
在进行景观建设时要注意以下几点：
（1）防洪与亲水的协调
亲水是人与生俱来的天性，景观建设要满足人们在视觉、听觉、触觉上对美的需求，感受水的魅力。
因此，水边的建筑物不宜高出人们的视线，妨碍人们欣赏水景，且构建的亲水设施能拉近人水的距离，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，需恢复其蜿蜒性特征，形成水曲之美；
在河流横断面上，要恢复河流断面的多样性，构成多样性地貌特征；
在水陆交错带恢复乡土种植被等。
使河流在纵、横、深三维方向都具有丰富的景观异质性，形成浅滩与深潭交错，急流与缓流相间，植被错落有致，水流消长自如的景观空间格局。
（3）因地制宜地选择植被造景
将植物和天然材质的造景功能引入岸坡防护设计，是河道整治和景观建设的发展趋势。
植物造景，尤其是人工植物群落景观的营造，成为河流生态景观建设的重要内容。
河道植物要选择适用性强、亲和性强、功能广、具有观赏价值的植物，且植被搭配要考虑不同季节景观的整体变化，满足人们视觉上的享受。
结语
随着近代社会的快速发展，人类活动的过度干扰以及对河流的不合理开发使自然水体产生了一系列的生态环境方面的问题，并且在部分流域日趋严重。
随着研究工作的不断深入和治理工作的不断展开，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的深入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善河流生态环境，必须了解各项技术的基本特点，结合特定的合理环境特征，综合性地选用合适的方法，以最经济合理的配置，构建稳定可持续发展的河流水生态环境系统。
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