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1 概述
河流是人類賴以生存的水環境,是人類社會生存和發展的起源地。河流系統是自然界最重要的生態系統之一。目前由于人類活動排放的各種污染物進入河流,使河流水質和河流底泥的物理、化學性質或生物組成發生變化,從而降低了河流的使用價值,使河流失去了原有的意義。為了恢復河流的使用價值,人們應當對水體中的污染物進行處理,從而使水體得到凈化,使人類對河流環境的干擾降到最小,與自然共生存,為生物棲息和繁殖創造良好的生態環境,造福于子孫后代。近年來,對河流生態修復的研究不斷深化,河流水生態修復有多種方法,這些方法通過強化自然界自身的凈化能力和物質循環規律去治理受損河流,是實現人與自然和諧相處的治理途徑。
2 河流生態修復概述
隨著人們對傳統水利工程給河流生態系統帶來脅迫的反思,人們開始認識到恢復河流生態活力的必要性和重要性,于是出現了河流生態修復的概念和相應的工程技術。河流生態修復的概念最早是在德國提出的,它強調水利工程在具有防洪、供水、水土保持等基本功能的同時,還應該達到接近自然的目的,特別強調河溪治理工程中的自然美學成分。
生態修復措施主要利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動,對河流水體中的污染物進行轉移、轉化及降解作用,從而使水體得到凈化,具有可持續性好、保持力強、工程造價低、耗能少等優點。
3 河流生態修復技術
河流生態修復的主要技術方法包括緩沖區恢復、植被恢復、河道補水、生物——生態修復、生境修復等技術。
3.1 緩沖區修復
緩沖區是河流與陸地的交界區域,如河邊濕地、河谷或洪泛平原,具有水域與陸地雙重屬性。緩沖區是河流生態系統與陸地生態系統進行物質、能量、信息交換的一個重要過渡帶,成為兩者相互作用的重要紐帶和橋梁。它受到地表水以及地下水的影響,是一種生態交錯帶,具有明顯的邊緣效應。
3.2 植被恢復
植被恢復是最普遍的河流修復方法。植被可以通過影響河流的流動、河岸抗沖刷強度、泥沙沉積、河床穩定性和河道形態而對河流產生很大影響。同時,合理分布的植被還有助于減輕洪水災害、凈化水體、截留來自農田的氮和磷以達到保護水質的目的,并可提供景觀休閑場所和多種生態服務功能。
3.3 生物強化人工河道、生態溝渠及生態護岸
生物強化人工河道是指結合水系疏通工程和結構現狀,構建的以生物處理為主體的人工河道,水質凈化設施主體設于河道內或河流一側,形成多級串聯式的生物凈化系統,從而改善水環境條件。自然河道生態塘則是以太陽能為初始能源,在塘中種植水生植物,進行水產和水禽養殖,形成人工生態系統。通過多條食物鏈的物質遷移、轉化和能量的逐級傳遞、轉化,可凈化河水中的有機污染物。
生態溝渠是指根據水生植物的耐污能力及生理特征,充分利用現有溝渠條件,在不同渠段選擇利用礫間接觸氧化、強化生物接觸氧化等措施,逐級凈化水質,在達到分級凈化水質功能的同時,將凈化設施與地表景觀融為一體,美化河流景觀。
生態護岸是利用石頭、木材、多孔環保混凝土和自然材質制成的柔性結構等構建,對河岸進行加固,防止河道淤積、侵蝕和下切,同時多孔護岸材料,為植物的生長提供了有利條件,為野生動物提供棲息地,保障自然環境和人居環境的和諧統一。透水的護岸也保證了地表徑流與地下水之間的物質、能量的交換。
3.4 生態修復耦合技術
生態修復耦合系統是綜合人工濕地、微生物及水生動物協同凈化等原理設計的生態修復系統,可去除河流水體中的營養鹽和有機物,從而達到修復河流水環境的目的。其在利用濕地植物的同時,構建新的水生植物系統;在美化景觀的同時,合理配置生態系統營養級結構;利用多種微生物凈化水體的同時,構建具有完整營養級結構的水生動植物生態系統;并利用動植物、微生物的協同作用改善河流水質。
4 河流生態修復技術發展的展望
隨著對河流的認識加深,人們已認識到河流生態修復的重要性,河流生態修復技術不斷得到改進。生態河流與利用傳統水利工程方法治理的河流不同,它是一個完整的生態系統,因此,在不斷探索河流生態修復技術的同時,還應加強對修復后生態河流的維護和管理,從而實現河流生態系統長期的健康和穩定。
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哪種修復方法適合松花江的水生態修復,要根據松花江的實際情況和具體特點有針對性的選擇。1)人類社會的發展已經不可能把河流恢復到原始狀態。完全復原意味著對所有上下游及濱河帶的輸入輸出(水質、水量、泥沙、生物有機體)的改變、復原,由于河流和流域的聯系,只有在對整個河流系統和絕大部分流域都進行完全修復的時候,才有可能實現。在松花江多年的治理實踐中,修建了大量水資源利用工程、防洪工程等(如取水口、排污口、攔河壩、堤防、河流裁彎取直、渠化等),加之各種人為破壞和干擾,河流原始形態和面貌已發生巨大變化,不可能再建立過去的那種原始條件。2)生態系統是一個動態的整體,生態平衡是一個動態的平衡。生態系統是在保持動態平衡時,不斷發展演化的。河流生態修復并不意味著絕對的穩定性。正相反,河流系統必須依賴于一定程度的洪水、侵蝕和水質變化的擾動,來保證其多樣性。河流的退化正是由于河流生態系統失去了動態平衡。隨著時間的推移,河流生態系統在自然力與人類共同作用下,已經形成了新系統的動態平衡。因此,沒有必要讓河流恢復到原始狀態。因此,松花江水生態修復的目標應該是結合防洪、河道整治和城市景觀建設等工程規劃,對河流系統惡化甚至喪失的(或即將要惡化和喪失的)必要生態功能和社會功能進行修復,完善河流自調節機制,并使其達到新的動態平衡。
2松花江水生態系統修復的任務
2.1松花江地貌學特征的改善
地貌學特征的改善包括恢復河流的縱向連通性、橫向連通性和豎向連通性;對松花江而言,就是要保持其縱向蜿蜒性和橫向形態的多樣性;實施退耕還濕,恢復灘涂生態系統;加強溝通水系,增強過洪能力;加大恢復植被力度,增強灘涂生態功能;修復緩沖區,控制人為干擾和過渡利用;采用生態型護坡,避免河道直線化和河岸的混凝土化,使其具有作為河流的自然形態。
2.2水質、水量、水文、水力條件的改善
水質條件的改善要通過污水處理、控制污水排放、生態技術治污、源頭清潔生產、發展循環經濟等改善河流水系的水質。水量條件的改善是通過水資源的合理配置以維持河流河道最小生態需水量(和最低生態水位)和最大流量(最高水位)。水文情勢和水力條件的改善是盡量保持自然河流豐枯變化的模式,使河流兩岸水陸交錯帶以及灘涂濕地有適當的洪水的干擾,以保持生態系統的生物多樣性,以及結構和功能的穩定。
2.3生物物種多樣性恢復
生物物種多樣性恢復包括瀕危、珍稀、特有生物物種的保護、水陸交錯帶植被恢復、魚類等水生生物資源的恢復等。
3河流生態修復的原則
3.1社會服務功能和生態功能同時修復
松花江水生態修復應在滿足防洪、供水、發電、旅游等社會服務功能的同時,具備良好的生態功能。
3.2與防洪規劃等相關規劃相協調
松花江水生態修復應該符合社會發展總體規劃,特別要與松遼流域和哈爾濱市的防洪規劃相協調,還應與有國家和區域經濟發展規劃、流域綜合規劃、水環境保護規劃、城市市政建設規劃、自然保護區等規劃相銜接。
3.3自然自我修復為主、人工干預為輔
松花江水生態修復要充分利用生態系統的自組織功能,當外界干擾未超過生態系統的承載能力時,可以按照自組織功能靠自然演替實現自我恢復目標。當外界干擾超過生態系統的承載能力時,則需要輔助人工干預措施創造生境條件。然后,充分發揮自然修復功能,使生態系統實現某種程度的修復。
3.4確保生態系統用水需求
應在水資源承載能力范圍內,規劃社會經濟發展用水,應在滿足社會經濟發展需要的前提下,確保生態系統的用水需求。
3.5確保河流水質達標
污水達標排放,控制面源污染,確保河流水質達標。
4松花江水生態修復措施建議
目前的松花江哈爾濱市區江段,現有江道形態已失去天然河道的特點,這是哈爾濱市城市、社會、經濟發展的需求造成的。在河流生態修復過程中,應從尊重歷史的角度出發,在滿足防洪安全的前提下,進行適當修復,建議如下:1)雖然受兩岸堤防限制,整個江道形態固定,但江道內河流的蜿蜒形態依然存在。同時,鑒于現有堤防是多年歷史形成的重要防洪體系,而且目前還達不到100年一遇標準。因此,建議兩岸堤防位置不變,保持現有江道水流形態的蜿蜒性以及兩岸堤防的非自然形態。2)江道內已有不少灘島、淺灘和深潭,地表景觀較為豐富,具有多樣化的水生環境和動植物棲息地,不易再造淺灘和深潭,而應結合《松花江流域防洪規劃》和《黑龍江省哈爾濱市防洪規劃修編報告》,清除主江道有礙行洪、惡化航道及嚴重影響城市環境的淤積灘涂,增強河流的泄洪功能。3)現狀堤防已將江道嚴重縮窄,最窄處僅有1.5km,不宜為了土地開發利用或順直堤防。將堤防向江道內推進,進一步擠占河流的空間和洪水的行洪空間,不利于河流的防洪功能和生態功能的修復。4)鑒于現狀堤防、大壩等人工構筑物破壞了江道水流的橫向和豎向連通性,可采取措施恢復或改善,修復松花江兩岸水陸交錯帶生態系統,使該江段河流廊道成為具有生命源泉意義的百里生態長廊。5)由于大頂子山航電樞紐的建設以及松花江7個規劃梯級的建設,河流縱向連通性修復困難,但需加強河流水生魚類等生物的生態監測,一旦發現有發生生態問題的趨勢,及時進行科學研究并采取適當修補措施。6)合理設置生態緩沖區。從哈爾濱市的實際出發,應用生態修復理論,針對哈爾濱松花江城區段堤岸及堤內水陸交錯帶,研究探索能促進水生生態系統與陸生生態系統聯系,恢復橫向、豎向連通性,并適于動植物及微生物生存的生態型河流堤岸及生態緩沖區。修復中,應盡量采用非工程措施,如生物措施和管理措施,如生態良好部位不加干擾自然修復、破壞部位人工植樹種草等措施。但為了保證堤岸的安全,在某些部位,如沖刷較大的部位,可采取工程措施,修復材料應盡量采用建筑材料和植物材料的組合。
【關鍵詞】生態水利工程;概念;設計原則
0.前言
水利工程作為一項綜合性工程,其修建主要目的是為了開發使用水資源及消除水害。根據服務對象將水利工程進行劃分,水利工程主要存在目的有防洪、農田、水力、港口與航道、排水與供水、環境及海圖圍墾等工程,即集發電、灌溉、供水和防洪為一體綜合工程項目。修建水利工程需對魚道、水閘、渡槽、渠道、堤、壩、進水口和溢洪道等建筑物進行修建來實現既定目標,而水利工程的修建在給人們生活帶來利益的同時,也不可避免存在諸多不利影響,對生態環境造成不同程度的損害。因此,設計水利工程時務必要統籌兼顧環境、社會、經濟等因素,保持水利工程建設與生態環境的平衡,以可持續發展觀為導向,引進生態水利工程概念,探究生態水利工程設計原則,促進人與自然和諧共處。
1.生態水利工程的概念
隨著生態環境被人們日益重視,生態學概念已被逐步引用到各行各業。生態水利工程作為一門正在發展探索新學科,它是在水利工程學科基礎上發展,主要探究的是水利工程建設在合理利用水資源和滿足人們各類需求前提下,統籌兼顧生態健康及可持續發展,并以結合生態學理論、原理和技術方法來確保生態、經濟、社會效益的和諧共存。[1]生態水利工程大體包括四個內容:(1)生態水利工程在開發水利途中,要首先考慮生態系統,以不影響當地生態環境為導向,將水利工程結合到當地生態系統里,將水利工程看作生態系統中不可或缺重要部分;(2)由于傳統水利工程在建設途中,會嚴重影響著當地生態環境,基于此生態水利工程建設在進行時,要防止建設途中對生態環境的相關影響;(3)在生態水利工程施工完畢并投入運行后,要按照當地生態規律調節控制水資源,避免強制性打破原有生態規律現象發生,這要求生態水利工程運行不僅要滿足實際情況,還需綜合考慮當地的生態規律以及水利資源的調配方法;(4)在選擇生態水利工程建設地址時,要將對生態系統的影響大小放在首要地位,選址選在對生態系統有著較小影響作用的地方,如此一來就可減少建設途中和今后生態水利工程在運行時對生態系統影響程度。
2.生態水利工程的設計原則
2.1安全、經濟性原則
生態水利工程作為綜合性、復雜性工程,治理河流時,要在符合水文學、工程學規律基礎上,確保工程建設耐久、安全和穩定。建設生態水利工程要以設計規范為標準,嚴格遵守,保證工程能抵抗侵蝕、冰凍、干旱、洪水等災害。[2]對生態水利工程進行設計時,要以河流斷面為設計依據,并統籌兼顧河流泥沙沖刷能力和運輸能力,探索河流變化中規律特征,確保生態水利工程耐久和持續性。因無法事前把握生態演替過程,工程設計具備風險性,故而設計要遵守風險最小、利益最大設計原理,利用經濟工具分析生態水利工程,以檢測和評估生態系統為基礎,結合河流生態體系自復能力,設計投入最少,產出最大技術方法。
2.2河流環境多元化原則
河流中存在不同類型植物與動物,只有保障河流環境多元化才能確保生物維持多樣化。生態環境多樣化不僅包含河流形狀,還包括土壤情況。河流的生態系統主要由氣、水相結合,具備縱向滲透性和橫向生物多樣性,而水陸與水氣間密切關系組成了生態環境系統,因河流系統的異質性,使得水文脈沖、水質、水深、水溫、流速和流量處在不斷變化中。[3]又因河床材料的異質性,使得生態環境具備多樣性特點,進而河流周圍生物群落在朝著多樣化方向不斷發展。而科學技術發展的突飛猛進,擴大了水利工程建設規模,大規模河流治理工程,導致河流走向了渠道化、非連續化、單一化發展道路,生物群落種類在日益減少,河流生態系統在逐步退化。基于這種情況,生態水利工程要將生物維持多樣化看作設計原則,并在設計途中,保護河流原有多樣化物種和生態環境,降低河流渠道化、非連續性特征,確保生物群落生存環境良好。
2.3生態系統修復原則
河流在與周圍鄉村、城市、森林、田地構成生態系統的同時,自身也為河流生態體系。基于這種背景,河流是生物生存重要場所,河流生態系統不僅包括生物系統和水文系統,還包含人造工程設施系統等。河流始發地到終點站所有地帶地下水和地表水構成了水文系統,水文系統與生物系統一起構成河流自然生態系統。此外,人類活動和人類工程設施會對水域生態系統造成一定影響,一旦水域生態體系遭到危害,就需整合性探究各類影響因素,在充分利用河流自身修復能力、整個水域修復能力基礎上,清晰掌握生態系統中各要素特點,根據要素間共同作用來歸納河流系統綜合修復方案。
2.4生態系統自我恢復原則
生態系統自我恢復力主要表現在適應生態發展上,即為適應生態環境,在生態環境選擇中存活物種,尋找能促進其生存的能源條件和生存環境。根據生態系統自我恢復力,自然界在選擇適應生態發展物種基礎上,構建合適生態體系。對此,生態水利工程設計要有效控制河流,結合生態理念,以自然觀念為導向,促進河流其自我修復力的充分發揮,確保人與自然和諧共處,并根據建設地址實際狀況,參照河流自然、美學價值來制定設計方案。具體設計中,要以大尺度景觀作為基礎,避免短時期、小尺度景觀,大尺度對河流自我修復有著重要影響,而小尺度景觀對河流自我修復不利。[4]景觀整體性要求著眼于生態系統結構與功能,掌握不同生態體系各要素間作用,來提出整體性、綜合性修復河流生態系統設計方案。
2.5反饋調整原則
設計生態水利工程雖在結構上與河流生態系統相統一來確保生態系統可持續發展,但具體執行中,卻不可一味按照既定目標來執行,要根據自身特性來不斷發展。河流生態在修復中難免會遭受人類干擾,對此可采取監控技術,監控生態變量,促進生態走向良好發展方向。因生態、社會系統在時間和空間上都存在不確定,且生態系統不僅會受到自然系統影響,還會受到人類系統影響,生態水利工程設計發生轉變成為了必然,要求采取反饋調整方法,按照既定流程來設計。 生態水利工程建設中監測要貫穿始終,成為工作開展基礎,并按照完整歷史數據和監測資料來有效評價,追蹤河流生態結構與功能,預測發展方向。評價中可采取參數比較方法,可通過比較河流初期狀況,或其他條件類似生態水利工程,來得出評價結果。
綜上所述,隨著人們對環境保護的日益重視,生態理念被融入到了各行各業。由于傳統水利工程建設重點放在了人類生活便利上,忽視了對生態環境的負面影響。對此,生態水利工程概念的提出成為了必然,它轉變了傳統水利工程設計理念,在水利工程建設中融入了生態學原理,講究的是人與自然的和諧發展,并以可持續發展觀為導向,制定生態水利工程設計原則。
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關鍵詞:河流治理;生態修復技術;應用研究
中圖分類號:P343.1文獻標識碼:A 文章編號:
傳統的河流治理,主要考慮的是河流的抗洪、排澇、航運等功能。在岸坡處理上注重抗沖刷防坍塌的措施,而對河流周邊及河流本身的生態環境考慮不多, 這樣會導致河流發生渠道化,從而影響河流的生態問題。于是,許多發達國家陸續開展了河流復原工程,對河流實施生態修復并且取得了較好的效果。下面筆者將結合實例對生態修復技術在河流治理中的應用作出探討。
一、城市河道污染的成因
城市河道和湖泊是與人類生產和生活緊密相連的水環境,作為城市生態系統重要的組成部分,具有供應水源、改善環境、提供綠地、文化教育和娛樂休閑等功能,對城市的生態建設具有重要意義。但是隨著城市化進程的不斷加快,城市人口聚集,經濟活動日趨頻繁,工業廢水和生活污水大量排放,垃圾的隨意丟棄,使城市環境污染、水質惡化,原來清澈的河水變得又黑又臭,環境污染問題日益嚴重,嚴重制約城市的社會、經濟與環境可持續發展,同時危及人民的身體健康。城市河道黑臭的污染來源主要有工業廢水、生活污水垃圾等點源污染及地表徑流、農業徑流、大氣的干沉降和濕沉降、村落集約化畜禽養殖、水產養殖、城市的水土流失以及河道底泥層等非點源汚染。由于長期處于過量納污的狀態,導致水體供氧和耗氧失衡,水體環境缺氧,使原本山好氧微生物健康降解水體污染為主導,將有機物中的氮、硫、碳分解成碑酸鹽、硫酸鹽及二氧化碳等的方式減弱甚至消失,從而失去凈能力,而在此時厭氧微生物沾性趨強,污染物轉化并產生甲燒、氨氮、硫化氧、揮發性存機酸等臭惡臭物質以及鐵、猛硫化物等黑色物質,從而導致河道水體黑臭。氨氮是目前城市河道水體中的首要污染物,通常遠遠超出地表水V類氨氮含量的標準,在區域水環境氨氮污染嚴重和城市河道有機污染物沉淀、累積的現狀下,氧氮的降解是城市河道污染水體治理過程中必須面對的難題。
二、生物修復技術的特點
在城市河道污染中,營養物缺乏或營養元素比例失衡是水體環境中微生物降解存機污染主要限制因素之一,向水體中投加適當比例的有機酸可以提高微生物的代謝能力,從而增強水體自凈能力,對水體修復具有積極作用。雖然在污染水體生物修復中以微生物修復為主,但如果能配合水生植物,浮游生物及負類從水體整個生態系統上進行全而的生態修復,徹底打通氮素、磷素等污染物循環的各個關節,那么污染水體的修復效果將會更持續和有效。
三、生態修復技術在河流治理中的應用
3.1微生物對污染水體的凈化作用
相對于水生植物而言,微生物具有培養周期短、生長繁殖迅速、適應能力強、轉化效率高等特點,因此在治理河道污染水體的過程中起著不可替代的作用。微生物從以下幾個方面對河道水體進行凈化:微生物對水體有機污染物的去除:一方面菌體的同化作用會轉化部分有機污染物為自身物質,另一方面微生物分泌的胞外酶能快速降解大分子有機物,實現對水體有機污染物的降解和去除。微生物對水體氮素的去除:通過氨化細菌、硝化細菌及反硝化細菌的作用,實現水體中氮素的生物地球化學循環過程,并最終使水體中過量的氮素以氣態的形式逸出水體。微生物對水體憐素的去除:一方面微生物的代謝作用可以降低水體中磷素濃度;另一方面某些微生物能通過同化作用,將水體中的有效磷轉化為菌體自身的有機磷,通過食物鏈的傳遞作用,去除水體中的憐素。3.2微生物驅動的水體氮素循環
氮素污染是當前我國水體中的首要污染物,氮素過多會引起水體富營養化,破壞水體中的生態平衡,喪失自凈能力。而氮素的其它形式,例如氨氮、亞硝酸鹽氮更會威脅水生生物的生存甚至人類的健康。自然水體中的氮素,主要以氨氮和有機態氮的形式存在,也有少量的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。水體中微生物可以將有機形態氮迅速分解轉變成氨。在有氧的環境下,水體中的微生物將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。當水體中硝酸鹽氮含量較高時,說明水體環境在需氧方面是穩定的。在大量缺氧時,確酸鹽氮或亞確酸鹽氮在水體微生物的作用下,發生反砲化作用,還原為氮氣。空氣中氮氣在藻類等植物的固氮作用固定成氨,溶解于水體中。硝酸鹽氮也可被水生植物直接吸收利用,形成植物蛋白質,其被水生動物食用,又轉化成動物蛋白。動植物的死亡后通過微生物的分解又可以再次產生氨,在銷化細菌的作用下又氧化成稍酸鹽,如此往復循環。
微生物強化修復技術是造宜于城市污染河道原位修復的、受到廣泛重視和應用的治污技術,具有成本經濟和應用簡單,且便于與其它治污技術稱合使用的特點。其技術核心在于促進水體微生物的活性,加快水體污染物的降解和轉化。日前,基于微生物強化修復的污染河道原位修復主要采用兩種技術,一種是直接向水體中補充高密度發酵獲得的能高效降解污染物的功能微生物,另一種是向水體補充能促進微生物生長、解毒及污染物降解的有機酸、營養物質、緩沖劑等微生物激活劑。
四、把生態環境保護融進到水利建設工程的各個環節之中
注重水利工程建設的各個環節對環境的影響。首先在水利工程的設計階段,要以和諧持續發展為理念,注意保護動植物棲息地,魚類產卵環境以及鳥類和水禽棲息地和避難所等。在工程的建設階段,優先考慮采用環保的技術措施,在水利工程建設階段,盡量采用有利于植物生長、動物成長,或對動植物生長和環境影響最小的環保材料。最后在水利工程完成階段,要建立健全水利工程環境影響監測和反饋機制,跟蹤評價對環境的影響,以便及時發現不良影響并采取解決措施,最大限度的降低環境破壞程度。同時注意工程附近居民的生活狀況, 如果發現不良的影響,要采取措施減少影響帶來的損失,必要時加以賠償。
在水利工程建設方面,應建立生態補償機制,以“誰損害,誰補償,損害誰,補償誰” 為原則,明確補償的主體和補償的范圍。所以,建立生態補償機制,還原生態價值,不僅有利于減少水利工程在建設過程中對環境產生的不良影響,也促進了當地的經濟發展,呼應了和諧社會理念。
五、生態修復技術的發展前景
盡管污染水體的微生物強化修復技術具有諸多的優點,但在實際應用中也面臨一定的問題。而投放微生物激活劑盡管不存在太多的安全性問題,其實用性也與待處理水體環境的微生物生態關聯甚深,其中含有的酶類的環境耐受力是其作用效果發揮的限制性因素。另外,對于流動性較強且污染程度較輕的水體來說,微生物強化修復技術的應用效果是比較差的。因此,微生物修復技術今后的發展趨勢是:1)從原位環境中分離蹄選高效的功能微生物,并建立具有應用價值的高密度發酵工藝,以提高投加微生物降解污染物的效率并有效降低應用成本;2)從分子水平上深入研究微生物在污染水體中的環境生態行為及其與環境因子的相互作用關系,掌握微生物強化修復污染水體的過程與機理3)微生物強化修復技術與物理,化學修復方法,以及其它生物修復技術相結合,優勢互補,提高污染水體修復的效果和經濟效益。
結語
一條荒涼的河流,經過系統、科學的規劃、設計,通過多種生態修復技術的應用,生態系統得以逐步恢復。通過城市河道生態修復技術研究、應用和推廣,希望可以對的河道生態治理提供一些幫助。河流生態修復具有多學科交叉性,僅僅從景觀修復的角度也不足以解決當今河流存在的各種問題。城市河流的生態環境修復和保護,需要各個行業共同關注,也在此呼吁今后對河流的開發和治理一定要在保護河流生態環境的前提下進行,避免先破壞后修復的不合理模式。
【參考文獻】
1研究區域大洋河流域
地理坐標介于123°31′—123°43′E,39°48′—39°N。源于鞍山市的岫巖縣西北部偏嶺山脈的帽山,流經丹東市的鳳城和東港市,由東港孤山鎮和黃土坎鎮入黃海,河長202km,年平均徑流量31×109m3,流域面積6520km2。整個大洋河流域形狀呈梯形,上寬下窄。河網發育良好,密度大,支流多,河道彎曲,比降大,流程短。水系內多為山地,丘陵,為山區性河流。該區屬于北溫帶濕潤季風氣候,4季分明,降水豐沛,年內時空分布不均,多暴雨,為暴雨洪水和泥石流多發地[11]。流域內現有人口83.3萬人,現有耕地面積8.8萬hm2。河口區發育典型的濕地生態系統,主要濕地植被為蘆葦群落,河口區域為強感潮河口,高低潮差約4m。
2資料與方法
2.1材料來源收集或購買的數據,主要有大洋河全流域高精度DEM數據和大洋河流域1∶50萬河網水系圖。具體參數如表1所示。
2.2計算方法河口濕地發育階段與流域發育階段是一致的。可以通過河流流域地質地貌發育過程來推算和確定河口濕地發育階段。而流域地質發育過程的具體方法前人已有探索,本文主要引用地形發育階段學說提出的面積——高程積分曲線分析法和水系分形理論提出的河道分維數算法來確定流域河口的地質發育階段[12-14]。
2.2.1積分曲線法積分曲線法源于美國地理學家W•戴維斯提出的地形發育階段的學說。經過后人的逐漸完善,逐漸演變稱為高程分析法,或叫面積-高度分析法[式(1)]。該理論認為:任何一流域地形的發育階段,可以用反映物質分配狀況的高程積分曲線來表示,任何一個流域地貌地形的高程曲線的形態,就可以判別該流域地形發展的階段。高程積分值大于60%時,地貌特征發生迅速變化,水系不斷擴展與分枝,侵蝕過程強烈,視為未均衡的幼年期地形。當高程積分值大于35%而小于60%,侵蝕過程變慢,流域的地貌形態基本上趨向于穩定狀態,地形特征不再發生明顯的變化,視為均衡的壯年期地形。當高程積分值小于35%,侵蝕過程很弱,地貌形態穩定,地形不再發生變化,屬于老年殘丘階段[15]。具體的高程曲線特征如圖2所示。
2.2.2分形理論分形理論是一門新興學科,旨在探索自然界中無序、非穩定、非平衡、非確定性的非線性現象和過程,研究自然界中有序-無序、宏觀-微觀、整體-局部之間的內在規律[12]。在流域地貌特征的研究中,分形維數可以看作是復雜的流域地貌量化參數,能夠綜合的體現流域地貌特征。同時,分形研究有助于研究河流長度與流域匯水面積的關系,有助于模擬流域水網形態,反映水系所處流域地貌侵蝕發育程度和流域地貌發育程度的差異[13]。具體計算公式如下:地貌劃定為侵蝕發育幼年期,此時,水系尚未充分發育,河網密度小,地面比較完整,河流深切侵蝕劇烈,河口泥沙供應量逐漸增加,河口濕地處于發育階段。1.6<D≤1.89流域處于地貌發育壯年期,流域地勢起伏大,在河流側蝕、重力作用和坡面沖刷下,尖銳的分水嶺山脊不斷蝕低,谷坡變得緩平,河口泥沙供給充足且穩定,河口濕地面積擴展迅速,易形成大面積的河口沖積平原和濕地三角洲。1.89<D≤2流域地貌發育處于老年期,河流下蝕作用弱,河口泥沙供應減少,河口濕地處于發育的老年期,面積不再擴大,而在潮汐作用強烈地區,開始出現河口濕地退化和海侵現象。
2.2.3計算與分析在地理信息系統軟件中生成大洋河流域DEM數據,如圖3,針對研究流域地形特征,對不同海拔高度進行等高面切面,共取11個流域地形切面(20~1000m),計算不同等高面的切面面積、相對高度和相對面積,結果如表2所示。將計算得出的相對高度與相對面積在統計軟件沖生成關系曲線,如圖4所示。另將河網水系圖數字化,如圖5。在相關軟件中幾何校正后進行矢量分級提取,按經典水系分級標準,將大羊河流域所有干、支流分為5級水系,并計算統計水道數、水道分支比和水道長度比,結果如表3、表4所示。將獲得的流域分支比(Rb)和流域平均長度比(Rl)帶入公式2,計算得到大洋河河網分維指數:育的晚年階段。從面積積分曲線和河網分維指數計算結果得出,大洋河流域都應處于河流發育的晚年時期。此階段河流下蝕作用弱,河口泥沙供應減少,河口濕地也處于發育的老年期,面積不再擴大,而在潮汐作用強烈地區,開始出現河口濕地退化和海侵現象。通過課題組已有研究發現,目前大洋河河口天然濕地在萎縮與退化,天然濕地面積下降,濕地核心區域面積縮減,濕地最大斑塊面積指數下降,破碎化程度加劇,濕地生境多樣性減少等特征[16]。大洋河河口濕地呈現的景觀結構與本文結論相吻合,即大洋河口濕地處于歷史發育的晚年階段。
3討論
3.1流域人類活動縮短河口濕地的演化進程。河流中上游的筑壩、采砂,河口地區圍海造田,圍海養殖等人類活動直接改變了河流的含沙量和河口濕地的景觀格局,加速了河口濕地自身的演化速率,促使濕地加速萎縮與衰亡[17-18]。另一方面,河流流域范圍內的毀林開荒等農牧業生產活動,加速了流域水土流失,增加了河流的泥沙含量,給河口濕地提供了充足的泥沙來源,促使河口濕地植被生長,暫時性增大濕地淤積速率,擴大濕地面積,但從整個河口濕地地質發展過程來看,后一種行為事實上是縮短了河口濕地的生長時間,加速了其滅亡過程。除此之外,河口地區的防洪建閘、圍海工程、人工種植濕地植被等行為改變著河口濕地的沉積環境,改變濕地的生境狀況,也影響著河口濕地生態系統的自然生長演化過程[19-20]。
3.2河口泥沙輸入量的變化趨勢是濕地生態健康評價的重要指標之一。河口泥沙輸入量的變化是河口濕地生態健康狀態的重要標志之一。流域自然輸沙能力主要通過河流對河床的朔源侵蝕、底蝕和側蝕來完成。一般來說,在流域地貌發展早期至壯年期,流域溯源侵蝕和底蝕強烈,河流泥沙含量高,保證了河口濕地泥沙和營養物質來源,此階段河口濕地擴展迅速,濕地植被發育良好,該階段為河口濕地生態系統健康發育期。而在流域發育晚期,河流主要通過側蝕提供泥沙,其泥沙供應能力減弱,帶至河口的營養物質減少,河口濕地植被開始退化,濕地面積開始萎縮,此階段河口濕地處于“非健康”的衰亡期。已有研究發現,密西西比河三角洲由于泥沙輸入量的減少,導致了該地區濕地植被出現退化,濕地面積開始萎縮,而通過人工引渠輸沙工程,采用沉積物修復方法,對濕地生態環境的修復有顯著的效果[21]。
4結論
4.1河口濕地是一個自然演化的“生命體”河口濕地作為一個獨特的“活體”,有著其自身的地理發育、成熟和衰老的生長過程。在河流流域地貌發育早期,河流底蝕、側蝕、溯源侵蝕強烈,含沙量高,泥沙在河口地區沉降易形成河口濕地,隨著流域地貌發育到壯年期,河流泥沙含量輸出穩定,河口濕地面積繼續擴張;到流域地貌發育晚期,侵蝕減弱,河流含沙量減少,河口濕地缺乏穩定的泥沙供應,逐漸萎縮、直至消亡。