第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 水环境现状
“水环境形势依然十分严峻，老问题尚未解决，新问题又接踵而至，主要污染物排放总量明显超过水环境容量，群众对水污染事件的投诉越来越多……”，《水污染防治行动计划》（国发〔2015〕17号）描述了我国当前水环境形势和水污染防治情况，由此表明我国水环境形势十分严峻，水污染防治任重道远。
国家环境保护部提供的《2015中国环境状况公报》显示，我国的水污染形势依然严峻，国家环境监测网监测的423条主要河流、62座重点湖泊（水库）的967个断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类、劣Ⅴ类水质的断面比例分别为64.5%、26.7%和8.8%，后两者比例之和高达35.5%。七大水系中，黄河、海河、淮河、辽河等重点流域中，劣Ⅴ类水质断面分别占12.9%、9.6%、39.1%和14.5%，主要污染指标为化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）和总磷（TP）；2015年全国62个重点湖泊（水库）中，富营养化问题依然突出，重度富营养湖泊（水库）5个，中富营养湖泊（水库）4个，主要污染物为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数（CODMn）等。另据新华网资料，我国重点流域40%以上的断面水质没有达到治理规划的要求，一些地区出现“有河皆干、有水皆污”的恶性循环，全国大、中城市浅层地下水不同程度地遭到污染，约有一半的城市市区地下水污染较为严重，部分流域的水资源开发利用程度过高、水污染事故频发等问题，也严重影响着我国的水环境。世界各国也存在不同程度的水体污染问题。在非洲，各类河流被未处理的工业废水和生活污水污染，河流的纳污能力几乎丧失，生态功能受到严重损害；美国50%以上的河流不能支持基本水生价值或不具备娱乐游泳的水体功能，英国85%的地表水体受到不同程度的污染。联合国环境规划署的统计资料表明，美国境内有76%的湖泊处于富营养化、23%的湖泊处于中营养化水平，欧洲范围内96个湖泊中有80%的湖泊受到不同程度的氮磷污染，呈现较强的藻类生长能力。
人类社会的高速发展带来了一系列的环境问题，其中水问题给人们的生产、生活带来的负面影响较为严重。寻求解决水污染问题的方法，一方面是控制点源污染和面源污染；另一方面是对天然水体实施工程性或非工程性的措施，提高河流、湖泊等水体的自净能力，修复恶化的水生生态环境。对于前者，各地方主管部门均采取了强制性的措施，新建和扩建污水处理设施，对农田水利实施有效节水灌溉，从源头控制进入水体的污染负荷，对河湖等地表水体水质改善具有一定的作用，尽管如此，大多数河流、湖泊等地表水体所接纳的污染负荷仍然超过其纳污能力，水体长期处于污染状态，使得外源污染逐渐转化为水体的内源污染；对于后者，世界各国在对河流、湖泊实施水利工程措施的时候，其目标仅仅局限于保障天然水体的航运、防洪等单方面的需求，建成了硬质性的岸坡护砌，然而对水体的生态系统造成了致命的伤害。岸坡是水生生态系统中生命体最活跃的区域，硬质化的护砌方式阻隔了水体与陆地生态系统中各要素之间的物质、能量和信息的交流，水体封闭在河道中，生物多样性降低，生态系统脆弱，自净能力下降，河流对外部污染负荷的抗冲击能力削弱甚至失去，一旦污染物进入水体即造成严重污染，若污染物进入硬质护砌的水源地，造成的水质风险则更为严重。因此，修复河流生态和改变岸坡护砌方式成为环境、水利、生态等学科共同关注的热点课题。
1.1.2 水环境生态修复
水体污染及其生态环境的破损，是由多种原因同时作用促成的。人们对水体施加了过多的环境压力，同时还为了水土保持、防洪、航运等自身安全和经济发展目的，对河湖等水体采取了大规模的人工改造，采用现代工程技术手段和非生态性的硬质化护砌技术加固堤坝，改变了水体的自然特征，水生生态系统封闭化、自然河流渠道化、几何形状规则化、护砌材料硬质化。近年来，随着环境、材料以及生态工程等学科的发展，以及对非生态性工程措施严重后果的认识进一步加深，生态水处理技术以及水体原位性生态修复工程逐渐成为人们关注的问题之一。
生态工程技术以仿生学为基本原理，在天然水体生态系统中引进工程的力量，从而提高水质净化能力，该技术体系是以生态系统为基础，以食物链为纽带，为细菌、藻类、原生动物、微小后生动物到鱼类、两栖类动物在水域、陆域等环境生态场所提供有机的链接功能，并用工程学的方法予以控制。生态工程技术的特点是强化自然净化机能，强化物质、能量和信息通过生物之间的相互转换，实现生态系统的功能健全，进而使包括人类在内的环境系统实现和谐统一。目前，生态工程技术已广泛应用于微污染水体的生态修复之中，常用的技术方法有植物修复、滨水湿地原位净化、河道滞留生态塘、生态浮岛与生态鱼礁等。
1.1.2.1 植物修复
绿色植物是水生生态系统的重要组成部分，是整个系统中的能量和物质基础，为微生物提供生境，对维护生态完整性具有重要作用。水生植物可以吸收并去除水中的营养物质，并可对有毒有害物质具有很强的吸收、分级和净化能力。植物修复对污染物的去除主要是通过植物萃取、降解、挥发、根际过滤、植物固定等作用共同完成的。
植物修复的效果在一定程度上取决于植物品种的选用，挺水植物、沉水植物、浮叶植物、浮游植物以及陆生的草本植被的生长状况和生活习性各不相同，在生态系统中占据着各自的生态位，在水质改善和生态修复中发挥的作用也不相同。相关学者已系统性地研究了多种植物对水体污染的吸收能力和吸收效果，植物的选择应根据水质状况、污染物种类来共同决定，目前应用最多的植物主要为美人蕉、香蒲、芦苇、水葱、苦草、菹草、浮萍、水花生以及水生蔬菜等。在植物的品种和数量选择上，一般应选择4～6种植物混种，以增加生态系统的容量，同时还应防止和控制外来物种对土著植物的生物入侵。植物的利用形式也成为相关学者研究的重要内容之一，近年来植物利用形式也呈现多样化趋势，如水生植物滤床、植物浮岛、植物廊道、水生植物塘等相继被研究和应用。在污染水体水质和水生生态系统得到改善的同时，植物修复技术还可产生一定的经济效益。
1.1.2.2 滨水湿地原位净化
滨水湿地是利用基质、植物和微生物相互关联，通过物理、化学、生物过程的协同作用，改善水质和生态修复的生态工程。植物是人工湿地的核心部分，旺盛生长的绿色植物在吸收污染物的同时，供其生长的基质和根系微环境为微生物的富集、栖息和繁衍提供良好的生境，最终形成了结构稳定和功能完整的微型生态系统。人工湿地的水质净化机理除了通过植物和填料对悬浮性污染物的过滤、吸附及吸收作用外，植物根际微生物也对有机物、氮、磷等营养物的去除起到了关键作用。人工湿地应用范围广泛，可用于处理生活污水和废水，也可用于水体的原位生态修复，均能有效改善污染水体水质。无锡市在饮用水源地太湖湖湾处开辟了面积达50hm2的水域，其中部分水域种植凤眼莲等水生植物，并投放了白鲢鱼、福寿鱼等，构成大片的人工湿地，有效抑制了浮游藻类的生长及密度，叶绿素浓度比场外降低了40%～90%，每年削减污染物相当于25t氮、4t磷。
1.1.2.3 河道滞留生态塘
滞留生态塘修复技术是以太阳能为初始能源，通过在塘中种植水生植物，并进行水产和水禽养殖，形成复合型的人工生态系统，物质、能量在生态塘中多条食物链中逐级传递、转化，水体的污染物得以降解，且水生植物和水产可作资源回收，实现了污水处理的资源化。目前，滞留生态塘系统也逐渐应用于河流等污染水体的综合治理之中，充分利用河流地形条件，建设滞留堰拦截河水以构建河道滞留塘，延长河水在单位长度的滞留时间，通过重力沉降、植物吸收和微生物降解，有效改善河水水质，而且能增加河流的景观功能。
1.1.2.4 人工介质（生态浮岛与生态鱼礁）
天然河道中因泥沙沉积而形成的岛（洲）对水生生态系统有着重要的影响，由于岛（洲）为绿色植物生长、微生物富集提供了生境，为鱼类等脊椎动物提供了栖息繁衍的场所，在岛上形成了微生物-动物-绿色植物的联合体，且四周与水体相连，对河流水质净化起着关键性的作用。但随着对河流的底泥疏浚、裁弯取直、硬质化等水利工程的实施，天然岛屿消失，水体自净能力因此下降，生态系统遭到破坏。人工生态浮岛是采用多孔性材质人为在水中设置构筑物，作为水生生物栖息、生长、繁衍的场所，营造适宜鱼类等动物生长的环境。生态浮岛是将绿化技术和漂浮技术相结合的水质净化措施，一般用聚氨酯涂装的发泡聚苯乙烯作为植物生长的浮体，下部用多孔性材料作骨架，作为鱼类和水生昆虫栖息环境。另外，生态浮岛可吸收水中的氮磷污染物，还有利于水产渔业的增收和生态环境的保护。
人工生态鱼礁是人为在水中设置构造物，为鱼类等水生生物栖息、生长、繁殖提供必要、安全的场所，营造一个适宜鱼类生长的环境，从而达到保护、增殖渔业资源的目的。生态鱼礁上所发生的化学过程、生物过程及其生态稳定性深刻影响着所属水体的物理化学变化过程，因此生态鱼礁技术可用来改善水体水质和修复生态环境。目前，生态鱼礁主要应用于近海海域的渔业场所，整修海洋渔场。近年来，日本在近海海域投放了大量的生态鱼礁，整修了沿岸渔场，海水水质得到很大改善，海水赤潮发生频率大大降低。我国浙江省在近海海域17个站点投放了人工生态鱼礁，投放海域的海洋生态环境和渔业资源得到有效改善。河湖等地表微污染水体投放生态鱼礁会影响其航运、泄洪等功能，因而地表水体投放生态鱼礁的生态修复技术尚未得到广泛应用。
1.1.3 提出问题
随着环境工程学、材料工程学以及生态工程学等学科的发展，微污染水体的生态修复技术已从单一性的修复技术发展到多学科交叉的综合性控制技术。总体而言，现有的生态修复技术措施还存在以下问题值得商榷：
（1）过分强调近期水质改善效果。河流、湖泊等地表水体的污染一般都是一个长期积累的过程，也是外源污染逐渐转化为内源污染的过程，长期以来，原本健康的生态环境逐渐遭受破坏，并且逐渐退化。要恢复破坏了的生态系统，在施加人为的控制措施条件下，还需要一个相对较长的时间过程，而且水体水质受到河流地形条件、水动力学条件以及水体内源、外源污染负荷的共同影响，因此仅强调水质恢复的治理措施只能起到治标不治本的结果。
（2）生态修复整治过程限制了水体的局部使用功能。人们往往习惯于择水而居，水体在满足饮水要求的同时，也在运输、防洪等功能方面发挥着重要的作用。在对河流实施生态修复或水质改善的工程措施时，向水体中填设人工载体或生物浮床等，严重影响水体的行洪条件，导致岸坡侵蚀，妨碍船只通行。
（3）应用范围相对较小，可能对生态系统造成负面影响。大多数生态工程技术如人工湿地、生态浮床、滞留塘等技术，往往只对局部水体实施修复整治，而无法实现对整个水域产生影响，尤其对平原水网地区来说，水体交互强烈，局部水体的生态修复工程一般不会产生太大的效果。另外，局部水体生态条件的改变，会牵制整个水体，甚至流域的生态变动，带来一定的负面影响。
（4）过度强调植物作用。绿色植物是生态系统中最重要的生产者，然而，生态系统是一个高度的复合体，过度强调绿色植物的生态修复作用，短期内可有效改善水体水质，长期以来可能会导致水生生态系统失衡，妨碍水体的航运、行洪功能，同时产生大量的植物残体，导致二次污染。
由于污染水体水文条件的不确定性、环境条件的复杂性，对水体实施生态修复工程技术时，可能对其结构和使用功能估计不足，从而导致水质改善效果和生态系统恢复不理想。因此，有必要探索对水体扰动小、效率高、适用范围广的新型生态修复技术，同时结合我国水体污染的自身特点，并在应用过程中尽可能保持水体的原始面貌和使用功能，确保生态工程技术的可行性、通用性，改变传统仅注重水质改善效果的基本思想，强化水体自身特点，采取新型环保材料和工程技术加强水体自身生态条件的改变。
针对当前河湖等地表水体硬质化护砌的弊端和现有生态修复工程技术的某些不足，改变现有的硬质化河渠为类似天然的生态型河渠成为河流治理的新的工程理念。然而，我国的大多河渠均流经或靠近城市，两岸的土地面积被高度利用，要将现有的硬质化河渠恢复为自然弯曲，有浅滩、深潭、岛屿的天然河渠缺乏可行性，实施难度很大［10］。因此需要以生态水工学原理为指导，在河渠现状的基础上构建仿天然状态的透水性岸坡将是改善微污染水体生态系统的重要措施。水体岸坡是生态系统的重要组成部分，其护砌方式必然会对生态系统产生重要影响，因此，水体岸坡的生态化建设及其功能探讨逐渐成为人们关注的热点问题。在可控条件下研究水体生态堤岸对整个水生生态系统的影响效果对于构建生态水体和开发生态堤岸构建技术非常重要，进而可推动生态水利工程学的快速发展。
目前，针对生态河渠及其生态护岸的报道大多集中于内涵、结构和功能的描述、讨论上，对于堤岸生态护砌的水生态效应尚缺乏定量性、系统性的研究报道，因此，在水利工程生态化思想的大背景下，提出以环保型的新型材料——多孔混凝土为河道岸坡生态护砌及生态修复材料，综合生态学、环境学、水利工程学等学科的理论研究成果，主要研究多孔混凝土护坡构建技术、水质改善效果、水质净化机制、多孔混凝土护砌面微生物富集效应理化特征分析以及生态护砌河道的生态效应评价。在国家十二五科技支撑计划课题“水网密集地区村镇宜居社区与工业化小康住宅建设关键技术研究与集成示范”（2013BAJ10B13）、国家水体污染控制与治理重大科技专项“竺山湾农村分散式生活污水处理技术集成研究与工程示范”（2011ZX07101-005）和江苏省自然科学基金课题“水体岸坡特定生境中氮磷营养盐的水土界面微生态过程及其生态修复潜力研究”（BK20161146）等项目的资助下，通过构建多孔混凝土河渠岸坡护砌实验模型，以微污染水体的水质改善和岸线生态修复为研究对象，通过系统、连续、动态、定量化的观测和测量，研究多孔混凝土护砌河道的生态系统建立及自我调节的机制，并建立综合水质数学模型，运用数学模拟方法，探讨生态堤岸的水质改善机制，评价生态护砌的生态效应。