河流生态修复的研究内容和理论技术

□赵 楠 □张 睿 □尚 磊

（黄河勘测规划设计有限公司）

一、引言

河流是水循环中重要的一环,被誉为大地的血脉。传统的水利工程为我国国民经济的发展发挥了举足轻重的作用，但随着我国经济实力、人们环境保护意识的不断提高和科学技术的进步，从生态、环境保护等多维的角度系统的研究和整治河流，已经成为水利工作者必须面对的重要课题。

我国传统水利工程技术的核心是工程结构的安全性及耐久性,材料主要是混凝土或浆砌石，没有考虑人工构造物对生物及其生态环境的影响，由此产生的结果是河流廊道的作用越来越小、水质恶化、生境的丧失或被阻断、物种减少等生态系统的退化。

二、我国河流生态修复的研究现状及存在的问题

近年来,我国对自然河岸带植被结构和功能以及管理的生态学研究非常关注，正在努力探索修复受损河流生态系统的新理论和技术手段。北京、上海等少数大城市已经着手对城市河流的生态环境进行较大规模的整治，在我国河流整治中存在的主要问题是河道的直线化或渠道化以及河岸的混凝土化,这必然导致鱼类等水生生物栖息、产卵的河道浅滩和深潭结构丧失。同时河床、河岸的表面积减少,导致产生利于水质净化能力的微小动物及微生物难以生存,从而带来了一系列生态学问题。

三、我国开展河流生态修复研究的内容和方法

“受损河流生态系统修复”是根据需要和可能按照生态学原理设计并建设符合人类文明进步和可持续发展的健康河流生态系统。即预先对河道整治工程进行生态设计,实现在生态系统零损失的前提下,对河流自然资源和环境进行合理利用。

（一）研究目的

受损河流生态系统修复就是通过在传统河道整治工程设计中,根据生态学原理,对河道整治工程结构进行生态设计,在生态学和土木工程学的边界领域,创建新的理论、知识和技术体系。其主要研究目的为:

理论上,改变传统水利工程设计思想,在确保河道安全和经济的基础上,将生态学原理应用于水利工程设计中,在水利工程学和生态学的边界领域，创建新的理论、知识和技术体系。实践上，基于生态学原理设计的水利工程不仅为动植物及微生物提供生存空间，同时也给人类提供河岸休闲景观空间，实现我国城市由工程水利到环境水利和资源水利的变革。

（二）研究内容

河流生态修复主要是通过新的设计理论及实践,将受损河流尽可能修复重建为具有如浅滩和深潭交替结构等的自然河流状态，具体的恢复重建内容如下表所示。

河流生态修复与重建的内容表

1.适于生物生存的生境缀块构建研究

混凝土式护岸没有植物根系可进入的孔隙,土壤动物及微生物也不可能生存,其生境被阻断,河道的自净能力降低。因此,修复混凝土受损河岸生态系统需要在土木工程设计上改变传统的混凝土护岸工程设计,在能够达到防止河岸崩塌及侵蚀的同时,创造出动植物及微生物能够生存的多孔隙河岸工程生态结构,并保持生境缀块的连续性,促使河岸植物连续生长,并确保鱼类等水生动物移动的路径。在用土木工程技术构建的多孔隙的河岸空间上,构建初始河岸植物群落,并在人工启动下使其向顺行演替发展。

2.适于生物生存的生态修复材料研究

第一种是芦苇等护岸植物材料。芦苇具有适应性广,抗逆性强的特点,多自然生长在江、河、湖、海岸淤滩等地，具有很强的净化水质和保持水土的功能。同时芦苇群落是水陆生态系统交错区的代表性群落,也是动植物及微生物的重要生存空间，欧美及日本等国多采用芦苇修复混凝土受损河岸生态系统。

第二种是生物相容型混凝土材料。适于生物生存的生态修复材料主要是研究动植物及微生物能够和谐共存的生物相容型混凝土。利用多孔混凝土空隙的透气、透水等性能,渗透植物所需营养,生长根系这一特点来种植草、灌木及乔木等植物,恢复河岸植物群落。

（三）研究方法

此项研究应在工程控制论“反馈-控制”的基本范式指导下进行,其研究流程如下图所示。

研究流程图

1.河岸工程生态结构设计与构建初始植物群落的调查(调查与实验目的设定)

（1）河道生态学条件调查。包括动植物、微生物适于生存条件的调查,生境缀块连续性条件的调查。

（2）河岸工程学条件的调查。包括工程地质、地貌条件的调查,土壤侵蚀的调查,水质污染的调查。

2.生境缀块模型的构建和修复材料研究(假说的设定)

（1）适于生物生存生境缀块模型的构建。

（2）适于生物生存的生态修复材料研究。包括适于生物生存的植物材料,适于生物生存的混凝土材料。

3.生境缀块模型的构建和修复材料研究(假说的实验)

包括生境缀块模型实验和生态修复材料实验。

4.模型和材料验证（假说的验证）

包括客观性验证和主观性验证。

5.典型事例积累和理论发展

包括典型生境缀块构建事例和生态修复材料研究事例。

四、河流生态修复规划及河流健康评估

河流生态修复规划与评估包括4个部分主要内容：现状及历史调查分析；制定河流生态修复目标；提出规划对策，包括工程任务、管理措施和建立监测与评估系统；进行经济—生态效益综合评估。

（一）河流水系生态恢复的任务

河流水系生态恢复的任务有三大项:一是水质条件、水文条件的改善；二是河流地貌特征的改善；三是生物物种的恢复。

水质条件、水文条件的改善包括：水量、水质条件的改善,水文情势的改善,水力学条件的改善，通过水资源的合理配置以维持河流河道最小生态需水量。通过污水处理、控制污水排放、生态技术治污、提倡源头清洁生产、发展循环经济以改善河流水系的水质。

河流湖泊地貌学特征的改善包括：恢复河流的纵向连续性和横向连通性；保持河流纵向蜿蜒性和横向形态的多样性；外移堤防给洪水以空间并扩大滩地；退耕还湖和退渔还湖；采用生态型护坡以防止河床材料的硬质化。

生物物种的恢复包括：濒危、珍稀、特有生物物种的保护；河湖水库水陆交错带植被恢复；包括鱼类在内的水生生物资源的恢复等。

（二）河流生态修复的规划设计

河流生态修复规划的原则是：河流修复与社会经济协调发展原则；社会经济效益与生态效益相统一原则；流域尺度规划原则；增强空间异质性的景观格局原则；生态系统自设计、自我恢复原则；提高水系联通性原则；负反馈调节设计原则；生态工程与资源环境管理相结合原则。

（三）河流健康评估

河流健康评估的内容一般包括以下4个方面内容:物理—化学评估；生物栖息地质量评估；水文评估；生物评估。

1.物理—化学评估作指标可以反映河流水流和水质变化、河势变化、土地使用情况和岸边结构。

2.生物栖息地评估的内容是勘查分析河流廊道的生物栖息地状况,调查生物栖息地对于河流生态系统结构与功能的影响因素,进而对栖息地质量进行评估。

3.水文评估的目的是分析水文条件的变化对于河流生态系统结构与功能产生的影响。

4.生物评估具体是分析水文条件、水质条件和栖息地条件发生变化对于河流生物群落的影响程度。

五、河流廊道生态修复技术

我国现阶段河流修复中的首要任务是遏制流域内引起生态系统退化的污染,并在合理论证的基础上采取必要的修复措施，从恢复自然环境功能但同时又能发挥防洪工程效益的角度出发，提出一些创新性的技术方法。

（一）洪水后退

这项措施包括清除河漫滩内的所有结构物，把河道恢复到历史状态。设计河道形态时要使河流泥沙不会产生严重的冲刷和淤积现象,并能恢复到天然形态。河流形态可以自由蜿蜒,洪水可以漫滩,平均漫滩频率为1年或2年。从现实来看,这一理念在我国的应用将受到社会经济发展的制约,对大多数已经建有堤防工程的河道而言,要实现河流形态的完全恢复是不切实际的。但对于尚未建造堤防工程的河段,在未来的防洪规划中,可把这种非工程防护措施作为一个主要的待选方案。

（二）堤防后靠

这项措施与洪水后退措施在本质上是一致的,但河漫滩洪水被限制在两岸堤防之间，堤防在布置上不应侵占蜿蜒带,从而使河道在地貌变化活跃的廊道区域内仍可以摆动。对于新建堤防,在堤线布置方面,应遵循宜宽则宽的原则,处理好河道行洪和生态保护要求与土地开发利用之间的矛盾,河槽和河漫滩不仅要能满足设计洪水的行洪要求,还要保持一定的浅滩宽度和植被空间,为生物的生长发育提供栖息地,既可发挥河流的自净化功能,又有利于地表和地下水的联通。

（三）两级河道

两级河道实质上是大河道内套小河道,即上部河道主要用于行洪,枯水河道主要用于改善栖息地质量和提高泥沙输移能力，上部河道可设计成公共娱乐场所或湿地型栖息地,枯水河道可设计成蜿蜒形态。

（四）行洪河道

把现有河道恢复到原来的形态,同时建设1条行洪河道或大流量河道以满足行洪需求。恢复的河道主要是为了修复栖息地,而行洪河道则可设计成湿地或低洼栖息地,或开发为旅游休闲地,其作用就如同一个分离的河漫滩。

（五）河道内栖息地加强结构

通过在河道内增加砾石、翼型导流设施(侧堰)、堆石堰和鱼巢等结构,可以增强河道栖息地功能。但在设计中,必须考虑这些结构对河道过流能力和泥沙输移能力的影响,以保证防洪工程的可靠性。

（六）岸坡防护

在河道岸坡防护工程中引入树木和灌木类植被，不仅能提供良好的生物栖息地环境，而且还可以增加审美情趣。这类措施对防洪工程的改变最小，因此最容易实施，并强调在多孔性防护结构底部设置反滤层和垫层。

六、结语

近20年以来，基于传统的水利设计规范所完成的河流整治工程导致了河流生态系统的损伤，在我国开展受损河流生态系统修复研究是一种新尝试，具有广泛的代表性和示范作用。本文于水利工程的规划设计方法进行了反思，提出了河流生态修复的任务和规划原则，提出了河流健康的内涵和评估框架，整合并开发了河流修复技术。我国的河流生态修复工作正处于起步阶段，需要继续加强理论研究和工程示范，长期积累数据，加强相关技术标准和规范的编制工作。

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[5]M i t sch,W.J,1998,Ecologica l engineerin g the7—year itch,Ecologica l Engineering,10:119 —130.收稿日期：2010-03-16