（生态学专业论文）崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究.pdf

华r 亏师冤太雪2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 摘要 在注重人与自然和谐相处的今天，河道生态问题倍受关注。随着人们对居 住环境和生态环境需求的提高，近年来围绕着城乡地区河道生态修复工程技术、 水体生态系统复育、生态护坡技术等生态修复措施与技术进行了大量研究，河 道整治中的河道护坡技术也由原来的纯工程性措施逐步向生态河道护坡技术发 展。然而，作为一种湿地生态系统和水生廊道系统，农村地区村镇沟渠的生态 环境效应未能引起足够的重视，有关方面的研究也较少。目前，农村地区修建 的沟渠还是主要作为排水和灌溉的渠道。 崇明作为长江口大型的冲积海岛，密集的河网水系是崇明岛五大特色生态 景观之一，在整个岛的生态建设中发挥着独特的作用。随着上海地区城市化过 程的加速，崇明河网水系出现了水体环境污染、生态功能退化、生物迁移廊道 及栖息环境受损等一系列问题。这种现象在崇明前卫村表现得尤为突出，给区 域内居民生活环境以及水环境质量带来日趋严重的问题。为此，在充分借鉴国 内外河网沟渠重建成功经验的基础上，结合崇明前卫村的气候、水文、生态等 具体条件，对前卫村的生态沟渠建设示范工程进行了研究，旨在为崇明生态岛 建设乃至其他地区的生态沟渠建设起到示范作用，以期为农村地区村镇沟渠的 生态重建提供科学的方法和合理的技术。 本研究在前卫村中心区休闲岛原有沟渠生态状况调查研究的基础上，针对 存在的具体问题，对环岛一周约6 0 0 m 的沟渠进行综合改造和修建。采用近自然 生态理念，通过建立由陆地到水体的生态型雨水排水系统，对分散的点源和面 源污染进行拦截，净化，实现“外源”汇集、净化水质，景观观赏的多重功能。 沟渠坡岸采取土壤生物工程为主的生物护坡技术，稳定边坡；在疏通沟渠的基 础上，因地制宜地改造沟渠系统，合理布置氧化塘和沸石处理系统，以净化和 改善水质。 为评估示范工程效果，工程结束后通过地表径流模拟实验及坡岸土壤参数、 生物多样性、沟渠水体总氮和总磷含量等指标对该示范工程进行了评估。结果 表明：与对照相比，使用灌丛垫技术修复后的坡岸土壤剪切力、紧实度和土壤 湿度显著提高( p 0 0 5 ) ，坡岸植被延缓径流和去除悬浮物效果显著( 尸 o 0 5 ) ； 使用柴笼技术修复后坡岸的土壤剪切力和悬浮物去除率显著提高( 尸 0 0 5 ) ，但 对土壤湿度、紧实度和雨水径流的延滞作用不太明显。示范工程实施后，沟渠 内水质得到明显改善，总氮和总磷含量显著下降( p 0 2 5 m m ) 含量得到明显提高( 尸 0 0 5 ) ，并且 两者存在显著的相关关系。 示范工程表明，土壤生物工程是一项极具生命力的坡岸生态修复技术，将 该方法和其他生态修复技术集成具有简单易行、效果明显的特点，同时可以稳 定坡岸、改善沟渠的栖息地质量以及修复大城市郊区村镇沟渠的生态环境。崇 明前卫村沟渠生态修复示范工程在保持沟渠发挥储水和排水的功能的基础上， 遵循人与自然和谐共处的基本原则，充分利用农村现有的自然环境，兼顾沟渠 治理、水质净化、生境恢复和景观建设的有机协调，使修复后的沟渠达到了“水 清、岸绿、景美、畅游”的水生态建设目标。 关键词：村镇沟渠生态修复土壤生物工程示范工程崇明前卫村 华孽师籀太亏2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 a b s t i 认c t t ba c h i e v eah a r m o n yb e t w e e nh u m a nb e i n ga n dt h en a t u r ei sb e c o m i n ga h o tt o p i cw or i d w i d ej nt h er e c e n td e c a d e s ，a n de c o i o g i c a lr i e h a b i t a t i o no f r i 、，e 鸭a p p e a r st o b eo n eo ft h e s et a s k s t h e r eh a 、，eb e e nm a n ys t u d i e s f o c u s e do ne c o i o g i c a ir e h a b i t a t i o no fn v e rs y s t e m sb c ) t hi nt h er u r a ia n du 巾a n a r e a sa sag r o w i n gd e m a n d0 nb e t t e r v i n ga n de c 0 1 0 9 i c a ie n v ir 1 ) n m e n t si nt h e r e c e n ty e a r s t h er e s t o r a t i o no fn v e rs y s t e m sh a sb e e nd e v e i o p e df r o mt h e t r a d j t i o n a im e a s u r e so fp u 怆e n g i n e er i n gt ot h em e a s u r e sc o m b i n e dt h e t r a d i t i o n a io n ew i t ht h ee c 0 1 0 9 i c a ie n g i n e e r i n g t h ed i t c h e si n 八j r a la r e a sh a v e b e e nu s u a yc o n s i d e r e do n i ya sad r a i n a g ea n dir r i g a t j o nc h a n n e i ，i n s t e a d a c t i n ga sa ni m p o 怕n t w e t l a n da n dc o m d o rs y s t e mw h ；c hh a sm a n ye c o l o g i c a i a n de n v i n d n m e n t a ib e n e f i t s a sal a r g ea u v i a i s i a n di nt h ey a n g t z er i v e re s t u a 哆，t h ec h o n g m i n g i s i a n dh a sad e n s er i v e rn e r 1 w h i c hp i a y sa ni m p o r t a n tr o i ei nt h ew h o i e i s i a n d a sa n s e q u e n c eo f 陷p i du r b a n i z a t i o n ，t h e r eh a v eb e e nm a n y e c 0 i o g i c a lp r o b i e m si nc h o n g m i n gl s l a n ds u c ha sw a t e rp o u t i o n ，d e g r a d a t i o n o fe c o i o g i c a if u n c t i o n ss u c ha sd a m a g e si nr i v e rh a b t sa n db i o l o g i c a i c o m d o r s t h e s ep 巾b i e m sw a ss e n o u si nq i a n w e iv i i l a g e ，c h o n g m i n gis l a n d w h i c hw a sb e c o m i n gag r 0 ，i n gt h 陀a t e nt ot h ei i v i n ga n dw a t e re n v i r o n m e n t s 1 nt h i ss t u d y w ed e s i g n e da n dp e r f o n l l e dad e m o n s t r a t i o np r o j e c tf o rt h e e c o i o g i c a in e h a b i t a t j o no fd i t c h e si nq i a n w e iv i a g ew h i c hm a yb e c o m ea f e a s b f em o d e if o rt h ec h o n g m j n gl s i a n da sw e a sf o ro t h e ra r e a si ns i m i i a r c o n d i t i o n s b a s e d0 nas u r v e yf o rt h es t u d ya r e a ，w em a d eas y n t h e t i cp i a nf o rt h e d e m o n s t r a “o np r o j e c t b yc o n s t r u d i n ga ne c o i o g i c a id r a i n a g ef r o ml a n dt 0 w a t e rb o d y ：t h ep o s s i b i ep o u t a n t sf n d ms c a t t e r e dp o i n t sa n dn o n p o i n t s o u r c e sc o u i db ei n t e r c e p t e da n dp u r i f i e d ，a n dt h ed i t c hh a daf u n d i o no f p u r i f y j n gw a t e ra n di m p r 0 v i n ga e s t h e t i c s t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c tw a s i m p i e m e n t e db yu s i n gt h eb i o i o g i c a is l o p e p r o t e c t i o nt e c h n i q u e sc a e d s o i i b i o e n g i n e er n gt os t a b i z et h ed i t c hb a n k ，a n du s i n gt h ez e 0 t es y s t e ma n dt h e o x i d a t i o np o n ds y s t e mt op ur i f yt h ed i t c hw a t e r t h ea s s e s s m e n to nt h ep r o j e c tw a sm a d ev i aar u n o f fs i m u i a t i o n e x p e n m e n ta n dt h em e a s u r e m e n t so fp a r a m e t e 倦s u c ha ss o s h e a rs t r e n g t h ， v 华东师菇太擘2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 b i o d i v e r s i t y ；a n dd i t c hw a t e rq u a l i t y ：t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i t c hs l o p e s r e s t o r e db ys 0 b i o e n g i n e e r i n gc o u i ds i g n j f i c a n t i ye n h a n c et h es o i is h e a r s t r e n g t h ，c o m p a c t n e s sa n dm o i s t u r ec o n t e n t ，a n dt h ef o n l l e dv e g e t a t i o nh a d s i g n i f i c a n te 能c t so nr e t a r d i n gm n o f r a n dr e m o v i n gt s s ( 尸k 0 0 5 ) a p p i y i n gl i v e f a s c i n e sc 0 u i ds i g n i f i c a n t i yi n c r e a s es o i is h e a rs t r e n g t ha n dt s sr e m 0 v a lr a t e ( p 0 2 5 m m ) i ns o i i s w e r ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t i y ( 尸0 0 5 ) ，、 f h i c hh a das i g n i f i c a n tr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m s o 讣 b i o e n g i n e e 订n g i st h eu s eo f i i v i n gp i a n tm a t e n a l st o c o n s t r u c t s t r u c t u r e st h a tp e 向m 1s o m ee n g i n e er i n ga n de c 0 1 0 9 i c a lf u n c t j o n sa n dc a n p r o v d ea ne 仟e c t i v em e a n sf o rs 1 0 p es t a b i i i z a t i o na n ds i t e 陀s t o r a t i o no f n v e 巾a n k s t h ei n t e g r a t i o n0 fb i o l o g i c a il e c h n i q u e sw i t ho t h e re c 0 1 0 9 i c a i r e s t o 阳t i o nm e a s u r e si se 仟e c t i v ea n da pp i c a b i et 0t h er u r a ia r e a t h e e c o i o g i c a l d i t c ha f t e rr e s t o r a t i o ni nq i a n w e jv j a g e ， c h o n g m i n gi s i a n d a c h i e v e da o r d i n a t i o na m o n gt h ed i t c hr l c o n s t r u c t i o n ，w a t e rp ur i 们c a t i o n ， h a b i t a tr e s t o r a t i o na n di a n d s c a p eb u i d i n g ，a c c 0 r d i n gt ot h er i j i eo fh a m l o n y b e t w e e nm a na n dn a t u r e ，i th a sb e e np r o v e dt oa c h j e v et h eg o a io fe c o i o g j c a i c 0 n s t r l j c t i o no fw a t e rb o d y ，w h i c hi sc l e a r g r e e n ，u n b l o c k e da n dp i e a s i n g k e yw o r d s ：d i t c h e sa tv i a g e s ：e c o i o g i c a ir e s t o r a t i o n ：s o i ib i o e n g i n e e r i n g ： d e m o n s t r a t j o np 九) j e c t ：q i a n w e iv i a g eo fc h o n g m i n gc o u n m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出重大贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 导师签名：互峄 日期：丛! ! i ! ! ! 日期：漏g 6 h 华东师范太学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 1 1 研究背景 第一章绪论 在注重人与自然和谐相处的今天，河道生态问题倍受关注。生态河道建设 是融现代水利工程学、环境科学、生物科学、生态学、美学等学科为一体的水 利生态工程。它以保护和创造生物良好的生存环境和自然景观为前提，在具有 一定强度、安全性和耐久性的同时，还应充分考虑其生态效果，把受人类严重 干扰和破坏的河道修复成为水体与土体、水体与生物相互涵养、适合生物生长 的近自然状态的河道。随着人们对居住环境和生态环境需求的提高，近年来围 绕着城乡地区生态河道建设对河道生态修复工程技术、水体生态系统复育、生 态护坡技术等生态修复措施与技术进行了大量研究，河道整治中的河道护坡技 术也由原来的纯工程性措施逐步向生态河道护坡技术发展( 郭青海等，2 0 0 5 ； 潘树林等，2 0 0 5 ；周跃，2 0 0 0 ；a r h e i m e ne ta l ，2 0 0 3 ；b a i n ae ta l ，2 0 0 0 ) ， 而作为一种湿地生态系统和水生廊道系统，农村地区村镇沟渠的生态环境效应 未能引起足够的重视，有关方面的研究也较少( 郝敏等，2 0 0 5 ；姜翠玲等，2 0 0 4 ； g e i s s e ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。目前，农村地区修建的沟渠还是主要作为排水和灌溉的 渠道。 合理的利用沟渠，为人类带来了巨大的经济效益，同时也维护和改善了整个 生态环境。一些依靠雨水补足农业的国家( 比如约旦) 使用沙沟储水的功能，收 获降水( m a j e de ta l ，2 0 0 0 ) 。有些国家利用湿地中的沟渠系统恢复或者改善湿地 的湿度( t u c k e ra n d 舡c 锄a n ，2 0 0 0 ；a d r i 锄，2 0 0 0 ) 还有一些地区利用沟渠水质净 化的功能，维持了河流和湿地水质( 周训华等，2 0 0 4 ；姜翠玲等，2 0 0 5 ) 。在一 些农业景观中，沟渠的存在为一些物种的保存和扩散、传播提供了合适的生境和 廊道，增加了景观的生物多样性。 人工沟渠的修建影响了整个流域乃至更大范围上的水循环，改变了水在不同 陆地或水体的滞留时间和汇流路径，引起水文功效的改变。人工沟渠具有一定的 深度和宽度。当暴雨发生的时候，沟渠利用自身容积和植被缓冲带蓄持降水，阻 滞部分地表径流。沟渠系统通过侧向和纵向径流将整个流域的雨水收集起来并 分散储存，造成水迁移路径大规模的改变。法国利用修改了的t o p o g 水文模型计 算出了人工网络( 包括沟渠、树篱、公路和河流) 的汇水面积，并得出沟渠收集 的水量要大于公路和树篱当时小于河流的一般结论( n a d i ae ta l ，2 0 0 4 ) 。人工沟 华亏师冕大学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 渠的修建也促进了降水的重新分配，改变了降水的入渗、蒸发和功效。沟渠的存 在可能会使降水迅速的流入沟渠中，即使少部分渗透到土壤中，也会通过壤中流 的形式最后汇入沟渠，沟渠又会作为输水廊道将洪水排出，缩短了洪水在沟渠控 制区的滞留时间，使整个区域像一个巨大的漏斗，降水落到地面就被沟渠迅速的 排出。人工沟渠能蓄持一部分洪水，又可以作为溢洪道将洪水迅速的排出，因此 人工沟渠可以调节洪峰径流，减少洪灾发生的可能性。例如沟渠系统自身的容积 和植被缓冲带为蓄持洪水提供了空间和条件。 沟渠系统利用自身的物理、化学和生物机制滞留一定化学元素，维持了沟渠 系统及整个区域元素的循环，同时作为物质输出的源和通道，沟通了控制区和外 界的联系，但是也加快了物质元素的丧失，并可能对外界环境造成污染。沟渠作 为化学元素的转化器和汇，吸收和转化周围环境输入的物质元素，加速了周围区 域物质的流失。沟渠的存在改变了区域的水文状况，使大量的化学元素随地表或 地下径流流入到沟渠中，造成区域化学物质的输出，改变了其化学元素循环，引 起周围环境质量的下降。比如通过三江平原排水沟渠的研究发现，三江平原沼泽 湿地由于沟渠排水导致大量离子，营养元素和重金属元素丧失，是造成沼泽退化 的原因之一( 张芸，2 0 0 1 ) 。沟渠周围及其内部生长着大量的植被，这些植被带 的存在有利物质元素的截流。b o u l d i n 等( 2 0 0 4 ) 对美国密西西比河三角洲景观农 业排水系统调查结果显示，具有有限或没有植被缓冲带的排水沟渠，水体营养水 平最高，随着覆盖度的增加，悬浮物质减少。沟渠对各种形态的氮磷具有较好的 滞留作用，能有效降低入河沟渠中潜在毒性的影响( 曲向荣，2 0 0 0 ；b o u l d i ne ta 1 ， 2 0 0 4 ；l o u c h a ne ta l ，2 0 0 4 ) 。m a t sa s 仃d m ( 2 0 0 1 ) 通过两小溪流水的物理化学 属性( 西芬兰) 对比，一条溪流的上游林地经过挖沟处理，另一条没有( 成对流域 方法) ，研究发现虽然人工排水沟对流量过程线没有任何重要影响，但是它导致 水中m n 、c a 、m g 、悬浮物质和碱度的增加，t o c 和h 3 0 + 浓度的降低，而对a l 和f e 来说有一个控制机制的变化。 沟渠作为化学元素的源和通道，将化学元素缓慢或即时地放出，为整个流域 提供原始物质，沟通了沟渠系统与周围环境之间的物质联系，也可能导致整个沟 渠系统物质元素的单向丧失，沟渠系统外环境的污染，以及破坏人工沟渠与区域 或流域的水文和物理状况。人工沟渠的修建对生物及其生境产生重要的影响。 g m o t j a i l s 等( 2 0 0 5 ) 在研究长期排水对湿地物种丰富度的影响时发现，沼泽地中 丧失的许多物种在沟渠中存活下来，沟渠保留了湿地3 0 以上的物种。人工沟渠 往往作为破碎化景观生境斑块之间的自然廊道，可以为鸟类和其他动物提供水 源、食源和迁徙廊道，维持区域的食物链，同时增加人的视觉效果和农业景观的 可视性( c a 甲e i l t i e re ta l ，2 0 0 3 ；e n d e l s ae ta l ，2 0 0 2 ) 。人工沟渠自然条件和物种 2 华亏师冤太亏2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 的自身特点影响沟渠及其邻近景观的生物多样性( b n 砌na n ds m i m ，2 0 0 3 ) 。通 过研究英国一些人工沟渠中r e dd a t ab 0 0 k ( r d b ) 3 种淡水腹足类动物分布发现， 沟渠水质、植被和人类活动对这些物种有重要影响( w a t s o ne ta l ，2 0 0 4 ) 。对c m b r j d g e s h i i 冱w i c l 江n 沼泽的o d o n a t a 研究发现( m i i l l le ta l ，2 0 0 2 ) ，蜻蜓 目昆虫对沟渠的应用特别不同。新开挖的位置有很少岸边植被的遮蔽，区域雄性 和正在产卵的雌性昆虫尤其多；而凹槽密布的位置很少被成体使用。但是，有大 量淹水和浮水大型植物生长的沟渠比新开挖的或植被遮蔽性很差的位置支持更 多的幼体；而交替清除的沟渠加大了成体昆虫对沟渠的使用，也使其在保护区获 得繁殖成功。通过物种丰富度正在退化的草地沟岸的研究发现，高营养可能导致 物种入侵，由此降低物种多样性( t u c k e ra n da c f e n l a l l 2 0 0 0 ) 。 人工沟渠与水流、化学元素、生物及其生境的相互作用产生了水文效应，影 响了元素的生物地球化学循环及其生境。但是，人工沟渠生态环境效应的产生并 不是简单的两两叠加，而是物质流、信息流等多种流和多种沟渠生态系统交互作 用的结果。再加上人类和自然的干扰、系统的反馈机制、生物的放大效应和景观 的格局、过程和尺度效应，都可能对整体生态环境产生影响。人工沟渠通过改变 地表或地下水位影响元素的生物地球化学循环路径、速度和功效，由此影响土壤 性状和植物的生长发育，改变了整个区域的生态环境。例如，沟渠通过排水改善 了土壤内盐分循环，而长期不适灌溉会导致盐分积聚在土壤表面造成土壤盐渍 化；沟渠通过调控地表或地下水位改变其氧化还原环境，影响了元素的吸收和释 放能力，同时也促进或抑制了植物的生长；沟渠通过调控湿地水位影响其春季和 夏季土壤湿度的持续时间，而这个时期恰恰是农作物或湿地鸟类等的关键时期 ( 尹澄清等，1 9 9 5 ) ，因此利于湿地鸟类的保护。 不同结构的人工沟渠具有不同的功能( 调节地表径流、滞留污染物和维持生 物多样等) ；不同结构的沟渠系统具有不同的汇集和向外扩散能流、物流与信息 流的方式，因此发挥着不同的功能。例如，当暴雨发生的时候，以河流为主干道 的羽状沟渠系统各沟渠同时向下游排水很容易导致洪灾的发生；而网络沟渠会通 过分散储存雨水的多沟渠径流排出的方式，减少洪灾发生的可能性。同理，当水 土和养分流失发生时，网状沟渠也会将水土和养分流分散储存，起到水土保持的 作用。但是，当污染物质流超过了沟渠自身净化能力或导致沟渠净化功能丧失的 时候，这些人工沟渠系统会由污染物的“汇变成“源并通过沟渠系统的网络 功能将其向整个区域扩散，造成整个沟渠系统、河流、湿地等水质的恶化，导致 整个区域生态环境破坏。人工沟渠的修建要更多地考虑其生态环境效应，而不能 把沟渠作为储水和排水的通道。通过合理设计，布局沟渠的景观空间结构，发挥 沟渠在维持物质循环、净化水质和生物多样性等方面的整体环境生态效应。 3 华，亏师冤天学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 1 2 国内外河网水系重建的研究概况 河网水系是生物圈物质循环的重要通道，具有调节气候、改善生态环境以及 维护生物多样性等众多功能。然而随着工业化以及城市化发展进程的深入，世界 上许多国家的水系都经受了不同程度的干扰和损害，水质恶化、水文条件变化、 水网形态破坏以及生境退化等成为各地水系普遍存在的问题。从国外河流水系整 治的新趋势来看，尽可能保持河流水系的近自然风貌已成为当今国际上先进的治 理准则( 李明传，2 0 0 7 ；m o t t ae ta l ，1 9 9 9 ) 。所谓近自然原理是指根据生态学 原理，结合具体流域特征，以恢复水体自然状态为目的，实现水质改善的一种水 环境治理的指导理论。其宗旨是减轻人为活动对水体的影响，恢复和维持水生环 境多样性、物种多样性和自然原始状态，着重依靠自然能力实现对系统本身的生 态恢复与维持。该原理由德国的s e i f e r t 于1 9 3 8 年首先提出，目前在欧美及日 本已得到广泛应用( p a u le ta 1 ，2 0 0 1 ；t h y s s e n ，2 0 0 0 ) 。 1 9 世纪中期，在欧洲阿尔卑斯山区，大规模的河流整治工程造成了生物多 样性降低，人居环境质量有所恶化，河流生态工程设计理念和方法开始引起人们 的重视。2 0 世纪5 0 年代德国创立了“近自然河道治理工程”，提出河道的整治 要符合植物化和生命化的原理。其突出特点是流域内的生物多样性有了明显增 长，生物生产力提高，生物种群的品种、密度都成倍增加。治理后另一个特点是 河流自净能力明显提高，水质得到大幅度改善。2 0 世纪8 0 年代开始的莱茵河治 理，为河流的生态工程技术提供了新的经验。莱茵河保护国际委员( i c p r ) 于1 9 8 7 年提出了莱茵河行动计划( r h i n ea c t i o np r o g r a m ) ，以生态系统修复作为莱茵 河重建的主要指标，到2 0 0 0 年鲑鱼重返莱茵河，这个河流治理的长远规划命名 为：“鲑鱼一2 0 0 0 计划”。沿岸各国投入了数百亿美元用于治污和生态系统建设。 到2 0 0 0 年莱茵河全面实现了预定目标，沿河森林茂密，湿地发育，水质清澈洁 净。鲑鱼已经从河口洄游到上游( 瑞士) 一带产卵，鱼类、鸟类和两栖动物重返 莱茵河。2 0 0 0 年，欧共体颁布了“水资源框架指南 ，其目标是在2 0 1 5 年之前， 使欧洲所有的水体具有良好的生态状况或具有这方面的潜力。每个成员国必须针 对本国情况制定具体目标，并采取各类措施确保目标实现。英国早在2 0 世纪9 0 年代就在一些河段进行生态修复工程建设，获得了广泛关注并最终得到了大多数 人的认同。成立了英国河流修复中心，制定了“河流修复指南”，在流域尺度下 进行河流的生态修复。在美国，有关河流生态修复的研究和实践也取得了很好的 经验。1 9 9 2 年出版了“水域生态系统的修复。1 9 9 8 年出版了“河流廊道修 复”，指导河流修复工作。美国陆军工程师团水道试验站在1 9 9 9 年6 月完成了 4 华尊师菇天亏2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范t 程研究 河流管理一河流保护和修复的概念和方法研究报告。同本，澳大利亚等国， 也进行了大量研究。日本建设省发布的河川砂防技术标准( 案) 及解说，提 出河道岸坡的防护结构有生态和自然景观等环境功能，护岸应采用与周围自然景 观协调的结构形式，即“近自然工事”，或“多自然型建设工法”。澳大利亚水 和河流委员会于2 0 0 1 年4 月出版了河流修复一书，为河流修复工作提供技 术指导。 国外河流生态修复技术有很多种，主要包括：在河流整治中，结合洪水管理， 贯彻“给河流以空间”的理念，通过建设分洪道和降低河漫滩高程等措施予以实 施；河流连续性的恢复，包括纵向的连通和河道与河漫滩区的横向连通，包括建 设低坝并设置鱼道、堤防拆除或后退等；河流蜿蜒性的恢复；河道岸坡生态防护； 河流深槽和浅滩序列的重建；洪泛区湿地特征的创建；河流内栖息地加强结构( 如 遮蔽物、遮荫、导流设施等) ；亲水设施的建设；河道浚挖泥土的利用；多孔和 透水护岸材料和结构的开发和应用及工程施工技术等( 高之栋等，2 0 0 6 ：周斌等， 2 0 0 7 ；t h y s s e n ，2 0 0 1 ；l im he ta l ，2 0 0 2 ) 。此外，结合河流生态修复规划和设 计，一些规划设计模型和方法也被提出。在筑坝河流上，针对改善下游河流的生 态系统状况，有关水库优化调度方式的研究和示范在一些国家也进行了一些研 究，并初步取得一些成果，如河流生态需水量评价技术，洪水过程对鱼类繁殖的 影响，自然水文过程模拟等。同时，国外很多国家利用生态学理论，采用生态技 术修复河道内受污染水体，恢复水体自净能力，具有工程造价少，能耗和运行成 本低、净化效果显著等特点，积累了很多实践经验。生态方法修复受污染水体主 要包括人工湿地处理系统、河道直接净化技术、氧化塘处理系统、植物一土壤处 理系统、水生植物处理系统、生物操纵技术等( c o v e r e ye ta l ，2 0 0 2 ；g r a ye t a l ，1 9 9 6 ；s t o n ee ta l ，2 0 0 3 ) 。如美国的北卡罗来纳州的摩罗赫德市的氧化塘 污水处理、日本霞浦湖边上的生物公园、波兰w a r i a k 湖中放养鱼类控藻等工程。 河流生态修复近几年在国内也越来越受到重视( 陈方艳等，2 0 0 4 ；邓红兵等， 2 0 0 l ；孙卫星等，2 0 0 3 ) 。但是国内河流整治工作基本处于水质改善和景观建设 阶段，缺乏传统水利、生态系统栖息地和景观的有机结合。多数地方的河道整治， 尤其对于中小型河流，其理念仍停留在渠道化、衬砌等已被许多发达国家舍弃的 做法。一些经济发达的城市结合河道整治开展城市园林景观建设，注重河流的美 化绿化。但当前的倾向，一是注重园林景观效果较多，重点放在河流岸边的绿化， 而对河流生态整体恢复考虑较少；二是发掘历史人文景观较多，建设了大量楼台 亭阁和仿古的建筑物，而对于发掘河流自然美学价值较少涉足。特别是继续采用 浆砌条石护岸和几何规则断面，使河流的渠道化进一步加剧。 随着人们对居住环境和生态环境需求的提高，近年来我国相继开展了城乡地 5 华亏师冤太季2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 区生态河道建设方面的研究，主要研究河道生态修复工程技术、水体生态系统复 育、生态护坡技术等生态修复措施与技术，河道整治中的河道护坡技术也由原来 的纯工程性措施逐步向生态河道护坡技术发展。生态河道建设是融现代水利工程 学、环境科学、生物科学、生态学、美学等学科为一体的水利生态工程。它以保 护和创造生物良好的生存环境和自然景观为前提，在具有一定强度、安全性和耐 久性的同时，充分考虑了生态效果，把受人类严重干扰和破坏的河道修复成为水 体与土体、水体与生物相互涵养，适合生物生长的近自然状态的河道。在河道修 复中，也开始注重近自然原理的应用。例如李小平、张利权( 2 0 0 6 ) 首次将土壤 生物工程护坡技术大规模的应用于城市生态河道的建设，使修复后的河道兼具多 种生态功能。达良俊、颜京松( 2 0 0 5 ) 针对城市人工水景观建设中缺乏整体性， 人工硬化模式严重的弊端，首次在我国提出进行近自然型人工水景观建设的理论 与概念。 1 3 河流生态修复 生态修复是指利用生态工程学或生态平衡、物质循环的原理和技术方法或手 段，对受污染或受破坏、受胁迫环境下的生物生存和发展状态的改善、改良或恢 复、重现( 万金保等，2 0 0 6 ) 。其中包含对生物生存物理、化学环境的改善和对 生物生存“邻里、食物链环境的改善等。生态修复是一项复杂的人工措施，目 的是依靠自然的自我修复能力，并辅以适当的人工措施，加速被破坏的生态系统 的功能恢复。 河流生态修复措施主要包含：( 1 ) 工程措施。如：生态河道、生态堤岸、人 工湿地和人工产卵场、越冬场、育幼场、回游通道，以及河道内增氧曝气等等； ( 2 ) 生物措施。如：植物生态修复措施，动物生态修复措施，生物增殖、放流技 术等；( 3 ) 综合措施。如：微生物修复与植物、动物修复的结合，微生物修复与 生态河道、生态堤岸的结合，生态、生物修复与保育、管理措施的结合，河道内 生态修复与河道外湿地修复的结合，陆地水土保持、生态修复与河流生态修复的 结合，等等( 董哲仁，2 0 0 3 ；高之栋等，2 0 0 2 ；c o v e r e ye ta 1 ，2 0 0 2 ；h a n de t a l ，2 0 0 1 ) 。河流生态修复的对象是水生生物生存和发展的整个环境，包括水量、 水质、水位、流速、水深、水温、水面宽度，涨水、回游通道等的修复或恢复； 河流生态修复工程的目标是：修复或恢复受到污染、破坏或工程胁迫的水生 生物的生存和繁衍的物理、化学和水文环境，及其“邻里”依存和食物链的关系。 河流生态修复是针对水生生物及其生存环境的整体修复。传统河流整治工程的目 标是：防治洪水决堤、漫溢和确保人类社会、经济和生命财产安全；或者是保证 6 华孽i 炜冤大学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 河流的航运能力等经济功能。两者的直接目的和目标虽然相差甚远，但其工作的 对象却完全一致，即都是将工程的措施作用于河流或河道。因而两者的设计和实 施过程，必然会存在着诸多的不同、对立和矛盾。从2 0 世纪7 0 年代开始，发达 国家科技界和工程界针对水利工程对河流生态系统的负面影响，开发研究了河流 生态恢复的理论和技术。从而，确立了解决这种矛盾和对立的基本方法和规则。 河流生态工程在德国称为“河流生态自然工程”，日本称为“多自然型建设工法， 美国称为“自然河道设计技术”。与之相应，一些发达国家在河道整治工程和堤 防工程设计、施工规范中增加了河流生态建设的内容，或者颁布了专门的河流生 态工程设计导则。依据这些导则和方法，河道水利工程在满足防洪、防灾和经济 目标的同时，可以兼顾河流生态修复和恢复需求( 董哲仁，2 0 0 3 ) 。 河道生态修复应是一个完整的生态系统，它不仅包括植物，还包括动物及微 生物，系统内部之间以及系统与相临系统间均发生着物质能量和信息的交换，具 有很强的动态性。真正意义上的生态修复应该是在保证边坡稳定的基础上，以营 造边坡及河道内生物多样性为目标。在水一土一生物之间，形成物质、信息和能量 循环体系，通过良性循环，进行自我组织和自我修复，使生态修复不仅具有景观 效果，还能修复受污染的河流水体，提高河流的自净能力，从而为整条河流生态 系统的健康提供保障。如果河道生态修复技术仅从植被措施的角度考虑的，这些 技术还不是真正意义上的生态修复。要重建一个健康的河道生态系统，除采取工 程和植被措施外，还必须有选择的放养水生动物及微生物，恢复生物的多样性， 重建生物生态链。 1 4 本项研究的内容、意义及技术路线 崇明作为长江口大型的冲积海岛，是上海最具潜力的发展空间之一。崇明岛 总面积1 2 0 0l 锄2 ，其中水面积占总面积的1 2 5 ，密集的河网水系是崇明岛五大 特色生态景观之一，它是生物圈物质循环的重要通道，具有调节气候、改善生态 环境以及维护生物多样性等众多功能，在整个岛的生态建设中发挥着独特的作 用。平原河网地区是受人类改造最为深刻的自然生态系统之一，其中城市化的影 响最为显著。随着上海地区城市化过程加速，崇明河网水系和村镇河网环境存在 水体环境污染、生态功能退化、生物迁移廊道及栖息环境受损等一系列问题。 长期以来，上海地区郊县村镇河网沟渠缺乏管理、污染严重，影响了当地居 民生活环境以及区域水环境质量。作为一种湿地生态系统和水生廊道系统，村镇 沟渠具有水资源涵养、截流雨水、水质净化、野生生物栖息地和户外活动场所等 7 华- 亏师冤大学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 功能。本项研究以崇明生态岛建设为契机，以上海市科委重大项目“崇明岛水资 源保障与水体生态修复技术与示范 为支撑，在充分借鉴国内外河网沟渠重建成 功经验的基础上，结合崇明前卫村的气候、水文、生态等具体条件，开展前卫村 生态沟渠建设示范工程的研究，以期为上海地区城市郊区村镇沟渠的生态重建 提供科学的方法和合理的技术，为崇明生态岛建设乃至其他地区的生态沟渠建设 起到示范作用。 本研究分析了研究区域的气候、水文，生态等具体情况，因地制宜地提出了 相应的生态修复技术，在尽量保持沟渠近自然状态的前提下，合理布置各种生态 修复工程技术，使沟渠修复后兼具净化水质、景观观赏，缓冲径流等多种生态功 能。工程竣工后，通过测定修复后坡岸和对照坡岸的土壤剪切力、土壤紧实度、 土壤湿度来验证植物根系对坡岸的稳定作用。通过人工模拟径流试验测定地表植 物缓冲径流、拦截悬浮物的效果；同时通过跟踪调查坡岸植被的种类、数量、盖 度等，测定沟渠水体中总氮，总磷含量等对示范工程的修复效果进行综合评估。 本文采用的技术路线如图卜1 。 1 5 拟解决的关键问题及可能的创新点 本研究拟解决的关键问题主要有：( 1 ) 根据坡岸的实际情况，布置以土壤 生物工程为主，乔、灌、草相结合的生态护坡技术，使其对坡岸的修复效果最大； ( 2 ) 定量的测定岸坡植被对土壤的稳定作用及其对雨水径流的缓冲效果和去除 径流中悬浮物的效果。 本文可能的创新点主要有：( 1 ) 在生态崇明大框架下确定崇明岛河网水系生 态功能定位立足于国内外河流生态重建研究的前沿，借鉴最新的河流水体修复、 生态护坡等研究手段和技术，综合生物学、生态学、自然地理学、生态工程实践 和研究成果，探索出符合中国平原地区的河网水系生态重建集成技术。( 2 ) 从 生物与环境的整体性、系统性角度出发，注重沟渠形态的近自然性和多样性设计， 从而构建多样化的沟内内生境和坡岸生境，促进沟渠生态系统的生物多样性。 8 华亏师冤大学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文 崇明前卫村沟渠生态修复示范工程研究 图1 1 研究采用的技术路线 f i g 1 - 1 g e i l e r a l 印p r o a c ho f m es t i l d y 9 华，亏i 炜笔太学2 0 0 8 届研究生硕士学位论文崇明前甲村沟渠生态修复示范工程研究 第二章工程设计与研究方法 2 1 研究区域概况 2 1 1 崇明前卫村的自然概况 崇明岛( 3 1 0 2 7 ”3 1 0 5 1 1 5 ”n ，1 2 1 0 0 9 3 0 ”1 2 1 0 5 4 0 0 ”e ) 位于长江入海口 处，是全世界最大的河口冲积岛，也是中国仅次于台湾岛、海南岛的第三大岛屿， 有“长江门户，东海瀛洲”之称。全岛三面环江，一面临海，西接滚滚长江，东 濒浩瀚东海，南与浦东新区、宝山区及江苏省太仓市隔水相望，北与江苏省海门 市、启东市一衣带水。该区地处北亚热带，气候温和湿润，四季分明。年均气温 1 5 3 ，最热月( 7 8 月) 的月平均气温2 6 8 2 6 9 ，最冷月( 1 2 月) 的 月平均气温3 o 3 9 ；年均降雨量1 0 2 2 咖，主要集中在5 9 月，年相对湿 度8 2 。 图2 一l 崇明前卫村的地理位置 f i g 2 - 1 l o c a t i o no fq i 锄w e iv i l l a g e ，c l l o