城市河道生态修复研究综述

廖轶鹏， 李 云， 王芳芳， 王朝勇， 李 媛

(1.南京水利科学研究院水工水力学实验所， 江苏 南京 210029；2.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 3.苏州市水务局， 江苏 苏州 215011)

1 概 述

城市河道承担着城市的防洪、排水、供水、航运以及纳污等多重功能，既是城市经济社会发展的重要可利用资源，也是城市生态系统和景观体系的珍贵资源，是城市生态系统不可或缺的组成部分[1]。由于城市的高速发展，大量城市河道被人为的进行开发与改造，对城市径流的生态环境造成严重的负面效果。例如，许多城市河道承受着裁弯取直、河底硬化、边壁渠化以及河道侵占等现状，这阻断了城市河道内生态与陆地生态的相互联系，降低河道原本具有的自净功能，也减少水生物的多样性，从而带来一系列的水环境问题[2]。随着社会不断进步，不少城市河道无法支撑起人们对城市水体的幸福感需求，这既不利于现代城市文明的健康发展，也与当代社会所提倡的水生态文明建设思想背道而驰。开展城市河道生态修复，是实现当前人类与自然和谐共处的关键举措。

2 河道生态修复的发展

2.1 河道生态修复的概念

世界上对河道生态修复的研究最早可追溯到20世纪30年代[3]，彼时欧洲国家面对日益增长的河道航运需求，考虑到工程耐久性而通过混凝土等硬性材料对河道进行硬性改造。由于河道生态功能的破坏，引发的一系列水质恶化现象使得欧洲国家将河流管理的重点放在水污染治理和河道生态保护上。1938年德国的Seifert首先提出近自然河溪整治的概念，此概念的意义在于设计的河道治理方案在经济合理的情况下尽可能达到接近自然、景观美的条件下，完成各类传统的河道治理任务[4]。经过多年的修复实践，生态修复的概念逐渐成熟，并与实际的工程方法研究相辅相成。美国土木工程师协会(ASCE)认为河道生态修复旨在将河道的生态系统还原至接近未被干扰条件下的一种状态。此状态下河道系统具有可持续特征，并可保持生态系统价值和水生物多样性包括重建先前的水文、水动力、地形特征条件，通过物理化学清理措施等对水环境的调节，以及恢复植被、引入缺失物种等的生物措施[5]。在此背景下1989年美国的生态学家Mitsch等[6]提出了生态工程概念，并将其定义为“对人工化的河道、水系进行遵循自然法则下的设计，以便生态与人类共存共荣。日本于20世纪90年代在此基础上提出“多自然河川工法”理念，重视水生物的生存环境和尊重河流地区间的差异和个性[7]，之后相关国内外学者在研究中不断丰富河道生态修复理论，逐渐转换传统工程结构和理念，以减少人类活动干扰对河道生态系统的影响生态修复的研究领域也由单一河道扩展到流域尺度[8-9]。

2.2 城市河道生态修复

城市河道由于被人类大量的开发利用和改造，其河流特征及水生态机制已经与未被人类活动扰动的完全自然状态截然不同，人们在修复实践的同时也不断加深对河道生态修复的理解。城市河道生态修复主要有方面任务。一是修复城市河道的水质和水力条件；二是修复城市河道的地貌特征；三是修复城市河道水生物物种。总体目标是为了改善城市河道生态系统的结构与功能，提高河道生物群落多元性[10]。

3 城市河道生态修复方法

城市河道生态修复方法主要分为两类，近自然生态法和水文模式修复法。

3.1 近自然生态法

近自然生态法遵循日本的“多自然河川工法”理念，注重城市河道的综合治理，强调城市河道与水生动植物之间的内在影响和协调作用，旨在提高城市河道和河漫滩的连续性，注重绿色生态和景观建设。实施过程中通过时空两个层面对河道的过程和形态进行综合修复，包括空间层面的河道-浅滩地形构造，时间层面的水流加速减速、营养物质的获取及释放，及河道多样性与动态性结合在内的生物综合修复法[11]。典型的方法措施有将渠化河岸改造成河滩绿地并利用河滩进行旁侧型水质净化设施建设、湿地恢复，鱼类栖息地营造等生态构建；对护坡进行自然化和多样化改造，在滨水部分恢复水生植物以及鱼虾等水生生物栖息地；水岸线的自然化、还弯去直等[12]。同时因地制宜，正确地了解和量化物理变量和生物变量之间的响应曲线，以解决人为作用对河流生态系统的胁迫问题。并在城市河道生态修复工作中，不断探索生态水利工程建设技术方法。自20世纪80年代开始，近自然生态法已在欧美国家的工程建设、流域治理等方面得到了广泛应用，并有制定相关的政策和技术规范。典型的近自然生态法修复工程实践有韩国首尔清溪川修复工程、新加坡加冷河修复工程和美国密西西比河修复工程[13-14]。

3.2 水文修复法

水文修复法又可成为流量修复法，是针对目标河道自然水文特征进行改变而提出的城市河道修复法。其目标是以水文调度等模式，提高城市河道流量、修复水文周期、洪水历时等水文参数，从而改善目标河道的生态和水环境条件，提高城市河道自净能力[15]。相关研究学者认为，城市径流的水文条件可反映城市河道的基本特征，是人类后天作用对河道的直接干预对象，也是城市河道生态系统退化的直接影响因子。人类在对城市河道空间结构改造的同时也引起河道水文条件的变化，进而促使河道中营养物质、有机质等系列变化[16]。但在如今的城市布局中，城市河道两岸往往分布有重要的经济和工业区域，并伴有大量人口聚集。因而水文修复的流量大小只能建立在城市河道安全行洪能力要求的前提下通常该修复流量的大小以河道的最小生态补水量作为基准。在该径流量下，水生物的生存条件可以基本得到满足，城市河道的水生态功能可以正常维持。在实际修复过程中，也需考虑城市河道补水量的动态变化，不仅牵涉到具体河道的生态保护目标，也照顾不同时间段城市河道生态系统对径流的需求，进而为河道生态系统多样性给予保障[17]。自20世纪70年代起，该方法已在许多国家得以实践，并取得了较好的效果，如日本东京的隅田川修复工程、国内的“引江济太”工程和长三角地区平原河网水环境修复工程[18]等。其中长三角地区平原河网水环境修复成果荣获2018年中国水利行业优质工程的最高奖“大禹奖”。

3.3 修复方法对比

与近自然生态法相比，水文修复法原理较为简单，工法成本也有所降低，在防洪系统完善的发达城市中往往可以达到较好的实施效果。在实际修复过程中，需考虑城市河道补水量的动态变化，不仅牵涉到具体河道的生态保护目标，也照顾不同时间段河道生态系统对径流的需求，进而为河道生态多样性给予保障。但河道生态补水量的计算方法众多，学术界对生态补水量的概念和内涵并没有形成统一的定义，国内外学者对城市河道的生态补水量计算方法也各有自己的理解[19]，在实际计算中缺乏科学性分类。因而水文修复法对城市河道的生态修复效果目前还没有能被很好地量化评估。同时城市河道的生态系统在修复过程中会逐渐适应径流的变化过程，这种两者之间适应过程的自然规律尚未被揭示。在目前重视水文修复法结果的现状下，生态补水量与河道生态修复的响应关系需有待进一步的研究。

近自然生态法目前也存在着部分理论研究上的欠缺，在近自然治理的理念的原则深入人心的现状下，近自然生态法的“近自然修复程度”当前还没有清晰的评价标准[20]，部分修复工程也过于注重城市河道景观的修复，强调以土石坎或岸边植树代替原来河道坡面的自然面貌，从修复的程度和代价等方面来看，这些均已背离“近自然”的修复理念。另一方面，在近自然修复的过程中，在河道的自然功能和社会功能的平衡性上较难以斟酌，因而在一些生态修复工作中过度夸大“自然”的作用，最终不免走向只重视封禁保护和不管运营的极端自然保护主义。正确处理城市河道自然功能和社会功能两者关系，最终营造一个接近自然的河道生态系统，真正体现城市中人与自然的和谐，会成为现在及未来近自然生态法的研究核心。

4 国内外城市河道生态修复实践

4.1 日本东京隅田川修复工程

世界上遵循生态流量理念修复城市河道水环境的工作始于日本。隅田川为日本《河川法》法定的一级河流，全长23.5 km，平均河宽约150 m，流经东京都7个行政区。该流域地区人口集中、工厂密布、为日本战后迅猛发展的经济区。因其大部分流淌于平原低洼地带，河床落差小、流速慢，污水极难迁移扩散，20世纪50年代后隅田川水质急剧恶化，水面散发严重异味。1964年东京政府为改善日益严重的隅田川水生态问题，在隅田川与上游的荒川和利根川之间修建“荒川溢洪道”等引水设施，将16.6 m3/s的生态补水量(相当于隅田川原流量的3～5倍)引入隅田川。并结合黑臭底泥清淤和两岸缓坡性亲水平台建设，及防灾治水，景观更新等一系列的长期治理措施，如今隅田川水质清澈，各类水生物种回归。水上渡船、画舫往来频繁，岸上赏樱花、看花火的江户文化也再度进入人们的视野。隅田川修复工程开创世界上引生态补水量修复城市河道生态的先河，也为滨海平原河网城市发展中的水生态文明建设提供了宝贵经验[21]。

4.2 苏州城市河网水环境修复工程

苏州地处太湖流域的中心地带，是长三角地区典型的平原河网城市。历史上苏州河网水系由太湖水势驱动，湖水经胥江到达苏州水系。但随着河网人工改造和水系分割，近年来苏州西南方向的太湖水位与东北方向的阳澄湖水位基本持平，胥江已难以向苏州城区调引清水。且由于苏州城中防洪大包围的封闭运行，河网中水更加难以流动，使得原本水清岸绿、小桥流水的美丽水系景观逐渐衰退成臭不可闻、路人纷纷躲避的死水沟潭。为修复苏州河网水环境，还“东方威尼斯”之貌，苏州市政府组建科研团队，研究河网生态补水方案。基于“因势利导、江湖共济、活水自流”的修复思路，于河网外围通过水利工程自古城北面望虞河引长江活水入城，城区内部通过大包围内闸泵工程调节，形成古城区内河网南北向的10～20 cm水位差，促水流动并实现自流活水。在引水修复期间保持24 h活水不断，流速不减，水体在水闸开启下自然流动。

自生态补水修复工程实施后，古城区日进水量70万m3，河网槽蓄量可实现每日更新一次，河网水质显著提升，水体感官愉悦度恢复至七八十年代水平。苏州古城区风貌回归江南水乡风韵，游客量大增。苏州也成为我国城市河道生态修复的城市典范[29]。

5 未来发展趋势

城市曾一度被认为是大自然的对立面，而现今随着社会的进步，城市与生态两者结合的必要性越来越大。从世界各地的城市河道生态修复实践来看，城市河道生态修复的实施，往往来自于经济高度发展之后人们对城市生态的需求。结合以上国内外城市河道生态修复的成功案例，可知城市河道生态修复的实施要建立在了解城市河道生态问题和河道特征的基础上，并结合河道、岸线的能量和物质交换情况，涉及经济、环境、社会等多方面因素，利用生态学、地貌学、水力学等学科交叉成果对河道生态和景观有序构建[22]。

目前国内外对城市河道生态修复仍在进行研究和探索，也取得一定成果。但该研究大多体现在对宏观问题的实际解决，缺乏理论的深入，对于生态修复中的部分机理仍处于探索阶段。如生态补水量的内涵和在修复过程中的实施和管理，及生态补水对水源地的生态影响，目前尚没有研究清楚。今后值得研究的几个发展趋势概括如下：

(1)将泥沙输运的研究与城市河道生态修复紧密联系起来。人类对河道的人工改造必然会带来河流来沙的变化，进而对河床演变产生作用，影响水情[23]。目前泥沙输运的理论研究已经较为成熟，泥沙作为河床营养盐和水体污染物的载体，会对城市河道水质和依赖于营养盐的河道生态带来一定影响[24-25]。但泥沙输运对河床产生的变化是否会对河道生态修复产生有利或不利的作用目前尚未可知。因此未来泥沙输运理论与河流生态修复的耦合研究将成为一个新的课题。

(2)河道生态修复的适应性管理研究。作为复杂而庞大的工程项目，城市河道生态修复的结果往往无法一步到位。成功的河道生态修复需要处理好自然科学与社会层面的分歧，且离不开对自然、文化、历史、财政和政治等因素的综合考虑。在科学地实施河道生态修复中，需要正确地了解和处理好各因子之间的相互影响，研究出量化关系曲线，并建立起相对的理论模型，从而对修复产生指导性作用。同时还能根据关系量化模型，积极观察河道对修复措施的响应，实时调整修复措施。更科学、更严谨的适应性管理研究，将成为未来河道生态修复工程成功的重要保证。

综上所述，实践中并不存在完美的生态修复，所有的修复方法都只是在近似自然条件下的各种动物、植物、微生物等元素的组合练习[26]。未来，针对河道生态修复的显著特质，深入和细化不同生态修复机理与机制研究，建立专门的生态修复理论模型，是生态修复成效的关键，也可更好地为河湖治理服务。