1.1 水生态系统概述
1.1.1 淡水生态系统及构成
生态系统（Ecosystem）是由植物、动物和微生物及其群落与无机环境相互
作用而构成的一个动态、复杂功能单元。 （Millennium Ecosystem Assessment
2005） 本书所指的水生态系统为淡水生态系统。 淡水生态系统（Freshwater Ecosystem）是由植物、动物和微生物及其群落 与淡水、近岸环境相互作用组成的开放、动态的复杂功能单元。一般认为，淡 水生态系统的范围包括河道、河漫滩、湖泊、湖滨带、水库以及湿地沼泽等。 淡水生态系统作为地球生态系统的一个分支，是地球表面各类水域生态系 统的总称。水生态系统的结构是由非生命与生命系统两部分组成。前者是指生
物赖以生存所必需的基本条件，主要包括以水为主体的非生物环境，包括碳、 氧、氮等无机物；后者是指动物、植物和微生物等，包括： （1）生产者。是能以简单的无机物制造食物的自养生物，主要包括陆地植 物和水生植物。 （2）消费者。直接依赖于生产者所制造的有机物质，属于异养生物。 （3）分解者。也属于异养生物，其作用是把动植物残体、复杂的有机物分 解为简单的无机物，并释放出能量。水生态系统中的生产者、消费者、分解者 构成了生态系统中的食物链和生态链，以水为主体的非生物环境则是水生态系 统的能量供给者和动植物生存的载体。 1.1.2 水生态系统的四个过程 水生态系统的四个过程包括水文过程、地貌过程、物理化学过程和生物 过程。 u 1.1.2.1 水文过程 水生态系统的完整性依赖于自然水文条件的动态性。自然水文过程在维持 生物多样性和生态系统完整性方面发挥了至关重要的作用。很多物种的生活史 过程需要自然水文过程在不同季节提供多种类型的栖息地。然而，由于受人类 活动、气候变化等人或自然因素的影响，自然水文过程遭到不同程度的改变， 导致对水生态系统造成了一系列负面影响。因此，水文过程调查分析的目的在 于：评估当前水文过程偏离自然水文过程的程度，识别改变程度较大的水文指 标， 基于这些水文指标与水生态影响之间的相关关系预测可能产生的生态效应， 指导水生态保护与修复。 u 1.1.2.2 地貌过程 地貌过程是指地表物质在力的作用下被侵蚀、转移和堆积的过程。决定这 一过程的实质是地表作用力和抵抗力的对比关系。 侵蚀地貌过程是在溯源侵蚀、
下蚀和侧蚀共同作用下形成的；转移地貌过程是泥沙在水体中的转移过程；堆 积地貌过程则是泥沙在水体搬运能力减弱的情况下发生淤积的过程。地貌过程 是形成水系形态的主要因素。地貌为水生态系统的各种生态过程提供了物理基 础，通过多种类型的塑造作用，形成了不同的生物栖息地特点。 u 1.1.2.3 物理化学过程 水质物理量测参数包括流量、温度、电导率、悬移质、浊度、颜色。水质 化学量测参数包括 pH 值、碱度、硬度、盐度、生化需氧量、溶解氧、有机碳 等。其他水化学主要控制指标包括阴离子、阳离子、营养物质等（磷酸盐、硝 酸盐、亚硝酸盐、氨、硅）。如果水体的化学和物理性质不适宜，就无法确保健 康的生态系统。应横向和纵向地审视水体的物理和化学过程。横向角度指流域 对水质的影响，特别要注意沿岸地区对水质的影响；纵向角度则指考虑水体水 动力学特征变化对水质的影响。 u 1.1.2.4 生物过程 生活在水域及周边的生物群落，既包括淡水水生生物，也包括滨水带及其 周围的陆生生物，其生命现象和生物学过程与栖息地特征密切相关。生物过程 主要指生物群落对于栖息地众多因子变化的响应，以及生命系统与非生命系统 之间的交互作用。 1.1.3 水生态系统的服务功能 生态系统服务（Ecosystem Service）是指生态系统与生态过程所形成及维 持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。生态系统服务功能是人类生存与现 代文明的基础，它不但为人类提供食物、药品和工农业所需原料，更重要的是 支撑与维系了地球生命支持系统。它的概念是随着对生态系统结构、功能及其 生态过程的深入研究而逐渐提出并不断发展的，2001－2005 年开展的千年生态 系统评估（Millennium Ecosystem Assessment）项目对其作出了如下的定义：即
人类从生态系统获得的所有惠益，包括供给服务（如提供食物和水）、调节服务 （如控制洪水和疾病）、 文化服务 （如精神、 娱乐和文化收益） 以及支持服务 （如 维持地球生命生存环境的养分循环）。 水生态系统服务功能也包括提供产品、调节、文化和支持四大功能。其中， 产品提供功能是指生态系统生产或提供的产品；调节功能是指调节人类生态环 境的生态系统服务功能；文化功能是指人们通过精神感受、知识获取、主观映 象、消遣娱乐和美学体验从生态系统中获得的非物质利益；支持功能是指保证 其他所有生态系统服务功能提供所必需的基础功能。与产品提供功能、调节功 能和文化服务功能不同的是，支持功能对人类的影响是间接的，或通过较长时 间才能发挥作用，而其他类型的服务则是相对直接的或快速发挥作用。淡水生 态系统的服务功能具体详见表 11。 表 11 水生态系统的服务功能 提供产品功能 调节功能 文化功能 支持功能 功 能 区 域 供水 供给 水产 品 水力 发电 航运 调节 大气 组分 调蓄 洪水 输沙 功能 调节 气候 旅游 服务 科研 服务 净化 水质 涵养 水源 保护生 物多样 性 保护 土壤 湖泊 √ √ — — √ √ — √ √ √ √ √ √ √ 河流 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ — 水生态系统不仅为人类提供了食品、医药、水及其他生产生活原料，还创 造并维持了全球生态支持系统，形成了人类生存所必需的环境条件。水生态系 统服务功能的内涵除了包括有机质的合成与生产外，还包括保护生物多样性、 调节气候和大气、水质净化、调蓄洪水、营养物质贮存与循环、基因库等。其 具体内涵如下： （1）保护生物多样性 生物多样性是指从分子到景观各种层次生命形态的集合。水生态系统不仅 为各类生物物种提供繁衍生息的场所，而且还为生物进化及生物多样性的产生
与形成提供了条件。据统计全球淡水鱼近 10700 种，仅中国就有淡水鱼 700 多 种，而我国目前调查并记录的水生生物物种有 2 万多种。 （2）调节气候与大气 水生态系统通过水汽循环起到调节气候的作用。水生态系统中的绿色植物 通过光合作用释放氧气，同时固定大气中的二氧化碳，从而保证了生命活动必 需的氧气含量和基本气候条件。此外，部分水生植物还具有吸收空气中有害气 体的功能，而水体自身还具有一定的吸附粉尘及微生物的空气净化能力。 （3）水质净化 水生态系统具有削减污染物的作用。生活生产废污水进入水生态系统后， 首先被稀释，而后通过水生植物的吸附、吸收作用，及水中微生物的分解作用， 被消纳降解。河流湖泊中的各种水生植物（包括挺水、浮水、沉水植物）能够 有效吸收污染物， 许多植物组织能够富集浓度比周围水体高出 10 万倍以上的重 金属，从而净化水质，降解污染。而河流生态系统中，由于水流速度不同，在 水流速度趋缓处，水中悬浮的固体物质沉降下来，部分污染物粘结在沉积物上 随之沉积，加速了污染物降解过程。 （4）调蓄洪水 蓄积洪水水量、调节洪峰是水库、湖泊、河流等生态系统的重要服务功能。 以洞庭湖为例，洞庭湖是调蓄长江中游干、支流洪水的重要的天然水库。而鄱 阳湖在一般年份可调节来水量的 15%～30%，而特大洪水年（如 1954 年）削减 了入湖峰量的 50%以上，其削峰量为 23400m 3 /s。 （5）营养物质贮存与循环 河流湖泊通过自身生态系统的营养循环完成氮、碳、磷等大量营养元素在 水体与大气、土壤等介质的交换。以氮循环的过程为例，水中动植物的尸体及 水生生物的排泄物等有机氮经细菌等微生物的分解成为铵态氮（NH4 + ）、分子 态氨（NH3）、硝态氮（NO3 － ）和亚硝态氮（NO2 － ）等无机氮，或一部分经脱
氮细菌的分解变成氮气挥发到空气中，而大气中的氮气经雷雨以硝态氮的形式 进入水体， 而硝态氮可以被水中的藻类或其他水生植物吸收利用转化为有机氮。 （6）基因库 由于水生态系统同时具有陆地与水体两种生存环境，因此水生态系统同时 兼具丰富的陆生和水生动植物资源，形成了单一生态系统无法比拟的天然基因 库，其水文、土壤和气候造就了复杂且完备的动植物群落，同时形成了复杂的 基因库。 （7）景观文化 自古以来人们依水而居，随水而耕，以水溉田，人们亲水近水的天性，始 终伴随着社会发展而不断延续，形成了以各种载体表达的水文化。同时，伴随 社会现代化的进程，人们对水域空间的景观和休闲娱乐功能的要求不断提高。 改善水域空间的景观，提高文化底蕴，为居民提供安全、舒适的亲水环境，成 为当前水生态文明建设的一个重要目标。
1.2 水生态保护与修复
1.2.1 水生态保护与修复概述 水生态保护与修复的基本内容有两部分， 即保护水生态和修复水生态系统。 保护和修复相互推进，保护推动修复，修复促进保护。其一，保护水生态包括 保护水量水质，防治水污染，使其质量不再下降。同时保护水系和河流的自然 形态，保护水中生物及其多样性，保护水生生物群落结构，保护本地历史物种、 特有物种、珍稀濒危物种，保护生物栖息地。此外，还要注意保护水文化。其 二，对已经退化或受到损害的水生态采取工程技术措施进行修复，遏制退化趋 势，使其转向良性循环。水生态保护和修复的工程技术措施应是综合性的，可利用现有的各类工程技术措施，进行合理选配。目的是要起到削减污染物产生 量和进入水体量、提高水体自净能力的作用，增加水环境容量，改善水质，使 水生态进入良性循环。同时要有相应的保障措施配套，确保工程技术措施的全 面实施，发挥其最大的水生态保护与修复效果。 按照国际生态恢复学会的定义，生态修复是帮助研究和管理原生生态系统 的完整性的过程，这种完整性包括生物多样性的临界变化范围、生态系统结构 和过程、区域和历史状况以及可持续的社会实践等。 河湖生态修复是指在充分发挥系统自修复功能的基础上，采取工程与非 工程措施，促使水生态系统恢复到较为自然的状态，改善其生态完整性和可 持续性的一种生态保护行动。其任务有 4 大项：①水质改善；②水文情势改 善；③河流地貌景观修复；④生物群落多样性的维持与恢复。总的目的是改善 河湖生态系统的结构、功能和过程，使之趋于自然化。 1.2.2 水生态保护与修复的原则 水生态修复应遵循自然规律和经济规律，既重视生态效益，也讲求社会经 济效益。其目标和内容应体现水资源开发利用与生态环境相结合；人工适度干 预与自然界自我修复相结合；工程措施和非工程措施相结合。生态效益的重点 放在水质改善、自然界水文情势和河流自然地貌形态修复。应遵循产出效益最 大化和投入成本最小化的一般经济原则，采取负反馈分析规划设计方法，统筹 兼顾，因地制宜。应遵循如下原则： l 水生态保护与修复与社会经济协调发展； l 生态效益与社会经济效益相统一； l 恢复河流自然地貌形态和自然水文情势； l 投入最小化和生态效益最大化； l 发挥生态系统自我修复功能；
l 工程措施与非工程措施相结合； l 遵循负反馈调节设计原则。 1.2.3 水生态保护与修复的必要性及意义 （1）水生态保护与修复是维持水生态系统功能正常发挥的有效手段 水生态保护与修复的根本目的是通过一系列工程与非工程措施（如生态保 护立法、执法、流域综合管理等），使水生态系统的四个过程因子得以改善，即 水质和水文情势改善、河湖地貌景观修复、生物群落多样性的维持与恢复，从 而改善河湖生态系统的结构、功能和过程，使之趋于自然化。由此可见，水生 态保护与修复是维持水生态系统功能正常发挥的有效手段。 （2）水生态保护与修复是经济社会高度发展的必然要求 区域经济的高速发展，水和水生态系统是重要的基础支撑和保障，一个持 续发展的社会，不仅表现在经济发展的可持续性，而且应包括水资源、水生态 环境的可持续性。在区域经济发展到现阶段，人水关系已由片面追求对河湖资 源功能的工具化开发利用向尊重自然、尊重其价值，体现人水和谐的本体价值 的转变，这也是经济社会发展的必然结果。 （3）水生态保护与修复是水利工程建设发展新阶段的必然 随着经济社会发展，生产力水平提高，在科学发展观的指导下，对水利建 设的内容和水资源开发利用与管理，赋予了崭新的内涵，从理念和实践上要求 实现根本转型，即从传统水利向资源水利和现代水利转变。在遵从河湖自然客 观规律的前提下，顺应经济发展要求，发挥人的主观能动性，有意识地将人水 和谐理念，贯穿于水利建设全过程，达到支撑经济发展、人与自然和谐、实现 河湖的健康可持续发展目标，而不以牺牲子孙后代的发展条件为代价来求得眼 前的发展。所以说，水生态保护与修复是对水利工程规划、设计、建设的进一 步补充和优化，也是对水利工程、水资源保护工作的有力推动，更是促进防洪
保障，强化水资源优化管理，满足社会生态改善，环境优化的需要，是现代水 利工作内涵的外延和拓展。 （4）水生态保护与修复是现代社会以人为本，渴求回归自然，人与水自然 和谐共处的迫切要求 进入 21 世纪，经济社会将进入一个持续稳定发展的新时期，应强化河湖水 网的总体构建，改善河湖综合条件，提高防洪保障，抵御洪涝风险的能力；把 水资源保护和水污染防治提到支撑经济社会可持续发展的高度； 建设生态河湖， 恢复利用河湖自净能力，隔断污染对水体的侵害；保护和恢复河湖的自然多样 性特征，恢复和重建其水生态系统；尽可能保持河湖自然特性，营建优美水边 环境，提供丰富自然的亲水空间，构建现代水系统与风景旅游生态城市建设适 应性；对河湖的开发治理考虑其生态的可持续性和区域经济的可持续发展。水 生态保护与修复是对前期不合理开发和利用的补偿， 也是持续利用河湖的保障， 促进水生态系统的稳定和良性发展。
1.3 水生态保护与修复技术
水生态保护与修复技术主要分为水环境污染治理技术、生境修复与生物多 样性保护技术、环境流调控技术和水景观与水文化营建技术四大类。 1.3.1 水环境污染治理技术 水环境污染治理技术是一种典型的水质改善技术，包括以过滤为手段的下 凹式绿地技术、透水铺装技术、砂滤技术和土壤渗滤技术；以增氧为手段的人 工曝气增氧技术、跌水曝气技术；以强化生物作用为手段的生物强化技术、生 物膜技术；以自然作用为手段的稳定塘技术、雨水利用塘技术、生物景观塘技 术、人工湿地技术、前置库技术和生态浮床技术；以植物拦截为手段的缓冲带技术、生态沟渠技术。 （1）下凹式绿地技术 下凹式绿地是一种生态的雨水渗透设施，它既可以设置在城区范围内的建 筑物、街道、广场等不透水的地面周边，用于收集蓄渗小面积汇水区域的径流 雨水，又能在立交桥附近、市郊等空旷区域大规模应用，从而提高立交桥及整 个城市的防洪能力。 （2）透水铺装技术 透水铺装由一系列与外部空气相连通的多孔结构形成的骨架，同时又能满 足路面及铺地强度和耐久性要求的地面铺装。所采用的透水砖由多种级配的骨 料、水泥、外加剂和水等经特定工艺制成，其骨料间以点接触形成混凝土骨架， 骨料周围包裹一层均匀的水泥浆薄膜，骨料颗粒通过硬化的水泥浆薄层胶结而 成多孔的堆聚结构，内部形成大量的连通孔隙。其好处是：①雨水能够迅速地 渗入地下，补给地下水。同时，减少路面积水，大大减轻排水系统的压力，也 减少了对自然水体的污染；②提高地表的透气、透水性，保持土壤湿度，改善 城市地表生态平衡及铺装地面以下的动植物及微生物的生存空间；③吸收车辆 行驶时产生的噪声，创造安静舒适的交通环境；④下垫层土壤中丰富的毛细水 可以通过自然蒸发作用（透水性铺装的多孔构造同样是水蒸发的通道），降低铺 装表面的温度，进而缓解了城市热岛效应。 （3）砂滤技术 砂滤技术是一种通过砂、有机质、土壤等的过滤作用来达到径流污染控制 目的的技术，主要作用是截留水中的大粒径固体颗粒和胶体，使水澄清。根据 滤料性质和所处位置可分为表面砂滤池、地下式砂滤池、周边型砂滤池等类型。 （4）土壤渗滤技术 土壤渗滤技术，也称土地处理系统，是一种就地污水处理技术。它充分利 用土壤的物理、化学特性以及土壤－微生物－动物－植物等构成的生态系统自
我调控机制和对污染物的综合净化功能，吸附、微生物降解、硝化反硝化、过 滤、吸收、氧化还原等多种作用过程同时起作用，实现污水资源化与无害化。 该技术由于利用了土壤的自然净化能力，因而具有基建投资低、运行费用少、 操作管理简便等优点，另外还具有无臭味、不滋生蚊蝇等优点。 （5）人工曝气增氧技术 人工曝气增氧技术是通过机械作用鼓风、压缩空气进入水体的方式对水体 进行充氧曝气。其充氧效率高、选择灵活，但耗能高、维护管理要求高，多用 于黑臭河道治理、人工湖、公园水体等净化和景观中。 （6）跌水曝气技术 跌水曝气是指利用河床比降形成的落差或者使用潜水泵提升水体，使水体 从高处自由跌落，跌落的同时携带一定的空气跌入下层水体中，被带入水中的 空气以气泡形式与水面下层水体充分接触，气泡破裂后，为下层水体富氧。相 对于人工曝气，该技术充氧效率低、能耗低，维护管理简单。 （7）生物强化技术 生物强化技术是指在生物处理系统中，通过投加具有特定功能的微生物、 营养物或基质类似物，增强处理系统对特定污染物的降解能力、提高降解速率、 达到有效净化水质的目的。生物强化技术比一般的废水生物治理方法对目标污 染物的去除更有针对性，效果更佳，表现出很好的应用前景。 （8）生物膜技术 生物膜技术是依靠固定于载体表面上的微生物膜来净化水质。由于微生物 细胞几乎能在水环境中任何适宜的载体表面牢固地附着、生长和繁殖，由细胞 内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维桩的缠结结构，可利用生物膜 附着在载体的表面，在膜的表面上和一定深度的内部生长繁殖着大量的微生物 及微型动物，并形成由有机污染物→细菌→原生动物（后生动物）组成的食物 链。污水在流过载体表面时，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附，
并通过氧向生物膜内部扩散，在膜中发生生物氧化等作用，从而完成对有机物 的降解。生物膜载体是该项技术的核心。 （9）稳定塘技术 稳定塘是一种利用天然净化能力的生物处理构筑物的总称，主要利用菌藻 的共同作用处理废水中的有机物。稳定塘技术在面源汇集、截留净化等方面具 有重要作用，可调蓄水量，收集初期径流，降低面源污染对受纳水体的影响。 稳定塘结构简单，其营建对地形的要求不高，在沼泽、峡谷、河道、废弃 水库等地形较复杂的地方均可以营建，且大多采用土石为原材料，工程周期较 短，营建费用和运转费用较低，维护和维修简单、便于操作。另外，稳定塘能 有效去除污水中的有机物和病原体，无需污泥处理， 且具有很强的抗冲击能力， 无论面对浓度多少的污水，稳定塘系统都能很快适应并对其实施处理。 （10）雨水利用塘技术 雨水利用塘是雨水利用工程中的一种，通过滞留、沉淀、过滤和生物作用 等方式达到高峰削减和径流污染控制目的的雨水塘。具有削减高峰流量、控制 径流污染、收集利用雨水等好处。 （11）生物景观塘技术 生物景观塘是在生物塘内种植一些具有良好的净水效果、 较强的耐污能力、 易于收获和有较高的利用价值的纤维管束水生植物，如芦苇、水花生、水浮莲、 水葫芦等，能够有效地去除水中的污染物，尤其是对氮磷有较好的去除效果。 （12）人工湿地技术 人工湿地技术是利用由土壤或人工填料（如碎石等）和生长在其上的水生 植物所组成的独特的土壤－植物－微生物－动物生态系统，使水中的有机质、 氮、磷等营养成分在发生复杂的物理、化学和生物的转化作用下，被截留、吸 收和降解。在恰当设计和良好管理的条件下，可以有效地处理生活污水、工业 污水、农业面源污染、垃圾场渗滤液、暴雨径流、富营养化水体等，显著减少
水体内的生化需氧量、悬浮固体颗粒和氮磷，同时还可以去除金属、微量有机 物和病原体。与传统的二级生化处理相比，人工湿地具有氮、磷去除能力强， 投资低，处理效果好，操作简单，维护和运行费用低等优点。但人工湿地污水 处理技术存在较为严重的二次污染问题，收获的植物茎叶无法妥善处置；工程 占地面积大，且受气候条件限制较大，部分水生植物不耐寒，易受病虫害影响， 容易产生淤积和饱和现象等。 （13）前置库技术 前置库技术是利用水库的蓄水功能，将因表层土壤中的污染物 （营养物质） 淋溶而产生的径流污水截留在水库中，经物理、生物作用强化净化后，排入所 要保护的水体。前置库对控制面源污染，减少湖泊外源有机污染负荷，特别是 去除入湖地表径流中的氮、磷安全有效。但前置库技术存在着植被二次污染、 不同季节水生植被交替和前置库淤积等问题。 （14）生态浮床技术 生物浮床技术是以可漂浮材料为基质或载体，将高等水生植物或陆生植物 栽植到富营养化水体中，通过植物的根系吸收或吸附作用，削减水体中的氮、 磷及有机污染物质，从而净化水质的生物防治法。 “生物浮岛”“人工生物浮床” “生物浮床”“人工浮岛” “浮床无土栽培”等均为相同或类似的概念。生物浮 床技术，需要设计制造一种浮力大、承载力强、耐水性好、不易老化，既能固 定植物根系，又能保证植物生长所需要的水分、养分和空气的浮体装置。 （15）缓冲带技术 缓冲带是指河岸两边向岸坡爬升的由树木（乔木）及其他植被组成的缓冲 区域，其功能是防止由坡地地表径流、废水排放、地下径流和深层地下水流所 带来的养分、沉积物、有机质、杀虫剂及其他污染物进入河湖系统。 （16）生态沟渠技术 生态沟渠是指应用生态学原理，在保证输水安全的前提下，在排水沟渠内
通过植草、铺设过滤层，使其具备较高的净化水质的能力。在我国部分农村， 一般是将现有的硬质化沟道改成生态型沟道，在沟渠中配置植物，并可根据实 际情况设置透水坝、拦截坝等辅助措施，形成具有较高水质净化能力的生态排 水沟渠。 1.3.2 生境修复与生物多样性保护技术 从不同的生境空间尺度出发，生境保护与修复技术主要包括河流蜿蜒度构 造、横断面多样性修复、河道内栖息地加强、生态型护岸、河湖生态清淤等中 观、微观尺度上的技术，以及水系连通、岸线控制等宏观尺度上的技术。生物 多样性保护技术从维护目标生物的栖息地环境及全过程生活史角度出发，主要 包括过鱼设施、增殖放流、迁地保护、 “三场”维护、分层取水、过饱和气体控 制等技术。 （1）河流蜿蜒度构建技术 河流蜿蜒度构建技术是指利用复制法、经验关系法等多种方法修复河流的 平面蜿蜒性特征。其主要目的是在满足河道行洪能力的前提下，通过改善河流 蜿蜒度提高河流平面形态多样性，从而形成异质性的地貌单元，增加河流地貌 特征的多样性。 （2）河流横断面多样性修复技术 河流横断面多样性修复技术是指根据自然河流的横断面特点，采用人工设 计与河床演变相结合的方式对横断面的多样性特征进行修复。其主要目的是在 满足河道行洪能力要求的前提下，对现有经过人工改造过的矩形断面或梯形断 面河道进行多样性修复。 （3）河道内栖息地加强技术 河道内栖息地是指具有生物个体和种群赖以生存的物理化学特征的河流区 域。河道内栖息地加强技术是指利用木材、块石、适宜植物以及其他生态工程
材料相结合而在河道内局部区域构筑特殊结构，通过调节水流及其与河床或岸 坡岩土体的相互作用而在河道内形成多样性地貌和水流条件，例如水的深度、 湍流和均匀流、深潭或浅滩等，从而增强鱼类和其他水生生物栖息地功能，促 使生物群落多样性提高。 河道内栖息地加强结构的技术关键在于通过河道坡降及流场的局部改变， 调整河道泥沙冲淤变化格局，形成相对蜿蜒的河道形态，使之具有深潭－浅滩 序列特征；同时利用掩蔽物，增强水域栖息地功能。工程设计中需致力于满足 尽可能多的物种对适宜栖息地的要求。具体设计目标包括：创建深水区，重建 深潭栖息地；缩窄局部河道断面，增强局部冲刷作用，调整泥沙冲淤变化格局， 重建浅滩；增加掩蔽物，为鱼类创建躲避被捕食或休息的区域；通过添加木质 残骸，为水生生物提供适宜的河床底质和食物等。河道内栖息地加强结构类型 一般分为五大类：砾石/砾石群、具有护坡和掩蔽作用的圆木、叠木支撑、挑流 丁坝和生态堰等。 （4）生态型边坡防护技术 生态型边坡防护技术是指满足规模最小化、外型缓坡化、内外透水化、表 面粗糙化、材质自然化及成本经济化等要求，并保证稳定安全、生态健康、景 观优美的多功能型岸坡防护技术。其目标是在满足人类需求的前提下，使工程 结构对河流的生态系统冲击最小，亦即对水流的流量、流速、冲淤平衡、环境 外观等影响最小， 同时大量创造动物栖息及植物生长所需要的多样性生活空间。 根据不同河道岸坡的具体情况和设计要求， 常采用渗滤植生砌块护岸技术、 坡改平砌块植生护坡技术、 格网网箱生态护坡结构、 格网土石笼生态护坡结构、 护坡工程袋柔性边坡、铰接混凝土块护岸技术、生物基质混凝土、自嵌式植生 挡土墙边坡、植物纤维毯植被网覆盖技术、三维土工植被网覆盖技术和巢室生 态护坡技术等。 由于过往大量的钢筋混凝土和浆砌石岸堤无法在短时期内完全拆除重
建，很大程度上影响了河湖生态保护与修复的效果，目前各地正在倡导睡堤 唤醒的计划。睡堤唤醒就是对城市河道硬质护岸进行生态改造，将一部分已 有的硬质护岸改造成柔性生态护岸，其技术体系也大量采用以上所提到的技 术来进行实施。 （5）生态清淤技术 生态清淤是指去除沉积于湖底（河底）的富营养物质，包括高营养含量的 软状沉积物（淤泥）和半悬浮的絮状物（藻类残骸和休眠状活体藻类等） ，生态 清淤清除的是底层富含有机质的表层流泥，它以生态修复为目的，最大限度地 清除底泥污染物、减少湖泛发生概率。在生态清淤的基础上，通过环境治理、 生态工程和有效管理等综合工程和非工程措施，修复生态系统，保障湖泊生命 健康和可持续发展。 （6）水系连通技术 水系连通技术指的是在水电工程建设过程中，为提高流域和区域水资源统 筹调配能力，为洪水提供畅通出路和蓄泄空间，并增强水体自净能力和修复水 生态功能，需合理连通相关的河流、水库、湖泊、淀洼、蓄滞洪区等功能水体， 统筹规划闸坝、堤防建设布局，合理优化现有闸坝调度运行方式，减缓工程建 设引发的生态阻隔效应。其目的是恢复河湖水系在纵向（上下游、干支流）、横 向（主槽与河漫滩及湿地）和竖向（地表水与地下水）的连通性特征。 （7）河湖岸线控制技术 河湖岸线控制技术指的是在分析总结岸线开发利用与保护中所存在主要问 题的基础上，合理确定岸线的范围、划分岸线功能区，并提出岸线布局调整和 控制利用与保护措施。其目的是为保障河道（湖泊）行（蓄）洪安全和维护河 流健康，科学合理地利用和保护岸线资源。 （8）过鱼设施 过鱼设施是指为使洄游鱼类繁殖时能溯河或降河，通过河道中的水利枢纽
或天然河坝而设置的建筑物及设施的总称，通常采用的过鱼设施包括鱼道、仿 自然通道、鱼闸、升鱼机和集运鱼船等。 （9）增殖放流 洄游鱼类增殖放流是指对处于濒危状况或受到人类活动胁迫严重，具有生 态及经济价值的特定鱼类进行驯化、养殖和人工放流，使之得到有效保护，设 置鱼类增殖放流站是缓解胁迫作用和恢复鱼类资源的有效手段之一。增殖放流 站的主要任务是通过对开发河段野生亲本的捕捞、运输、驯养、人工繁殖和苗 种培育，对放流苗种进行标志（或标记），建立遗传档案并实施增殖放流。 （10）迁地保护 迁地保护是指为洄游鱼类提供新的产卵场、索饵场和越冬场的一种保护 措施，它是就地保护的一种补充。迁地保护主要环节包括引种、驯养、繁育 及野化。 由于各方面因素的制约，迁地保护工作存在着一定的局限性。迁地保护的 成效多取决于政策和经费的连续性，而且由于迁地保护场所在数量上和面积上 的限制，不同的亚种、不同的生态型个体常常混养在一起，物种的遗传成分混 杂。同时，迁地保护的濒危物种由于长期受到无意识的人工选择，并不能获取 有利于进化的遗传多样性， 缺乏野外生存所必需的觅食、逃避天敌的行为技巧， 难以适应变化了的环境条件。 （11） “三场”维护技术 “三场”维护技术指的是在水电工程建设过程中，为保护特有、濒危、土 著及重要渔业资源，需特殊保护和保留未开发的河段，对产卵场、索饵场、越 冬场“三场”等重要原生境进行保护。 （12）分层取水技术 分层取水技术是指为减缓下泄低温水对下游水生生物或农田灌溉的不利影 响所采取的水温恢复与调控措施，一般可设置分层取水建筑物，尽可能下泄表
层水。 （13）过饱和气体控制技术 过饱和气体控制技术指的是结合水库运行、发电、泄洪等需求，设计尽可 能满足鱼类栖息和繁殖所需水文节律的水库运行及泄洪方式，其目的是降低水 库下泄水气体饱和度，减轻水电工程对水生态的不利影响。 1.3.3 环境流调控技术 环境流， 指维持淡水生态系统及其对人类提供的服务所必需的水流的水量、 水质和时空分布。环境流可以解释为维持河流生态环境需要保留在河道内的基 本流量及过程，不仅包括枯季最小流量，也包括汛期的洪水过程；不仅包括水 量过程，也包括水动力及水的物理化学变化过程。环境流是人类在进行水资源 配置和管理中分配给河流生态系统的流量，具有维持河流持续性、保证河流自 净扩散能力、维持泥沙营养物质输移和水生态系统平衡等作用，并可为水库生 态调度和河道生态修复等提供依据。环境流强调不但要维持流域生态环境健康 和生活服务价值，而且要符合一定水质、水量和时空分布规律要求，强调一个 完整的水文过程。因此，环境流不仅仅是一个科学术语，而且是比技术问题更 为复杂的管理问题。从生态水文学和环境生态学角度，环境流调控技术包括生 态需水确定技术与方法、生态调度技术。 （1）生态需水 生态需水从广义上讲是指维持全球生态系统水分平衡，包括水热平衡、水 盐平衡、水沙平衡等所需用的水；狭义上是指为维护生态环境不再恶化，并逐 渐改善所需要消耗的水资源总量。按照生态系统所处的空间位置可将生态需水 划分为河道内生态需水与河道外生态需水。河道内生态需水包括河流、湖泊与 河口生态需水，河道外生态需水包括植被、湿地、城市、沼泽生态需水等。 （2）生态调度
水利工程具有防洪、发电、灌溉、航运、供水等综合功能，对经济发展和 社会进步起到巨大的推动作用，在抵御洪涝灾害对生态系统的冲击干扰、改善 干旱与半干旱地区生态环境状况等方面也发挥有积极作用。广义的 “生态调度” 包括：在强调水利工程的经济效益与社会效益的同时，将生态效益提高到应有 的位置； 保护流域生态系统健康，对筑坝给河流带来的生态环境影响进行补偿； 考虑河流水质的变化； 以保证下游河道的生态环境需水量为准则等。 狭义的 “生 态调度”可理解为：在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济目标的 前提下，兼顾河流生态系统需求的调度方式。 1.3.4 水景观与水文化营建技术 水景观和水文化营建的初衷，是在滨水景观建设中，实现满足生态功能基 础上的景观表现最优化目标。在滨水景观建设中，在按照生态功能设计的要求 下，对滨水开放空间形态、植物景观加以设计和改造，使其在保持原有生态功 能的前提下，更好地满足使用者的功能需求和观赏效果。 水景观与水文化营建技术包括仿自然水景营建技术、植被景观营建技术、 文化与游憩设施营建等技术。仿自然水景营建技术又包括浅水湾和景观水景营 建技术，植被景观营建技术又包括原生植被保护技术、植被筛选技术和群落营 建技术，文化与游憩设施按营建设施类型，可分为线性游步道系统、游憩场地、 景观设施和水文化景观。 （1）水景营建技术 水景观是园林景观设计的重要内容，水的景观表现灵活、形式多样。与景 观和建筑协调的水景，能够起到组织开放空间、满足休闲功能、提升景观品质 等方面的作用。城市化地区，需要满足城市的景观和滨水休闲需求；水源充足、 汇水条件较好的区域，需要通过绿地进行雨洪调蓄与利用，结合海绵型城市建 设进行开发。贫水地区应限制建设人工水景。
景观水景营建技术包括基底分析评价、水体深度与规模确定、生物栖息地 营建、植被景观营建和设计营建等部分。 （2）浅水湾营建技术 模拟天然河流水体的塑造形式，在河床宽阔处或者冲刷作用弱的区域，扩 大水面设置浅水湾，形成缓坡断面。浅水湾既可以增加过流断面，便于构建蜿 蜒型河道；又可以在冬季形成冰盖整体推移，防止护岸冻蚀。浅水湾区域便于 结合植被种植和景观设施，形成水生动植物的栖息地，同时满足城市居民中的 亲水功能需求。浅水湾有淤泥质浅水湾和块石底浅水湾。 （3）景观跌水营建技术 广义的来说跌水是水流从高向低由于落差跌落而形成的动态水景，有瀑布 和流水等不同形式。瀑布是指自然形态的落水景观，多与山石、溪流等结合。 本部分所说的跌水是指规则形态的落水景观，其在景观表现上并多与建筑、景 观构筑物相结合，既具有水的韵律之美，又具有景观设计的形式之美，兼有曝 气充氧作用，是水景观建设的重要内容。跌水又包括块石跌水、水槽式跌水和 多级跌水。 （4）景观喷泉营建技术 喷泉在水生态处理上，是一种优良的曝气方式。喷泉是利用压力使水从孔 中喷向空中，再自由落下的一种优秀的造园水景工程。喷泉以壮观的水姿、奔 放的水流、多变的水形，被广泛应用在水景观营建中。近年来，出现了多种造 型喷泉、构成抽象形体的水雕塑和强调动态的活动喷泉等，大大丰富了喷泉构 成水景的艺术效果。 （5）植被景观营建技术 植被景观营建是指科学配置植物群落，构建具有生态防护和景观效果的滨 水植被带，发挥滨水植被带对水陆生态系统的廊道、过滤和防护作用，提升生 态系统在水体保护、岸堤稳定、气候调节、环境美化和旅游休闲等方面的功能。
滨水植被带是河流生态系统的重要组成部分之一， 对水陆生态系统间的物质流、 能量流、信息流和生物流能够发挥廊道、过滤器和屏障等生态作用。 通过植被景观营建技术，在保育原生植被基础上，重建退化的河岸带植被 群落，提高河岸带生态系统多样性是水生态保护与修复的重要内容。滨水带植 物景观营建技术包括原生植被保护、生态植被筛选和植物群落配置等内容，其 既要遵循它的艺术规律，也要保持它的相对独立性，但不是孤立的，必须统一 考虑其他诸多要素，进行总体规划设计。
