山西典型河流水生态修复技术体系研究

朱文涛 董静 孙一鸣 乔晓荣 齐朔风

摘 要：文章以山西河流为研究对象，概括总结了山西河流典型特征，归纳分析了山西河流的水生态环境现状与存在的主要水生态问题，并将全省河流纵向划分为上游源头及湖库保护区河段、中游纳污区河段、中游城市景观河段、下游入河口缓冲区河段等四个典型河段。在此基础上，结合河道水质净化、岸带生态恢复、底泥疏浚及水生态系统构建等典型的河流生态修复技术，构建了山西河流从上游到下游的全流域水生态修复技术体系。

关键词：山西河流 水生态修复 全流域 技术体系

中图分类号：F207  文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2021）04-133-03

一、引言

河流是人类赖以生存的水环境，不仅为人类提供了各种资源，还承担了涵养水分、调节气候、调蓄洪水、净化水质及休闲娱乐等功能[1][2]。然而，多年来人类从自身安全与发展要求出发，不断对河流进行改造，在满足人类需求的同时，也造成了河流生態空间被压缩、生态基流无法保障、水质严重恶化及水生生物锐减等问题，河流生态系统受到严重损害[3][4]。当前，我国政府已经把生态文明建设作为国家发展的大政方针，提倡尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，坚持“绿水青山就是金山银山”，颁布了有关水生态系统保护与修复的方针政策，要求正确处理开发与保护的关系，在保护生态的基础上合理开发利用水资源，推进生态脆弱河流的生态修复[5][6]。山西是我国重要的能源重化工基地，也是全国最缺水的省份之一[7][8]。长期以来，资源的粗放型利用、过度开采与矿井水疏干，导致地下水超采、岩溶大泉干涸、地面沉降、河道生态基流得不到满足、水体污染严重，湿地空间不断缩小，极大地制约了山西经济社会可持续发展[9][10][11][12][13]。因此，开展水生态系统保护和修复，对恢复山西水环境、保障经济社会可持续发展已迫在眉捷。

二、山西河流特征

山西河流划分为黄河、海河两大流域，西及西南部属黄河流域，东及东北部属海河流域。绝大部分河流发源于境内，向省外发散流出，属于自产外流型水系，水源主要来自大气降水。除流经省界西、南两面长达695km的黄河干流以外，全省流域面积大于10000km2的较大河流有5条，分别为黄河流域的汾河、沁河，海河流域的桑干河、漳河、滹沱河[14]。山西河流受区域地形条件和自然气候的影响，呈现出明显的山地型和夏雨型特征。

一是河流众多，但河川径流量普遍较小。山西以山地和黄土丘陵沟壑为主的地貌特征，使得山西拥有众多的河流，但多数河流属于季节性河流，河川径流量普遍较小。

二是水量季节分布不均，洪水径流高度集中。由于受东亚季风环流支配，山西地表水的年内分配表现为典型的夏雨型，天然情况下，多年平均连续最大4个月径流量占年径流量的比例50%～80%之间，出现月份集中在6～9月或7～10月。

三是多为山地型河流，河道坡降大，源短流急。山西的河流大多发源于东西两翼山区，具有山地型河流的特点，河长都比较短，河道比降一般在3‰以上，坡度比较陡，普遍具有源短流急，侵蚀切割严重的特点。

四是水土流失严重，河流生态本底脆弱。由于地处黄土高原区，地形起伏，河道比降大，加上降雨集中，多暴雨洪水，致使地表侵蚀严重，河流泥沙含量高，水生态环境脆弱。

三、山西河流水生态现状及问题诊断

山西省河流属典型的北方山区性河流，与其他区域相比，呈现出显著的地域特征，包括：河川径流量普遍较小、洪水期集中、冬季冰封期长，河道空间普遍狭窄且坡降较大、水土流失较重等。然而，在山西省工业化、城市化发展进程中，河流作为各类污染源的受体，遭受了不同程度的污染和破坏。当前，山西省河流水生态现状总体表现为：

一是河川径流量不断减小，断流问题突出，除蓄水河段外，河水水位普遍较浅。自20世纪80年代以来，由于降水减少及地表条件变化，造成河川径流逐年递减;另一方面随着经济社会发展，需水量不断增加，河水大部分被引用消耗，径流量迅速减小，小泉小河干枯，部分大河断流。

二是河流污染负荷重，多源污染问题突出，超过河流水环境容量，除源头区外，其余河段均遭受不同程度的污染。全省流域整体水质属中度污染，主要污染物为NH3-N、BOD5和COD，并且NH3-N污染最为普遍，五大重点流域及沿黄支流设置的监测断面均存在无法稳定达标的问题。

三是河道空间普遍狭窄，坡降较大，且人工化改造严重。多数河流自然形态被破坏，河流廊道空间被侵占，尤其是城区景观河段，河道裁弯取直、渠系化及硬质化问题突出。

四是河流生境破坏严重，水生生物多样性差。多数河流中下游河段存在生态基流无法保障，外源污染负荷重等问题，破坏了水生生物的栖息地，导致水生生物多样性差，河流水生态功能基本丧失。目前，除少数良好水体保护区域外，全省大部分河段鱼虾绝迹，河流生态系统受损严重。

基于山西河流的自然特征及区域分布，根据各河段的水环境功能及生态现状，可将全省河流纵向划分为四个典型河段：上游源头及湖库保护区河段、中游纳污区河段、中游城市景观河段、下游入河口缓冲区河段。结合各河段的特征及生态现状，诊断存在的典型问题，进而确定其水生态修复的主要任务。

首先，上游源头及湖库保护区河段：该河段在山西省范围内多为山区型河段，且普遍建有水库，承担了供水功能，水质多数达到或优于地表水Ⅲ类标准，如五大河流域及沿黄支流岚漪河、蔚汾河、三川河、屈产河等源头河段都具有该特点，属山西省良好水体保护区。相比而言，该河段受外界干扰较小，水生态环境总体较好，应以源头及库区水质保护和改善为主。

其次，中游纳污区河段：主要流经农村和城市区域，受人类活动干扰较大，承担了纳污功能。多数河流由于上游建坝蓄水，导致下游20km～30km河段断流，生态基流无法保障;除降雨补给外，沿途接纳了各类污水，内外源污染负荷重;违章建筑及各类垃圾沿河倾倒，导致河道空间被侵占问题突出，运城的涑水河、晋城的丹河、吕梁的文峪河、大同的御河等中游河段均普遍存在该类问题。该河段应以河流空间恢复、水源补给及水质改善为主。

第三，中游城市景观河段：该河段主要为人工改造后的蓄水河段，承担了景观功能。山西省大多数穿越城区的河段都实施了蓄水美化工程，如汾河太原段、临汾段，三川河离石区段、柳林县城段，朔州七里河段及桃河阳泉市区段，该蓄水河段大多为“死水”，清水补给量少，水体流动性差，河道渠系化及硬质化问题突出，水体自净能力基本丧失。同时，水陆过渡带及基底硬质化导致水生生境被破坏，河道及岸带水生生物绝迹，且部分河段景观协调性差，不能满足人们的亲水要求。该河段应以水质改善和岸带生态恢复为主，同时考虑景观需求。

第四，县城下游至入河口缓冲区段：该河段多为峡谷型河段，逐渐远离市区，受人工干扰相对较小，属水质缓冲区，河水自净能力逐渐恢复，水生生物增多。但由于上游河段污染严重，超过该区域的自净能力，水质虽有所改善，但未达到水环境质量要求，出境断面水质超标问题较普遍。该河段可在上游水质改善的基础上，以河流水生态自修复为主。

四、河流生态修复技术

河流生态修复是指在充分发挥生态系统自修复功能的基础上，采取工程和非工程措施，促使河流生态系统恢复到较为自然的状态，改善其生态完整性和可持续性的生态保护行动[15][16]。目前，国内外关于河流生态修复的技术很多，涉及河流形态恢复，河道水质净化，岸带生态防护，河流深潭和浅滩序列的重建，河流水生态系统重建，洪泛区湿地特征的创建，亲水设施建设，河道底泥疏浚，多孔和透水护岸材料、结构的开发及工程施工技术的应用等[17][18][19]。其中，关于河道水质净化、岸带生态恢复、底泥疏浚及水生态系统构建等方面的技术在国内河流生态修复方面应用较为广泛。

（一）河道水质净化技术

主要指在“控源截污”的基础上，对受污染河道水进行综合治理。目前，采用较多的技术有河道复氧技术、人工湿地处理技术、生物接触氧化、氧化塘处理系统、植物—土壤处理系统、生态浮岛技术、生物操縱技术等。其中，生物处理技术具有工程造价少，能耗和运行成本低、净化效果显著等特点。

（二）岸带生态恢复

主要用于已有硬化河岸的生态修复，属于城市水体污染治理的长效措施。生态型护岸技术种类多样，可依据具体情况进行调整设计，可采取植草沟、天然材料垫、透水砖等形式，对原有硬化河岸（湖岸）进行改造，通过恢复岸线和水体的自然净化功能，强化水体的污染治理效果。对于滨岸坡面或直立岸堤，鼓励采用近自然岸堤、生态混凝土、石笼护岸、栅栏护岸及藤蔓植物仿自然等技术对滨岸带进行生态化改造，去除硬质化、渠系化及“三面光”河道。其设计模式主要有：

1.自然原型生态驳岸。可结合景观设计，采用乔灌草相结合的方式，营造近自然状态下的植被群落来保护河岸，保持水道的自然堤岸特性，通过植被发达的根系吸附、过滤污染物、净化水体，稳固堤岸。该类型生态驳岸具有调节洪水、过滤污染物、控制养分流失以及保护生物多样性的多种生态功能。建设模式：水面→沉水植被→挺水植物→灌草地→乔木林。

2.自然型生态驳岸。结合现有的防洪石质堤坝等水利设施，沿河道两侧建设自然型生态驳岸，按驳岸原有的生态位植被模式进行补充和重植，增强堤岸抗水流冲刷能力。实行乔灌草结合，不仅可固堤护岸，而且可过滤污染物，控制氮、磷，防治面源污染。建设模式：水面→石头或木桩→灌草地→乔木林。

3.亲水堤岸。亲水堤岸是为人们亲水提供空间环境，其设计既要考虑堤岸的防洪安全和亲水空间，也要考虑到人身安全。需根据水位的变化，选择种植垂柳、芦苇、菖蒲等乡土水生植物，形成多层次、多样化的滨水湿地景观，为野生动物提供良好的栖息生境，促进湿地生态系统自然演替，维护湿地生态平衡。建设模式：水面→自然型驳岸→亲水栈道→灌草地→乔木林带→公路。

（三）底泥疏浚

主要指清除沉积物表层的氮、磷、有机质富集层，切断河道水体内营养盐物质循环链，将富含营养盐的物质移出河道水体，它是以减少内源污染负荷为目的的技术，被认为是控制河道内源污染效果最为明显的工程技术措施。常用的底泥疏浚的方法有两种：一种是抽干湖/河水后清淤;另一种是用挖泥船直接从水中清除淤泥。后者的应用范围较广，江河湖库都可用之。底泥疏浚能相对快速地改善水质，但清淤过程因扰动易导致污染物大量进入水体，影响到水体生态系统的稳定，因而具有一定的生态风险性，不宜作为一种污染水体的长效治理措施。

（四）水生态系统构建

水生态系统构建技术是针对水质得到改善后的河流，通过完善整个生物群落组成，形成生物群落与水体环境的双向反馈协调，其中水生植物、水生动物、底栖动物、浮游动物、微生物等各种类数量均衡协调，充分利用水生植物的净化效果，重建健康的水生态系统，提升河流的自净能力，实现水环境治理和水生态恢复的目的。该技术主要通过人工辅助，选择适于该区域生长的沉水、挺水及浮叶等水生植物，恢复水生植物系统，在保护水生植物净水功能的前提下，完善人工生态系统食物链和食物网结构，在水体中放养一定种类和数量杂食性鱼类和底栖动物，提高水生生态系统的稳定性。

五、山西河流水生态修复技术体系构建

河流生态修复是一项系统工程，影响因素较多，不仅需对河流自身功能和特性、污染成因及污染程度进行分析，还需考虑修复技术的经济性、治理效果及其维护管理的难易性。通过对山西各典型河段存在的水生态问题及重点修复任务进行梳理，发现各河段存在的问题涉及到河流形态、水质、岸带及生态系统等多个方面，仅靠单一的治理措施是无法实现河流生态系统修复的。因此，本研究将基于河流生态修复的目标要求，结合现有的各类修复措施，从技术适宜性、经济性及生态友好性角度进行筛选、评估，通过不同技术的优化、组合构建山西河流生态修复的技术体系，为全省河流水生态系统恢复提供技术指导。

（一）上游源头及库区河段

修复需求为源头及库区水质改善。该河段受外源污染影响小，水质相对较好。基于该河段的水质特点和要求，可选择生态修复措施对源头及库区水质进行改善，如人工湿地净化系统、水生植物强化净化技术、河岸生态防护、库区周边生态修复、库区内生态修复等。该类技术具有投资少、运行费用低、水质改善效果明显且无二次污染等特点。以汾河水库为例，该水库承担了太原市的饮用水功能，但因上游支流河段受到不同程度的污染，对库区水质影响较大。基于该河段的水质改善需求，可对汇入库区内的各支流河段采用人工湿地系统进行水质净化;对库区周边可实施岸带生态防护工程，如构建生态护岸，阻隔面源污染;对库区内水质，可通过在库尾构建具有净化功能的水生植物系统，包括挺水植物、漂叶植物及沉水植物，同时在库区内种植大量沉水植物，对水中污染物进行吸收、降解，达到水质净化的目的。通过实地调查，适宜山西省气候条件且具有明显净化功能的水生植物有芦苇、香蒲、黄花鸢尾、水葱、美人蕉、花叶芦竹、千屈菜、黑藻、褐藻、伊乐藻、菹草、荇菜、狐尾藻、金鱼藻等，可根据实际情况搭配选择。

（二）中游纳污区河段

该区域修复需求为河流空间恢复、水质净化及河流生境恢复。该河段受人类活动干扰较大，流经农村区域的河段，农田及垃圾侵占河道问题较突出，而城市河段则普遍存在道路及各类建筑侵占河道的现象。因此，需对河道范围内的农田、垃圾及各类违章建筑实施退出、清理，保障河流足够的生态空间，恢复河流形态的多样化。同时，该河段水质污染负荷较重，黑臭水体居多。基于河流污染成因及特点，可按控源截污、内源治理、水源补给及河道水体污染综合治理的思路消除河道黑臭，改善水质。“控源截污”主要针对入河的点源及面源污染。该河段存在的点源类型包括分散点源和集中排放源。分散点源治理技术可选择截污纳管和河岸带阻控技术。其中，河岸带阻控技术主要针对无法纳入污水收集系统的排放源，可通过原位净化处理后达标排放。目前应用较多的技术有常规污水二级处理+人工湿地系统和地埋式一体化设备，如生物净化槽等。集中排放源主要指处理后的工业废水或城镇污水厂尾水，也可经原位深度净化处理后排河，如人工湿地处理系统、生态塘系统、生物接触氧化技术等均可达到治理效果。面源污染主要为经雨水径流汇入河道的各类污染源，可结合初期雨水控制技术和生态护岸技术等实现面源污染阻控。其中，初期雨水控制技术可选用人工湿地处理技术、下凹式绿地调蓄和净化技术、生态滤岸技术、梯级生态阻控技术等。内源治理主要针对污染底泥，应用较多的技术有底泥生态疏浚、原位覆盖污染控制技术、底泥生物修复技术等。其中，底泥生态疏浚是目前城市河道内源治理普遍采用的及时，主要针对河流的污染底泥沉积层，通过底泥的疏挖将污染物质移出水体，清除内源污染，改善水生态循环，并为水生态系统的恢复创造条件。河道水体净化以原位就地净化为主，适宜流量小且污染严重的河段。目前，国内外应用较多的河道水体原位治理技术主要包括河道曝气复氧、生物接触氧化、河流湿地系统、生态浮岛等。基于本河段的污染特点，通过技术比选，人工曝气复氧技术、生物制剂原位净化技术、河流湿地系统、生态浮岛技术及外源优化调水技术比较适于山西省中游河段的重污染水体治理。其中，外源优化调水技术除采用跨河调水外，可充分利用城市污水处理厂中水及雨水进行水源补给。流经农村区域的河段，在水质改善的基础上，以河流水生态系统自修复为主。而城市区域的河段，可对其岸带和基底进行生态化改造，如构建近自然型生态驳岸、河底铺设卵石等方式改善河流生境，然后通过恢复水生植物、水生动物逐步恢复河流的生态功能。

（三）中游城市景观河段、县城下游至入河口缓冲区河段

修复需求为水源补给、水体自净能力恢复、生态护岸构建及水生生物多样性恢复等。针对水源不足的问题，除引水补给外，可对雨水进行收集、净化处理后回补河道。可采用生物接触氧化技术或人工湿地处理技术沿河岸构建带状净化系统，达到面源污染治理和水源补给的作用。对于河道水质改善，可选择河道复氧技术、水生植物强化净化技术、生态浮岛技术对景观水体进行水质净化。生态护岸建设主要是针对现有的硬质化直立岸堤进行生态化设计、改造。基于山西省城市景观河道岸带硬质化的问题，生态护岸的构建需依据实际情况进行设计。针对城市区段普遍存在的直立岸堤，可采用近自然岸堤、生态混凝土、石笼护岸、栅栏护岸及藤蔓植物仿自然等技术对滨岸带进行生态化改造，强化岸带的污染治理阻控效果，同时增加亲水平台的设计元素。水生生物多样性恢复主要是在水质改善的基础上，通过人工辅助的手段快速恢复该河段的水生生态系统，主要包括水生植物和水生动物的恢复，实现水生态系统的自平衡。水生植物恢复首选是先锋物种。基于适应性、本土性、强净化能力及可操作性原则，在广泛调查的基础上，结合原有水生生物种类，进行先锋物种的选择。其次是群落配置。可通过人为设计，根据环境条件和群落特性，按一定的比例，在空间、时间上布置植物群落。水生动物恢复主要是根据河流生态恢复的需要，人工引入贝类、螺类等底栖动物和鱼类等进行恢复。上游水质改善后，县城下游植入河口缓冲区河段的污染负荷降低，依靠水体自净能力，河流生态系统可逐步恢复健康。该河段亦可适当增加一些水生净化植物，强化河流的自净能力。

六、研究小结

在流域污染综合治理的思路下，针对山西省河流各河段存在的水生态问题，提出适宜的治理措施，从上游到下游构建全流域的水生态修复治理技术体系，包括河流形态和空间恢复、河流水质净化、河流生境改善及生态护岸构建等。通过典型河流水生态修复技术体系的构建，为全省河流水生态修复工作提供技术指导。

[基金项目：本文为山西省重点研发计划项目（社会发展方面201703D321002）：山西典型河流水生态修复关键技术研究;山西省重点研发计划項目（社会发展方面201903D311004）：山西省典型河流水生态环境治理与修复技术研究成果。]

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（作者单位：朱文涛，乔晓荣，齐朔风，山西新科联环境技术有限公司 山西太原 030031;董静，孙一鸣，太原理工大学 山西太原  030024）

[作者简介：朱文涛，山西新科联环境技术有限公司工程师，硕士，主要从事河流生态环境修复研究及相关工作;董静（通讯作者），太原理工大学讲师，博士，主要从事河流生态环境修复、生态环境用水安全、污染环境的生物修复等方面的研究;孙一鸣，太原理工大学环保产业创新研究院科研助理，硕士，研究方向为水文水资源;乔晓荣，山西新科联环境技术有限公司高级工程师，硕士，研究方向为河流生态修复;齐朔风，山西新科联环境技术有限公司工程師，硕士，研究方向为河流生态修复。]

（责编：贾伟）