上海市浦東新區(qū)周浦鎮(zhèn)河道水體生態(tài)修復研究

王彬酈 李艷華 李 弘 陳范模

河道不僅承擔著行洪排澇、灌溉供水、生態(tài)維持、養(yǎng)殖及景觀等功能，還是城鄉(xiāng)自然生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分。隨著城市的更新與擴張，城鄉(xiāng)中小型河道普遍面臨污染輸入劇增、水質(zhì)惡化、水生態(tài)惡化等問題。以上海浦東新區(qū)周浦鎮(zhèn)河道水體生態(tài)修復工程為例，研究其采用水生植物直接種植并輔以適當工程手段的修復方法，結(jié)果表明選用的水生植物對地處城鄉(xiāng)結(jié)合地帶中的河道的水環(huán)境改善、水生態(tài)修復和水景觀營造具有明顯的提升作用。研究可為同類型河道的綜合治理提供參考與借鑒。

水生植物；河道；水體凈化；生態(tài)修復；工程手段

河道是陸地表面包括水體、植物、動物、土壤等多種環(huán)境因子的線型天然水道，具有明顯不同于其兩側(cè)陸地的土壤和植被特征，支持較高水平的物種多樣性、種群密度和生物生產(chǎn)率，是具有包括調(diào)節(jié)徑流、調(diào)蓄水量、去除水中有害物質(zhì)、提供水生和陸生動物棲息地等多項生態(tài)功能的復雜的生態(tài)系統(tǒng)[1]。河道不僅承擔著行洪排澇、灌溉供水、生態(tài)、養(yǎng)殖及景觀等功能，還是城、鄉(xiāng)自然生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分[2]。由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的不統(tǒng)一，在城市與農(nóng)村之間形成一些獨特而復雜的城鄉(xiāng)結(jié)合地帶，這些地帶的中小河道面臨河道空間受壓縮、污染源復雜、生態(tài)服務(wù)需求不斷增長的多重壓力，存在水土流失、河道淤積、水體嚴重污染、水質(zhì)變差等問題，河道的承載能力逐漸下降。因此，開展河道的水環(huán)境治理和生態(tài)修復工程，對于解決城鄉(xiāng)河道面臨的根本生態(tài)問題，以及城市水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀問題至關(guān)重要[3]。

植物，尤其是水生植物在生長過程中，由于對于周圍環(huán)境中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，有機污染物和重金屬有吸收、吸附作用，被大量應(yīng)用于控制富營養(yǎng)化和修復污染水體。栽植水生植物成為近年來受到高度關(guān)注的水生態(tài)治理措施之一，具有成本低廉、管理方便、有經(jīng)濟收益潛力、不產(chǎn)生二次污染、能夠改善生態(tài)景觀等優(yōu)點。文章通過實際案例探析水生植物在地處城鄉(xiāng)中小河道水質(zhì)凈化、生態(tài)修復和景觀營造及恢復中的應(yīng)用，旨在為水生植物用于因受到河流空間壓縮、水動力不足、治理技術(shù)薄弱等各方面限制的城鄉(xiāng)中小脆弱河道的生態(tài)環(huán)境修復提供理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，為以水生植物為主要手段的生物修復技術(shù)的推廣和同類型河道的生態(tài)綜合治理提供示范和參考。

1 水生植物的生態(tài)修復功能

水生植物又稱水生高等植物，是指能夠長期或永久地在水中正常生活的植物，包括木本和草本植物。按照其生長空間又可細分為沉水、挺水、漂浮和浮葉植物。水生植物是河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)主要的初級生產(chǎn)者，具有顯著的環(huán)境生態(tài)功能，不僅能夠為水生動物、微生物提供食物和棲息地，而且對水體的物理、化學和生物特性具有調(diào)節(jié)作用。

近年來興起的植物修復技術(shù)是通過植物的吸收和代謝功能對環(huán)境介質(zhì)中的有毒有害污染物進行分解、富集、穩(wěn)定和移除[4]。植物修復的作用機理主要有植物固定、植物降解、植物揮發(fā)、植物提取、根系過濾。由于生長發(fā)育需要，水生植物在生長過程中可直接吸收污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。以水生植物根際為生存場所的微生物，是營養(yǎng)物質(zhì)好氧/厭氧降解的主要介導[5]。水生植物對水體中的重金屬等污染物也有一定的吸附作用[6]。水生植物的根、莖、葉吸收水體中的有機污染物，如PAHs、TPHs、PCBs等，利用植物或植物與微生物共同降解作用實現(xiàn)清除[7]。此外，水生植物還具有釋放化感物質(zhì)（Allelochemicals）[8]調(diào)節(jié)周圍生物活動的生態(tài)功能。水生植物代謝過程中會產(chǎn)生對特定受體（植物或微生物）具有調(diào)節(jié)作用（化感作用）的次生代謝物質(zhì)，對水華藻類的生長產(chǎn)生抑制（克制）作用，而且化感物質(zhì)對藻類的抑制作用具有明顯的選擇性。近年來國內(nèi)外有大量關(guān)于水生植物化感抑藻作用的研究報道，目前已經(jīng)確認具有較強化感抑藻作用的水生植物有：蘆葦、燈芯草、石菖蒲、馬蹄蓮、苦草、鳳眼蓮、金魚藻、穗花狐尾藻、蘆竹、浮萍、滿江紅、紫萍等10余種[9]。通過水生植物對藻類的化感抑制效應(yīng)，可以控制藻類生長、改善水質(zhì)、提高透明度，改善景觀[10]。對于以富營養(yǎng)化為主要特征的湖泊、水庫，水生植物被認為是湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主導因子[11]。國內(nèi)已有多個利用水生植物，特別是沉水植物治理富營養(yǎng)化藻型湖泊（水庫）的實際應(yīng)用，均取得較好效果[12]。

城市濱河區(qū)是城市范圍內(nèi)河道水域與陸地相接的區(qū)域，集中了各種自然因素，同時又受到人類活動和城市干擾，是人與自然共同作用最強烈的地帶之一[13]。城市河流具有行洪、排澇、納污、水土保持、水體自凈和構(gòu)成、連接城市景觀等基本功能，是城市生態(tài)系統(tǒng)中具有生態(tài)景觀連通作用的重要紐帶。作為水生態(tài)環(huán)境的重要載體，城市河道在社會經(jīng)濟發(fā)展中有著十分重要的地位。然而，伴隨城市發(fā)展的人類活動加劇，城市河流受到干擾和威脅，城市區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的各種污染物直接或間接排入河道，導致城市河道嚴重污染，超過河道的自凈能力，河道水生態(tài)系統(tǒng)退化，既影響沿河居民的生活質(zhì)量，也阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展。受城市人口增加和經(jīng)濟活動日益強化的影響，城鄉(xiāng)河道普遍存在點源、面源污染輸入增加，濱岸空間受到擠壓，連通性喪失等問題，不僅給河道生態(tài)系統(tǒng)造成壓力，也給常見河道修復治理手段的應(yīng)用實施造成難以逾越的障礙。在用于城市河道治理的多種措施中，水生植物不僅能吸收凈化水體中的重金屬和有機污染物，控制富營養(yǎng)化，作為初級生產(chǎn)者，還能完善水生生物群落結(jié)構(gòu)，增加水體的生物多樣性，使城市河道恢復近自然條件，提高其自凈能力，而且具有低耗、高效、不產(chǎn)生二次污染的特點，日益受到關(guān)注和廣泛應(yīng)用[14-15]。

河道治理中，水生植物的生態(tài)修復作用通常通過人工濕地、植物緩沖帶、生態(tài)浮床（島）等生態(tài)工程來實現(xiàn)[16-17]。另外，直接種植水生植物是一種更為靈活、有效、簡便的原位污染清除和水質(zhì)改善措施。利用河道自身的水動力學特征，通過水生植物的生態(tài)過程，可以實現(xiàn)凈化清除水體污染、增加水體溶解氧、改善水生態(tài)健康、營造景觀、美化環(huán)境的目標。在滿足河道水利功能要求的前提下，合理配置沉水、挺水植物，充分發(fā)揮水生植物的形態(tài)、色彩等自然要素的作用，既能改善河道水質(zhì)，又能起到美化環(huán)境、營造水景的作用。

2 上海浦東新區(qū)周浦鎮(zhèn)河道生態(tài)修復

項目位于浦東新區(qū)周浦鎮(zhèn)（北緯31°07′，東經(jīng)121°35′），是航運河網(wǎng)的中樞，內(nèi)通欽塘內(nèi)各地，外與黃浦江相接，是城鄉(xiāng)結(jié)合的一處典型，也是承接市區(qū)產(chǎn)業(yè)擴散的第一圈層。周浦鎮(zhèn)屬老濱海平原區(qū)，地勢較低，地面標高為吳淞零上4 m左右，常年地下水位1.5 m，冬季為1.8～2 m，夏季為1.2～1.5 m。

2.1 河道現(xiàn)狀問題分析

通過實地調(diào)研，河道存在以下問題：（1）周邊用地類型復雜，主要有居住、公共綠化、工業(yè)、林業(yè)用地等，且許多坡岸被居民用來種植蔬菜。（2）因道路和城市建設(shè)的需要[18]，許多自然河道已被人工改造成多種形式，導致自然河流非連續(xù)化，許多河道流通不暢。（3）許多河道坡岸被開發(fā)為菜地，施肥后的徑流污染直接入河，導致河道富營養(yǎng)化。此外，畜禽養(yǎng)殖在近河地區(qū)仍然大量進行，也增加了河道的污染負荷。（4）雖然河道周邊均建立了截污納管的工程設(shè)施，但部分河道仍有周邊居民的生活污水進入。

2.2 綜合整治技術(shù)方案

水生態(tài)治理不僅要實現(xiàn)近期水質(zhì)達標的目標，更應(yīng)著眼于河道水環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的長遠目標。此次河道網(wǎng)絡(luò)綜合治理，根據(jù)河道現(xiàn)狀和規(guī)劃，設(shè)計了近期與遠期目標。近期目標為：項目實施1年后，消除黑臭；實施2年后，消除劣Ⅴ類水；主要水質(zhì)指標：TP（總磷）≤0.4 mg/L，NH4+-N（氨氮）≤2 mg/L，DO（溶解氧）≥2.5 mg/L。遠期目標為：連通水系，大幅度提高調(diào)節(jié)、凈化能力，使水環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定，最終實現(xiàn)“水清、水動、岸潔、岸綠”的總目標。

為此，項目制定“綜合考量—整體規(guī)劃—逐步實施”的技術(shù)方案，先將取樣河道的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行比較分析。以地表Ⅴ類水為標準，分析NH4+（氨離子）、TN（總氮）、TP、高錳酸鹽指數(shù)4個指標的污染嚴重程度。將這4個指標分為4個格子在地圖每條河道上標出，低于地表Ⅴ類水標準以藍色表示；在地表Ⅴ類水兩倍標準和地表Ⅴ類水標準之間的以黃色表示；在地表Ⅴ類水三倍標準和地表Ⅴ類水兩倍標準之間的以橙色表示；高于地表v類水三倍標準的以紅色表示，直觀反映河道周邊干擾最大的因素。綜合考慮項目及周邊地區(qū)的水系特點、水質(zhì)及生態(tài)要求，結(jié)合每條河道的現(xiàn)狀條件、駁岸情況，將12條河道分為重度污染河道、中度污染河道、輕度污染河道三個類型，同時選取7條典型河道的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行橫向比較分析（圖1），形成對河道進行強化凈化和生態(tài)修復的“工程＋技術(shù)”措施，一河一策，在每條河道上形成節(jié)點凈化處理—水域強化凈化—岸線植物恢復的全方位水環(huán)境治理和生態(tài)修復系統(tǒng)。

1. 河道污染程度分析圖

在具體的修復技術(shù)措施實施時，結(jié)合前期清淤、截污納管工程，采用“節(jié)點凈化—生境構(gòu)造—濕地生態(tài)—水域修復”的技術(shù)路線，同時輔助水系連通、飲水調(diào)水的設(shè)計架構(gòu)，對城鄉(xiāng)中小河道進行綜合治理和生態(tài)修復，確保消除黑臭，消除劣Ⅴ類水體，最終實現(xiàn)全方位水質(zhì)改善和生態(tài)功能提升。

2.3 栽植水生植物提升水體水質(zhì)

根據(jù)不同區(qū)域的河道和駁岸形態(tài)，選用水生植物凈化水體，而構(gòu)成駁岸植物帶的濕生植物，如受淹時間長，則受到水深、光照、水流速度、風浪等影響嚴重[19]，因而選取適宜的水生植物能夠更好地保證植物健康生長，同時減少風浪反沖，促進水體中營養(yǎng)成份的吸收，有效提升水質(zhì)。植物配置選用挺水植物如水生美人蕉、再力花、黃菖蒲等，沉水植物如苦草、輪葉黑藻等，浮葉植物如耐寒睡蓮（表1）。

表1 植物配置表

以河道生態(tài)凈化和景觀要求為目標，通過一定密度、多種水生植物的片植、塊植與叢植，構(gòu)建水下健全、健康的沉水植物及其支持的微生物凈水系統(tǒng)，為浮游動物提供棲息地和避難所，同時改變水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽的循環(huán)動力學。通過介導作用促進氮的硝化/反硝化作用，抑制磷的沉降，也可有效抑制因底泥再懸浮和氮磷釋放導致的內(nèi)源性污染，增強對浮游植物的控制和提升生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力[20]。由沉水、挺水、浮葉植物立體搭配構(gòu)成相互呼應(yīng)、錯落有致的景觀系統(tǒng)，有力地提升了河道水域的觀賞性。

2.4 輔助工程治理措施及方法

2.4.1 不同類型駁岸的治理與生態(tài)修復

生物群落多樣性是河道生態(tài)系統(tǒng)健康的保障，而河道形態(tài)多樣性是生物群落多樣性的物理基礎(chǔ)[13]。駁岸作為水陸交接帶，不僅是生態(tài)治理中控制徑流入河污染的關(guān)鍵屏障，也是重要的景觀區(qū)域，所以駁岸的建設(shè)應(yīng)依據(jù)現(xiàn)狀條件同時滿足生態(tài)修復和景觀功能的要求。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，依據(jù)駁岸現(xiàn)有使用情況，本項目中12條河道的駁岸類型主要有自然型駁岸（斷面修復工程A）、已有木樁駁岸（斷面修復工程B）、直立硬質(zhì)駁岸（斷面修復工程C）三種，項目組采取如下治理措施：

（1）斷面修復工程A。分析駁岸現(xiàn)有水生植物（茭草、水花生等）配置已不能滿足生態(tài)需求，決定采用人工干預修復河床基底，進行基底重構(gòu)，采用挺水植物（黃菖蒲、茭草、蘆葦）和沉水植物（苦草、輪葉黑藻）復合種植進行生態(tài)恢復，通過水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復，達到減緩徑流、吸收部分污染物、穩(wěn)定河道兩岸的目的，最終改善整個河道生境，提升河道自我修復功能。

（2）斷面修復工程B。排查并修補破損或塌陷的木樁，同時對部分有景觀一致性要求的河段進行木樁增補。重構(gòu)河床基底進行人工干預，根據(jù)現(xiàn)有水生植物分布情況，在河道邊補種挺水植物和沉水植物，通過水陸交錯帶植物的恢復，改善河道的生態(tài)環(huán)境。

（3）斷面修復工程C。采用格賓石籠混凝土或漿砌毛石擋墻沿硬質(zhì)駁岸進行改造，使毫無生機的直立駁岸成為能夠提供棲息場所的駁岸。在直立硬質(zhì)駁岸部分進行河床基底重構(gòu)，利用格賓石籠的生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的有機結(jié)合。最后在格賓石籠上進行增補水生植物恢復，改善河道的生態(tài)環(huán)境（圖2）。

2. 斷面修復工程示意圖和效果圖

2.4.2 點源污染凈化的治理及修復

河道點源污染如排水口，有量大、排水集中、沖擊力強等特點。對此，污水口設(shè)計了攔截凈化工程，對排污量較大（生活污水、農(nóng)業(yè)退水等）的河段進行水力學緩沖和初步凈化，降低污水中的懸浮物量，降低生活污水匯水負荷沖擊（圖3），必要時在大河道交匯河口設(shè)置生態(tài)基生物濾壩，使河道的匯水得到進一步凈化，同時攔截進入大河道的漂浮物，如生活垃圾、枯枝落葉等。河口生態(tài)基生物濾壩設(shè)置在與大河道交匯處約10～15 m的范圍內(nèi)，采用沙袋和礫石袋作為底部鋪墊，上鋪礫石袋層，中間采用土工布分隔。壩頂布置兩道尼龍網(wǎng)，上部連接特制泡沫浮球，用來攔截進入?yún)^(qū)管河道的漂浮物，并采用鍍鋅管加以固定。水流較容易穿過空隙較大的礫石層，可進一步提高凈化效率。在水位過低時，河口生態(tài)基生物濾壩還能夠防止水過快流失，保證河道水生態(tài)系統(tǒng)的沉水植物擁有正常的生長水位，而當水位高于設(shè)定水位時，項目河道的水能夠沒過壩頂迅速排出（圖4）。

3. 排污口攔截凈化裝置

4. 生態(tài)基生物濾壩示意圖

2.4.3 部分節(jié)點凈化濕地治理及修復

節(jié)點凈化濕地針對長度僅為15～20 m的河道分支設(shè)計，此處水流較慢，水力停留時間相對較長，利于濕地系統(tǒng)對河道水體進行深度凈化，同時能夠有效營造水域景觀。節(jié)點凈化濕地采用深淺水域交替的設(shè)計，營造利于不同株高水生植物生長的基底條件，可分為淺水區(qū)、一級深水區(qū)、二級深水區(qū)三個區(qū)級。其中淺水區(qū)水深約為0.5 m，利于株高較低的挺水植物如茭草、旱傘草的生長；一級深水區(qū)水深約為0.8 m，利于株高較高的挺水植物如蘆葦、再力花的生長；二級深水區(qū)水深約1.5 m，利于沉水植物如苦草、輪葉黑藻的生長。對于節(jié)點濕地與陸域交界的邊坡處，采用礫石和土混合鋪墊，保護邊坡免受侵蝕（圖5）。

5. 節(jié)點凈化濕地示意圖

2.5 項目效果

通過增補大量水生植物，并輔以一系列人工工程手段進行生態(tài)整治后，周浦鎮(zhèn)地區(qū)河道水體凈化的效果較為明顯，生態(tài)得到有效恢復，進一步提升水生態(tài)穩(wěn)定性，坡岸更整潔，水質(zhì)更清澈透亮。

3 結(jié)語

研究得出，城鄉(xiāng)中小河道的水環(huán)境治理生態(tài)修復與綜合整治，因其現(xiàn)狀的復雜與特殊性，需要前期認真細致的現(xiàn)場勘查，分析周邊的環(huán)境影響因素如污染來源，根據(jù)各條河道的功能，制定一河一策的可實施方案。結(jié)合水利、水務(wù)建設(shè)要求，選用不同種類的水生植物，與不同類型的駁岸有效融合，利用水生植物吸收、凈化河道水體污染物和富營養(yǎng)元素，使河道景觀得到優(yōu)化提升，最終實現(xiàn)綜合治理的目標。實踐證明，選用的水生植物搭配種植，配合適當?shù)墓こ梯o助，能夠顯著改善河道水質(zhì)、恢復水體中生物的多樣性，有利于穩(wěn)定河流生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。