海河流域平原河流生态修复模式研究Ⅰ——修复模式（汪雯,等）

摘　要: 由于水量不足、水质恶化及河流天然形态遭到破坏, 海河流域大多数平原河流生态健康受到相当程度破坏。因而, 对它们进行生态修复, 需要建立相应生态修复模式体系对其进行指导。文中总结了现有河流生态修复技术, 从中筛选出13 种适宜于海河流域的修复技术。依据功能不同, 将其分为水量调整技术、水质净化技术和生境改善技术3类。在此基础上, 从影响海河流域平原河流生态健康的关键因素——水量入手, 综合考虑河流水质与生境现状, 提出海河流域平原河流生态修复模式体系。该体系包括4种修复类型(即管理保护、直接修复、补水修复和生态系统替代)和9种修复模式。

关键词: 海河流域; 平原河流; 生态修复; 水环境; 生态环境

中图分类号: X171.1　　　　文献标识码: B　　　　文章编号: 1000-0860 (2009) 04-0014-06

Study on eco-restora tion modes for pla in r ivers in Ha ihe River Ba sin I: eco-restora tion mode

WANGWen1 , HUANG Sui-liang1 , ZHANG Sheng-hong2 , L IN Chao2 , L IU De-wen3 , CHE Hong-jun3

(1. College of Environmental Science and Engineering, NankaiUniversity, Tianjin　300071, China;

2.Water Resources Protection Bureau, Haihe RiverWater Conservation Commission, MWR, Tianjin　300170, China;

3. Institute ofWater Resources Protection, Haihe RiverWater Conservation Commission, MWR, Tianjin　300170, China)

Abstract: The eco2health of the most of the rivers on the Plain of Haihe River Basin are considerably damaged due to the water shortage, deterioration of water quality and destruction of the natural pattern; forwhich the relevant eco2restoration mode systems are therefore necessary to be established for guiding the eco-restoration therein1 Based on the summarization of the existed eco-restoration techniques, 13 restoration techniques suitable to Haihe River Basin are screened out and divided into three kinds,i.e. water amount regulation, water purification and habitat imp rovement relied on their functions. On the basis of this, an eco-restoration system for the rivers on the p lain is put forward based on the study startingwith the key factor—water amount that impacting the eco-health of the rivers therein under a comp rehensive consideration on the water qualities and habitat status of the rivers. The system consists of 4 types of restorations, i.e. management and p rotection, direct restoration, restoration with water supp lement and rep lacement of eco2system as well as 9 restoration modes concerned.

Key words: Haihe River Basin; p lain river; eco2restoration; water environment; eco-environment

1 　海河流域平原河流生态概况

海河流域人口众多而水资源极其短缺, 人均水资源量305 m3 , 仅为全国平均值1 /6。随着社会经济发展及一系列为保证防洪和供水安全的大规模水利工程兴建, 流域内河流生态系统受到越来越大的压力, 出现河道断流、湿地萎缩、地下水位下降、水污染及河口生态恶化等一系列生态环境问题。

海河流域平原河流普遍断流干涸, 部分河段沙化严重。据统计, 2000～2005年, 流域内23条主要平原河流, 年均断流216 d, 年均断流天数大于300 d的河流有11条; 3 883 km的总河长中, 河道年均干涸长度1 721 km, 占总河长的44%。长期干涸使平原河流(段)逐步沙化, 沙化趋势明显的有永定河、大清河及子牙河水系、滏阳河及漳河。由于河漫滩部分被开垦和人为采砂活动进一步破坏河漫滩植被, 加剧河道沙化, 造成河流自身的生态系统发生退化且成为区域风沙源。

由于流量匮乏和大量污水排入, 海河流域平原河流水污染极其严重, 大部分河段水质为劣V 类, 部分河流或河段已经成为或退化成为城镇排污河流。据2005年水质调查, 主要平原河流27 个代表断面中,21个断面水质为劣V类, 仅有滦河下游、永定河卢沟桥段和南拒马河张坊段3个断面水质达到Ⅲ类。主要的超标项目有氨氮、COD、BOD5、挥发酚和总磷,部分河段氟化物、镉、汞、铅等超标。

由于防洪减灾和水资源开发利用, 海河流域河流人工化严重, 河流天然形态遭到破坏, 自然水文节律逐步消失。水库和供水渠道的修建使进入下游平原河道的流量逐步减少; 流域内2 846 座闸坝多处于平原地区, 河流被分割截断, 部分河段蓄水形成静止水面; 城市河流渠道化严重; 中东部子牙新河、永定新河等一系列人工减河的开挖改变海河流域原有的汇流入海自然流势, 中西部平原区天然河道也由于防洪堤防的加固失去大水泛滥、小水归槽的天然河道特性。

由于以上三方面共同影响, 海河流域平原河流生态健康恶化。河道内水生生态系统和河岸生态系统均遭到破坏, 生物多样性降低, 生物量锐减。为修复受损河流生态系统, 改善流域水环境现状, 必须对其进行生态修复。根据海河流域现状, 建立一套针对性的平原河流生态修复模式体系, 能够为下一步的生态修复实践工作提供必要的指导和支持。

2 　河流生态修复主要技术

河流生态系统是一个复合系统, 由河岸生态系统、水生态系统、湿地及沼泽生态系统等子系统组成, 其生态健康受水文、地形、动力等诸多因素影响[ 1 ] 。向河道内排放污废水、过量用水、挤占河滩地、砍伐森林、引入外来物种以及大规模筑坝、修建水库、渠道化等水利工程措施, 都会破坏河流生态系统健康[ 2 ] 。过量用水和排污造成水量严重不足或水质恶化使大部分水生生物难以生存, 将导致河流生态系统崩溃; 外来物种入侵破坏河流生态系统的食物链与营养级平衡; 各种水利工程改变河流天然的地貌特征以及水文、水力条件, 从而减弱河流的自我恢复能力。

河流生态修复是指使河流生态系统恢复到未被破坏前的近似状态, 且能够自我维持动态均衡的复杂过程[ 3 ] 。因此, 河流生态修复技术广义而言即为“河流修复技术”。对破坏的河流生态系统进行生态修复,首先要停止引起河流生态系统继续恶化的活动, 再根据河流的具体情况, 采取适宜的修复技术, 恢复与加强河流的自净能力, 创造出良好的生境条件, 最终达到恢复与重建河流生态系统的目的。本节在简述河流受损成因的基础上, 根据修复的原理, 将河流修复技术分为物理修复、化学修复和生物—生态修复技术加以简单讨论。

2.1　物理修复技术

河道补水技术[ 4 ]主要通过水利设施(闸门、泵站等)的调控, 引入上游或者附近水源, 补充河道水量并稀释污染物质、向河流充氧促进污染物降解。

生态防渗技术主要用于河床渗漏严重而导致生态水量不足的河流。通过衬砌等方法改善河床或河岸的透水特性, 减少下渗引起的水资源损失, 保证河道内具有充足的流量; 同时维持河道内生态系统的完整性, 创造出适宜水生生物生长的环境。如植生型防渗砌块就是生态防渗技术的一种[ 5 ] 。

底泥疏浚与物理覆盖技术可以较大程度的消减污染底泥对上覆水体的污染贡献率, 进而解决内源释放而造成的二次污染[ 6 ] , 并为后续的生物技术介入创造出良好的条件[ 7 ] 。但这种方法的工程量大, 费用高, 且为避免对底质生态系统的破坏, 要求疏浚的精度比较高。

人工增氧是通过工程手段, 如曝气船、曝气机或水坝水闸等水利设施的跌水、泄流等提高河流溶解氧浓度以实现河流生态修复的技术[ 8 ] 。它能加快污染物质氧化还原反应速度, 提高水体中好氧微生物的活性, 创造适宜于水生动植物生存的环境。多用于应急措施以及加快河流修复的进程。

2.2　化学修复技术

主要针对水体污染物的特征投加化学药剂以强制去除或固定污染物, 改善水质以恢复河流生态的方法, 如投加絮凝剂促进污染物沉淀、加石灰脱氮、投加化学药剂除藻、调节pH 值对重金属进行化学固定[ 9 ]等。化学修复技术操作比较简单, 短期效果好,但容易造成二次污染。

2.3　生物—生态修复技术

生物—生态修复技术主要通过培育水生动植物、投放微生物、修复受损生态系统的结构以及恢复河道天然形态实现河流的生态修复。其关键在于强化自然界自身的净化能力, 形成河流生态系统良性演替[ 10 ] 。具体而言包括微生物修复技术、水生动植物修复技术、人工湿地技术以及多自然型河流构建技术等。

微生物修复技术是向污染严重且缺乏有效降解污染物的微生物的河流投加高效微生物以降解污染物进而修复水体的生态技术[ 11 ] 。该法的主要缺点是高效微生物的选育周期长, 净化效果受到诸多外界环境因素的限制。

水生动植物修复技术是利用水生动植物及其共生的微环境去除水体中的污染物质并恢复水生生态系统的河流生态修复技术。水生植物群落是健康河流生态系统的重要组成部分, 且可以通过根系的吸收与吸附作用有效降低水体中污染物浓度, 提高水体透明度和溶解氧含量。同样, 水生动物群落亦是健康河流生态系统的重要组成部分, 也能通过食物链吸收并转化水中的营养元素或污染物质来净化水质。典型的水生动、植物修复技术有生物浮床(人工浮岛) [ 12 ] 、生物沉床[ 13 ] 、生物操纵[ 14 ]等。

人工湿地技术是通过填料、微生物与植物截留、吸附、吸收和转化污染物质进而改善河流水质的集成的生态修复技术。该技术可有效地消减点源和面源污染、河流中的重金属、农药及营养物质等。主要受到水流流态、水力负荷、植物种类与数量、温度、pH、填充介质类型、运行方式等诸多因素的影响[ 15 ] 。

生态护岸技术是采用植物、石块或其它透水性材料加固河岸的河流生态修复技术[ 16 ] 。这类技术既能保证河岸的稳定, 又不会切断河道内水生生态系统与岸边陆地生态系统的连通, 同时能消减面源污染并起到一定美化景观的作用。

河道内栖息地的修复技术主要是修复鱼类和水生无脊椎动物的生活场所, 如产卵场、索饵场、停歇地和通道等的河流生态技术。常用的技术手段有构建鱼道、浅滩—深潭结构、基质恢复、河岸覆盖物和设置乱石堆、丁字坝等模拟水生动物偏好的场所。

河道空间再造技术主要通过恢复河道的天然形态来实现河流生态修复的技术, 主要有重塑河道蜿蜒度、修复横断面等方式[ 17 ] 。对被裁弯取直的河道恢复其弯曲度, 将规则化的河道断面修整为自然形式,创造丰富多样的生境, 恢复和增强河流的自净能力,大幅度的提高水生态系统抗冲击的能力。

3 　生态修复技术在海河流域平原河流修复中的应用

海河流域生态修复, 一般只能在现有的水文条件、河道形态及水利设施的基础上进行。本节讨论以上技术在海河流域平原河流生态修复中的适用性。

海河流域平原河流普遍断流干涸, 河流缺乏生态水量。因此, 河道补水是进行生态修复的基础和关键。但是, 这与海河流域严重缺水的现状相矛盾。因此, 河道补水技术应优先在有补水条件(如滦河)或有相当历史文化及经济意义(如永定河卢沟桥河段和北运河)的河流(段)使用。同时, 补水水源应多样化, 除科学统筹上下游合理分配水资源和使用南水北调客水外, 还应充分利用流域降雨年内分布不均而形成的大量雨洪资源和污水处理后的中水资源。流域内部分沙质河床渗漏严重。经济条件允许时, 可采用河床防渗技术减少渗透量并为满足河流生态基流和实施河道补水技术创造必要条件。

如果通过调度或采用其它技术手段也难以保证其基本生态流量, 该河基本不能继续保持其河流生态系统的属性而发生退化。可根据具体情况, 构建其它类型的生态系统进行替代, 即应用生态系统构建技术,如在永定河沙化河床构建草原生态系统替代退化的河流生态系统。

流域部分河流由于河道淤积和承接污水, 存在底质污染, 如海河干流, 可以采用底泥(环保、生态)清淤与覆盖技术处理。化学修复技术的短期效果好, 但投加化学药品必须考虑二次污染。为避免化学药品对生物产生毒副作用, 应慎重使用该技术, 优先使用生物净化技术或通过提高河流自净能力的方式实现水质改善。只有在污染特别严重、可生物降解性差的河流中, 如卫河和卫运河等, 可以考虑使用。

人工湿地技术净化效果好, 在海河流域温榆河、永定河、滹沱河等的生态修复实践中多有应用; 由于流域冬季气温低, 人工湿地生态系统运行困难, 需要采取辅助措施。

生态护岸是河流生态修复的重要技术之一, 其在海河流域应用的关键在于与防洪工程相结合, 在护岸形式上应尽可能选择安全系数高的复式护岸、土工格室护岸、石材散抛护岸或在现有的混凝土护岸基础上覆土改造等。

海河流域河流河岸带、河滩地被农田和建筑用地挤占的情况比较严重, 如北运河。这给使用湿地、河漫滩与河岸带修复技术带来相当难度。应综合考虑流域经济发展与河流生态健康的需要, 针对不同河流或河段的具体情况, 制定切实可行的河岸带修复范围。天然湿地修复可以利用水利工程的旧河道、河岸开阔地, 河道弯曲处等进行。

人工曝气技术、微生物修复技术和水生动植物修复技术在国内外河流修复实践中应用广泛。它们在污染净化、水生态恢复方面效果显著, 且应用的限制条件比较少, 能够用于海河流域平原河流的修复。

河道内栖息地修复技术和河道空间再造技术均为改善河流生境的技术, 应用的限制因素比较多。考虑海河流域的水资源现状和社会、经济发展的要求, 可在保留现有闸坝水库和保证河道安全的基础上选用。

从海河流域的现状看, 水量不足、水污染和生境破坏是海河流域平原河流生态恶化的主要问题, 进行生态修复应该从这三方面入手。为有针对性地解决问题, 按照修复技术的功能, 可将其分为水量调整、水质净化和生境改善3类, 如表1所列。

一般情况下, 一个修复技术的作用是多方面的。如河道补水技术不仅补充河流水量、改善水质, 对恢复河岸带植被、加强生态系统的连通性也能起到有利的作用。因此, 这种分类不是绝对的。

4 　生态修复模式

海河流域平原河流存在的主要问题是水量严重不足、水质污染严重和生境十分恶劣, 其中水量严重不足是关键。因为水是河流生态系统最重要的组成介质, 河道内流量不足, 不能满足生态基流的要求, 河流生态系统必然受损并最终退化。因此, 海河流域平原河流修复应该从改善水量不足入手, 进一步再考虑水质和生境问题, 见图1。

根据河流流量是否满足该河生态基流的要求, 可分为满足生态基流和不满足生态基流两种情况; 根据河流水功能区的要求, 结合考虑污染物浓度以及水量和生境对其的耦合作用, 水质可分为达标、补水稀释后可达标、提高自净能力后可达标和不达标4 种情况; 根据河道人工化的程度和生物栖息地现状, 结合考虑水量现状的影响, 可分为良好、补水后可自然恢复和破坏3种情况。

对于水量严重不足、常年干涸的河流(段) , 在没有足够的水源对其进行补水或采用其它技术手段也不能保证其生态基流的情况下, 该河基本不能继续保持其河流生态系统的属性。不应再以恢复河流生态系统作为修复目标, 而应该根据该河的具体情况, 构建其它类型的生态系统进行替代, 以确保其不对周边环境产生破坏。如在沙化河床构建草甸生态系统替代退化的河流生态系统, 在没有流速的水域构建湖泊生态系统等, 即“生态系统替代模式”, 如表2所列。

对于能够通过“水量调整技术”满足生态基流的河流(段) , 如有补水水源或能够有效改变河床透水性能等, 应先考虑采用“水量调整技术”满足其生态基流, 再考虑水质和生境问题, 即“补水修复”, 见表2。进行补水修复的河道, 其水质一方面取决于来水水质, 另一方面取决于河流本底水质。笔者认为,修复时, 来水水质达标, 主要考虑本底水质存在的问题及生境现状来确定修复模式。

本底水质良好或有轻中度污染、无严重底质污染的河流(段) , 如其生境没有遭到大的破坏或仅由于流量不足造成的破坏, 只需适量补水即可稀释污染物并自然恢复其生境, 即为“直接补水模式”。如果生境破坏比较严重, 在满足生态基流后也难以自然恢复, 则应在“水量调整技术”基础上采取“改善生境技术”对河道形态进行修复, 即为“水量—生境改善模式”。如本底水质严重恶化、存在大的污染源或底质污染严重的河流(段) , 仅通过“水量调整技术”不能确保水质, 还应采取适宜的“水质净化技术”。如不需改善生境则为“水量—水质改善模式”, 如需改善生境则为“复合模式”。

对于能够满足生态基流的河流(段) , 可进行“直接修复”, 见表2。如水质良好, 但水利设施如闸、坝等影响河道的连通性, 造成生境破坏; 或水质有轻、中度污染, 且污染物以易降解的污染物为主时,均可采用“生境改善技术”恢复河流的自净能力以实现生态修复, 即为“生境恢复模式”。如果河流水污染严重, 存在大的污染源, 但河道天然形态保持较好, 可以采取“水质净化技术”改善水质以修复河流生态系统, 称为“水质改善模式”; 如河道人工化严重, 还需进一步采用“生境改善技术”进行修复, 则为“强化净化模式”。

对于不存在水量、水质和生境三方面问题的河流(段) , 则只需加强管理保护, 即为“管理保护模式”,见表2。

综上, 海河流域平原河流的修复模式可分为4种修复类型、9种修复模式。“管理保护”针对生态系统基本健康的河流(段) , 相应修复模式为“管理保护”;“直接修复”针对满足生态基流的河流(段) , 包括“生境恢复模式”、“水质改善模式”和“强化净化模式”3种修复模式; “补水修复”针对能通过水量调整技术满足生态基流的河流(段) , 包括“直接补水模式”、“水量—生境改善模式”、“水量—水质改善模式”和“复合型模式”4种; “生态系统替代”针对现有条件下不能满足生态基流的河流(段) , 对应的修复模式为“生态系统替代”模式。

5 　结　论

水资源过度开发、污染物排放和河道人工化等原因造成海河流域平原河流断流干涸、水质恶化和生物多样性下降等一系列生态问题。为修复河流生态系统, 进而改善整个流域的生态环境, 有必要根据海河流域河流自然社会条件、经济发展水平和目前修复技术水平建立其修复模式体系。

通过分析国内外已有河流生态修复技术理论及其工程实践, 整理筛选出13种适用于海河流域平原河流的河流生态修复技术, 并按照功能, 将这些技术分为水量调整、水质净化和生境改善三类。

从水量出发, 综合考虑河流水质、生境等其它重要因素, 提出海河流域平原河流生态修复模式体系,认为海河流域平原河流的修复有4 种类型、9 种模式。

顺便指出, 本文对“河流生态修复技术”和“河流修复技术”内涵和外延没有深入讨论, 而主要沿用现有观点。应用本文建立的“修复模式”于海河流域平原河流的生态修复将在续文中予以讨论。

致谢: 在本项目研究过程中, 项目组成员侯思琰、解莹、石维、徐晓伟、王立明、唐婷芳子参与讨论, 给予本论文完成很大的帮助, 特此致谢。

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作者简介: 汪雯(1984—) , 女, 河北唐山人, 硕士研究生。

来源：《水利水电技术》2009.4