山区河流生态修复理论与技术研究进展

刘 青，毛转梅，李松阳，彭尔瑞*

(1.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201)

河流具有航运、供水、防洪、发电等多种社会经济功能，以及调节气候、维持全球的水分循环等生态功能，是人类社会可持续发展以及改善生态环境的重要保障[1]。随着城市化的发展，人们对河流生态系统的需求日益增大，兴建了大量的水库、水闸等水利工程，导致了河流水量不足、水体流动性差等一系列现象，再加上农业面源污染、生活污水排放，导致河流水质恶化，水体自净能力降低，河流生态环境遭到严重的破坏，河流生态系统退化加剧，已经不能单纯依靠污染治理手段，因此河流生态修复工作刻不容缓[2]。

山区河流具有汇流时间短、流速大、坡降大等特点，因此山区河流整治时必须结合其特点对河流进行生态修复。生态修复在早期的研究中，被作为一种恢复生态系统的方法，其定义多为简单的描述，如Gore和Shields认为恢复或修复的过程是尝试使生物和地球水文过程达到或接近受干扰前的状态[1]。目前，生态修复是指通过人为的干预，采取适当的措施，使项目工程周边的生态系统得到改善，从而达到近自然状态的过程。近年来，由于人们的环保意识不断提高，河流的水质改善已经取得了一定的进展，综合性的河流生态修复已成为当前研究的热点。本文从河流生态修复的定义出发，归纳了国内外河流生态修复的理念，在此基础上总结了山区河流生态修复的技术与方法，阐述了国内外河流生态修复后评价，最后总结了目前河流生态修复中存在的问题，以便为后期河流生态修复工作提供参照。

1 河流生态修复的基础理论研究

1.1 国外河流生态修复的基础理论研究

在未正式形成河流生态修复的概念之前，国外的人们就开始对河流进行了早期的研究，从而形成了早期的河流修复理念。

1938年德国Seifert率先提出“近自然河溪治理”的概念，这是河流生态修复研究的开端[3]。但最早进行河流生态修复实践的是德国Ernst Bittman[4]，他于1965年利用柳树和芦苇在莱茵河岸边进行了生态护岸实验，实现了对河流结构的修复。20世纪70年代末瑞士的克里斯琴·戈尔迪[5]在Ernst Bittman生态护岸的基础上，将其发展为“多自然型河道生态修复技术”，使河流保持原始自然状态。

之后，Christian Goldi的河流生态修复方法在日本以及欧美国家全面展开。美国的Mitsch和Jorgensn于1989年在Odum生态工程概念的基础上，提出了“生态工程”这一理论[4]，奠定了河道生态修复技术的理论基础。日本从1986年才开始学习欧洲的河道治理技术，但“多自然型河道生态修复技术”在日本却飞速发展。日本要求凡有条件的河段尽量使用天然材料修建河堤，摒弃传统的水泥板等材料，并命名为“生态河堤”。同时，西方国家美国、法国、德国、瑞士等国家开始拆除先前河道修筑过程中铺设的硬质材料，以天然材料代替，逐步恢复河道以及周边的原始自然状态。如法国对河道建设过程中的不透水面积进行了定量；德国开始在全国范围内进行硬化河道整治；瑞士把优先使用生物材料治理河道作为明文规定。随着河流生态修复方法的成功，20世纪90年代美国、丹麦等发达国家，尝试开展流域尺度下的河流生态修复工程[3]，如对密西西比河、斯凯恩河进行整体修复，通过重塑河道的蜿蜒性，恢复河流物理及水文动力，改善生物栖息地条件，从而实现流域尺度下河流生态修复的成功。

整体来说，国外在对河流生态修复的研究中，关于河流形态修复的研究较多，但对于其修复过程、机理以及其实验证明的研究则相对较少。

1.2 国内河流生态修复的基础理论研究

相对于西方国家，我国在河流生态修复方面的研究起步较晚，早期的研究主要侧重于河流生态系统的单个功能，如河岸带植被的特征、河岸带的功能及管理，以及对污染河道生态修复机理机制的探讨等。

我国对河流生态修复的研究始于1999年刘树坤“大水利”理论的提出，标志着我国河流生态修复工作的开始[6]。2002年高甲荣等[7]在分析传统河溪治理的基础上，提出了河溪近自然治理的原则，并对其基本模式进行了探讨。2003年董哲仁[8]提出了“生态水工学”的概念，从生态系统的角度出发，对修复河流生态环境提出了一系列理论和方法。王超等[9]在2004年提出了五位一体的城市水生态系统建设模式。2004年杨海军等[10]在分析传统水利工程对河流生态过程破坏的基础上，提出了我国受损河岸生态系统修复的研究方法。赵彦伟等[11]于2005年提出了评价河流生态系统健康的指标体系和量化方法。达良俊等[12]于2005年首次在我国提出“近自然型人工水景观建设”的理念与概念。陈庆伟等[13]在2007年阐述了大坝建造对河流生态系统造成的影响，并介绍了水库生态调度措施。

总的来说，目前我国对河流生态修复理论研究已经取得了一定的成果。但主要集中在模式探讨和实验室内，对河流系统的研究理论较少见。

2 山区河流生态修复技术与方法

在对山区河流进行生态修复时，必须考虑山区河流的特点，针对山区河流的特征，采取工程措施与生物措施相结合的办法，对河流进行生态修复[14]。

2.1 水质生态修复技术

水质生态修复技术是指对污染的水体进行生态修复，使其水质类别有所提升。常用的水质生态修复技术包括生态浮床、底泥疏浚、机械除藻以及人工湿地等修复技术。具体的水质生态修复技术特征与应用见表1。

2.1.1 生态浮床的研究与应用 生态浮床，又称生物浮岛，是指将植物种植在浮于水面的床体上，使植物在生长过程中利用根系吸收水体中的污染物质，同时植物根系附着的微生物降解水体中的污染物，从而有效进行水体修复的技术[15]。它具有原位修复[16]、可移动、操作简单、造价低、材料来源广、结构组装方便、净化能力好、使用寿命长等优点，因此该技术受到国内外生物学家的重视[17-18]。

蔡鲁祥等[19]通过水生植物修复技术与生态浮床复合技术净化废水的对比实验得出，生态浮床复合技术对废水中的污染物有较强的去除能力。唐林森[20]在生态浮床上种植空心菜、美人蕉等植物，发现实验水体质量得到了较大的改善，从而得出这些植物作为浮岛植物治理水体富营养化是基本合适的。罗固源等[21]通过示踪试验与物料衡算的方法，研究了美人蕉和菖蒲生态浮床的净化能力，发现这2种生态浮床对水体中TN、TP等的净化效果较好。高阳俊等[22]在淀山湖千墩浦河口选取水芹、水葱、美人蕉等7种水生植物实施生态浮床试验工程，结果发现浮床区的进水和透明度都分别提升，浮床系统有效改善了千墩浦来水水质和浮床外围水质。张华[23]针对丁香湖水体恶化问题，采用凤眼莲与美人蕉搭配设置人工浮岛进行水质改善，发现人工浮岛运行后对水体中TN、TP的净化效果良好。

2.1.2 底泥疏浚的研究与应用 底泥疏浚主要是针对底泥污染严重的河段，所采取的一种措施，它在一定程度上可削减河道的内源污染，从而起到改善水质的作用[9]。底泥疏浚具有工程量大、费用高、精度高等缺点，因此在开工前应对挖泥量和挖泥深度作出界定[2]。

王娜[24]通过对南阳湖湖心区和泗河河口区进行原位泥样采集,对比疏浚和未疏浚前后氮磷的总浓度和释放速度,得到疏浚对氮磷的控制效果。王敬富等[25]评估了阿哈水库底泥疏浚工程对内源污染的影响，结果表明：疏浚后实验区底泥的TP、TN、Fe、TS等主要污染物含量明显下降。吴芝瑛等[26]对西湖底泥疏浚工程前后沉积物中营养物质含量、水质以及水生生物群落各主要类群等方面的研究，探讨了该工程对生态的影响。研究结果表明：底泥疏浚降低了西湖各层沉积物中的有机质、N、P含量和水体富营养化程度。

2.1.3 机械除藻的研究与应用 机械除藻[27]作为一种物理除藻法，是以机动性好的浮船为载体，安装合适的过滤装置，定时收集一定量的藻类之后用人工操作的高压水流冲刷的方法去除，如固顶式抽藻、流动式除藻、移动式抽藻及人工打捞等机械清除物理措施。此方法耗费大量的人力，需要人员定时监管，自动化程度低，覆盖面不够，除藻效果不显著[28]。

董悦安等[29]通过对比吸附性材料净水试验、水葫芦净化水体试验和机械除藻试验，发现机械除藻试验后水中的叶绿素含量比除藻前下降降幅较大，说明通过除藻，水体中藻的数量明显减少，除藻试验效果显著。沈银武等[30-31]通过试验研究发现，在湖泊造成蓝藻堆集时，采用机械方法大量清除蓝藻，能有效降低湖泊的N、P含量和藻类素含量。马梦华[28]根据南水北调输水渠道产生的季节性藻类，依托当前国内外的除藻技术、设备及原理，设计适用于南水北调工况的除藻机械，止水闸口的除藻设备，实现了除藻机械的自动化控制。

2.1.4 人工湿地的研究与应用 人工湿地主要是通过模拟天然湿地形成的结构和功能，形成基质—微生物—植物复合生态系统[32]。它主要利用物理、化学、生物三者共同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物降解等作用，实现对水质的净化[2]。与传统方法相比，人工湿地具有投资少、运行费用低、处理效果好等优点[33]。

吴晓莺等[32]构建美人蕉潜流人工湿地系统，对比模块化填料人工湿地系统和普通碎石填料人工湿地系统，结果发现模块化填料人工湿地对氨氮和总磷的去除效果比较明显。乔厦等[34]根据武汉市径流的水质和水量特征，采用多级串联的表面流人工湿地系统对其进行了径流净化研究，发现在湿地系统整个试验期内，人工湿地均表现出良好的净化效果，有效地减轻了城市径流水质。张智涌等[35]采用新型折流式人工湿地对成都市进行降雨径流净化研究，发现折流式人工湿地系统对城市降雨径流净化效果显著，可用于城市降雨径流污染的控制和雨水利用。

2.2 河道形态修复技术

河道形态修复技术是指尊重河道的天然形态，修复河道的纵向形态和横向形态，使河道蜿蜒曲折的形态得以保留，从而保护河道的多样性[39]。河道形态修复技术主要包括河道纵向形态修复、河道横向断面修复、河道滨水带修复等方面的修复[40]。具体的河道形态修复技术的方法与应用见表2。

表1 水质生态修复技术的特征与应用

2.2.1 河道纵向形态修复研究与应用 河道纵向形态修复主要是拆除阻碍河流的拦水建筑物[41]，使河流保持自然蜿蜒的河道形态。常采用的措施包括构建河道的蜿蜒形态、恢复河道的连续性、增加水体流动的多样性等[40]。

郝晓磊[42]认为蜿蜒性是自然河流的重要特征，河流的蜿蜒性形成了丰富的河滨植被、河流植物，成为鸟类、两栖动物的栖息地。保持河流的蜿蜒性是保护河流形态多样性的重点。因此在进行生态河道设计时，必须尊重河道的天然形态，避免直线和折线型。冯若文[43]通过综述国内外自然过程连续性视角下的河流生态修复理论与实践，以多尺度、多步骤混合审视的研究方法，在秦岭北麓太平河流域展开实践应用研究，提出秦岭北麓太平河从流域尺度到河段尺度的自然过程连续性生态修复规划策略。

2.2.2 河道横向断面修复研究与应用 河道横向断面修复是指采取人工设计与河流横截面特征相结合的方式，对河床横断面进行修复。常采用的方法有：复合形断面形态生态修复；横向断面河床深潭与浅滩生态修复[9]；拆除河床先前的硬质材料，恢复河床自然泥沙状态等[40]。

王超等[9]认为复合形断面是比较理想的河道横断面形式，在正常水位和枯水条件时，河流由中心河槽向下游流去，两侧平台为水生植物与动物提供生存空间；洪水位时河流由全河槽向下游流去，两侧平台淹没，河道行洪断面增大，有效地排泄洪水。河道横向断面河床深潭与浅滩生态修复是维系河流生物多样性的重要措施。

2.2.3 河道滨水带修复研究与应用 河道滨水带是介于陆地以及水体的中间地带，是河岸区域一条具有生命力的绿色缎带，由不同的绿色植物组成，滨水带可以是自然的，也可以是经过人工加工或者恢复过的[9]。研究表明，滨水带是重要的生物自然净化区域，对于保护河流生态系统和维护人类健康有着重要的作用。

张饮江等[44]通过对滨水带生态景观功能分析，系统地归纳了国内外退化滨水景观带植物群落生态修复相关技术研究现状，提出了今后滨水带生态修复技术的研究方向，为我国退化滨水生态景观带植物群落生态修复集成技术的研究提供参考。杨海军等[45]提出了一种在确保河岸工程具有抗洪防止河岸侵蚀结构的前提条件下,将河岸工程设计为芦苇等生物能够生存的多孔隙结构,恢复重建河岸生态系统的工程化方法。王莹[46]认为垒石型护岸技术适用于较陡、冲蚀较严重的水岸带，在这种情况下，光种植植物是不够的，还应采用石块垒堆起来，污染水可以在缝隙中曲折的流动或在石块表面流动。在石头的缝隙种植具有处理性能好、成活率较高的水生植物，如芦苇等，形成了一个独特的动植物生态环境，对污水进行净化。这种护岸能增强水岸带的防洪功能。

河道形态修复对水生态系统具有重要的影响，纵向形态决定水体流速，从而决定泥沙沉积、河道的地形侵蚀过程、水体净化能力等；横向形态不同对水体净化能力、水生动物栖息空间等的影响也不同，但复合形断面形式有利于水生态系统的良性循环。

2.3 水生生物修复

水生生物修复技术是指充分利用水体中的植物、动物和微生物的吸收、降解和转化作用，将水体中的有害污染物降至最低，实现河道水质生态恢复的目标[49]。水生生物修复包括水生植物修复和水生动物修复2类。

表2 河道形态修复技术的方法与应用

2.3.1 水生植物修复 水生植物修复主要是根据河道的水位情况以及底质，对河道内的水生植物进行修复。水生植物的恢复主要包括3个步骤[2]：(1)基于区域内水生植物的状况，选择适应能力强、生长状况好又有水质净化能力的水域现存植被物种作为建群种；(2)再根据水域内先锋物种的伴生物种及相关试验，确定群落结构组成；(3)最后结合水域的地貌特征及水环境状况，合理布置水生植物群落。

王国祥等[50]依据湖泊中不同生态类型水生高等植物的微生境特点，设计建造了由漂浮、浮叶、沉水植物为优势种的斑块小群丛构成的镶嵌组合水生植物群落。

2.3.2 水生动物修复 水生动物修复主要是以恢复水中的鱼、蟹等动物，构建“水生植物微生物藻类水生动物”食物链，实现水生态系统的完整性，从而辅助水生植物对河道进行净化。

2.4 流域生态修复

流域是指河流或湖泊的出口控制断面所对应上游的由地表水及地下水的分水线所包围的集水区，是一个从源头到河口有径流注入的水文单元，是典型的自然生态系统。流域的范围有大有小，所涉及的地区通常包括不同的省份。因此对流域进行生态修复时，应从整体上进行考虑。

王思凯等[51]根据莱茵河综合治理的情况得出长江流域生态治理的方案：(1)建立全流域跨部门的综合管理机构；(2)制定流域总体目标和行动计划；(3)建立生态补偿机制协调流域内各方利益；(4)积极鼓励企业和公众参与；(5)从源头治理污染，提升水质；(6)建立完整的全流域监测方案；(7)完善生态修复模式。翟文娟等[52]针对岷江流域生态环境保护制定了上、中、下游不同的生态修复措施。上述研究都根据流域的实际情况而采取不同的生态修复措施，归结起来则是“综合管理、分而治之”。

此外，在河流生态修复的方法上，许多学者进行了研究。Deason在2001年针对污水处理提出了自己的观点，为人类治理河流污染提供了参照[6]；在2004年Brilly等人研究了修复城市河流鱼类栖息地的方法；杨海军等[10]介绍了河流生态修复的方法，他们认为应该开展以修复生物栖息环境为目标的河岸生态修复技术研究；陈庆伟等[13]详细介绍了水库生态调度技术措施。

3 生态修复后评价研究

3.1 国外河流生态修复后评价研究

后评价研究涉及项目过程的所有方面，如生物、植被、地质地貌等[53]。河流生态修复后评价主要是把修复后的各种要素指数与修复前的进行对比，从而评判生态修复措施是否成功。国外学者多采用指示物种法与指标体系法这2种方法[54]。

3.1.1 指示物种法 指示物种法[55]主要是依据生态系统的关键物种、特有物种、指示物种、濒危物种和环境敏感物种等的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及一些生理生态指标来描述生态系统的健康状况。指示物种法是通过定量观测计算指示物种的参数来评价河流生态[56]。这种方法由于其快速、简单而被人们广泛地应用。常用的水生态系统健康评价指示物种主要包括鱼类、藻类和无脊椎动物3种类型。如Lopa等[57]在对Kamisaigo河进行生态修复评价时，以鱼类作为指示物种来判断河流的健康。Sonstegard等[58]指出银大马哈鱼对北美大湖区的生态系统健康有指示作用。Edwards等[59]等采用鲑鱼为指示种来监测湖泊贫营养化。

3.1.2 指标体系法 指标体系法[55]是根据生态系统的特征及其服务功能建立指标体系来进行定量评价，是目前区域生态系统健康评价的主要方法，选取的指标既包括生态系统的结构、功能和过程指标，也可以是社会经济和景观格局、土地利用指标，该方法以其提供信息的全面性和综合性而被广泛应用于生态系统健康评价中。指标体系法的评估指标大多集中在水质、物种丰富度、地貌等方面，如美国环保署[54]在1999年推出的新版RBPs，以人为干预极小的河流作为参照，确定参考状态，以河床泥沙组成、河床表层生境等10个生境指标用于表征栖息地质量；英国在20世纪90年代建立的河流保护评价系统(SERCON)，采用35个特征指标，从自然性、种群丰富度等方面对河流进行评价[60]；澳大利亚的溪流状态指数(ISC)，以河流形态特征、河岸带状况、河流水文学、水质以及水生生物5个指标评价长期河流管理和恢复中干扰的有效性[54]；吴阿娜等[61]在1994年针对河口地区，提出了南非EHI指数，用水质指数、生物健康指数等综合评价河口健康状况。

3.2 国内河流生态修复后评价研究

目前，我国的河流生态修复工作总体上处于起步阶段，关于河流生态修复后评价的工作开展较少，对生态环境方面的评价比较简单，多为水质方面的评价，无法为河流生态修复技术和方法提供反馈信息。近年来，我国学者也相继开展了有关城市河流生态修复后评价的研究。

3.2.1 评价方法的研究 郭维等[62]运用层次分析法对北京市转河进行生态修复评价；赵进勇等[63]针对在不同形势下解决河流生态修复的规划、设计和实施过程的决策问题，提出了河流生态修复负反馈调节规划设计方法；董晓军等[64]针对河流的综合利用、生态效应和经济可行性3个方面效应，建立了基于网络分析法的河流生态修复后评估指标体系模型；张慧娟等[65]采用潜在风险指数法和风险评估法对河流沉积物中重金属进行评估；蔡楠等[66]运用层次分析法，确定了各指标的权重，构建了城市河流生态修复评估体系；张瑞等[67]采用群组决策的层次分析法，从环境效益、技术管理与维护及社会经济功能3个方面构建再生水补给型河湖水生态修复技术评价指标体系。

3.2.2 评价指标的研究 孙东亚等[68]提出了包括水利功能、公众参与机制、生态状况等在内的7项综合评估准则；朱晓博[69]从城市河流生态修复的角度出发，提出了城市河流生态修复效果的“环境效应—价值效应”综合评价体系；曹欠欠等[70]从河流自然功能、生态环境功能和社会经济功能3个方面构建了河流生态修复效果评价指标体系；王姝等[71]等构建了包含水利功能保持情况、技术指标、工程指标、生态干扰、生态恢复力等在内的9个方面共26项指标的重庆市城区段河流生态修复后评价指标体系；陈歆等[72]等从水文、水质、生物、生境等5个要素12个指标对拉萨河进行了河流健康评价。陈淼等[73]等依据大型水库影响下的库区河流生态环境特点，构建了包括水文情势、河流形态和河岸带生境3个方面18个指标的库区河流生境评价指标体系，对三峡库区支流进行生境质量评价。

4 结论

总结国内外河流生态修复工作的研究进展及其评价，我们可以得出一下结论：

(1)在河流生态修复理论研究上，国外主要集中在河流形态、生态修复材料的开发以及工程实践上，对于其生态修复的理论、机理等的研究较少。

(2)我国的河流生态修复工作起步较晚，属于初级阶段，且主要集中在河流的模式探讨上，对河流生态修复机理，山区河流生态修复以及河流的整体生态修复还较少，有待更进一步的开展。

(3)在河流生态修复技术方面，人们对城市河流进行了大量的生态修复，而山区河流长期以来却鲜见报道。对于山区河流，我们必须根据其自身的特点，针对山区河流的特征，采取工程措施与生物措施相结合的生态修复方法。且在对它进行修复时，应充分考虑其作为一个连续的生态体系，必须从流域层面整体上对河流进行生态修复。

(4)在河流生态修复后评估方面，国外主要采取指标体系法和指示物种法2种方法对修复后的河流进行评估。我国学者对后评估的方法与指标体系的构建已进行了大量的研究，并取得了相应的成果，产生了许多河流后评估的方法。但对于山区河流后评价的方法和指标体系的构建研究较少，需进一步加深。