高度集约开发区域污水截排后雨源型河流的生态重建——以深圳市龙岗河为例

陈 誉，阳秀春，王 聪，徐圣君，王靖霖

(1.深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518011；2.长三角(义乌)生态环境研究中心，浙江 义乌 322015；3.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085)

城市河流污染已经成为制约中国社会经济发展的重要限制性因素，不仅损害城市形象而且对城市水生态安全构成重大威胁。沿河截污纳管可有效改善区域地表水水质，为供水水质安全提供保障。但进行沿河污水截排集中处理后会加重雨源性河流旱季、雨季水量在时空分布上的差异，削弱河流生态系统稳定性，对流域水生态环境造成隐患。

龙岗河位于中国广东省深圳市，是一条典型的雨源型城市河流。河流沿岸分布着多座城市污水处理厂，河流下游承接污水厂尾水。多年来沿河截污纳管使地表水水质逐年好转，但加重了河流丰枯季上下游的流量差异，生态补水并未消除或弱化了水文极值性。龙岗河在水质提升后仍然面临着河流水生环境受损、河岸缓冲功能下降、河流生态系统脆弱、河流生态功能缺失等诸多问题。

本文旨在研发一套集成的适用于高度集约开发区域生境受损河流的生态重建和水生态功能修复技术体系，用于污水截排后雨源型河流的生态重建。在保障水生生物种类丰度与多样性的基础上，使底栖动物清洁种的数量有所增加，河道健康水生态功能得到恢复，并提高河流水质的自然净化能力。

1 研究进展

城市化的持续高速发展造成了人口高度集中、地表高度硬化、污水高强度排放等一系列问题，并引发了河流生态水量缺失、枯水期生态基流匮乏、河流生境受损严重[1-2]。雨源型河流由于其特殊的水量补给特点，面临着城市化高度发展引发的河岸缓冲功能下降、河流生态系统不稳定、河流生态功能缺失等一系列更为严重的问题[3-4]。针对这一系列问题，国外比较成熟的修复技术包括生态基流量保障、河道栖息地修复、生态友好型岸坡防护、洄游鱼类保护等，已在美国、德国、法国、英国及韩国等国家的中小型污染河流的生态治理中得到应用[5]。随着技术体系及模式的不断完善与发展，国外的河流生态修复技术已从单纯的水质提升拓展到生态系统的综合修复；污水治理与修复的范围从前端污水处理厂扩展到入河湿地、河漫滩乃至城市公共空间；修复的目标从河流水质指标扩充为综合性的水生健康评价[6-7]。

中国针对污水截排后雨源型河流的生态修复技术研究与应用起步较晚，初期主要集中在区域污水处理厂及配套管网逐步完善方面，随着污水收集率和处理率的逐步提升，水质恶化趋势得到有效遏制，并且进入水质改善阶段[8]。但沿河污水截排集中处理也带来了许多负面影响，最典型的莫过于珠三角地区雨源型河流在污水截排后出现枯水期生态基流缺失、水动力条件弱、丰枯水期水量差异过大、上下游水质水量不均等问题。这些问题造成了雨源型河流水生态功能恢复过程中水文情势修复困难和高度集约开发区域河流渠道化、规则化、硬质化等问题得不到治理，滨河生态景观功能丧失严重[9-10]。

现阶段，国内外河流生态修复研究的主要问题和技术瓶颈在于：①河流生态修复技术往往是一项单一的技术，缺乏对各技术组合应用的协同效应的分析，对河流状态-生物群落-生态系统过程三者的相互联系和作用方式缺乏了解，无法综合应用生态学、河流动力学、生物学、工程设计等多层级多角度多指标来考察河流生态修复；②某些河流生态修复技术与河流形态、水文、河流水质和生物群落的关联性弱，对河流健康状况的诊断也往往着眼于单一因素，缺少时空上的统筹考虑，更缺乏针对不同阶段河流的水生态情况的递进式周期性修复措施；③虽然在生态系统服务和空间规划方面取得了大量研究成果，但缺乏对完善的河流修复实施机制，如负反馈机制和整合机制的研究，与此同时对修复后的河流没有建立监测评价体系，难以对河流修复后的成效作出综合评价。

为满足城市化进程下河流生态修复的需要，在对国内外先进适用技术进行分析的基础上，亟需开发适用于高度集约开发区域雨源型河流水域-陆域生态系统的重建集成技术，通过恢复河道的自然形态、提升水生生物的生境适应性、优化底栖动物的栖息环境，从而修复河流水生态系统，以达到提高河流自净能力、恢复河流生物多样性、生态系统稳定性的目的。同时，从景观生态学视角出发，通过蓝线严重受侵河道景观恢复，软性生态驳岸景观植物优化等措施实现滨河生态功能的恢复[11]。

2 污水截排后雨源型河流生态重建的总体思路和技术框架

2.1 研究区位概况

龙岗河主体位于深圳市，是东江水源河流的二级支流淡水河干流的上游段，主河道在龙岗境内长36.3 km(至田脚水河口长43.52 km)，集雨面积约338.36 km2，在深圳市内的流域面积302.13 km2。龙岗河流域水系比较发达，主要一级支流有17条，深圳范围内15条，支流大康河位于横岗境内，丁山河位于坪地境内。龙岗河流域水系分布见图 1。

图1 龙岗河流域水系分布

龙岗河流域地貌主要以丘陵为主，坡度相对较大，平均汇流时间短，洪峰流量模数大，洪水过程尖而瘦，根据观测数据，从洪水开始上涨(Q=20 m3/s)至洪峰(Q=842 m3/s)，仅历时14 h。龙岗河流域枯水期(11月至次年3月)多年平均径流量为0.259 亿m3，仅占全年的7.6%；丰水期(4—10月)为3.150 亿m3，占全年的92.4%，其中尤以6、8月为最大，分别占全年的20.2%、19.1%，形成明显的双峰型曲线。龙岗河干流和支流具有出雨源型河水暴涨暴落、丰水期和枯水期径流量差异巨大的特征。

2.2 总体思路和技术集成

核心问题是解决高度集约开发区域，如何对沿河污水截排集中处理后的雨源型河流进行生态修复。主要表现为水生态功能恢复过程中水文条件不利于诱导健康生态系统的建立和河流渠道化、规则化、硬质化条件下滨河生态景观功能丧失问题。针对以上2个问题，研发雨源型生境受损河流水生态重建技术和基于滨河景观廊道建设的水生态功能恢复技术，每项技术下辖2项子技术。在综合应用2项技术的同时，耦合流域滨河生态景观廊道建设，对受损河流进行稳定生态系统重建，重建技术总体思路见图 2。

图2 生境受损河流生态重建总体思路

a)雨源型生境受损河流水生态重建技术。主要目标是因地制宜地利用受损河流的水文、流量条件，通过强化生物群落的定植和演替，诱导流域生态系统递进式周期性朝健康稳定发展。①水生植物修复技术：针对河岸缓冲功能下降等问题，对流域内水生植物开展研究。寻找同时具有对污染物的高去除效率和对营养盐的稳定耐受特征的沉水植物，筛选出抗水力冲刷、水质净化效果较好、耐受力强的适合雨源型河道种植的沉水植物群落。在此基础上以当地河道河床多为砂石底质为基础条件，研究沉水植物快速定植技术。②基于生态流速的复式生态河床构建技术：依据河道水生生物栖息的水力特征，在界定生态流速概念的基础上，结合河道生态水深要求，提出一种枯水期河道复式生态河槽的构建方法，以保证旱季河道水生生物的栖息环境，满足水生生物枯水期生存繁衍需要，诱导河流生态功能的恢复，提高河流生物多样性和稳定性。

b)基于滨河景观廊道建设的水生态功能恢复技术。主要目标是在现有的渠道化、规则化、硬质化的河道基础上，提高河流河道-生物群落-生态环境的关联性，构建稳定的陆域-水域生态系统，为增强生态稳定性和建设怡人的滨河廊道奠定基础。①植生型多孔柔性护岸耦合植物修复技术：通过模拟河道构建多种生态驳岸形式，研究生态石笼、六角形植草砖、木桩等生态驳岸与植物耦合的生态系统生物生长情况，研发一种适宜植物生长，协同水质净化，施工质量易于控制、抗冲刷能力强、整体性和柔性好的复合型柔性护岸技术。②硬质驳岸立体生态挂篮技术：针对龙岗河流域滨岸带空间狭小的直立硬质驳岸及浆砌石硬质驳岸造成的河流景观功能丧失问题，结合龙岗河流域污水截排造成的旱季缺水和雨季水位暴涨的情况，从立体挂篮外观选择、绿化植物选择与配置、植物槽内填料优选、系统化自动化控制等多方面分析比选，提出适合于在龙岗河流域雨源型河流硬质驳岸使用的立体绿化技术方法。

滨河生态景观廊道建设结合流域相关规划与区域整体城市发展定位，确定流域承载的生态公共服务功能。生态景观廊道建设总体定位依托于河流干流及支流河道，将流域范围内的自然生态板块与城市建设用地联系起来，在流域范围内形成一张有机的生态网络系统，并结合周边环境，适当布置公共服务设施，将城市居民日常活动融入到自然的生态环境中，使龙岗河重新回归城市生活，成为自然与城市之间联系的纽带。

2.3 技术突破及创新性

本集成技术适用于经济集约开发区域污水截排后的生境受损河流，尤其适用于枯水季生态基流匮乏、降雨情境下河水暴涨暴落，导致水生动植物多样性锐减及水生态功能丧失的河流。

a)雨源型生境受损河流的生态重建技术。选取污染物综合转化能力较强的物种作为耐污性先锋种沉水植物，可以较好地利用该流域水热条件，快速构建稳定的水生生物群落。优化配制漫滩伏地类湿生植物，水陆交错带挺水植物，河道中央沉水植物。通过设置适宜的生态流速构建出满足水生生物枯水期生存繁衍需要的枯水期河道流量，诱导河流生态功能的恢复。复式河床断面形态采取近自然化或复合生态断面，通过形成不同流速和生境，使附着在河床上的生物数量增加。基于横-纵断面的梯级布置保障了物质循环和能量流动的通畅，极大地改善了河流水体植物群落、水生、陆生和两栖动物的生境，提高了河流水体的生产能力和流域的生物多样性。

b)基于滨河景观廊道建设的水生态功能修复技术。在横向断面上构建了“沉水-伏地-挺水-攀援”多层次植物群落，以多样化修复为核心，有效地诱导了河流生态功能的恢复，提高了河流生物多样性和稳定性。纵向断面构建了“水域-漫滩-水陆交错带-驳岸带”的多级河道空间，以蜿蜒性构建为核心，构建“深潭”和“浅滩”的自然特征，形成不同流速和生境，为水生生物提供栖息、觅食、避难场所，加强河流栖息地生境，使附着在河床上的生物数量增加。

c)流域滨河生态景观廊道建设。提出了集约开发区域以恢复河流连续性和完整性、生态系统连通性为核心的河流景观生态廊道设计原则，在经济与适宜的基础上制定了恢复生态基底、衔接周边环境、串联景观游线的设计策略，编制了相关设计参数，开展了相应工程实践。

3 龙岗河生态重建典型案例分析

3.1 龙岗河支流示范工程概况

龙岗河支流生态重建示范工程依托于退化河流生态修复与水生态廊道示范工程(丁山河、大康河，图 3)。丁山河是龙岗河最大的一级支流，治理河道总长6.4 km；大康河发源于园山，是龙岗河上游右岸的一级支流，治理河道总长23.42 km。丁山河、大康河作为龙岗河干流主要支流，水生态系统受损严重，河流的生物多样性、水环境净化、水文化景观等生态服务功能严重缺失，亟需进行综合整治和生态修复。

图3 丁山河、大康河综合整治工程位置

大康河河道整体渠化严重，下游局部建设条件较好。自安良新村大康河源头起，至横坪线高架下穿处流经城镇，河道较窄，河道沟渠化、硬质化。水质受城镇影响较大，周边景观建设空间局促。自横坪线高架处起，至园湘路大康河河口处，流经零星村镇，并经过几处工厂，河道较宽，河道两岸有20～30 m宽缓坡绿地，河道建设条件较好。

丁山河整体河道较宽，河道两侧有不小于30 m绿地，整体景观建设条件较好。自环城南路丁山河河口起，至龙岗大道处现状河道宽阔，河流流经工业区和公共服务区；自龙岗大道处起，至盐龙大道处河道周边多为居住区；河流流经深圳国际低碳城会展中心，周边开发较少，建设条件较好。

3.2 措施布局

丁山河是龙岗河最大的一级支流，占全流域面积的22%。深圳境内6.4 km河段流经深圳国际低碳城及坪地中心城区，河道水质及沿河生态环境不仅关系到龙岗区政府、坪地街道的对外形象、也直接影响到龙岗河交界段断面的水环境、关系到区域居民生产生活环境。示范工程在丁山河采用的关键技术包括：水生植物修复技术、基于生态流速的复式河床构建技术、植生型多孔柔性护岸耦合植物修复技术、垂直硬质驳岸立体生态挂篮技术和滨河生态景观廊道建设方案。该示范工程设计“以仿自然形态河道重建、水生生物栖息地修复、水质生态净化及滨河景观廊道生态化构建”为一体的水生态修复模式，为丁山河的水生态重建提供技术支撑。

大康河发源于园山，是龙岗河上游右岸的一级支流，流域面积大，受纳污染情况复杂，生态环境、水文条件多样，具有多种典型龙岗河流域内河道类型。构成整治范围为大康河流域干、支流，包括大康河干流、福州河、简龙河和新塘排洪渠，治理河道总长23.42 km。示范工程在大康河采用植生型多孔柔性护岸耦合植物修复技术和垂直硬质驳岸采用立体生态挂篮技术。将生态学原理融入传统的河道水工程，构建了生物生存的生境缀块，为植物创造栽种空间，形成了集防洪安全性、生态系统功能强化、景观优化提升为一体的生态型廊道，使河道垂直硬质驳岸复绿从而美化滨河景观，同时在挂篮植物栽种基质中加入具有水质净化功能的多种填料，通过取河道水浇灌植物，多余水分回补河道，实现对微污染河水的净化。

3.3 工程设计

3.3.1水生植物修复及景观廊道构建参数设计

结合河流湿地生态学特征，在河床及沿岸构建水生植物群落，修复河流水生态系统，提高水体自净能力。从物种多样性和生态位的角度出发，所选各沉水植物种有高株的，有矮小的，经有规则的种植，形成混合分布的水平斑块及“上-中-下”垂直层次。河滨带沿岸栽种多种水生植物，从河岸坡脚至河堤顶，栽种“草-灌-乔”层级结构分明的护岸植物，形成多层次生态保护。主要栽种乔木有火焰木、黄花风铃木、海南蒲桃、水杉、美人树、水翁、红花紫荆、南洋楹、凤凰木、大叶紫薇、洋蒲桃、桃花心木等。栽种灌木有红花勒杜鹃、九里香、鸡蛋花、夹竹桃、花叶鹅掌柴、琴叶珊瑚、大红花、红花继木等。漫滩地配置伏地植物主要由铺地黍、鸭跖草构成。水陆交错带配置挺水植物包括风车草、纸莎草、芦苇、芦竹、再力花等。河道生态景观廊道断面见图 4。

图4 河道生态景观廊道断面示意

3.3.2基于生态流速的复式生态河床构建技术

复式河床模拟自然河道形态，横断面由滩地和主槽两部分组成。在枯水季节，水流主要集中在河道的主槽中流动；降雨时，水流漫过河道滩地，形成漫滩湿地。在旱季水量条件下，以适宜的生态流速为依据，构建河滩湿地收窄旱季过水河槽宽度以满足多种鱼类及水生生物生存繁衍需要，诱导河流生态功能的恢复，提高河流生物多样性和稳定性。龙岗河流域植物有水生植物、藻类植物等；无脊椎动物少，无珍稀物种；而且水生植物、藻类和无脊椎动物对水量的要求明显小于鱼类，加之鱼类群体对河流的水文情势的变化十分敏感，因此选择鱼类作为关键保护性目标。为保证一定的生态目标，河道还应保持一定的水深，水深太浅，河道生态系统的基本生态功能将不复存在。结合龙岗河流域常见鱼类种类，参考相关研究和经验数据，确定河道最低生态水深为h≥0.3 m。复式生态河床的河道断面见图 5。

图5 复式生态河床的河道断面示意

3.3.3硬质驳岸立体生态挂篮技术

针对河道驳岸硬质化严重的问题，在不打破浆砌块石传统硬质驳岸前提下，进行硬质驳岸景观的生态修复，种植藤蔓植物来恢复、更新、改造河岸退化的生态环境，降低硬质驳岸对河流生态系统的影响，通过植物在时间、空间、季相及色相上变化，丰富河道景观。为满足河道行洪要求，植物需具有较好的抗水流冲击性。选择一些拥有适应性强、抗性好、抗逆性强、植物群落稳定等特点的植物，比如龙岗河流域乡土植物。乡土植物的应用水平对河道生态起到至关重要的作用，其具有较高的性价比，且投资少、绿化效果好且突显乡土特色等优势。种植规格见表 1。

表1 立体挂篮植物配置

立体挂篮对取自河道的水进行深度净化。立体生态挂篮不仅使河道垂直硬质驳岸复绿而美化景观，同时在挂篮植物栽种基质中加入具有水质净化功能的多种填料，以太阳能驱动全自动化控制，通过取河道水滴灌生态挂篮，实现对微污染河水的净化。

3.3.4植生型多孔柔性护岸耦合植物修复技术

通过植生型多孔护岸材料构建生物生存的生境缀块，为植物创造栽种空间，为水生生物提供栖息、觅食、避难场所，加强河流栖息地生境，强化河岸带系统的生态服务功能。

驳岸构建采用多孔植生混凝土预制块新型护坡技术，应用C20混凝土600 mm六边形中空块构建植生型多孔巢穴护坡，坡比为1.0∶1.5。常水位以下植生型多孔护岸种植孔栽种多种水生植物,苦草、芦苇、芦狄、香根草、再力花等。常水位以上植生型多孔护岸种植孔种植狗牙草。

3.4 生态重建运行效果

生态重建运行效果根据2015、2019年示范工程建设前后龙岗河支流大康河和丁山河展开的生态调研评估，深圳市龙岗河流域河流生态修复技术示范工程效果见图 6。

图6 深圳市龙岗河流域河流生态修复技术示范工程效果(现场照片)

该生态调查调查了每条河流在工程区所在处、工程区上游、工程区下游，分别设计3个采样位点，共计6个监测点位(表 2)的浮游植物、浮游动物、底栖动物、水生维管束植物和鱼类。

表2 龙岗河流域生态调查站位

a)浮游植物。2019年大康河、丁山河的浮游植物种类丰度分别为43、49种，比2015年分别增加了15、23种，增加幅度分别为53.6%、88.4%。浮游植物的平均细胞密度(cell/L)提高了43%。更重要的是，2019年各监测断面浮游植物组成中，易出现在清洁水体的硅藻门的种类丰度有了明显提高，而指示水体污染的藻类耐污种开始减少。

b)浮游动物。2019年大康河和丁山河的浮游动物种类丰度分别为12、17种，比2015年分别增加了6、8种，增加幅度分别为100%、88.9%。浮游动物的平均个体数量(ind/L)增加了30%。

c)底栖动物。2019年大康河和丁山河的底栖动物种类丰度分别为16、21种，比2015年分别增加了5、8种，增加幅度分别为45.5%、61.5%；底栖动物的平均个体数量(ind/m2)增加了43.8%。本次调查中发现的底栖动物耐污种主要以环节动物门中的水丝蚯为主，包括霍普水丝蚓、巨毛水丝蚓、多毛管水蚓、克拉泊水丝蚓。耐污种在总物种组成比例(%)和个体数量组成比例(%)由2015年的43%、76%分别降低到12%、43%。本次调查中发现以昆虫纲为代表的水生昆虫清洁种，如蜉蝣目和蜻蜓目幼虫，开始在大康河、丁山河的中、下游河段出现。水生昆虫的恢复指示了流域内水质、底质和沿岸带植被的恢复为其提供了良好的栖息环境和繁殖场所。

d)水生维管束植物。2019年大康河和丁山河的水生维管束植物种类丰度分别增加了21、13种，比2015年分别增加了77.8%、41.9%。大康河和丁山河的植物覆盖度平均值分别为80.3%、63.8%，分别增加了48.1%、37.8%，属重度覆盖区范围。从河流生态系统健康角度看，水生湿地植物种类和覆盖度相对之前调查增加，植物多样性变高。

e)鱼类物种。2019年大康河和丁山河鱼类种类丰度分别为15、12种，分别增加了10、8种，增加幅度均为50%。鱼类的平均个体数量增加了48%。发现本地种鱼类增加鱼类10余种，如鲮、鲢、鲤、胡子鲇等，尽管这些本地种在2019年调查中所捕获的数量较少，很多仅为1条。鱼类种类丰度和个体数量的增加生态修复工程在改善河流水质的同时增加了鱼类的栖息地面积，尤其是沿岸带水生植被区，有利于鱼类的觅食和繁衍。

示范工程生态修复前、后各生态学指标变化情况见表 3。

表3 示范工程生态修复前、后综合比较

综上所述，论文所研发的用于高度集约开发区域生境受损河流的生态重建和水生态功能修复技术体系，全面支撑了深圳市龙岗河流域水生态健康生境重建综合示范区的建设，通过200亿的投资，使龙岗河流域11条干支流水质稳定达到 IV 类，实现了龙岗河流下游深惠交界断面COD<20 mg/L、氨氮1.0～1.5 mg/L；与此同时，流域水生生物种类丰度和多样性水平都大幅提高，其中水生生物物种丰度提高82.7%；水生生物多样性指数提高46.5%；水生植物覆盖度增加42.9%；底栖动物耐污种数量降低32%，底栖动物清洁种增加6种，开始出现以四节蜉属、中国长足摇蚊、花翅前突摇蚊等清洁种；土著鱼类增加10种，鲮、鲢、泥鳅等在河道中重新出现。

4 结语

a)针对雨源型河流污水截排水质提升后仍然面临着河流水生环境受损、河岸缓冲功能下降、河流生态系统脆弱、河流生态功能缺失等诸多问题，集成水生植物修复技术、基于生态流速的复式河床构建技术、植生型多孔护岸耦合植物修复技术和硬质驳岸立体生态挂篮技术，形成了生境受损河流水生态重建集成技术，为高度集约化开发区域雨源型河流的生态重建提供总体思路和技术框架。

b)应用该生境受损河流生态重建集成技术，建设了龙岗河支流大康河、丁山河退化河流生态修复示范工程，工程实施后，大康河、丁山河的水生生物种类丰度与多样性显著提升，底栖动物耐污种数量得到增加，河流水质生态净化能力也实现了增加，实现了河道水生态功能的诱导恢复，实现了雨源型河流仿自然形态河道重建和水生生物栖息地修复。

c)在本研究中，用于生境修复的水生植物的选取和用于复式生态河槽构建生态流速的选取具有因地制宜的特性，而柔性护岸的设计考虑和立体生态挂篮的应用具有普适性，可在水文条件相近的区域进行推广。

d)该技术框架和技术体系的应用全面支撑了深圳市龙岗河流域水生态健康生境重建综合示范区的建设，实现了龙岗河流水生生物种类和多样性大幅提高(物种丰度提高82.7%，多样性指数提高46.5%)，开始出现底栖动物清洁种；土著鱼类增加，鲤、鲢、鳙、赤眼鳟等在河道中重新出现。表明该研究破解了高度集约开发地区沿河大截排后遗症，研究成果的应用可作为雨源型河流生态重建的工程样本。

e)本研究还需要对生境恢复过程中优势植物、优势动物的动态变化特征加以研究，并且持续警惕生境恢复后，入侵植物或鱼类可能对生态环境构成的威胁。