第五章 城市河湖水系统修复理论及技术

第五章城市河湖水生态系统修复理论及技术土建学院蒋耿民一、城市化与河湖二、城市河湖生态修复的原则三、城市河湖水生态系统修复的理论基础四、城市河流水生态系统修复技术五、城市湖泊水生态系统修复技术六、城市河湖滨岸缓冲带修复技术概述功能日益萎缩导致城市河湖水环境不断恶化水生态系统日益退化城市化进程影响城市社会经济可持续发展为了实现城市河湖水生态系统的良性循环以及城市社会经济的可持续发展，城市河湖水生态系统修复成为目前我国城市水环境综合治理的重要内容。一、城市化与河湖城市河流作为流域的一部分，它不仅参与整个流域的水循环过程，而且又深受城市单元环境的影响。城市河流具有水源地、水路运输、旅游娱乐、物质循环与生态保护、减弱城市热岛效应及调节局部气候等功能。城市化初级阶段成，城市河流依然呈现自然生态系统的特性。随着人类对河流利用强度和伴随而来的破坏强度不断增加，城市河流成为自然过程与人文过程相互作用的复杂生态系统。在人类活动频繁区域的河流，受人类生存活动的影响较大，自然生态系统明显退化，以致鱼虾绝迹，甚至水生植物消亡。城市化对河湖的影响形态影响污染物输入影响生态影响1、城市化对河湖形态的影响城市化对河流形态的影响主要表现在自然河流的渠道化，主要包括：（1）河流形态直线化（2）河流横断面规则化（3）河床材料的硬质化2、城市化对河湖污染物输入的影响据估计，全世界各城市地区每年排入水体的工业废水和生活污水达5000亿吨以上，造成各种类型的河流水体污染，主要包括：有机物污染重金属污染酸碱污染病毒细菌污染有机物污染有机物污染是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机物质及某些其他可生物降解的人工合成用有机物质为组成的污染物。可按其污染后果分为：需氧污染物：生活污水和工业废水中的碳水化合物、蛋白质、脂肪和木质素等有机化合物，在分解过程中需要消耗大量的氧气。它会消耗水中溶解氧，降低水体自净能力。河流中的植物营养物主要来自生活污水的粪便以及含磷洗涤剂、化肥、农药，它们能引起水体富营养化。酚类化合物主要来自冶金、炼焦、塑料、石化等行业的工业废水，酚有毒性，可使人和水生动物慢性中毒。重金属污染重金属污染是指工业企业排放的含重金属的工业废水造成的污染。危害较大的重金属如铅、汞、镉、铬、铜、锌等。酸碱污染城市化后的工业中酸碱应用十分广泛，酸碱及无机盐污染也很常见。废酸废碱不仅破坏水体的自然缓冲作用，抑制细菌和微生物生长，妨碍水体的自净功能，还会腐蚀船舶和水工建筑物。病毒细菌污染城市的生活污水中含有病毒、细菌、寄生虫等病原体，能传播疾病。据美国环保局资料显示，在下水道等环境污水中存在100多种不同血清型的肠道病毒。3、城市化对河湖生态的影响（1）河流渠道化可引发水生生态系统的退化。生境异质性降低，生物群落多样性随之降低。（2）城市河流自净能力降低，甚至丧失。流速低自然曝气复氧功能基本丧失水泥石块护砌水体、土壤与生物环境相分离，丧失部分自净功能河岸护砌进行过滤植被消失，河流抗污染能力被削弱（3）城市河流非连续化对水体污染的影响。流速、水深、弯曲度、光照、宽深比、水温及水流边界条件发生长大变化。城市河流非连续化影响最严重的是河水的流动，从而影响了水体中营养盐的迁移转化。水流速度低营养盐蓄积微藻繁殖水面被覆盖沉水植物死亡腐烂耗氧影响水体中动物生存二、城市河湖生态修复的原则生态修复是利用生态系统原理，以生物修复为手段，结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施，重建受损水生态系统的生物群体及结构，强化水体生态系统主要功能的一种综合修复污染环境的方法，并最终实现生态系统整体协调、自我维持、自我演替的良性循环。（1）河湖自我调节原则城市河流修复的目的是为了恢复和强化河流在受到破坏之前的自净和生态功能，使河流能够通过自我调节达到自我维持的状态。在该原则指导下，因地制宜，构建当地人与河流和谐共处的环境。（2）优先恢复水体自净功能，适当兼顾其他功能的保存和优化（3）生物多样性原则生物多样性是河流生态系统健康和平衡的基础，会大大提高河湖生态系统的抗缓冲性能。（4）分时段、分河段原则分时段制定不同的修复计划，规划合理的修复进程；分河段制定不同的修复策略。三、城市河湖水生态系统修复的理论基础河湖生态系统修复的目标，旨在建设符合生态系统健康要求的河流和湖泊，是在生态学原理的基础上，创造适宜河道内水生生物生存的生态环境，适宜的河岸、河床及湖泊生态系统的良性环境，从而形成结构合理、功能健全的河湖水生态系统。由于河道是一种狭长型、流动性较强的典型水生生态系统，其生态功能和服务价值较为丰富，与陆地生态系统及生物系统联系较为密切，因此其建设的理论也较为复杂。城市河湖水生态系统修复的理论基础生态学干扰理论景观生态学中的空间异性和缀块理论生态系统生物净污理论景观生态学中的格局、过程和尺度理论缀块-廊道-基底模式1、生态学干扰理论生态学干扰是指发生在一定地理位置上，对生态系统结构造成直接损伤的非连续性的物理作用或事件。在对生态系统结构造成直接破坏的同时，干扰亦可直接影响生态系统的功能。对于河湖生态系统而言，干扰可改变食物网结构以及物流和能流的路径。对于景观而言，干扰可导致景观异质性结构的变化，以及缀块形成过程或缀块空间分布方面的变化，而景观结构的变化会进一步造成对群落和生态系统结构和功能的影响。例如河道沿岸混凝土护坡的人为干扰就破坏了自然景观，使河岸绿色缀块发生变化，这种景观结构的变化进一步造成河道水生动物系统结构和功能的变化。2、景观生态学中的格局、过程和尺度理论城市河湖具有较为突出的景观价值和服务功能，景观效应是河湖生态系统的重要生态功能之一。因此，景观生态学中的理论对生态型河湖构建具有重要的借鉴价值。格局：空间格局，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置。过程：强调事件或现象的发生、发展的动态特征，包括种群动态、种子或生物体的传播、捕食者-猎物相互作用、群落演替、干扰传播、物质循环、能量流动等。尺度：是指在研究某一物体或现象时所采用的的空间或时间单位，同时又可指某一现象或过程在空间或时间上所涉及的范围和发生频率。往往以粒度和幅度来表达，一般而言，从个体、种群、群落、生态系统、景观到全球生态学，粒度和幅度呈逐渐增加趋势。在生态型河湖构建中，河湖水系的空间布局、河岸湿地及河道的纵横形态等的空间格局质结构成了河流水生态系统的总体空间格局。河湖水景观中的过程主要包括：河湖水生态系统建设、水生植物的培育、移植和收割、污水排放及水环境质量改善治理、洪水的汇集和排出等。尺度是指河湖水生态系统所涉及的宏观和微观范围。3、景观生态学中的空间异性和缀块性理论空间异质性是指某种生态学变量在空间分布上的不均匀性及复杂程度。是空间缀块性和空间梯度的综合反映。缀块性强调缀块的种类组成特征及其空间分布与配置关系，比异质性在概念上更为具体化一些。梯度则是指沿某一方向景观特征有规律的逐渐变化的空间特征。空间格局、异质性和缀块性相互联系、略有区别。最重要的共同点是强调景观特征在空间上的非均匀些，及其对尺度的依赖性。空间异质性是自然界最普遍的特征，也是景观生态学研究的核心所在。非生物的环境异质性以及各种干扰是景观异质性产生的主要原因。缀块-廊道-基底模式是景观生态学中重要的模式之一，也是生态型河道景观建设的基本模式，还是描述景观空间异质性的一个基本模式。缀块的定义；一般用斑块性质、斑块数目、斑块大小、斑块形状等指标描述，斑块大小、斑块形状的生态学意义。廊道的定义：廊道的类型，廊道的连接度、环度、曲度、间断等度量。廊道的主要功能。基底：景观中面积最大，连接性最好的景观要素类型。缀块－廊道－基底模型是景观生态学用来解释景观结构的基本模式，普遍适用于各类景观，包括荒漠、森林、农业，草原、郊区和建成区景观（FormanandGodron，1995a），景观中任意一点或是落在某一斑块内，或是落在廊道内，或是在作为背景的基质内。这一模式为比较和判别景观结构，分析结构与功能的关系和改变景观提供了一种通俗、简明和可操作的语言。4、缀块-廊道-基底模式缀块：湿地、水塘、草地等；廊道：与相邻两边环境不同的线性或带状结构的河流、河岸护坡、沿岸绿化带、道路等；基底：城市用地、草地、森林等5、生态系统生物净污理论（1）水生植物净污原理（植物根茎叶对污染物的吸收）（2）水生动物净污原理（吸收和迁移污染物）①污染物通过动物细胞膜的方式②水生动物体对污染物的吸收（3）水体微生物净污原理（离子交换反应、沉淀作用和络合作用）四、城市河湖水生态系统修复技术1、生态型河床构建技术河床是河流生态系统的重要载体，是各种水生生物生存和繁衍的主要空间，但“裁弯取直”、“渠系化”、“硬质化”等破坏河相多样化的人工措施，致使自然河床消失，水与生态系统严重退化，水资源使用功能被弱化。因此，应根据河道的断面形式，重新构建和修复被损坏的河床，恢复河道形态多样性，创造适宜的生物栖息环境，增强河道水体的自净能力。（1）体现河道形态多样性的生态型河床①恢复河道的蜿蜒性②多样的河道断面形式（U型、梯形、矩形、复式、双层）③浅滩和深沟的设置（挖掘和垫高、植石和浮石）④丁坝和挑流坝建设（形成回流和泥沙淤积）（2）维持河道生态流量和生态水位的生态型河床①设置多级人工落差②设置橡胶坝（3）改善河道净化能力的生态型河床①水生植被恢复技术②生物填料技术（砾间接触氧化技术、薄层流净化法、仿生植物填料技术）③生物浮岛技术④生物沉床技术2、生态型护岸构建技术生态型护岸有许多种。根据不同的应用条件和针对性功能，划分如下：（1）适用于缓流水体河道的生态护岸技术①草皮护坡②柳树护岸③水生植物护岸④椰植卷（2）适于急流水体的生态护岸技术（3）适于水位变化较大河道的生态护岸技术①复式护岸②栅栏阶梯护岸（4）适于面源污染严重河道的生态护岸技术①景观型多级阶梯式人工湿地护岸②适合不同面污染源汇流量的斜坡式变渗径生态护坡技术③潜流型和表面型人工湿地护岸（5）适于创造生物栖息地的生态护岸技术①萤火虫护岸②鱼巢护岸五、城市湖泊水生态系统修复技术主要内容改变水动力要素，改善水体交换能力底泥生态疏浚沉水植被恢复漂浮植被恢复水生动物生态恢复人工湿地建设1、改变水动力要素，改善水体交换能力污染源的控制是保护水环境的先决条件，从源头控制污水排入河网应该是解决水质污染问题的最根本措施。但改善水环境，水体自身的生态修复也必不可少，水体生态修复能够提高河湖自身的净化能力。在营养盐输入量一定的情况下，水动力要素是影响湖泊水质的第一要素。良好的水体交换能降低水体在湖泊的滞留时间，提高周转速率，输出水体中的营养盐。而水体交换缓慢，则会造成水体养分量不断上升或者随泥沙在湖底大量沉积。这种情况下要考虑采用工程手段改善湖泊水体交换能力。我国大型的湖泊治理工程都基本上采用了这一措施。从一些湖泊的引水经验来看，从外流域引水对降低湖泊的富营养化水平有较好的效果，例如太湖的引江济太，滇池的引水入滇工程等，但在实际操作过程中要注意合理控制水位，防止破坏湖内挺水植物和湖滨草本植物的生长繁殖。外流域引水2、底泥生态疏浚湖泊底泥中积累了大量营养物质，受污染底泥对营养盐和其他污染物质的富集作用更加明显。当湖泊底泥氧化还原环境发生变化时，底泥中的营养物质和污染物会重新释放进入水体，成为水体富营养化的主要营养源。即便在外源营养物被完全切断之后，底泥释放的营养物质仍然能够支持大规模的藻类水华。底泥疏浚工程就是用装有搅吸式离心泵的船只在湖中抽出底泥，经过管道输送到岸上一个专用的堆积场所，与其他清淤工程不同，生态清淤旨在清除湖泊的污染底泥，为水生生态系统的恢复创造条件。3、沉水植被恢复我国的富营养化湖泊大多是由于水资源的不合理开发利用从草型湖泊向藻型湖泊转变而来。从整体上看，草型湖泊以水生植物为主要初级生产者，水质较好，水生生物的多样性程度较高，有着比较高的渔业和旅游价值，一般不存在浮游植物尤其是蓝绿藻的大量发生。在适宜的湖