- 水系生態建設關鍵技術研究與應用
- 齊春三 鄭良勇編著
- 5字
- 2021-04-09 22:19:11
第1章 緒論
1.1 國內外研究現狀
生態建設是指對受干擾和破壞的生態系統根據生態學原理進行生態修復和重建。水系生態建設是指專門針對江、河、湖、海、水庫、渠道、池塘等區域受損水系生態系統采取工程措施和生物措施進行生態修復和重建的過程。水系生態建設是一門綜合技術，融合了生態學、水力學等相關學科的理論和技術，包括水生生態學、生態水文學、水文生態學、生態水力學、生態工程學與生態水利工程學等。
生態修復是生態建設的關鍵環節之一。所謂生態修復是指對生態系統停止人為干擾，以減輕負荷壓力，依靠生態系統的自我調節能力與自組織能力使其向有序的方向進行演化，或者利用生態系統的這種自我恢復能力，輔以人工措施，使遭到破壞的生態系統逐步恢復或使生態系統向良性循環方向發展；主要指致力于那些在自然突變和人類活動活動影響下受到破壞的自然生態系統的恢復與重建工作，恢復生態系統原本的面貌等。
水系生態修復是利用生態系統原理，修復受損傷的水體生態系統的生物群體及結構，重建健康的水生生態系統，并能使生態系統實現整體協調，自我維持、自我演替的良性循環。
目前，國內外有關學者對水系生態建設進行了大量的研究，在水系生態修復理論、水系生態健康評價、水土流失治理、水資源優化配置、生態濕地建設、海水入侵防治等研究領域取得了一些成果。
1.1.1 國內外研究進展
1.1.1.1 國外研究進展
1.水系生態修復理論
河流生態修復是利用生態系統整體性原理，采取各種方法修復受損傷的水體生態系統的生物群體及結構，重建健康的水生生態系統，修復和強化水體生態系統的主要功能，并能使生態系統實現整體協調、自我維持、有序演替的良性循環。
20世紀50年代，德國首先提出了“近自然河道治理工程”的概念，注重河道的綜合治理，強調植物、動物和環境的相互制約和協調作用。之后，世界各國對以追求人與自然和諧相處為目標的生態水利理論與技術展開了積極地探索。發展至今，概括起來主要有以下幾點。
（1）德國的近自然河道治理工程。以此為基礎開展實施了萊茵河行動計劃。
（2）英國的河道修復工程。英國河道修復中心于20世紀90年代中期成立，旨在為河道的生態修復提供咨詢和服務。其制定的“生物多樣性計劃”體現了可持續的洪泛區保護與生物多樣性保護的統一。
（3）美國的自然河道設計技術。利用此技術設計實施的基西米河的生態恢復工程。
（4）日本的近自然工事。近年來，日本逐步改造已建河道的混凝土護岸，在理論、施工及高新技術的各個領域豐富發展了“多自然型河川工法”。
（5）隨著技術方法的全面成熟，流域尺度下的河流生態修復工程逐漸增多。美國已經開始對密西西比河、伊利諾伊河和凱斯密河流域進行了整體生態修復，并規劃了未來20年的河流修復計劃。
國外河流生態修復多是河道形態的修復，項目多集中于生態修復材料的開發及生境斑塊的設計和構建上。而關于生態修復中的生態學過程和機理的研究較少，缺乏證明受污河流生態系統在修復過程中是如何進行自我調節的理論和實驗體系。［1］
2.水系生態健康評價
生態系統健康是一個比較新的研究領域，目前學者們的理解不統一，河流生態健康的涵義也尚不明確。Karr將河流生態完整性當作健康，Norris等認為應考慮人類福利要求。這些關于河流健康涵義的理解都只是側重單一方面，由于河流生態健康和人類的發展有著密切的關系，在對河流健康定義時，必須考慮人類和社會的價值。Meyer的闡述相對全面，認為河流生態系統應既有生態系統功能與結構，還應包含人類與社會的價值。目前，這種定義為大多數學者認同。［2］
3.近自然河道營造技術
近自然河道治理的概念是Seifert于1938年提出的，到20世紀50年代，德國創立了近自然河道治理工程理論，認為河道的整治要植物化和生命化，從而使植物栽植首先作為一種措施應用到河道治理當中。隨著景觀生態學的發展，多數學者認為近自然治理的實質就是景觀生態學與荒溪治理學的結合，其關鍵在于盡量保持河流的自然狀況或原始狀態，強調生態多樣性和生境多樣性的重要性［3-4］。
近自然河道應擴大作為生物生存區域的水面和綠化帶。即使河流具備生態多樣性的環境條件，如果這樣的區段很短，并且是孤立存在的話，其中的生態系統會很貧乏，同樣威脅到種群的生存和繁衍。因此，必須將這樣的區段盡量延長，跨越上下游之間，甚至擴展到支流，還要辟出綠道，在森林和原野上布下一張由流水和綠帶編織成的網絡。只有這樣，其中的生物才有可能自由遷徙，種群不斷增加，形成相對穩定的生態系統。［5］
4.水資源優化配置
20世紀40年代Masse提出了水庫優化調度問題：Watkins等［6］介紹了一種伴隨風險和不確定性的可持續水資源規劃模型框架，建立了有代表性的水資源聯合調度模型；Jha M K等［7］考慮了水的多功能性和多種利益的關系，強調決策者和決策分析者問的合作，建立了Guilderland Dolente的水資源量分配問題的多層次模型，體現了水資源配置問題的多目標和層次結構的特點；Zsgona A等［8］基于大系統理論，建立了多水庫聯合調度模型。
隨著水資源研究新技術的不斷出現，水資源量與質統一管理理論研究不斷深入，其管理方法的研究也有了較大發展。尤其是決策支持技術、模擬優化的模型技術和資源價值的定量方法等的應用使得水資源量與質管理方法的研究有了更好的前景［9］。Afzal，Javaid等（1992）針對巴基斯坦某地區的灌溉系統建立了線性規劃模型，對不同水質的水量使用問題進行優化。在劣質地下水和有限的運河水可供使用的條件下，模型能得出一定時期內最優的作物耕種面積和地下水開采量等成果，在一定程度上體現了水質水量優化配置的思想［10-11］。Watkins，David W Jr（1995）介紹了一種伴隨風險和不確定性的可持續水資源規劃模型框架，建立了有代表性的水資源聯合調度模型。此模型是一個二階段擴展模型，第一階段可得到投資決策變量，第二階段可得到運行決策變量，運用大系統的分解聚合算法求解最終的非線性混合整數規劃模型；R A Fleming和R M Adams（1995）建立的地下水水質水量管理模型，建模以經濟效益最大為目標，考慮了水質運移的滯后作用，并采用水力梯度作為約束條件來控制污染擴散；UPmanuLaU等（1995）建立的地表水與地下水聯合運用的多目標管理模型，模型中將兩類水的處理費用納入管理目標；Wong，Hugh S等（1997）提出支持地表水、地下水聯合運用的多目標多階段優化管理的原理和方法，在需水預測中考慮了當地地表水、地下水、外調水等多種水源的聯合運用，并考慮了針對地下水惡化的防治措施，體現了水資源利用和保護之間關系［12-14］。
5.雨洪水利用研究
美國的雨洪利用以增加地面入滲為宗旨，建有大量的人工滲濾田，來下滲雨洪水。另外在建設雨洪利用工程的同時，還制定了促進雨洪利用的管理條例和法規以保證雨洪利用的實施。地下水庫在美國的發展也較快，并通過對地下含水層進行人工補給來恢復濕地，發揮雨洪的生態效益。美國大型的調水工程有十多處，從工程規模、調水量、調水距離和工程效益來衡量，最有代表性的是加利福尼亞州（以下簡稱加州）的“北水南調”工程，加州全州年徑流量870億m3，其中75%在北部，而需水量的80%在南部，為解決南部的缺水問題，加州建設了總長960km、年調水量50億m3的調水工程，保證了以洛杉磯市為中心的1700多萬人的用水。
日本在20世紀60年代興建了路面雨水收集系統和大量蓄洪池來收集雨洪水，在城市中還專門建設了下洼式綠地來下滲城市洪水，從建成當年起，日本就要求新建公共建筑必須設置雨洪就地下滲設施。1992年頒布的“第二代城市地下水總體規劃”，將雨水收集塘和透水地面建設納入了城市規劃的范圍。
德國的雨水利用技術也十分先進，其生產的雨水收集、過濾、儲存、滲透產品已達到標準化、產業化程度；其雨水利用的實施也有專門法律的保證，要求國內無論是工商業還是居民建筑均要有雨水就地處置設施，若無相關設施，政府會對建筑物征收額外的雨水排放稅等。
6.海水入侵防治研究
海水入侵已經給沿海城市的經濟建設與社會發展帶來了嚴重危害。準確劃分海水入侵的范圍，預報海水入侵動態發展，是當今非常重要的研究課題。海水入侵模型研究中，過渡帶模型能較準確地刻畫海水入侵態勢。
海岸帶海水入侵過渡帶數值模型研究最早由Pinder等（1970）給出，他們提出了Herry模型的有限元數值解。Herry模型是Herry于1964年首次發表的承壓穩定流動條件下剖面濃度分布的解析解，并首次指出海水的環流現象。此后Segol，Pinder和Gray用有限元法求解了非穩定流狀態下鹽分濃度在剖面上的二維分布。Heinrich等提出了用逆風式有限元法求解對流占優勢的海水入侵問題的建議。1987年Huyakorn等探討了海咸水入侵三維模型的有限元法。這些研究均屬理論上的方法性探討，算例是理想化的，如矩形研究域、潛水作承壓水處理等，而用于野外實例的計算則極為罕見，僅有的也是把實際條件大大簡化了，如Andersen和Huyakom（1982）等在美國佛羅里達州北皮尼拉斯郡研究把基底起伏含水層中的x-z二維模簡化為矩形，三維模型簡化為正六面體。Gupta和Yapa研究泰國曼谷附近海水入侵用的僅是對流一彌散模型，忽略了濃度對流速的影響。［16］
Frind［17-18］就剖面二維承壓水層中的海水入侵問題給出了一種比較有效的有限元格式，將計算結果與Pinder等和Segol等的結果進行了比較和分析，并導出了頂板向海底延伸的越流含水層中海水入侵的剖面二維有限元解，用直接積分和迭代方法構造出能夠求解大時間步長的有效數值格式。Reilly等［19］用有限元模擬了二層結構濱海含水層中的剖面二維海水入侵問題，著重討論了彌散系統張量的不同表達形式與流向的相關性對計算結果的影響。Kakinuma等［20］假定彌散系數為常量，用三維有限元方法分別模擬了Naka和Kiki兩個承壓含水層中地下不穩定流動條件下的海水入侵問題。Galeati等提出了關于潛水含水層中的一種隱式的歐拉—拉格朗日有限元格式，并討論了含水層的各向異性和地下建筑物對海水入侵的影響。
1.1.1.2 國內研究現狀
1.水系生態健康評價研究
水域生態系統包括水域生物群落及其水環境，水環境是河流生物生存和發展的物質基礎，而水生生物也會反作用于水環境，凈化并維持水域水環境的良好狀態，兩者相互促進，相互依賴，共同維護水系健康。水域必須能為人類社會提供服務，這也是人類依水居住的原因，在不危及水系生存的情況下，水域應具有供水、航運、景觀等社會功能；水域社會功能的實現，首先主要求得自身的生存，只有水域處于良好的狀態，才能提供各種應有的功能。水域健康的目標就是要使得兩者達到和諧一致，既開發利用了水系，又不威脅到其自然狀態，最終實現綜合價值的最大化。
水域健康評價的方法從原理上可分為兩類：一類是預測模型法，有RIVPACS和AUSRIVAS等。該法是假定河流處于原始狀態，預測其應具有的生物量并和實測值進行對比，根據對比結果評判河流的健康狀況。但隨著社會的發展和人類的進步，水域的原始狀態不可能達到，也沒有必要達到，且其關注的主要是水生生物，沒有涉及到河道、人類福利等方面的內容，因而這種方法的使用受到其自身缺陷的限制。另一類是多指標評價法，有IBI法、RCE法、ISC法等。該類型方法選用了表征水域健康生命的指標，根據具體水域的特殊狀況計算出各指標的現狀值，然后采用合適的評價模型對水域進行綜合評價。評價結果受指標標準和權重的影響較大，且忽視了單個指標在評價結果中所起的作用，但這一方法能較全面客觀地反映水域的真實狀態，是一種使用較為普遍的方法，也是水域健康評價方法發展的一種趨勢。
2.生態水利工程技術研究
生態水工學的產生是對傳統水利工程的反思，是滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態系統健康與可持續需求的原理和技術方法的工程學。
水域生態修復是指通過適度人工干預，促進水域生態系統恢復到較為自然狀態的過程，在這種狀態下生態系統具有可持續性，并可提高生態系統價值和生物多樣性。20世紀80年代阿爾卑斯山區相關國家——德國、瑞士、奧地利等國，在山區溪流生態治理方面積累了豐富的經驗。隨后，萊茵河“鮭魚——2000”計劃實施成功，提供了以單一物種目標的大型河流生態修復的經驗。90年代歐洲的多瑙河、美國的基西米河及密蘇里河的生態修復規劃實施，標志著大型河流的全流域綜合生態修復工程進入實踐階段。1988年成立了國際生態修復協會（Society for Ecological Restoration Internationa1），1999年成立了歐洲河流修復中心（European Center for River Restoration，ECRR），迄今已經召開了4屆國際研討會。2006年，亞洲河流修復網絡成立，我國也成立了相應的河流生態修復技術協作網。我國水利部于2004年啟動了水生態系統保護與修復工作，目前全國已經開展了10個試點項目，同時開展了一批河流生態修復科研和推廣項目，取得了較大的進展。
對水域生態系統結構、功能和過程的理解，是水域生態修復的基礎。因此，有關水域生態系統的河流泥沙過程、地貌過程、水文過程、生物過程以及生態系統相互關聯的整體性研究，成為水域修復的應用基礎性研究的重要方向。水利水電工程包括水壩、防洪工程、跨流域調水工程的生態影響機理分析是重要的研究領域。對于目標水域關鍵生態脅迫因子的識別方法研究也取得了較大進展。考慮到水域生態修復大量存在的不確定性因素，水域修復的適應性管理方法，已成為研究者關注的熱點。在水生態監測與評估方法方面，包括水生態系統的綜合評估方法、河流棲息地評估方法、河流健康評估方法等研究領域都十分活躍。歐盟頒布的《水框架指令》代表了水資源與水環境評估體系的國際水平。我國在河流健康評估方法研究方面盡管成果不少，但在概念上還存在著若干爭議。
在水利水電工程生態影響的評價方法方面，發達國家大多是以物種或生境為對象，通過生境評價方法進行評估。我國目前已有的相關技術規范與導則主要是針對單一工程，在單一工程評價中又局限在諸如瀕危、珍稀、特有物種保護和水溫等局部因素問題，忽視了水文情勢變化、河流地貌變化對棲息地的影響等眾多因素，更缺乏對于河流生態系統完整性影響的總體評價。由于在評價的時間尺度、空間尺度和評價內容等方面均存在較大缺陷，現行的相關技術規范與導則還難以滿足工程規劃生態影響評價的要求。［21-22］
兼顧生態的水庫調度方法，是近年來國內外一個活躍的應用研究課題。這種水庫調度方法是指在實現防洪與興利多種社會經濟目標的前提下，兼顧河流生態系統需求的水庫調度方法。這個問題的基本前提：認識到人工徑流調節對水域生態系統的不利影響，采取改善水庫調度的方法，部分恢復自然水文情勢以改善水庫上下游的生態系統結構與功能。兼顧生態的水庫多目標調度方法是一個非線性、多目標、多約束的優化決策問題。其中生態目標是多樣的，包括保護水生生物、控制有害物種、河口生態維持改善水質、泥沙輸移等。胡和平等提出了基于生態流量過程線的水庫生態調度方式。將此生態流量過程線作為水庫調度流量變化的約束條件之一，建立水庫生態調度模型，求出相對最優解。在技術開發方面，河流棲息地保護與加強技術、岸坡防護生態工程技術、受損水體的生物修復技術以及水庫生態修復技術等，國內外都有長足的進展和應用。
3.水土流失防治技術研究
水土流失不僅使水土資源遭到嚴重破壞，作為載體，是造成農藥、化肥、畜禽養殖、農村垃圾等面源污染的重要原因。目前全國1/3以上的國土面積存在水土流失問題，江河湖泊普遍存在面源污染問題，不少地區的生態環境已超出其承載能力。據中國水土流失與生態安全科學考察估算，每年水土流失給我國帶來的經濟損失相當于GDP的2.25%左右，帶來的生態環境損失難以估算。
水土保持生態修復是一項復雜的系統工程，已有的經驗表明，應統籌做大以下六個方面：一是退耕還林還草、以糧代賑，這是生態修復的突破口；二是封山禁牧、舍飼養畜，這是生態修復的關鍵措施；三是綜合治理、以小促大，這是生態修復的根本方法；四是調整農村產業結構、持續發展；五是生態移民、保護環境；六是發展替代能源，保護植被。
4.雨洪水資源利用研究
雨洪泛指一個區域內的天然降水及其在本地形成的洪水和流經本區域的過境洪水。雨洪資源利用是將雨洪作為一種資源，運用工程和非工程的措施將常規情況下會被污染、泛濫成災、排泄入海的雨洪水在保證區域防洪安全、經濟可行、生態友好的前提下，部分地轉化成存蓄于內陸地表或地下開采利用的水資源的過程。雨洪資源利用亦稱雨洪資源化，其利用對象包括雨水和洪水兩個方面。在表述上有雨水利用、洪水資源利用等，都屬于雨洪資源利用的范疇。一般來講山區集雨工程和城市集雨設施等對雨水的收集利用稱為雨水資源利用；水庫、河系、蓄滯洪區對洪水的攔蓄、調度、分流下滲等稱為洪水資源利用。目前國內雨洪資源利用多集中于大城市，以城市雨洪利用為特點，如北京、上海、深圳等城市，已經開始了雨洪資源利用的實踐。北京市水務局與德國埃森大學合作的“北京城區雨洪控制與利用研究”項目于2000年啟動，該項目旨在吸收德國在雨洪利用技術方面的先進經驗。北京市住宅、公共建筑區已建成了多處雨洪利用工程，從2003年以后要求新建建筑物雨洪利用工程應與主體工程同時設計、同時施工、同時使用，這其中就包括國家體育場“鳥巢”［15］。
深圳市分區域進行雨洪利用，在建設區收集的雨洪水直接作為景觀、綠化、掃灑用水；在生態保護區進行雨洪的間接利用，以調蓄和下滲雨洪資源為目標；利用河流進行雨洪的綜合利用，兼有收集、調蓄、下滲雨洪的效果。除此之外，深圳市還實施了雨污分流工程，利用雨洪資源改善了沿河生態環境。
5.水系連通和調度利用技術研究
現代水網是現代水利的核心基礎和根本標志。所謂現代水網，是指在現有水利工程架構的基礎上，以現代治水理念為指導，以現代先進技術為支撐，通過建設一批控制性樞紐工程和河湖庫渠聯通工程，將水資源調配網、防洪調度網和水系生態保護網“三網”有機融合，使之形成集防洪、供水、生態等多功能與一體的復合型水利工程網絡體系。
水系連通重點在維持水流連續性，水流連續可以理解為水體的徑流量在滿足一定需求的情況下，還有一定的水量，并且保持一定的流動性。水流連續性是水系連通的內在需求，在地表水循環過程中扮演著重要的角色，是水循環的重要組成部分。水流的連續性還表明河流健康生命的存在性，一條健康的河流必須保持能滿足一定需求的水流，沒有水流，就不稱其為河流，河流生命就消亡；水流不能滿足一定的需求，該河流就不能稱為健康的河流，連續而適量的河川徑流是河流生命存在的重要標志。水系的連通狀況是河流與之相連接的濕地之間的水流聯系的外部條件，表明水流連通通道的通暢性。通道通暢性包括兩種情況：一是通道的過流能力，主要體現在對洪水的排泄能力方面；二是通道是否受人工建筑物阻隔，主要體現在水流通道、生物通道、航運通道是否受阻等方面［23］。
6.生態濕地建設技術研究
濱海濕地是近海地區生物多樣性賴以存在的基礎，也是當地社會可持續發展與否的關鍵所在。針對濱海濕地存在的問題，應明確區分生態系統所受的脅迫狀況，辨識出最危險的組分和最應該重視的問題。應強化灘涂濕地保護管理，改造濱海濕地生態環境，建立濱海濕地生態補償機制，同時要實施動態保護，建立濕地生態系統網絡監測體系。健康的生態系統應表現出多功能性，健康的灘涂濕地不但具有提供特殊功能的能力，而且具有維持自身有機組織的能力，即從各種不良的環境擾動中自行恢復的能力。濕地的監測是了解生態系統變化的重要手段和窗口，通過連續不斷地監測，可以認識濕地生態系統現狀及變化規律，為調整濕地開發利用模式提供科學依據。濱海濕地資源的生態環境監測可采用先進的“3s”技術手段，建立濕地數據庫，利用GIS強大的空間分析功能，對濱海濕地進行空間分析，建立預測模型和指標模型，通過預定模型進行信息的運算，逐步修正和完善，以正確指導沿海濕地資源的開發利用，促進社會經濟與環境協調發展［24］。
1.1.1.3 水系生態建設關鍵問題研究
1.生態需水量
早期生態環境需水研究主要集中在河流生態環境需水方面，主要是針對河道枯水流量和魚類水生動物等所需水量的研究［25-26］。20世紀70年代以來，澳大利亞和南非等國家都開展了許多關于魚類生長繁殖、產量與河流流量關系的研究，提出了許多計算和評價方法。隨著人們對景觀旅游業和生物多樣性保護的重視，又提出了景觀河流流量和濕地環境用水以及海灣—三角洲出流的概念，但在當時河流管理缺乏科學的理論技術支撐［27］。
隨著河流污染問題的出現，以及人類活動對河流生態系統結構和功能破壞的加劇，開始了對生態可接受流量范圍的研究，并沒有體現生態系統的完整性。直至20世紀90年代，隨著國際水文計劃等大項目的實施，研究對象才由過去僅關心物種（如魚類和無脊椎動物等）及河道物理形態的研究，擴展到維持河道流量的研究，包括最小流量和最適宜流量，而且還考慮了河流生態系統的整體性，其研究方向也不再局限于河流生態系統，已擴展到了河流外生態系統［28-31］。
我國對生態環境需水的研究始于20世紀80年代后期，湯奇成［32］于1989年在分析塔里木盆地水資源與綠洲建設問題時首次提出了生態用水概念，即為保證塔里木盆地各綠洲的存在與發展，必須保護各綠洲的生態環境，而生態環境的保護也離不開水，這部分水可通稱為生態用水。1995年，湯奇成［33］再次就生態用水問題進行了相關研究，指出針對干旱區人口增加、灌溉面積擴大、生態環境突出等問題，應該在水資源總量中專門劃出一部分作為生態用水，其目的使綠洲內部及周圍的生態環境不再惡化。1993年，由水利部組織編制的《江河流域規劃環境影響評價》（SL 45—92）行業標準中，將生態環境用水正式作為環境脆弱地區水資源規劃中必須予以考慮的用水類型，但該階段生態環境需水的概念、理論和計算方法等都處于萌芽狀態。中國工程院“21世紀中國可持續發展水資源戰略研究”項目組發表的《中國可持續發展水資源戰略研究報告》中提出［34］，我國水資源的總戰略必須以水資源的可持續利用支持經濟的可持續發展，建議從防洪減災、農業用水、城市和工業用水、生態環境建設用水等8個方面實行戰略性改變，并界定了生態環境用水的概念、范疇及分類，該成果對我國水資源規劃及其合理配置具有十分重要的指導意義，標志著生態環境需水的研究在我國已全面展開。許多學者［35-39］從不同方面對生態環境需水如河流、濕地、湖庫、地下水、河口等進行了廣泛研究。
2.濕地修復技術
濕地是由喜水生物和過濕環境構成的特殊自然綜合體，它位于大氣圈、巖石圈及生物圈的交匯處，是各種能量和物質交換和作用的場所。它是地球上重要的生存環境和生態系統，具有穩定環境、物種基因保護及資源利用的功能，被譽為“自然之腎”“生物基因庫”和“人類搖籃”。因而在世界自然保護大綱中，濕地與森林、海洋一起并列為全球三大生態系統。
自從有污水收集系統以來，天然濕地就成為最方便的污水排放場所。運用人工濕地處理污水可追溯到1903年，英國約克郡濕地被認作世界上第一處用于處理污水的人工濕地，一直連續運行到1992年［40］。1953年，德國的Seidel和Kichuth在其研究工作中發現蘆葦能去除大量有機物和無機物，進一步試驗發現，一些污水中細菌（大腸菌、腸球菌、沙門菌）在通過種植的蘆葦時消失。試驗表明，蘆葦及其他高大植物能從水中去除重金屬和碳水化合物。20世紀60—70年代，這些實驗室觀察開始推廣至許多大規模試驗用以處理工業廢水、江河水、地面徑流和生活污水。而人工濕地污水處理系統在世界各地逐漸受到重視并被運用，還是在Kichuth提出根區法（Root Zone Method）理論之后開始的［41］。根區法理論強調高等植物在濕地污水處理系統中的作用，首先是它們能夠為其根周圍的異養微生物供應氧氣，從而在還原性基質中創造了一種富氧的微環境。
荷蘭于1967年開發了一種現稱為Lelystad工藝的大規模濕地污水處理系統，隨后這種濕地在荷蘭大量建成［42］。
在北美20世紀70年代，利用天然濕地的同化能力，對不同設計的人工濕地進行試驗。最初人工濕地主要用于生活污水和礦山酸性廢水的處理，現在也用于城市污水和各種工業廢水的二線處理等［43］。
歷經半個世紀的發展，濕地科學已由萌芽走上學科框架構筑階段，并成為當前的熱門研究領域。美國和加拿大在20世紀80年代完成本國濕地調查、編目的基礎上，研究重點轉向濕地分類、濕地生態系統及形成過程的研究，尤其重視濕地環境保護的人工控制。目前，在美國有600多處人工濕地工程用于處理市政、工業和農業廢水。在歐洲應用較多的則是地下潛流系統，特別是在一些東歐國家應用較廣泛［26］。在系統中種植有蘆葦、菖蒲、香蒲等濕地植物，為了保證潛流，絕大多數系統還采用礫石作為填料。此類系統趨向于對近1000人口當量的鄉村級社區進行二級處理，北美則趨向對人口較多的地區進行高級處理，在澳大利和南非則用于處理各類廢水［44］。俄國、芬蘭等在濕地演化與泥炭利用方面一直走在世界前列，當前也大力開展生態保護和環境變化的研究。“國際濕地公約”及“人與生物圈計劃”等都推動濕地保護不斷強化。
我國濕地研究起步于20世紀50年代，于1958年中國科學院等科研院所設立專門的沼澤研究機構，開始進行濕地初步性研究；在70年代，東北師范大學建立了全國第一個專門性泥炭研究機構；在80年代以前，中國的濕地停留在宏觀植被生態學的水平，不同類型的濕地生態系統研究比較薄弱；80年代以后，則進入濕地生態系統研究［45］，解剖其生命系統與非生命系統的內部結構；1986年建成專門從事沼澤野外生態研究的三江平原沼澤生態實驗站基地，以及東湖生態站、太湖生態試驗站、海北生態站等野外臺站；至90年代才完成全國濕地初步調查。中國于1992年加入《國際濕地公約》，林業部組建了濕地環境監測中心，濕地保護初步受到重視。濕地保護與可持續發展等領域正在加強研究，研究方法手段也從定性走向定性與定量相結合，地面調查與遙感技術相結合，生物過程與物理、化學過程相結合。在橫斷山區沼澤與泥炭研究中，國內首次構筑了陸生濕地生態系統模型。三江平原、海岸河口和青藏高原開展了典型濕地物質循環和地球化學結構的研究等［46］，紅樹林濕地生態系統研究達到國際領先水平［29］。
經過多年的探索，近年來人工濕地作為改善水環境的一種有效方法，已經廣泛應用于水庫、湖泊周邊面源污染的攔截和地面微污染水體的凈化等［47］。同時，我國還加強了自然濕地的建設及管理，建立了大量的自然濕地保護區，列入國際重要濕地名錄的濕地已達30處，如丹江濕地、丹東鴨綠江口濱海濕地、洪湖濕地、九段沙濕地、黃河濕地等國家級自然保護區。
3.生物—生態修復技術
生物—生態修復技術是利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉移、轉化及降解，從而使水體得到凈化的技術。近年來這種技術發展很快。水體的生物—生態修復技術具有以下優點：首先是處理效果好；其次，水體生物—生態修復技術的工程造價相對較低，不需要耗能或低耗能，運行成本低廉［48］。
廣義的生物—生態修復技術主要包括水生植物修復、微生物修復、人工曝氣復氧、底泥污染控制、生態護岸等，是生態修復和構建自然環境和人居環境和諧統一的主要技術。
1972年，美國賓夕法尼亞州Ambler管線汽油泄漏清除工程是有記錄的首次采用生物方法進行污染環境修復的工程。最初，生物修復的應用范圍僅限于試驗階段，直到1989年美國阿拉斯加海域受到大面積石油污染以后，才首次大規模應用生物修復技術。在1989年3月，超級油輪原油泄露，在5小時內被泄漏到美國最原始、最敏感的阿拉斯加海岸，原油的影響遍及1450km的海岸。此次修復主要采用生物修復技術來消除泄漏原油的污染，阿拉斯加海灘污染后生物修復的成功可以認為是生物修復發展的里程碑［49］。1991年3月，在美國的圣地亞哥舉行了第一屆原位生物修復國際研討會，使生物修復技術的推廣和應用走上了更加迅猛發展的道路［50］。1998年夏天，德國利用純氧曝氣船對Saar河進行曝氣，白天或黑夜運行，共運行24天，每天運行2～10小時，總耗氧量10萬m3，有效防止了Saar河水質的變壞。
我國對污染河流的生物—生態修復技術研究和應用起步較晚。于20世紀70年代開始進行了一系列生物修復技術的科研探索，主要適用于污水處理，缺乏生態概念。科技部和云南省于2000年啟動了“滇池水污染治理技術研究”項目。2000年，寧波大學利用生物操縱技術成功控制了寧波月湖的藍藻水華，該項成果在2001年國際藍藻控制學術會議上得到了國內外同行專家的一致肯定。2002年國家“973”計劃正式啟動了“湖泊富營養化過程與藍藻水華暴發機理研究”。中國科學院南京地理與湖泊研究所、同濟大學等科研院所也分別在太湖、上海蘇州河等污染水體進行了卓有成效的生物—生態修復試驗。
目前開發的水體生物—生態修復技術，實質上是按照仿生學的理論對自然界恢復能力與自凈能力的強化。按照自然界自身規律去恢復自然界的本來面貌；強化自然界自身的自凈能力去治理被污染水體，這是人與自然和諧相處的合乎邏輯的治污思路，也是一條創新的技術路線［51］。由于河流生物—生態修復技術有其巨大的優點，近年來更是備受關注。
1.1.2 目前研究存在的主要問題
綜合國內外研究現狀可知，盡管國外在水系生態修復和生態建設方面積累了較豐富的經驗，但多是針對某個具體技術進行的相關試驗和研究，缺乏水系生態系統整體功能修復理論和技術的研究，尚未形成完整的工程建設理論和技術方法體系，并且國外的研究多是針對本國具體情況進行的，對我國的水系生態建設工作指導作用有限，無法直接應用于我國的水系生態建設工作中。
我國水系生態修復和生態建設方面的研究起步較晚，但近年來受到越來越多學者的重視。河流整治工作基本處于水質改善和景觀建設階段，缺乏傳統水利、生態系統棲息地和景觀的有機結合。多數地方的河道整治，尤其對中小型河流，其理念仍停留在渠道化、硬質化、順直化等做法。近年來，一些經濟發達的城市結合河道整治開展城市園林景觀建設，注重河流的美化綠化。目前，研究主要存在以下主要問題。
（1）注重局部治理，缺乏從水系尺度進行全面規劃治理。水系生態的恢復、治理，要從整個水系的尺度進行科學規劃，確定整體治理方案，而現在往往只注重局部，造成治理效果不佳，不能從根本上實現整個水系生態的好轉。
（2）注重園林景觀效果較多，重點放在河流岸邊的綠化，而對河流生態整體恢復涉及較少，沒有考慮整個水系生態狀況。
（3）發掘歷史人文景觀較多，建設了大量的仿古建筑物，而對于發掘河流自然美學價值和河道的自然功能較少涉及。
（4）河流修復地域性差別較大。生態修復實驗由于資金、土地及其他一些原因只限于為數不多的大城市。國內城市河道和農村河道差異性較大，在河道斷面形式、水動力學特性、生物多樣性、防洪標準、景觀要求、功能的側重、污染源、污染物分布狀況、污染物處理方式等方面存在較大的差別。
對山東省而言，近年來高度重視水系生態建設工作，各地市也因地制宜開展了一些生態景觀河道治理工作。但總體看來，尚缺乏適用于山東省省情的完整水系生態建設支撐理論和關鍵技術體系，各條河道治理也多是從防洪除澇或者純粹景觀造景出發，生態性和整體性尚顯不足。