一、国外水生态修复研究进展

1938年德国学者Seifert提出了“近自然河溪治理”的理念,是指在完成传统河道治理任务的基础上达到贴近自然、经济实用并保持美观的河道治理方案.1962年美国生态学家H T Odum 等首次提出生态工程的概念,并将生态工程定义为“人类运用少量辅助能而对那种以自然能为主的系统进行的环境控制”(Mitsch,1998).1965年德国的Emst Bittmann在莱茵河用芦苇和柳树进行生态护岸实验,可以看作是最早的河流生态修复实践(Gray &Sotir,1992).随着城市河道生态工程技术的实践,其理论也得到了进一步的发展.2003年,美国土木工程师协会(ASCE,2003)做出有关“河流生态恢复”的定义:河流恢复是这样一种环境保护行动,其目的是促使河流系统恢复到较为自然的状态,在这种状态下,河流系统具有可持续特征,并可提高生态系统价值和生物多样性.Becker等(2012)认为河道修复设计应利用河流转向结构建立蜿蜒弯曲形态,加强生态系统的生态环境.河流生态修复要注重物种的多样性,效仿自然,保持营养和水循环,维持植物生境和动物栖息地的质量.

二、国内水生态修复研究进展

20世纪90年代,我国开始了河流生态修复方面的研究.刘树坤1999年提出了“大水利”的理论框架,认为河流的开发应重视流域的综合整治与管理,发挥水的资源功能、环境功能和生态功能(陈兴茹,2011).进入21世纪后,河流生态修复和保护已经引起社会各界的重视,成为学术讨论的热点问题.

董哲仁(2003)提出了“生态水工学”的概念,从生态系统需求角度,分析了以水工学为基础的治水工程的弊病,探讨了修复河流生态环境的工程措施及思路,并提出了一系列理论和方法.近年来,国内学者在河流生态修复方面进行了大量研究.吴建寨等(2011)提出河流修复生态功能分区是对河流进行适应性生态修复的必要前提和基础,可为制定生态修复目标提供科学依据.徐菲等(2014)指出未来应制定包含河流历史及现状调查、修复目标制定、修复措施计划和实施、修复评价和监测４部分完整修复过程的技术规范.

三、河流生态修复技术

河流生态修复是一项复杂的系统工程,目前国内外相关的修复技术多种多样,分类方法也有多种.本文根据河流健康关键因素,将修复内容分为水量、河流形态结构、水质和水生生物４大类.

1、水量生态修复技术

水量生态修复技术是减脱水区域必不可少的修复技术,主要包括生态补水技术、生态调度２种.

生态补水技术主要指通过水利设施(闸门、泵站等)的调控,引入上游水库的水,或者污水处理厂的深度处理水、雨水等,补充河道水量.该方法既能有效增加水环境容量,又能改善河流生境,提高河流的自净能力(于鲁冀等,2014).彭溢等(2016)对深圳市利用小(二)型水库进行河流生态补水研究,结果表明生态补水可在一定程度上改善下游河流旱季水质状况.邢梦雅等(2016)以常熟市生态补水试验为例,通过构建指标评价体系,分析评估表明该体系能为优化生态补水方案提供定量化基础.

生态调度是通过泄放合适的流量维持一定的流态和水位过程,以弥补或减缓水库对河流生态系统的不利影响.生态调度主要集中在通过控制流量、水温和沉积物输移来改善野生动物的环境状况(Olden & Naiman,2010).2012~2014年,三峡水库相继实施了４次试验性生态调度,并同步开展鱼类资源、水文和水环境要素等监测工作,结果表明生态调度对四大家鱼自然繁殖起到了一定促进作用(陈进和李清清,2015).

2、河流连通性修复技术

河流连通性修复主要是基于近自然的原理,尽可能恢复河流横向的连通性和纵向的连续.一般来说,对于河流连通性修复主要包括河道横断面结构、河床生态化以及生态护岸３个方面.

对于河道横断面结构的修复,在满足河道功能的前提下,应尽可能保持天然断面;在无法保持天然河道断面的情况时,应按复式断面、梯形断面、矩形断面的顺序选择(孙东亚等,2006).王芳和刘小梅(2016)在崇明陈家镇四号河、琵鹭河项目的河道断面设计时,与海绵城市建设相结合,充分保证水生动植物和陆生动植物食物链的完整性和连续性,同时考虑岸坡的透水性和植被率,达到水、岸、陆三位一体的效果.

对于河床的生态化,主要包括深潭和浅滩的重建、河床材料的生态化以及栖息地的加强３部分.在水量较少或者断流的河道,利用人工挖掘来构建深潭和浅滩;如果经济条件允许,可通过建设生态丁坝、生态潜坝等构建深潭和浅滩(赵银军和丁爱中,2014).河床的构筑应尽量采用透水性能好的材料,对于已采用混凝土硬化的河道,也可以通过深挖河床,设置木桩、堆积石块等方式来构建多孔隙河道空间.

对于生态护岸,主要是采用植物或者植物与土木工程相结合的方式对河岸进行防护,既能够防止河岸坍方,又能使河水与土壤相互渗透,增强河道自净能力,同时具备一定自然景观效果.关春曼等(2014b)指出生态护岸构建应与传统护坡技术结合、与土工合成材料结合,同时注重新型植被生长基质的研发和施工方式的创新.

3、水质生态修复技术

主要是指生物生态修复技术,主要包括底泥生态疏浚、生态浮床技术、人工湿地技术.

底泥生态疏浚主要是针对一些断流且底泥污染严重的河道,通过底泥的疏挖清除水体的内源污染,减少底泥污染物向水体的释放.生态疏浚的关键是确定底泥薄层精确疏浚深度和疏浚污泥的后处理.张文惠等(2016)在对泉州山美水库底泥疏浚工作研究中指出,疏浚深度的确定应综合考虑沉积物氮、磷及重金属污染状况.吴桢芬等(2016)在富营养化疏浚底泥的资源化利用方面研究表明,底泥气化利用在技术和经济上均可行.

生态浮床技术,即用竹子、高分子材料作为载体人工构建生物浮床,水生植物通过吸收水体中富营养物质,降低COD;同时营造一个动物、微生物良好的生长环境,提高水体的自净能力,从而修复水生态系统.RaoLei等(2014)试验发现人工生态浮床能改善河道的水力特征,可用于河流修复.引入竹丝或稻草等固相碳源作为基质形成的组合式生态浮床与植物和微生物协同作用,能够造成缺氧环境,出现类似于短程反硝化的效果,对富营养水体的氨氮和总磷有较好的净化效果(周世杰等,2015).

人工湿地技术主要是模拟天然湿地形成的人工生态系统,利用基质填料、微生物、植物和水生动物之间的物理、化学和生物协同作用降解污染物,通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物降解作用,实现水质净化.例如对汾河进行的生态修复中,人工湿地占重要地位,采用了潜流湿地、表流湿地和景观湿地,并取得了良好效益(李泽峰,２０１２).人工湿地在氮、磷、有机物、微量营养元素的去除中均有广泛应用(Saeed& Sun,2012;Turkeretal,2014).

4、水生生物修复技术

水生生物修复技术包括利用水体中的植物、微生物和动物吸收、降解、转化水体中的污染物以实现水环境净化修复技术,通过恢复水生生物资源、改善种群结构、增加物种多样性的修复技术.前者主要包括水生植物修复及水生动物的修复,后者主要包括增殖放流.

水生植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物及共存微生物体系去除污染物,最后通过收割植物将污染物带走,以达到净化水质的目的.水生植物修复技术被认为是一种更为绿色的修复方法(Rezaniaetal,２０１５).常用的植物修复品种包括芦苇、菖蒲、香蒲、旱伞草、慈姑、金鱼藻、凤眼莲、睡莲、菱角等.水生植物治理受痕量金属(Laffontetal,2015)、放射性元素(Pratasetal,2014)污染的水体也有研究.

水生动物的恢复,又称为生物操纵法,主要通过投放鱼类及虾类、河蚌等底栖动物,构建“藻类浮游动物鱼类”食物链,从而控制藻类的生长,修复水体污染.谢平(2003)提出通过减少凶猛性鱼类数量及放养食浮游生物的滤食性鱼类(鲢、鳙)来直接牧食蓝藻水华的非经典生物操纵模式.在四明湖水库修复中,通过养殖鲢、鳙,能一定程度上防止水华事件发生,减缓水库的富营养化趋势(余文公,2013).

增殖放流是利用人工方法繁殖水生生物并直接向海洋、江河、水库等公共水域进行活体投放活动.国外增殖放流分为增加资源量放流、生态修复放流以及改变生态结构放流３种类型(聂永康等,2017).中华鲟这一古老的水生物种因水利工程建设和资源过度利用等原因导致资源危机,1983年科研人员实现了葛洲坝下中华鲟人工繁殖(房敏等,2014).此后,三峡集团公司开始向长江增殖放流中华鲟苗和幼鱼,至2018年共开展60次放流活动,累计向长江放流中华鲟超过500万尾.王军红等(２０１４)通过监测２０１０ ２０１２年间三峡大坝至葛洲坝间实施的鲢、鳙、草鱼等鱼类增殖放流及分析历史数据发现,每年100万~125万尾的放流规模对两坝间水域鱼类增殖具有一定效果,并建议放流活动的实施选择在禁渔期、饵料开始丰富而水温相对较低的３月份进行,以提高放流鱼的运输成活率以及降低小个体幼鱼被捕捞的比例.

本文内容引自：刘欢,杨少荣,王小明. 基于河流生态系统健康的生态修复技术研究进展. 水生态学杂志.2019