（生态学专业论文）深圳市饮用水源地河道生态修复实验.pdf

摘要 本文以深圳市西丽水库库尾受损的田下河为研究对象采用生态工程的原理和生态 化的设计方法构建完成了长为2 0 0 m 的生态河流实验段。在河流修复过程中，从河岸 植被、河流物理生境、河流底栖动物、水生植物的水质净化效果，河流水质的改善等几 个方面对亚热带受损河流的生态修复进行了初步的研究，结果表明： 1 、构建后的实验河段，经过2 年的恢复后，成功地恢复了河岸乡土植物群落，优 化了群落的结构。上游植物群落修复区( 一l 区) 通过乡土种的自然侵入，使河岸植被得 到了很好的恢复：中游植物群落修复区( a 一2 区) 通过建群种与自然入侵植物种间的竞争 机制，构建了以菰为优势种的河岸植物带：下游植物群落修复区( a 一3 区) 通过增加芦苇 和茭白的栽植密度，以促使其不断扩张，形成了具有一定净化水质能力的河流湿地植物 群落区。与对照区相比，上游修复区( a 1 区) 、中游修复区( a 2 区) 、下游修复区( a 3 区) 的植物群落的物种数和生物多样性有了很大的提高，三个修复区的河岸近水区植物 的物种数到2 0 0 6 年分别增加到2 4 种、2 6 种、2 3 种，河岸远水区则分别增加到1 6 种、 1 7 种、1 4 种，而对照区( b 区) 河岸近水区到2 0 0 6 年仅为1 4 种，河岸远水区1 2 种。 2 、通过水流一泥沙协同的驱动作用，在实验河流的河床内共观测到4 个交替分布的 河流主要物理生境一沙洲。在4 次洪水的作用下，沙洲的面积及位置处于动态演变中。 其中，2 0 0 5 年所观测到的沙洲的最大面积达5 9 m 2 ，最大位移量为1 2 m ，最小面积为0 m 2 。 最小位移量为0 6 m 。与2 0 0 5 年相比，2 0 0 6 年的各沙洲面积有所减少，最大面积为3 8 m 2 ， 最大位移量为2 7 m ，最小面积为8 m 2 ，最小位移量为0 7 m 。沙洲随降雨量的变化表明： 中小洪水是河流物理生境动态演变的主要驱动因子，对河流物理生境的形成、演变和质 量的改善具有非常重要的作用。 3 、河流物理生境一沙洲在演变过程中，沙洲基质的组成和结构有了明显的改善， 其中粒径 2 r a m 的基质含量呈增加的趋势，而粒径 2 r a mm a t r i xp r o p o r t i o nw a si n c r e a s e da n d 2 r a mi sd e c r e a s e d t h ep h y s i c a lh a b i t a tq u a l i t yw a ge v a l u a t e db yt h ei n d e xo ft h eh a b i t a t m a t r i x a d a p t a t i o n t h ep h y s i c a l h a b i t a t q u a l i t y w a sn o t v e r yg o o dd u r i n gp r i m a r y r e h a b i l i t a t i o np e r i o do ns t u d ys i t e s a f t e r1 y e a ro fr e h a b i l i t a t i o n ，t h ep h y s i c a lh a b i t a tq u a l i t y w a gi m p r o v e do b v i o u s l yi ns t u d ys i t ec o m p a r e dw i t hc o n t r a s ts i t e t h es p e c i e sa n dd i v e r s i t y o ft h eb e n t h i cm a c r o - i n v e r t e b r a t ea r eb e t t e rt h a nc o n t r a s ts i t eb e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to f t h ef i v e rp h y s i c a lh a b i t a t7b e n t h i cm a c r o i n v e r t e b r a t es p e c i e sw a si n v e s t i g a t e di ns t u d y s i t e ，b u to n l y3s p e c i e si nc o n s t r a g t 4 b o t hz l a t i f o l i aa n da c a l a m u sg r e wb e s ti nm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g e b i o m a s s o fz l a t i f o l i ai nm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g ew a ss i g n i f i c a n t l yb i g g e rt h a nt h a ti nl o w a n d b i g hc o n c e n t r a t i o ns e w a g e b i o m a s so fa c a l a l n n si nm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g ew a s s l i 曲t l yb i g g e rt h a nt h a ti nl o wa n dh i g i lc o n c e n t r a t i o ns e w a g e ，b u t n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s w e r es c e l la m o n gt h e m t h er e m o v a lr a t e so ft n ，n h 3 - n ，t p ，c o d m nb yz 1 a t 扣l i aw e r e 9 7 4 0 * , ，9 5 2 8 ，9 8 4 8 ，7 1 3 8 ，r e s p e c t i v e l yi nm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g e ，9 6 3 6 ， 9 7 6 5 ，8 8 1 8 ，7 6 1 1 ，r e s p e c t i v e l yi nh i g hc o n c e n t r a t i o ns e w a g e t h ep u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yo fz 1 a t i f o l i ai n m e d i u ma n dh i 曲c o n c e n t r a t i o ns e w a g ew a ss i g n i f i c a n t l yb e t t e r t h a nt h a ti nl o wc o n c e n t r a t i o ns e w a g e z 1 a t i f o l i ac a nb eu s e da st h ep u r i f i c a t i o np l a n tf o r m e d i u ma n dh i i g bc o n c e n t r a t i o ns e w a g e a c a l a m u ss h o w e dt h eb e s tp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y i nm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g e t h er e m o v a lr a t e so f t n ，n h 3 一n ，t p ，c o d m nw e r e9 7 5 3 ， 9 4 0 8 ，9 8 4 8 ，7 2 6 8 ，r e s p e c t i v e l y a c a l a m u sa l s os h o w e dp r e t t yg o o dp u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yf o rn h 3 一na n dc o d u n i nh i g hc o n c e n t r a t i o ns e w a g e ，t h er e m o v a lr a t e sw e r e9 7 7 6 a n d8 6 7 2 r e s p e c t i v e l y b u ta c a l a m u sd i d n ts h o wg o o dp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yf o r t na n dt p t h er e m o v a lr a t e sw e r e8 9 5 1 a n d7 0 9 3 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i c hw e r e s i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h o s ei nl o wa n dm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g e a c a l a m u sc a nb e u s e da st h ep u r i f i c a t i o np l a n tf o rm e d i u mc o n c e n t r a t i o ns e w a g e v a r i o u sa q u a t i cp l a n t sc a n b es e l e c t e da n dc o m b i n e dt ob i n r e h a b i l i t a t ep o l l u t e dw a t e r b o d i e sa c c o r d i n gt ot h ek i n d sa n d c o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t s 5 t h er i v e rw a t e rq u a l i t ya s p e c t ，t h er e m o v a lr a t eo fb o d si s7 0 0 0 ，a n dt h er e m o v a l i v r a t e so f t h e e u t r o p h i ci n d e xo f w a t e rq u a l i t y - t p 、t n 、n h 3 一n a r e7 7 0 0 ，4 0 0 0 ，7 8 0 0 t h ep o l l u t i o nl e v e lo ft h ee x p e r i m e n t a lr i v e rq u a l i t yw a s v e r ys e r i o u sb ys ia n dp t h e w a t e rq u a l i t yn e e dt ob ei m p r o v e di ft h a tc o m eu pt ot h e s t a n d a r do ft h es u r f a c ew a t e l 6 o n er o a da l o n gt h el e n g t h w a y sr i v e r s i d ea n df o u rr o a d sa l o n gt h et r a n s v e r s er i v e r s i d e w e r ec o n s t r u c t e d ，a n dt h et o t a ja r e ai s2 4 0 m n ea r e ao ft h er o a dt a k e s8 0 0 o ft h ea r e ao f t h er e h a b i l i t a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls i t et h a ts u p p l i e sa d e q u a t es p a c ef o rp e o p l et on e a r l y t o u c ht h ef i v e r t h ec o n s t r u c t i o n sa f es t a b l ea n dh a v eo b v i o u s l ye f f e c to fl a n d s c a p e p e o p l e c 锄e a s i l yg e tt ot h er i v e rt h r o u g ht h ef l a g s t o n er o a d st h a tc o n n e c t e dw i t ho t h e r r o a d sa r o u n d t h er i v e r , a n dt o u c ht h ew a t e rn od i s t a n c et h r o u g ht h er o a d sa l o n gt h et r a n s v e r s er i v e r s i d e t h i s 锄i m p r o v et h ec o n s c i o u s n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：d a m a g e dr i v e r ；e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ；c o o r d i n a t e dm o v e m e n to f f l o w s e d i m e n t ；s u b t r o p i c s ：p h y s i c a lh a b i t a t v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, l d i l 以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：闺彖玺辱 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 雠盖髫 日期：2 以p 6 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 图片摘要 v l 修复前无固定河道的功能退化的 自然河段，杂草丛生。这些杂草丛生的 水生植物并不是所期待的净化水质能 力和景观功能强的水生植物。 本项目采用生态工程技术，恢复河 流生态系统的结构、高效的系统功能和 协调的内在关系，提高河流本身的自净 能力。本项目也能够为其它受损水库库 区及功能退化河流的近自然生态修复 提供新技术模式，起到示范作用( 修复 前河道，2 0 0 4 ) 。 本项目不采取传统的混凝土结构， 混凝土护岸没有植物根系可进入的空 隙，土壤动物及微生物也不可能生存， 河道的自净能力降低。因此。改变传统 的混凝土护岸工程设计，在土木工程设 计中纳入生态学原理，在能够达到防止 河岸崩塌及侵蚀的同时，创造出动植物 及微生物能够生存的多空隙河岸工程 生态结构，并保持生态环境的连续性， 促使河岸植物连续生长，构建净化水质 能力和景观功能强的水生植物河流生 态系统( 修复后的河流，2 0 0 5 ) 。 构建后的河流在水流泥沙的协同 驱动下处于动态演变过程中，在适应性 管理下能够促使其向健康方向发展( 处 于动态演变过程中的河流，2 0 0 6 ) 。 借助水流泥沙协同运动作用力成 功恢复了河床内交替分布的沙洲结构， 沙洲的面积及位置处于动态演变中。 中小洪水对河流物理生境的形成、 演变和质量的改善具有非常重要作用。 较大洪水时，有的沙洲会消失，但如果 河流的的弯曲性特征没有遭到破坏，河 床内消失的沙洲还会在水流泥沙协同 作用下得以再生和恢复。 河流物理生境砂洲处于演变过程 中，生境基质的组成结构有了明显的改 善。 河流物理生境质量的提高，使实验 区内底栖动物的种类、多样性较未修复 的对照区都有了很大的提高。 以红千层、金丝垂柳为主的河岸林 长势良好。因水库蓄水导致河流水位上 涨。 在河岸上部，引入乔木植物，其 中在数种选择上，选取了适合本地环 境条件，景观效果好的红千层和串钱 柳两个品种。特别是串钱柳，一方面 耐干、耐涝，另一方面花期长，树姿 婆娑，其景观效果尤佳。 河岸植被的设计，改善了河岸植 物群落的结构，提高了生态河流实验 区的观赏性，并且构建后的植物群落 在结构，颜色等方面与周围环境相协 调。 修复后的河流改善了河流的视觉 景观效果，水质中氨氮的去除，消除 了河流水体散发的异味，使人们自发 的乐于亲近水体，体验自然，从而通 过潜移默化的方式来提高人们的环境 保护意识。 实验被深圳商报报道后，被香港商报等多家新闻媒体转载 要闻 凹垒! 丛趟e 巡墨 没有钢筋水泥只见芦苇沙洲 深圳首条生态河道台皆呼吸 w m m m 恺“打 口7 矫￥ $ m m 】4 n n m ”i ：t i 、 j - “ “m m 2 | ，i f 2 c m k j n 口“女t j m f i i i j # u 7c * 十l t 1 “”蛀i - 口f ；i m m 自”镕”。口t 十 m m * * m * u n * 【| l m l ”4 m m 镕n * “t $ i u j m ” “m m 目l n o 自。f 女，- d m ” * ，t ，l i 女h m * # j 儿m n ，2 0 “* m wr * hn7 女自 一t j ub o d 5 、“日女r h “* 十4 df “| 。n ”，w w m * h k l 0 ”n 1 ii m m “l 、* # l 、 * * * 。 叫s “l n nj i m w m 目 m ”h n 。w mj 1 州，e + “h ：# inm-e2j w m m * 十 “ 士l c _ j l j “m 1 j 。【“ n u i l _ h m w 自自、i 匕m m t i l j m f i n 州，d 流m p k 自镕。l f 呈 m m m m ，w 湖# l 。n m h m ， m n # m i 目m # h e 【m ，十 “m # * n w m l _ 女i l 勺”i i i it l “# j “”m t “女# 。 “i - i i 女m 。j n f i n # - m * dp * m m m n # l t i 、 * 、 l n m f t m m & im * m 自l l - f - pb * “ # p ”0 f 1 “m m z 帆 k l lh * t “i if i l , i m i 1 w m 1 1 n 十# “rl ! ， * # 自 * 8 f j l $ 艋i o n “x - * m 9 1 1 1 u * b u 、e l 十洲q #”* m i t f # ，u m 十n 十璺h * l 目# # 日十* 7 * 8 m j u “2 0 i i l “ 1 、* 地、m ”* i4 * * 4 l u f i 十n i j m 一、* u 第一章绪论 第一节选题依据、目的和意义 降水或由地下涌出地表的水，汇集在地面低洼处，在重力作用下经常或周期性地沿 流水本身造成的洼地流动，这就是河流l l l 。河流是各种水生生物生存的自然空间。为人 类提供了包括饮用水、工农业用水、水产品等重要资源1 2 “。河流在为人类提供宝贵资 源的同时，降水引发的洪水、泥石流等灾害也在不断的威胁人类的生存1 5 , 6 1 。因此，对 于河流的开发，利用与整治一直伴随着人类社会的发展历史【”。 一选题依据 随着人类社会科学技术的不断进步和经济的快速发展，河流的自然属性和演变过程 受到流域内不断加强的人类活动的影响。其中，在诸多影响因素当中以河流裁弯取直后 的直线化或渠道化、河岸和河床的混凝土化、大型水利工程建设( 如拦河筑坝等) 对河 流及流域生态系统的影响最为显著睁1 0 l 。河流治理工程对于一个国家的国民经济发展起 到了举足轻重的作用，但目前这种不遵循河流演变的自然规律，基于经典力学理论形成 的以“还原论”为指导思想的水利工程技术体系，单纯的追求工程安全和经济性，工程 材料以施工性好。耐久性强的混凝土或钢筋混凝土为主，设计上缺乏对于河流生态系统 的充分思考，没有认识到人工构造物对于生物和环境的影响【l l - l 。这种河流整治思想最 终会导致产生河流的生态作用越来越小、水质恶化、生物栖息地的丧失以及物种的减少 等河流生态系统退化问题 1 4 , 1 5 1 河岸植被是河流生态系统中最重要的生物组成部分，它为河流生态系统中分布的各 种动物提供了栖息的空间。传统的河岸渠道化、混凝土化整治方法，在一定时期内对于 稳定河道、防洪排涝、防止水土流失等方面发挥了巨大的作用i 幡1 8 l 。但经混凝土硬化后 的河岸，切断了其横向、纵向的联系，失去了自然河岸表层的土壤基质，从而导致河岸 植物群落无法生长，使得两栖类、昆虫类、鸟类等与河流生态系统密切相关的动物和微 生物失去栖息、繁衍和避难的场所1 1 9 驯。伴随着河岸植被的退化，非点源污染物很容易 进入水体，进一步加重了水体的污染负荷，另外河岸坡脚处生长的大量水生植物由于混 凝土化等原因的丧失还会降低水体的自净能力，从而导致河流水质的下降，影响人类对 河水的利用、威胁水生生物的生存1 2 1 _ 2 4 1 。 传统的河流治理方法导致的另外一个问题是河流正常的水流一泥沙协同运动过程的 破坏。水流一泥沙协同运动是河流最基本的物理要素，也是f 流生态系统形成的驱动 因子不同流态的水流能够创造出多样化的河流物理生境，而生境的多样性是修复河流 生物多样性的基础1 2 6 。删。河流渠道化、河岸和河床的混凝土化等限制了水流泥沙协同 运动，改变了水流冲蚀、泥沙淤积的自然作用过程，使河道内交替分布的河流物理生境 一沙洲结构丧失，河流物理生境质量下降1 2 9 。竭。伴随着河岸植被的丧失、水流泥协同 运动过程的破坏，河流的生境多样性和生物多样性明显下降，最终导致河流生态系统的 健康水平逐渐下降，进而威胁人类和其他生物的生存和发展【3 3 3 4 】。 当今，河流生态系统结构和功能的损坏及水污染己对人类的饮水安全和健康构成了 严重威胁，被公认是全球性的生态环境问题，如何恢复与重建健康的河流生态系统越来 越受到国际社会的关注和重视，河流生态修复已经成为研究热点问题1 3 孓姐l 。水利工程与 生态工程的有机结合是这一研究领域的重要进展。我国目前也大力倡导构建人与自然和 谐的生态水利工程。但是河流生态修复在我国是一个全新的领域，目前仍处于起步和技 术探索阶段1 3 9 删。从生态系统安全、亲水和景观等多视点系统地研究河流治理工程，已 经成为水利学和生态学研究者必须共同面对的重要课题。与国外相比，我国的河流生态 修复常常忽视了对受损河岸植被群落和河流生态系统结构、功能的修复，对于修复过程 中的生态学过程和机理研究很少。因此，探索基于水工学与生态学理论的河流生态修复 的理论与技术，必将成为河流治理所要解决的重要课题。 深圳市的高速扩张和人口激增已对水环境造成了巨大压力，河流和饮用水水源地的 污染成为深圳面临的最大环境障碍。尤其是饮用水安全直接关系到深圳和香港居民的健 康和经济发展。因此深圳市于2 0 0 4 年启动了水环境综合整治工程，重点对被污染的河 流和水源地进行生态修复。本研究为深圳市重要饮用水水源地西丽水库水环境综合 整治项目的一部分目的是对水源地内的受损河流生态系统迸行修复。 二目的和意义 本项研究在确保河岸防洪安全的前提条件下，以恢复和重建河流生态系统及其景观 为目的，通过对河流进行生态化的设计与调控，采用生态系统自我修复能力和人工辅助 相结合的技术手段，恢复河流生态系统合理的内部结构、高效的系统功能和协调的内在 关系，将杂草丛生的退化河岸建设成所期待的净化水质能力和景观功能强的水生植物生 态系统，提高河流本身的自净能力。 希望通过本项目也能够为其它受损库岸带及功能退化河流的近自然生态修复提供 新技术模式，起到示范作用，并对我国新时期的现代水利工程建设、减少工程对生态社 会环境的负效应，保障社会经济安全、构建自然与人类的和谐关系起到积极的推动作用。 2 第二节国内外研究进展 一国外研究进展 近自然河流生态修复技术的主要理论基础是2 0 世纪5 0 年代德国创立的“近自然河 道治理t = 程学”，工程设计理念中吸收生态学的原理和知识，改变传统的工程设计理念 和技术方法，使河流的整治要符合植物化和生命化的原理【1 2 | l 。在修复目标上强调河 流自然的健康状念：在修复方法上，强调人为控制和河流的自我设计相结合 欧洲国家对阿尔卑斯山区的早期开发造成的大面积森林砍伐和植被破坏，以及为治 理水土流失，泥石流等灾害而兴建的大规模的传统水利工程所引发的生物多样性降低， 人居环境质量的下降促成了人们对传统水利工程的反思i ”。 近自然河溪整治的概念最早是在德国提出的，它强调水利工程在具有防洪、供水、 水上保持等基本功能的同时，还应该达到接近自然的目的，特别强调河溪治理工程中的 自然美学成分| 4 8 | 。 伴随着工程实践和生态学理论的发展，2 0 世纪5 0 年代德国正式创立了“近自然河 道治理工程学”。其核心思想是河道的整治要符合植物化和生命化的原理。以河道原始 的自然状态为受损河流修复的最终目标f 4 9 - 5 ”。 近自然生态工程技术属于生态工程技术的一个分支，其理论发展最为重要的时期 在1 9 6 2 年，这主要是因为1 9 6 2 年h t o d u m 提出了著名的生态系统自组织原理 ( s e l f - o r g a n i z i n ga c t i v i t i e s ) ，并且将这个重要的概念应用到工程领域巾，使生态工程有 了坚实的理论基础，并且促进了生态工程理论的完善和技术的应用。s c h l u e l e r ( 1 9 7 1 ) 认 为“近f l 然治理”( n e a rn a u r ec o n i r o i ) 在满足人类刈河流利用的要求同时，又要维护或 创造河流的生态多样性1 5 2 - 5 ”。 b i d n e r ( 1 9 8 3 ) 提出河流整治首先要考虑河道的水力学特征、地貌学特点与河流生态 环境多样性、物种多样性及其河流生态系统平衡。 1 9 8 9 年，土态学家m i t s c h 及j o r g e n s n 正式探讨“e c o i o g i c a le n g i n e e r ( e c o l o 百c a i e n g i n e e r i n g 、”这个概念，并给与相应的定义，生态【程理沦正式诞掣4 引。 近自然生态丁程技术在各国概念的表述也不尽相同，在德国称为“河川生态自然工 程”，f 1 本称为“近自然工事”或“多自然型建设工法”，美国称为“自然河道设计技 术”，似基本原理是一样的。一些国家已经颁布了相关的技术规范和标准1 2 9 珈7 删。 同一时期，一些国家的科学家和工程师对河流生态恢复工程开展了一些科学示范工 桴研究较为著名的有英国的戈尔河( g o i e ) 和思凯姻洲( s k e m e ) 等科学示范工程：2 0 世 纪8 0 年代丌始的莱茵河治理，1 9 8 7 年提出的莱茵河行动计划以生态系统恢复作为莱茵 河重建的主要指标2 0 0 0 年莱茵河全面实现了预定的使目标生物群落重返莱茵河及其 支流所需要提供的条件的修复目标，莱茵河成为“一个完整的生态系统的骨干”：从 2 0 世纪9 0 年代起，美国将恢复6 0 万k m 的河流或溪流。已经开展的大型河流按流域整 体生态恢复工程的实例有密西西比河、伊利诺伊河和凯斯密河【1 2 , 6 1 - 6 8 l 。 二国内研究进展 我国河流生态修复方面的研究起步较晚，早期的研究中主要是注意到了河流生态系 统某个方面的功能，如河岸植被特征及其在生态系统和景观中的作用，基于景观生态学 相关理论的的河流整治方面的探讨，河岸带的植被的特征和保护，河岸带功能及管理， 另外还有一些基于水污染治理的角度的研究，如对受污染河道生态修复机理机制的探讨 1 8 , 1 2 , 1 6 , 1 8 , 3 9 j 。 近年来，河流生态修复已经成为水利学和生态学领域学术讨论的热点目题。我国水 利学者和生态学已经认识到水利工程对河流污染产生的严重影响，从不同角度积极阐明 开展河流生态修复研究的重要性。 2 0 0 3 年，董哲仁首次提出“生态水工学”的理论框架，认为应该革新传统水利工 程的设计思想，在水工学的基础上，吸收、融合生态学理论，应该超前开展“生态水 工学”的研究，并探讨了河流生态修复的技术手段和基础研究问题1 2 1 2 0 0 1 年丌始，杨海军借鉴国外经验，开展了将生态学原理应用于水利工程中的河 流生态修复的理论与技术研究。并于2 0 0 4 年在国家自然科学基金会的资助下，开展了 受损河岸近自然修复过程的自组织机理研究。项目是以东北伊通河流经东北师范大学净 月校区的退化河岸为对象，对修复重建后的河岸生态系统在修复过程中的生态功能及生 态系统动态、定量化的评价指标进行了研究。其代表专著河流生态修复的理论与技术 于2 0 0 5 年在国内率先出版，该书系统的论述了如何在确保防洪的前提条件下，将生态 学原理应用到水利工程中，通过对河流治理工程的生态设计与调控，使受损害的河流生 态系统恢复到受干扰前的自然状态及其景观格局，即恢复河流生态系统合理的内部结 构、高效的系统功能和协调的内在关系的理论和技术，填补了国内在河流生态修复领域 缺乏理论著作的空白1 1 1 , 1 2 1 。 2 0 0 5 年，董哲仁、周怀东、李文奇、彭文启、张祥伟、孙东亚等进一步阐述了河 流健康的内涵、评估的原则方法和技术、河流生态修复工程的评估准则、国外河流生态 系统健康的定义、评价指标和实例等。2 0 0 2 2 0 0 4 年，不同研究领域的学者分析了河流 治理工程巾的生态学问题1 2 - 3 1 。 4 2 0 0 2 、2 0 0 3 年，蔡庆华、唐涛等分别探讨了河流生态学研究中的热点和河流生态 系统健康评价等问题【州。 。 2 0 0 3 年，王薇、李传奇等从生态学的角度，综述了发达国家的河流生态修复的研 究进展，同时介绍了我国河流生态修复的现状，认为我国河流生态修复的研究与实践多 偏重于河流受污染水体的修复，注重水质的改善，而不强调河流生态系统结构、功能的 修复【删。 2 0 0 4 年，夏继红，严忠民等综合分析了国内外生态河岸带研究进展与发展趋势， 认为近年来我国已经丌始研究城市河流的“生态型护岸技术”，并已经提出了多种生态 型护岸结构形式，但是这些技术只是从维持岸坡结构稳定的角度来研究问题的，并没有 考虑其对环境、生态的影响并非是真正意义上的河道生态护岸。 2 0 0 4 年，牟溥、王庆成等以自然溪流为对象分析研究了土地利用、溪流级别与溪 流河水理化性质的关系。 近年来，邓红兵、张建春等着重分析了自然河岸带在植被结构和功能以及管理上的 生态学问题。 近年来，陈吉泉、王东胜等从不同角度分析了水利工程对生态环境的影响，认为以 往的水利工程设计首先是在满足其防洪功能的前提下，着重于工程的结构设计，很少去 考虑工程对周边生态环境的影响，使河流在结构和功能上受到损害。 河流生态系统结构和功能的损坏及水污染，已经给我国水生态系统的生物多样性与 水的可持续利用造成了很大的危害。水利部目前己将“水生态的修复与环境保护”作为 “十一五”时期的重要目标。“河流生态的修复与建设”已成为水利部今后匠年的币要 研究课题之。 目前- 我国学者展丌的河流生态修复研究主要侧重河流生态系统功能的探讨，虽然 是这一部分的理论得到了很大的丰富，但应用方面的探讨不多直到2 0 0 2 年开始，应 用方面研究开始逐渐展开，如生态水工学概念和基本框架的提出，对于生态型护岸研究 进展的论述，对受损河岸修复机理的探讨 2 , 3 j u 2 , 7 0 l 。 我国对于河流生态健康评价是伴随着河流生态修复目标的探讨而发展起来的，包括 对水的理化性质评价，利用河流底栖动物对水环境状况的评价，以及对生态系统健康评 价理论和技术的相关研究1 1 0 7 1 - 7 9 1 。 就河流生态修复的目标来说，河流生态系统始终处于动态的演进过程中，而这种演 进过程是不可逆的，因此刁i 存在全球适用的生态修复目标。务实的思维模式足把河流生 态修复目标定位在一个适合本区域条件、退化程度展小、最适宜的生态系统1 1 2 j 。 5 我国幅员辽阔，各流域的自然条件不同，经济社会发展水平各异。制定河流健康评 估准则既不能照搬国外经验，也不可能制定全国统一的细则标准，应经过调查、论证因 地制宜地制定符合流域、地区自然及社会经济条件的健康评估准则f 硎。 第三节研究内容、技术路线和创新点 一主要研究内容 ( 一) 河岸植被的修复 河岸植物群落的恢复是构建健康河流生态系统的重要基础。传统的混凝土河岸工程 设计中没有考虑植物、土壤动物及微生物的生存空间和环境。本研究以深圳市西丽水库 库尾入库受损河流生态系统为对象，在确保河岸力学稳定性的前提下，将生态学原理应 用于水利工程设计中，对河流护岸工程结构进行生态设计，修复创建与生态功z 日- , 。k , 相对应 的河岸植物群落结构，并对其恢复效果进行评述。 ( 二) 水流泥沙协同运动下河流物理生境的演变 水流- 泥沙协同运动是河流系统最基本的物理要素，也是河流生态系统形成和维持 的驱动因子。本文通过对于实验区内相应水文水动力学指标以及河流物理生境一沙洲的 面积、位移量和基质的组成结构等特征值的定量观测和分析，对水流一泥沙协同运动过 程对受损河流物理生境的修复作用进行初步的探索，并利用河流物理生境基质适宜性指 数对修复后河流物理生境的质量迸行了定量评价。 ( 三) 河流底栖动物的变化 通过对修复过程当中的河流底栖动物的种类、组成、多样性等特征值的观测和分析， 来对河流物理，圭境与底栖动物群落的组成结构的相互关系进行初步的研究。 ( 四) 水生植物的水质净化作用 以两种常用的水生植物为研究对象，采用实验室控制的方法对其水质净化能力进行 初步的研究，同时对修复后实验区水质的改善迸行了定量的评价。 ( 五) 河流景观设计 在对实验区河段进行生态设计同时，还通过引入红千层、红绣球( 灌木) 等景观植 物种同时在河岸还建设了景观道路和亲水平台来改善河流自然景观效果和亲水性。 二技术路线 通过了解实验区的背景资料、水文、地质条件以及工农业污染源的分布等信息，确 定受损河流的修复内容和目标。在遵循生态工程学的理论并保i i e t 程安全的前提下，采 6 用恢复生态学的“人为设计”以及“近自然”的设计理念，对受损河流进行生态化设计， 并构建生态型河流。从河岸植被的变化、河流物理生境的演变、河流底栖动物的变化和 河流水质的变化等几个方面的指标对河流生态修复的效果进行验证，并通过数据分析和 评价来不断地修正在河流生态设计和构建方法上的不足，从而促进河流生态系统不断朝 向良性方向发展。总结河流生态修复的经验和结论不断推进和丰富河流生态修复技术 的内涵( 见图1 3 1 ) 。 三创新点和关键的科学问题 ( 一) 创新点 探讨了水流泥沙的协同驱动作用下，河流生境的演变、恢复过程的机制。 ( 二) 关键的科学问题 河流生态修复过程中，河岸植被的变化状况：经修复后，生态型河流内水流泥沙 协同运动过程对于河流物理生境的修复作用；多角度的河流生态修复效果评价。 经 验 髟! 祟 实验区的选区 背景资料的调查及修复目标的确定 生态河流的设计和构建 观测指标的确定和观测 数据分析，修复效果评价 结论 图l - 3 1 技术路线图 技 术 改 进 第二章实验区概况与研究方法 第一节实验区概况 一实验区自然概况 实验区位于深圳市南山区西丽水库库尾( 图2 1 1 ) 。西丽水库地处亚热带地区，气 候暖湿温和，季节变化小。夏季盛行东南风，冬季盛行北风，因为有羊台山主峰阻挡， 冬季气候暖湿，具有明显的海洋性气候特征。全年平均温度2 2 4 c ，最高气温3 8 7 最低气温0 2 。年平均降雨量为1 5 8 2 2 m m ，降雨量集中在4 9 月，约占全年降雨量的 9 0 0 9 6 ，月均降雨量最大达2 0 5 o r m ，库区降雨的时空变化与冬夏季盛行的季风环流有关。 水库平均深度为6 5 m ，最深处达1 2 6 m 。年平均风速为2 6 m s ，历年最大风速3 2 o m s ， 受夏季台风影响年均l 3 次，阵风最大可达1 2 级。灾害性天气主要有台风、寒潮、洪 水、寒露风和干旱。 该区属于华南热带季风雨林带与亚热带季风常绿林带的交接地区，植被主要为亚热 带常绿季雨林。库区土壤主要有自成土和淤积土两大类，自成土是在当地基岩和变质岩 上直接发育而成，土壤类型分为林地赤红壤，草地赤红壤和耕地赤红壤三个亚类。淤积 土是在搬运作用形成的各种沉积母质上发育而成，多分布于溪沟洪积、河流冲击和岸边 滩涂地段 v 女m h n 。 对 酝 。、) _ 目，、 锄f _ 摊m l 图2 - 1 1 实验区位置图 二实验河流自然概况 实验河段选择在流入深圳市西丽水库的田下河上( 图2 - 1 1 ) 。田下河的上游集水区 多为2 5 。以上的陡坡地，种植大量的荔枝林，平坦部河岸两侧多开发为菜地和鱼塘， 可作为生态修复利用的土地有限。田下河的水源补给主要来自于天然降水，降雨时流量 较大平常水量很小。河面宽2 m 5 m ，水深o 2 m 0 5 m ，平均流速o 6 m s 在洪水的 8 作用下，河流经常改道，无固定的河道河床淤积严重。河床及其周围有大量鸭跖草 ( h e r b ac o m m e l i n a e ) 和五节芒( m i s c a n t h u s f l o r i d u l u s ) 分布。由于上游林内地表裸露， 暴雨后极易产生水土流失，同时流失掉大量经营果树和菜地所施用的农药、化肥等污染 物质t 导致河流水质污染严重，其中，c o d m 。7 9m g l ，b o d 5 3 7 8m g l ，氨氮1 0 4 m g l ， 总磷1 5 m g l ，总氮1 4 7 m g l ( 2 0 0 5 年) ，都远超出国家地表水的v 类水质标准，水质 处于劣v 类。 第二节研究方法 一实验段选取及生态河流的构建 ( 一) 实验段选取 实验河段选择田下河入库前的2 0 0 m 长河段，用以构建生态型河道，作为实验区( a 区) ，根据河道特性，确定了不同的修复目标，在纵断面上将实验河段自上游至下游依 次划分为5 0 m 、5 0 m 、1 0 0 m 三个修复河段，分别为上游植物群落修复区( a 一1 区) 、中 游植物群落修复区( a 一2 区) 、下游植物群落修复区( a 3 区) 。在横断面上，将纵断面 上的各修复区划分为河岸近水区( 枯水位与常水位之间的河岸坡) 和河岸远水区( 常水位 以上的河岸坡) 2 个区域；对照区( b 区) 选择在实验河流段上游未经修复的自然河道。 ( 图2 - 2 - 1 ) 河道纵向形态和实验区砧赴示意圈 图2 2 1 河道纵向形态和横断面设计示意图 9 ( 二) 生态河流的设计理念和构建 l 、设计理念 在进行生态河流设计时，在保证河道安全的同时，尽可能不改变生物良好的生息、 生育环境。在不得不改变时，将这种改变限制为最小程度尽可能维持良好的河流生态 环境。同时，在充分考虑河流本身具有的自然活力及其自然环境特征的同时还要充分 考虑由土壤和植被等所构成的自然河岸所具有的抗洪能力和河流的自身恢复能力【1 2 i 。 ( 1 ) 保护与恢复具有多样性的河流环境 应努力保护和恢复河流原有的多样性的生物生息，生育环境。因此，应避免河道的 直线化和河岸的混凝土化，最大限度的发挥河流自然的恢复能力，保护和恢复河流原有 的形态【1 2 l 。 ( 2 ) 确保生物生存环境的连续性 生活在河流中的动物，有的生活在河流的上下游；有的生活在干流、支流及渠道中： 有的往来于河流和河流侧；同时有的生物需要水域和陆地双方的生息地；有的生物需要 以植物作为迁徙途径。为了不妨碍生物的迁徒，在设计河道整治工程时，应在确保河道 上、下游，横断面方向连续性的同时，还要保持河流与周围环境的连续性。 ( 3 ) 确保良好的水循环 河流的水流同周围的地下水有密切的关系。地下水位也影响河流植物的生长、繁殖、 分栖等。另外河流中的泉水多清澈而且水温一定，形成与干流不同的环境，是增加河流 环境多样性重要的因素。因此，在设计上应不截断河水与地下水的流动，确保河岸的透 水性，从而确保良好水循环。 2