0 引 言
河流作为自然和人文环境的基本元素之一，是人类社会赖以生存和发展的重要场所，与人类生存息息相关[1]。城市河流具有防洪排涝、供水、生态环境、景观和文化等多重经济、社会功能。随着生产方式进入工业化时代，社会生活快速进入城市化，城市河流受到人类影响的广度和深度达到了前所未有的程度[2-3]。总体来看，城市河流的治理正经历着从污染控制到生态修复的快速发展阶段。随着社会的进步和经济的快速发展，河流对城市发展和人居环境改善的重要性逐渐受到社会各界的关注，河流生态修复已经成为很多国家水管理部门和河流管理者优先考虑的问题，加之近些年来全国各地积极践行“生态保护与绿色发展”理念，开展了大量受损河流的治理与修复工作[4]。本文南方和北方分别指水量丰沛和缺水地区。目前相关的理论与实践大多针对具体河道，缺乏河流生态修复的系统归纳与梳理[5-6]。尤其针对南方和北方城市河流的地区差异性及适应于各自区域特征的生态修复工程的系统对比和总结研究比较匮乏。因此，从宏观角度分析南北方城市河流的特征及生态修复工程的适宜性，总结技术差异性特征，指导研究污染河流环境的生态修复工程设计和运行，可为河流的生态保护和修复提供参考。
1 城市河流生态修复技术概述
城市河流生态服务功能如供水、防洪、生物保护、景观娱乐等的有效发挥是城市稳定运行的重要因素[7-8]。而人类生产生活行为造成河水干涸和水质恶化等，破坏了河流的各项功能[9]。针对城市河流的各项功能，水质改善、生态护岸和生态景观建设是现今河道生态修复综合治理技术的3个主要类型[10]。如图1所示，具体为：1)河流水质改善。国内外对污染的城市河流水质改善技术的研究及实践的时间较长，河道治理中水质提升的技术主要有：物理方法、化学方法和生物-生态方法三类[11]。2)河流岸坡。这是河流系统的重要组成部分，在生物保护、防洪行洪和景观娱乐等方面起着十分重要的作用。根据使用材料，生态护岸可以分为植被护岸、木桩护岸和石材护岸等3种类型，针对污染削减需要，着重研究植被护岸在南北方的差异性。3)生态景观建设以景观生态学为理论指导，遵循与传统水利目标相融合、尊重历史、道法自然、景观连续等原则，主要有汀步、临水步道和亲水平台3种形式。
图1 河流生态修复技术
Fig.1 The classification of ecological restoration technologies in China
2 南方和北方城市河流特征
我国淡水资源总量约为2.8万亿m3，一般而言，我国河流的南方和北方以秦岭、淮河为界，大致为年降水量为700～800 mm等雨量线的位置。在此基础上将东北和西北地区统称为北方地区，分界线另一侧为南方。水资源主要集中在南方，北方仅占10%，北方东北三省水资源情况尚佳，华北和西北地区水资源相对缺乏。因此，丰水区域一般存在于我国广大南方地区，缺水地区则一般分布在我国的北方区域。缺水区域和丰水区域也大致以此为界。近几十年来城市河道普遍发现水体污染、生物多样性降低等现象。水量等自然环境的差异以及地区人类活动的差异，造成南方和北方城市河流具有鲜明的差异性特征，下文将从城市河流的自然条件、污染以及普遍的治理思路上分析具体差异性特征。
2.1 南方城市河流特征
南方河流通常水量充沛。河道水深较深，通常超过1 m，硬质河岸较多；南方沿海城市通常地势平坦，河网四通八达，河流易受潮汐影响，水体交换能力通常较差；河流的首要污染源在南方大、中、小型城市，基本上都是生活污水，导致河道黑臭、生态系统退化的原因主要是生活污水直排、初期雨水和农业面源污染等[12]。随着节能减排等政策的推进，工业排放对河道环境污染的贡献率逐年降低；而随着城市化进程的加速，生活污染将逐渐成为首要污染源。在城市河流生态修复上，南方河道由于长年有水，特别是对于缓流水体，通常都存在淤泥问题，疏浚技术方案多被采用。河道污染治理通常到达黑臭时才引起政府和相关职能部门的重视，且待治理的河流，多是人口密集的城区，不仅水质、水生态差，还伴随着河道两岸景观破损等问题[13]。
由于南方河道具有上述特征，在南方河道治理技术的选择上，通常会采用控源-截污-清淤-活水-水质强化净化-水生态重构的组合技术手段。
1)控源。由于南方城市往往经济发展较快、水平较高，河流黑臭现象较为普遍，地方政府投入巨资进行整治，如上海的苏州河、广东的珠江、深圳河等。河道整治过程中要一直保证控源，这是治理成败的基础。
2)截污。对于河道而言，截污是控源的另一种表现形式，通常河道两岸有很多排污口，当从企业或其他污染源无法控制的时候，需沿河道两岸(抑或河道内两侧或一侧)敷设管道系统收集污水。
3)清淤。河道的污染往往是经年累月造成的，在河床上通常伴随着大量淤泥，会向水体释放有机质、氮、磷等，属于河道的内源污染。在河道治理前进行调研，一个重要的环节是调研河道底泥淤积情况，并进行客观评价，充分考虑水力学、环境工程、生态工程等多方面情况，结合整治预期、项目投资等多种因素，确定是否清淤、如何清淤。
4)活水。水体流动伴随着水体扰动，具有增强水体大气复氧等功效。水体流动速度适当时，很多悬浮污染物无法沉积到河底，因而较少发生积累。在某种程度下，活水能抑制“藻华”。不同水体的交换，伴随着复杂的物理化学、生物作用。断头浜、涌等水力交换较差的缓流水体，出现河道污染事件的概率远高于其他河道。因而在河道整治过程中，需创造条件使水流动起来，“活水”(调水)为不二选择。南方水量充沛，河网交织，河网水系的连通能够有效地改善水质情况。
5)水质强化净化。河道污染综合整治，仅靠源头控制等难尽如人意，特别是对于黑臭河道。要改变水质，必须采取人工强化净化措施。如黑臭河道采用机械曝气，氮磷污染严重河道采用悬浮生态床，向河道投加化学药剂、微生物菌剂、酶制剂等。针对具体污染情况，因地制宜，因时制宜，一种措施或者多种措施并行，为后续生态恢复创造条件。
6)水生态重构。通过对水生态修复工程的设计和调控，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，以生物操纵为方向，使受损河道生态系统得到恢复，主要包括丰富生境动植物种类，恢复或塑造水生动植物、微生物的群落，改善生境内部结构等内容。河道生态系统恢复或重构是河道整治的关键和成败的直接因素。
2.2 北方城市河流特征
受到地形地势、自然地理等条件控制，一般而言北方河流具有以下共性：
1)水量相对较小，远小于南方河流。补给水源通常以雨水补给为主，部分地区有积雪补给。
2)北方河流多为季节性河流，降雨历时短，强度大，产流快，河流洪、枯水流量变化大，洪水暴涨猛落，多为单峰形式。
3)河流有结冰封冻现象，如淮河与黄河的冰期为40～50 d，海河流域为50～100 d，辽河流域则达100～150 d[14]。
基于以上的自然环境状况，北方河段在生态修复上具有以下特征：水量有限，自身缺少足够的清水去稀释污水，通常表现为污水量大于径流量。如黄河甘肃段污径比(系污水占径流量的比值，比值越大，水质越差；与径流量和纳污量相关)为3.6，河南三门峡段和山东利津段达到6.7和10.4[15]。同时由于地表淡水补给减少和地下淡水开采量增加，造成了地下水位下降、海水倒灌、咸水入侵、水质恶化等问题。在黄河入海口，由于近年来黄河入海水量大减，引起海水倒灌和地下水入侵。同时，断流使沿岸城市河道内无径流，成为接纳污水的黑河，由此导致的水污染也给黄河下游的农业、水生生态等造成严重危害。同时北方河流在冬季由于气温低导致水体自净能力下降，同时封冻现象还会降低污染物的扩散稀释能力。凌汛还会破坏沿岸的水利环保设施，需要通过多级水库，梯度调节控制，合理管理水量调度。此外，因汛期峰高量大，北方河流治理过程中还要考虑防洪措施。
控源、清淤、活水、水质强化净化、水生态重构是北方河道和南方河道共有的治理技术，相对于南方的组合技术实施，北方的河道需要结合自身河道水文、气象和功能等特征，需采取或者侧重上述5种技术措施中的某一种或几种设计组合方案，而非全部采用。
3 南方和北方城市适宜性河流生态修复技术
河流水质改善中物理修复包括调水改善水环境、河道曝气和底泥疏浚，化学修复包括化学絮凝处理和化学除磷，生物-生态修复包括人工湿地和生态浮床。
3.1 调水改善水环境
调水增大了河流水量，加速水流运动，促进污水的稀释，缩短了河水滞留时间，同时，水体复氧量增加，有利于河道自净能力的提高。实现区域河网水流调度必须具备3个前期条件：一是泵闸系统的连通性，即通过泵闸的开启与关闭完成在人工调控下的水流有序流动；二是自身具备或者外调较丰富和清洁的水资源，满足水流内、外循环的要求；三是河流上、下游能人工控制一定的水位差。以南方丰水区域的苏州市古城区[16]和北方缺水区域的西安皂河[17]为例，对改善水生态环境的调水技术进行概化分析(图2)。丰水区域流域干流水量丰沛，纳污能力强，可直接取自干流水量进行调水。北方缺水区域则缺少充足的水量调配，所需水量需要取自上游来水和污水、废水及弃水等多种来源。无论是来水还是排水均因为纳污能力小需进行净化，由于取水指标受限，需保证足够的水量并且水质达标后退回至主河道。
图2 丰水和缺水地区改善水生态环境调水技术示意
Fig.2 Water diversion technologies for ecological restoration for cities with plenty/short water supply
3.2 生态护岸
为了稳定河道、修复水体生态和美化环境等，生态护坡通过在水体岸坡上种植不同种类的植被,使有可能遭到生态破坏或已经受损的生态河道尽可能保持或恢复至原始的自然状态，属于功能保障型生态修复技术[18]。生态护坡在恢复和保持水体生态系统可持续健康发展过程中具有重要的作用。河流、湖泊、水库等岸边生态系统是河流和陆地生态系统之间的生态交错带，其对水陆生态系统间的物质交换、能量传递、生物多样性保持和径流中的有害物质过滤等发挥着重要作用[19-20]。它不但具有传统护坡的防洪排涝功能，而且对水体、护岸土壤的自净，水生生态系统生物多样性的恢复等具有相应功能。此外，生态护坡的岸边景观效益也越来越受到重视。
护坡栽种植物的选择应与周边环境协调，植物群落结构搭配也应适宜：选择对土壤要求低，易维护管理的景观品种。南方地区较北方地区水热条件优越，植物材料可选择乔、灌、草、藤、花共同配置的立体防护。在北方，利用护坡植物进行水体富营养化修复，可就当地具体的污染河流进行调查，对其坡岸的植物的种类、生长状况进行统计和观察，筛选出适宜的物种进行群落结构的优化调控[12,21]。物种选择是植被恢复和重建的基础，也是其优化调控的技术关键，可通过总结和借鉴其他地区成功案例中护坡植被的选择方法，并结合北方地区的气候、环境特点进行。护坡植被的选择应遵循以下几点原则：
1)适应性强。只有将适宜的物种引入到适宜的环境中，植被恢复和重建才能成功。在净化水体同时达到景观效应的条件下，最好选择适应当地气候、土壤条件(水分、pH等)的本土植物，其本土性在一定区域内应明显。或引进生长环境和种类与当地植被环境和已有植物种类一致的外来种，使之较短时间内融入当地自然环境，但对引进种应防范其对本土物种造成的生物入侵。
2)对于灌木和草本植物，应选择多年生、生长快、根系发达、根蘖萌发力强、固土能力强且蓄水保土、生物自净效果突出，能满足水源保护需求的类型。生长高大的乔木，根系粗壮，不利于坡面的稳定，因此坡面一般不宜种植乔木。而河岸缓冲带可以适当的栽植乔木，以减少雨水对地面的冲刷，同时可为鸟类等其他生物提供栖息地。
3)抗逆性。北方地区降雨量少且气候干燥，河流流量少，但夏季洪水多发，冬季具有结冰期。面对较严峻的生存条件，选择的护坡植物应具有一定的抗逆性，如抗寒、抗涝、抗旱及抗病虫害能力强，对磷元素、有毒重金属化合物或对农药、化肥、亚硝酸盐等污染物耐受性较好的超富集植物。这些植物可以本地污染河道岸坡优势种进行驯化筛选，或者通过引进、植物基因工程的手段来获得。
4)景观协调性。护坡栽种植物的选择应充分考虑到栽种植物与周边环境的协调，植物群落结构搭配也要相适宜；选择对土壤条件要求低，易维护管理的景观品种。北方地区的大部分植被相对南方植被来说，生长周期短，株高比较矮，叶片也比较狭窄，生物量也相对较少，但一般情况下抗逆性相对较强。在北方，利用护坡植物进行水体富营养化修复，可以就当地具体情况筛选出对污染耐性较强，生命力旺盛的植株，然后通过后续的实验研究和整体考虑来选择适宜的护坡植物。
3.3 人工湿地
人工湿地作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分、养分吸收及各类动物的作用[22]。按照污水流态流向的不同，人工湿地污水处理系统可分为表面流湿地、水平潜流湿地和垂直流湿地3种主要类型。人工湿地在改善河道水质，修复河道自净能力具有以下4个优点：1)建造和运行费用便宜；2)易于维护，技术含量低；3)可进行有效的废水处理；4)可缓冲对水力和污染负荷的冲击。但后期的管理和维护必不可少，建议有关部门加强收集、管理工程运行中的相关监测，提高工程的可持续性。我国南方地区气候温暖湿润，适合人工湿地植物及微生物的生长，因此人工湿地在南方应用较多。而在北方地区，由于气候干旱少雨，人工湿地应用相对较少，且主要是自由表面流和水平潜流两种类型，垂直潜流人工湿地应用较少。
冬季低温致使湿地系统植物生命活动降低，人工湿地的处理效率下降，可供北方地区建设人工湿地的植物种类较少，是制约人工湿地在北方普及的主要因素，也是相关研究的关注重点。
对于北方地区，针对冬季低温造成人工湿地处理效率下降的状况，对应的措施主要有：1)植物体覆盖。利用植物体覆盖在湿地床体表面，起到保温作用。2)地膜覆盖。此方法效仿农业种植中的地膜技术。陈晓东等[23]在冬季选择地膜覆盖对湿地进行保温，发现保温后湿地内水温降低幅度约在2 ℃左右，气温对湿地的影响很小。
在植物选择方面，湿地建设主要采用具有美化景观作用的水生草本植物，需具备以下特点：耐污性能好、处理效果优、吸收能力强、成活率高的特点；根系发达，茎叶茂密，输氧能力强，生长快、生长周期长；抗冻、抗热、抗病虫能力强；易于维护管理。常见的人工湿地植物有芦苇、凤眼莲、香蒲、菖蒲等[24]。而我国北方地区仅有如水葱、香蒲和芦苇等少数几种，缺少可供选择的植物。
3.4 人工生态浮床
生态浮床不但可促进城市河流生态系统更加完善和多样化，而且增加了美学观赏价值，但目前生态浮床技术在技术上还存在一些不足。浮床材料及浮床植物种类繁多，但抗风浪性及耐腐蚀性并不理想。泡沫、塑料等浮材的抗风浪能力比较差，常用的水生植物如美人蕉和千屈菜等，长期淹没在水中地下茎会出现腐烂，导致第二年植物停止生长的情况十分常见。人工生态浮床技术在富营养化水体的治理过程中，后期的维护还缺少相应技术。如2008年上海河道构建的生态浮床由于未对其进行后期维护且浮床植物未及时处理，造成植物死亡腐烂，未得到很好的经济效果[25]。浮床植物净化能力有一定波动性，不同季节、风速、浪高等都会影响人工生态浮床净化效果，且植物体的移出耗时费力。人工生态浮床上水生植物的资源化利用仍是其在水环境生态修复中的重要限制因素，提高水生植物资源化利用率将是今后的研究方向。目前生态浮床种类的增加使污染物的去除由植物为主转变为植物、填料、微生物共同作用，但是各部分如何有机组合高效净水仍有待今后继续深入研究。
在中国的南方人工生态浮床应用较多。与之相比，北方人工生态浮床的应用难度较大。由于北方气候寒冷，人工浮床的床体材料的选择应该具有防冻裂、耐久性强等特点。所选择的植物除了具有净水能力外，还要选择耐寒、易于种植、景观效果好的植物。商瑜等[26]设计了一种沉浮式人工浮床，通过浮床的基座来控制浮床的升降，解决北方寒冷冬季浮床不能越冬及其回收储存成本高的难题。在解冻期，浮床在水面发挥冰水功能，而冰封期的浮床因沉入水底浮床不会被冻裂。冰封期过后，通过充气使浮床回到水面，通过添加基质和植物继续工作，既节约成本，防止冻裂，且发挥了浮床的最大净水功能。
4 问题和讨论
气象、水文和资源条件等自然环境及人类活动的差异，造成南方和北方城市河流具有鲜明的差异性特征，也导致了在调水改善水环境、生态护坡、人工湿地和人工生态浮床等技术措施适用条件和实施细节上的差异。究其根本，河流生态系统构成因素众多且相互作用复杂，特别是在人类活动影响较大的城市河流，其具有动态性、复杂性和非线性等特征，给相关研究、工程实践和管理维护工作带来了挑战[27-28]。南北方城市河流生态修复的差异性本质上是多种要素交叉造成的，河流生态修复的研究和实践涵盖了生态、环境、植物和水文等多学科。今后的河流生态修复工作尚需将水利工程规划、建设、运行过程与生态学相关学科相融合，通过研究既有资料和开展长期监测，掌握关键生态因子的生存规律；积极开展相关问题的实践活动，为相关理论的研究积累基础数据。水利工程的规划、设计、建造和运行管理在满足人类社会需求的同时，也要符合生态保护要求，保护和恢复水生态系统健康与可持续性。未来应尝试将多学科融合的方法、思想应用于城市河流生态修复中，以完善和强化河流生态修复理论，提高修复效果。
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