水下森林在华亭市汭河安口段城市河道生态修复中的应用

单鹏宇，何 苗

（东北大学艺术学院，辽宁沈阳 100819）

随着工业的发展，越来越多的废水排放造成水资源污染，同时生活污水、生活垃圾不断增加，这些都对水资源造成很大的影响。在城乡河道区域，工业废水、生活废水被大量排入水中，垃圾没有统一处理，很多生活垃圾被丢到河里，长期的积累对河道造成严重的污染。此外，由于地理原因导致监管困难，加上部分地方的水资源保护意识不强，水污染问题也难以引起人们的重视，很多地区的河道水质非常差，只在Ⅴ类和劣Ⅴ类。

城市河流作为城市景观重要的组成部分，自古承载了城市建设与文明传播的重要使命，但随着经济社会的发展，河流水质遭到一定程度的破坏，不仅造成了河道水体缺氧、水中生物难以生存、氨氮污染严重、污染磷量超标、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）超标、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）超标等问题，还有很多生活垃圾漂在水面，影响城市的景观和形象。相关数据显示，目前我国黑臭的污染河道非常多，并且数量仍在持续增加。水污染问题无法得到有效处理，越来越严重的污染导致生态失衡，河中的鱼类大量死亡，不仅散发出难闻的气味影响人们的生活，也对河流整治造成较大的困难。

水下森林技术是指利用在水底生活的沉水植物群落的生物同化作用，把水域中过剩的营养元素加以吸收从而提高水质的技术。大型沉水植物在水底生长迅速，其茎、叶、表皮、根均具有同化功能，这些结构都可以直接迅速地对周围水体的污染物进行吸附同化。该项技术的提出，给各地河道生态修复提供了一些有实践价值的方法。例如，可以利用河流中以水茅为主的各类水草净化水体、控制蓝藻繁殖、固定超临界二氧化碳等功效，改变水文地质条件和河流地貌学特性，以恢复已被严重破坏的水生态系统的生态群体功能和内部结构，重建健康的水体生态系统，恢复和完善地下水体自然生态体系。据此，本文主要针对水下森林对水质富营养化的改善及对氮、磷的吸收，研究其对华亭市汭河安口段水质提升的作用，旨在为整个自然生态系统实现整体和谐、自我保护、自我演替的良性循环提供一定的参考。

1 河道生态修复应用水下森林技术的案例

1.1 苏州消夏湾湿地生态安全缓冲区修复

为满足《苏州市城市总体规划（2040）》的有关规定，苏州生态涵养发展实验区中消夏湾湿地生态安全缓冲区选择“控源+生态建设净化”实施功能开发利用的技术发展路径，如图1 所示，消夏湾湿地生态安全缓冲区通过修建15.5 hm2强化型水下树林和1 km清水回用廊道等，建立面源污染物截留系统，综合治理约4 km2地区的环境污染，完善地区生态环境，采用荷花、菖蒲、芦苇、雨久花、伊乐藻和密刺苦草的植物组合，构成“消夏湾生态建设空气净化湿地环境”园区。

图1 消夏湾湿地生态安全缓冲区鸟瞰图

消夏湾湿地生态安全缓冲区的水下森林工程建设完工后，通过森林生态系统服务功能实物量对其进行评估计算得出，该区域预测在未来每年将减少临近地区排入太湖中的总氮约100 t，总磷约10 t[1]。

1.2 鄞州院士公园生态修复

鄞州院士公园位于浙江省宁波市鄞州区高教园区，其在2014 年尝试建设水下森林工程，利用微生物净化原理和沉水植物实现水体循环净化，重构水底生态链，形成了水下生态丰富多样的生态系统。截至2023 年6 月，河川流域总量约为66 640.56 m2，土质河床区域为55 000 m2。

经统计可知，截至2023 年，该园区沉水植物栽植面积占土质河床总量的70%以上，占流域总量的60%以上。园区的沉水植物有苦草、轮叶黑藻和伊乐藻等，其中又以苦草为重要物种，共33 600 m2，约占总量的80%；轮叶黑藻、伊乐藻的种植面积均为4 200 m2。有关资料表明，由于水下森林的建设，院士公园的水质由劣Ⅴ类提高到Ⅱ类，其氨氮和总磷两个指标更是明显降低，分别达到了Ⅰ类水、Ⅱ类水的标准[2]。

2 华亭市汭河安口段河道生态概况

2.1 汭河概况

汭河为泾河的一级支流，发源于六盘山、陇山的分水岭东麓，发源地平均海拔2 666 m，在甘肃省平凉市泾川县的西王母宫山前地汇入泾河，全长119 km，流域总面积1 670 km2，年均比降为2.71‰。汭河流域形态呈手掌状，上游位于六盘山土石峰区，水系发达，雨量较多，两岸有次生林、灌丛和草类覆盖，植被条件较好，但河流含沙量较低；中下游则是狭长段峡谷，两侧黄土裸露，河道较开阔，形成游荡式河流，每逢大雨，便有大批淤泥流入河道，水土流失严重。

2.2 水质状况

经过调查评估，汭河流域的环境恶劣，汭河安口断面为Ⅴ类水质，超标项目为氨氮、总磷，其中氨氮超标2.8 倍、总磷超标0.07 倍。依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的单因素评估方法对环境进行了评估，超标项目与超标倍数以Ⅲ类水标准确定[3]。由此得知，汭河流域内氨氮含量为2.8 mg·L-1，总磷含量为0.214 mg·L-1。

2.3 河道存在的问题

2.3.1 河道硬质化

走访观察发现，受河道取矿的影响，目前华亭市汭河安口段沿河植物、因水而兴生物的栖息环境受到破坏，进而打破了滨水自然环境的稳定性。与此同时，华亭市汭河安口段河道部分地段铺装呈现出较为严重的人工化问题，进而造成河道土壤硬质化的现象更加突出，直接损害了河流生态系统的自然进化结构。

2.3.2 植物单调，功能单一

通过对华亭市汭河安口段河道多次走访观察发现，该区域不仅雨污分流设施较少、管网覆盖率低，而且管网管护力度不够，没有为植物提供一个适合生长的环境。虽然当地政府积极引入相关植物并加以栽培，但是由于栽培设施不健全，以及引入植物的适应能力偏低，造成了河道水草稀疏、滩涂裸露的现状。虽然目前该区域在配套设施建设上已经达到了防洪条件，但却没有完善的自然环境、亲水空间和植被景观。

2.3.3 与周围的建筑景观要求不适应

作为华亭市重要的水资源集散地，汭水流域已成为当地重要的城市景观带和生态廊道，然而在植物造景和建筑景观构筑物的配置方面，虽然功能尚可，但在美观方面仍有不足，从而导致景观现状条件和城市规划中的要求极不相称，无法让城市居民在解决一日生活需求（人均日生活用水量、人均生态足迹）的基础上，提升其对于生态美学的感受，进而提升市民生活质量与幸福感。因此，华亭市汭河安口段景观急需加以整治与恢复。

3 华亭市汭河安口段水下森林生态系统建设

3.1 水下森林生态系统建设原则

3.1.1 因地制宜原则

经过实地考察调研，华亭市汭河安口段的植物配置存在过多引入外地植物的现象，造成部分植物虽然具备观赏价值，但在缺乏适宜生长环境的情况下，很难发挥其净化环境污染的生态价值。因此在本次改造设计中，基于因地制宜原则，充分利用当地植物进行环境填充，如菖蒲、香蒲、轮叶黑藻、金鱼藻、茭白、慈姑、水芹、睡莲、芦苇及赪桐等。华亭市汭河安口段可以通过选取当地植物，按照多个本土植株的科学搭配，提升当地河道污染物去除能力。

3.1.2 生态性原则

目前，华亭市汭河安口段河道污染物缺乏合理的处理装置，因此华亭市汭河安口段可以基于生态性原则加强生态治理，采取多植物搭配的方式，针对氮、磷等元素进行针对性去除，并合理利用不同的植株搭配多方位消除污染物，使其相互联系，形成一个整体，提升污染物综合去除效果。

3.1.3 生物多样性原则

华亭市汭河安口段气候温湿，雨热同期，因此植物生长旺盛，生物多样性丰富。在华亭市汭河安口段改造设计过程中，可以针对汭河流域水体中的氨氮废水、总磷的浓度，将选取相关研究中关于氨氮消除效果较优的植物组成。苏军民指出，菖蒲+香蒲+金鱼藻+轮叶黑藻的组合对于氨氮的去除率高达97.74%，对总磷的去除率为95.05%[4]。

菖蒲、香蒲、轮叶黑藻、金鱼藻4 种植物（见图2）在华亭市较为常见，且生存环境优渥，因此可以对其加以利用。本文对当地河道进行充分调研后设计出如下种植密度，旨在充分发挥以上4 种植物的特性。

图2 适用于华亭市汭河安口段的植物选择

1）菖蒲。菖蒲根横走，略扁平，分枝，长1.3～2.0 m，外皮为黄棕色，芳香，肉质根较多，长50～60 mm，有毛状须根。冬季以地下茎徒涉泥中过冬。喜冷凉湿润的天气，阴湿条件下生长较好，抗寒，忌干旱。种植密度为25 株·m-2。

2）香蒲。属多年生水生或沼生草本植物，根状茎为乳白色。地上茎粗壮，走向渐细，高1.2～2.4 m。叶线形，长40～70 mm，宽4～9 mm，在越冬期间能耐-9 ℃以下低温。种植密度为25 株·m-2。

3）轮叶黑藻。轮叶黑藻为多年生的沉水草本植物，根茎为圆柱状，表层有纵细的棱纹，质较脆。休眠芽细长椭圆形；总苞叶极多，螺旋状密集布置，洁白至淡黄翠绿，狭披针形或披针形。性喜温暖，耐寒。种植密度为50 株·m-2。

4）金鱼藻。为多年生的沉水草本植物，根茎长度40～150 cm，表面光滑，有分枝。温度逐渐降低后，沉在泥土中休眠过冬，第二年春天再萌芽形成新株。在成熟期内，已断裂的老植株也可随时生长为新株。种植密度为50 株·m-2。

3.2 水下森林生态系统驳岸处理

在水域与陆地的过渡地带，即水深不大于0.3 m的水边地带采用丛植、分片种植的方式，在植物种类的选择上，利用华亭市汭河安口段当地的湿地植物如菖蒲、香蒲、轮叶黑藻、金鱼藻等进行装饰，在丰富河道景观的同时，形成良好的水下森林生态系统。

在水深0.3～0.5 m 的区域，利用植物自我修复功能处理渠内水体的环境污染，增强水体自我净化能力，破坏渠道原始构造，还原天然蜿蜒的河道形状，并在河道单侧或两侧形成绿道花境或是宽叶型的浮叶植物景观，在丰富水下森林生态系统的同时，营造河道水上植物群落景观。同时，要考虑覆盖水体的区域与水体景观相协调，兼顾景观效果。

在水深0.9～2.5 m 的区域，采用深水植物（如金鱼藻、狐尾藻等）与部分漂浮植物（如睡莲、菖蒲、满江红等）相结合的种植方式，既能满足视觉景观效果，又能延缓水流，使微生物、水生动物等可以在此定居[5]。在水下森林生态系统驳岸处理上，改建之前当地水泥驳岸构造，以石笼、垒石、杉木桩等方法创建多孔性的驳岸构造，为两栖类哺乳动物与淡水鱼等提供了较为平缓的水体和生长环境。

3.3 水下森林生态系统面源污染控制

面源污染主要是指城市河道土壤泥沙、含氮磷的生活污水、侵入河道的农药，以及城市上空各种大气颗粒物对河道造成的污染。本文认为在华亭市汭河安口段建立水下森林生态系统，可以净化当地水资源，同时对大面积的液态污染源进行控制。在建立水下森林生态系统的过程中，需要注意部分固体垃圾滤液的渗入问题，要在驳岸及水下进行深入控制，建立滤液处理设施和垃圾中转站，并将污染滤液处理后排入市政管网，在保证水下森林系统中的动物得以健康生长的同时，协助水下森林系统缓解除污压力。

3.4 净化结果

通过搜集2022 年6 月—2023 年5 月统计数据可求得，目前该河段氨氮含量每月稳步下降约0.086 mg·L-1，总磷含量稳步下降约0.01 mg·L-1。预计未来1 个月，其氨氮和总磷的含量都将达到Ⅰ类水标准。

4 结语

水下森林对于河流中的污染物有着显著的清除效果，华亭市汭河安口段的水质在通过水下森林的建设后氨氮和总磷的含量可以达到Ⅰ类水质的标准。水下的森林生态景观在城市河流整治施工中更能发挥对自然的吸引力与资源优势，不但美化了城市环境，还促进了人与自然的和谐。在未来建设城市的整体生态系统时要注意不可忽视了城市中河流治理的重要意义，河流景观已经成为城市自然环境的一份子，也是所有市民必须共同保护的自然财富。总之，应积极发展绿色河流体系，给居民提供一个从城市市中心到水下森林生态区的便捷途径，从而营造一种综合性的城市生态景观空间。