流域和湿地生态修复的关键技术

第二，涵洞和消力池。卧管中水流经消力井消能后，通过坝下涵洞流向下游。在淤地坝中，由于输水流量不大，坝下涵洞一般采用无压式方涵，用石料砌墙护底，混凝土抹面，钢筋混凝土盖板。盖板厚度视净跨、填土高、钢筋用量而定，一般板厚在15~35厘米之间。

无压方涵流量计算采用明渠均匀流公式。

涵洞出口一般设一水平段，然后再接斜坡，斜坡不陡于1∶4。在斜坡下设置消力池，以消除水能，避免淘刷，使水平稳地流向下游。

3.治滩工程技术

治滩工程技术主要是通过人工垫土、水力冲土等办法来治理河滩地、淤地造田。

（1）治滩造田工程

治滩造田是治河工程的一部分。它通过工程措施，从上而下沿河进行裁弯取直，整治河道，束窄河床，修建顺坝、丁坝、格坝，引洪放淤成田。这样做的好处是：固定河床，束水归槽，削减洪峰，减少泥沙，扩大耕地，增加产量。

束窄河道改河治滩成败的关键，在于确定新河道的过洪断面和保证施工质量。治滩造田的设计和施工技术要点是：

1）选定新河道的经济断面，确定新河道的治导线，即整治线。保护河道两岸农田，防止岸坡坍塌。

2）治导线要尽量做到缓和河道弯度，力求顺直，但不宜过于增大河道比降，以防冲刷。

3）平顺河道要充分利用有利地形，靠一边开挖可节省工程量，在不得已的情况下可以中间开挖。

为了新河道的稳定性，必须进行新河道的水文水力计算，设计出新的河床断面，设计标准按有关规范确定。

计算新河道过洪断面尺寸，即确定治导线的宽度和河槽水深时，可按下式计算：

式中：Ｑ为新河道过洪断面（米）；Ｂ为宽度（米）；ｎ为河槽糙率；Ｈ为平均水深（米）；ｉ为河床比降。

（2）引洪漫地工程

引洪漫地是把山沟、坡面、村庄、道路的洪水引到耕地或低洼的河滩进行淤漫。这些洪水中含有丰富的腐殖质，不但可以削减洪峰，减少入河泥沙，而且能改良土壤、提高肥力，同时还能将高低不平的土地填淤变平，便于耕作。

引洪漫地需要开挖引洪渠道，但因为含沙量高，渠道不宜过长，要多级渠道引洪，渠系建筑物主要是进洪闸、泄洪闸、分洪闸。渠道纵坡一般为1/400~1/300，流速1.5米/秒。闸门平常开启，随时准备抢引首次洪水。渠道断面根据引洪量和土地面积来确定。引洪漫地应注意以下几点：

1）引洪漫地的引水口应选在高处，引洪渠要以占地少、浇地多、省工节支为原则。

2）因山洪含沙量高，引洪渠道的比降要大，多分支渠，多挖涝池，以备洪水大时分洪滞洪。

3）由于洪水来势猛，历时短，因此要事先做好准备，安排好足够的人力，抓紧时机淤漫土地，用后搞好渠道清淤，以备再引。

4）如果是新修的滩地可以多漫，如有秋作物时，每次洪水漫地不要超过苗心，对玉米、高粱不超过株高的1/5。

4.防护草工程技术

（1）草种选择

选作防护草种的基本条件是草种抗逆性强，保土性好，生长迅速，经济价值高。

1）根据地面水分情况选种草类。

干旱、半干旱地区选种旱生草类。其特点是根系发达，抗旱耐干，如沙蒿、冰草等。

一般地区选种中生草类，其特点是对水分要求中等，草质较好，如苜蓿、鸭茅等。

水域岸边、沟底等低湿地选种湿生草类，其特点是需水量大，不耐干旱，如田菁、芦苇等。

水面、浅滩地选种水生草类，其特点是能在静水中生长繁殖，如水浮莲、茭白等。

2）根据地面温度情况选种草类。

低温地区选种喜温凉草类，如披碱草等。其特点是耐寒、怕热，高温则停止生长，甚至死亡。

高温地区选种喜温热草类，如象草等。其特点是在高温下能生长繁茂，低温下停止生长，甚至死亡。

3）根据土壤酸碱度选种草类。

酸性土壤，ｐＨ在6.5以下，选种耐酸草类，如百喜草、糖蜜草等。

碱性土壤，ｐＨ在7.5以上，选种耐碱草类，如芨芨草、芦苇等。

中性土壤，ｐＨ在6.5~7.5之间，选种中性草类，如小冠花等。

4）根据其他生态环境选种草类。

在林地、果园内荫蔽地面，选种耐荫草类，如三叶草等。

风沙地选种耐沙草类，如沙蒿、沙打旺等。

（2）种草方式

1）直播。

直播是种草的主要方式，它分条播、穴播、撒播、飞播4种。

第一，条播。适应地面比较完整、坡度在25度以下，一般用牲畜带犁沿等高线开沟，或牲畜带耧完成。南方多雨地区，犁沟可与等高线呈1％左右的比降。根据不同的草冠情况和种草的目的，分别采取不同行距，以最大草冠能全部覆盖地面为原则，放牧草地应采取宽行距（1.0~1.5米）条播。

第二，穴播。适应于地面比较破碎、坡度较陡（有的达25度以上），以及坝坡、堤坡、田坎等部位，或播种植株高大的草类时采用。沿等高线人工开穴，行距或穴距大致相等。相邻上下两行穴位呈“品”字形排列。

第三，撒播。对退化草场进行人工改良时采用。一般应选抗逆性较强的草种，特别注重选用当地草场中的优良草种，并在雨季或土壤墒情较好时进行。

第四，飞播。地广人稀种草面积较大时采用，可参照《GB/Ｔ16453.5—2008 水土保持综合治理 技术规范 风沙治理技术》执行。

2）混播。

混播是直播中的特殊形式，在直播的几种方式中采取两种以上的草类进行混播，以加速覆盖，增强保土作用，并促进草类生长，提高品质。

一般以禾本科草类或豆科草类混播、根茎型草类与疏丛型草类混播较好，其配合比例见表4－10。

表4－10 混播配合比例表 单位：％

3）其他种植方式。

第一，移栽。主要用于补植。一般可利用定苗时分株移栽；有条件的先覆膜育苗，然后移栽。

第二，插条。有的草类（如葛藤、小冠花等）可插条繁殖。

第三，埋植。有的草类（芦苇、象草、小冠花等）可埋植繁育。

（3）播种量

在选用国家或省级牧草种子标准规定的一、二、三级种子基础上进行下述播种量。

1）理论播种量。

当种子的纯净度和发芽率都是100％，所需的播种量为理论播种量，以千克/公顷计。

第一，理论播种量按下式进行计算：

式中：Ｒ为理论播种量（千克/公顷）；Ｎ为单位面积播种子数（粒/公顷）；Ｚ为种子千粒重（克）。

第二，种子千粒重的确定。取有代表性的种子1000粒，称其重量测定。

如果大粒种子，可改为百粒重，并将计算公式做相应的修改：

式中：Ｚ′为种子百粒重（克）。

2）实际播种量。

第一，实际播种量按下式进行计算：

式中：Ａ为实际播种量（千克/公顷）；Ｒ为理论播种量（千克/公顷）；Ｃ为种子的纯净度（％）；Ｆ为种子的发芽率（％）。

第二，种子纯净度的测定。取有代表性的种子样品，在除去杂质和其他混杂种子后分别称重，并用式（4－29）计算其纯净度：

式中：Ｃ为种子纯净度（％）；Ｗｃ为纯净种子重量（克）；ＷＹ为样品重量（克）。

第三，种子发芽率的测定。取100粒种子，放在有滤纸或沙的培养皿中，加少许清水，保持20~25℃温度和充足的光照，进行发芽试验，在规定时间内检查发芽籽数，并用式（4－30）计算其发芽率：

式中：Ｆ为种子发芽率（％）；QF为发芽种子数（粒）；Qx为试验种子数，100粒。

（二）水文生态修复工程技术

流域和湿地水文过程是维持生态系统功能的关键要素，决定了流域和湿地植物、动物栖息和土壤生物地球循环化学特征，是生态修复工程的关键。流域和湿地水文生态修复的工程技术，首先应根据流域和湿地水文退化的程度及原因，采用生态补水技术、水文联通技术和蓄水防渗技术等，恢复地下水位和水文周期。其次才是运用水环境修复工程技术净化水质，改善水体污染。Mitschetal.、Mitsch&Day在美国密西西比－俄亥俄－密苏里河盆地进行了湿地水文修复研究，先通过“牛轭湖”的设计延长水体在湿地中的滞留时间，然后再通过植物修复技术降低水中营养盐含量（邓正苗等，2018）。

水文生态修复是一个极其复杂和漫长的过程。河流多样性和形态蜿蜒性、河流横断面的地貌单元多样性、河流纵坡比降、湿地水平方向的地貌变化、湿地垂直方向水深度的变化、湿地岸线的规则程度等都会影响水文生态修复，但是要改变河流湿地形态的空间异质性，是十分困难的。即使通过修复在短期内提升了生态系统服务功能，但长期的影响并不确定是否与短期的效果相一致。乔瑞波（2009）对海河流域地下漏斗区水文生态修复的探索性研究表明，需要采用以下综合修复措施：①截流汛期非致灾径流，做好季节回补工作。准确科学地界定汛期非致灾径流，充分利用雨洪资源回补超采的地下水。利用池塘、水窖、旱池、集水坑、排水渠、冲沟、低洼的未利用地、废弃主机井、矿坑、取土坑、地裂等作为集水器，做好季节性回补。只有经过多年回灌，才能恢复地下水平衡。②恢复为湿地资源，增大雨洪资源持续回补量。③相对封闭漏斗区，严格限制新钻机井数量。机井增多可以减轻旱情，但对地下水系统也会产生长期的、隐含的副作用。④依托调水工程，减少地下水开采量。围绕漏斗区地下水超采综合治理修复，河北省启动了多项与调整种植结构和农艺节水相关的研究项目，研发了相应的种植技术模式，包括冬小麦春灌节水稳产配套技术、小麦保护性耕作节水技术、小麦玉米水肥一体化节水技术、蔬菜膜下滴灌水肥一体化节水技术等项目，通过这些种植模式的调整，其节水效果比较明显。但是，这些技术模式效果的节水机制、长期稳定性以及生态环境影响等并不明确。漏斗区轮作休耕模式下地下水循环要素和浅层地下水补给的时空演变规律如何?深层地下水使用后是否可以更新，其更新能力的恢复变化过程如何?地下水灌溉－环境变化－粮食生产之间存在的内在关系如何等（赵其国等，2018），需要长时期动态观测和持续研究，才能解决漏斗区的水文生态修复问题。

（三）水环境修复工程技术

流域和湿地水环境修复，就是利用水生态系统原理，采取各种工程技术手段，改善水体质量，修复生态系统结构和功能的过程。水环境修复，其对象不仅包括水体本身，还包括与水体相关的流域生物地理环境。由于不同的水域形式，其物理、化学和生物环境都有较大差异，需要采取不同的水环境修复工程技术。

1）河流修复工程技术。通常将河流修复工程技术分为物理、化学和生物三大类型。但由于河流生态修复是一个系统性、整体性的工程，在实践工程中的指导性并不强。战玉柱等（2018）的研究表明，可以从河流水生态修复技术的不同应用环节进行分类，更有针对性和实操性：①污染基底修复工程技术。主要有原位处理工程技术和异地处理工程技术两大类。其中原位处理工程技术主要包括调水冲污、底泥覆盖、底泥化学固化等；异地处理工程技术主要是清淤疏浚，可以快速有效地去除水体外源污染。②岸坡生境修复工程技术。最常用的是河道生态护坡工程修复，主要为采用自然属性较强的材料作为主体结构，结合适宜生态护岸结构采用的块石、生态混凝土、植草砌块、石笼、土工合成材料等，构筑可以抵抗水流淘刷侵蚀的结构，同时适合植物的生长和自然演替。③河道缓冲带修复工程技术。其关键是确定缓冲带的宽度和植被群落的结构。苏州河上游滨岸缓冲带的试验表明，19米长的百慕大草缓冲带对径流总固体悬浮物的截留能力达到70％以上，特别是前端12米的截留距离效果明显（刘泽峰，2009）。④河流水质净化技术。其中原位水质净化技术主要有生物膜技术、生态浮床技术、沉水植物修复技术、投加微生物菌剂修复技术等；异位水质净化技术主要有人工湿地系统技术、生态砾石床技术等。但就工程技术角度而言，总体上主要有生态拦截工程技术、湿地植物净化技术、水生动物净化技术、人工浮岛技术和人工湿地净化技术等。

2）湖泊修复工程技术。湖泊修复工程技术可以区分为外源性污染物质控制和内源性污染物质控制两大类型。①外源性污染物质控制工程技术。主要有退耕还林还草还湖技术、清洁生产技术、废水集中处理技术等。②内源性污染物质控制工程技术。主要有底泥疏浚技术、土地处理技术、稀释和冲刷技术、水力调度技术、气体抽提技术、空气吹脱技术、投加石灰技术、水生植物修复技术、生物调控技术、生物膜技术、微生物修复技术、仿生植物净化技术、深水曝气技术等（廖静秋等，2013）。在湖泊修复工程技术中，清洁生产技术和底泥疏浚技术是两项比较有效和常用的技术。所谓清洁生产技术是一种相对的技术，清洁指较生产同类产品的技术污染物的产生量更小，污染物毒性更小。CPT技术的核心是对原有生产过程的改变，主要是通过原材料和能源的调整替代、工艺技术的改进、设备装备的改进、过程控制的改进、废弃物的回收利用、产品的调整变更等技术措施，使得污染产生量和毒性降低甚至消除。通过采用清洁生产技术，可以使得湖泊中的外源性污染物浓度大大减少，从而达到生态修复的目的。底泥疏浚技术的核心是彻底去除底泥中的有害物质，其技术组成包括3大部分：①疏浚底泥特性分析，确定底泥中污染物的组成和分布，根据底泥特性选择针对性强的疏浚工程技术和疏浚工艺。②底泥疏浚最佳技术及工艺选择，主要包括确定疏浚底泥体积，选择挖掘机，计算压头和功率，设计底泥堆放场地，对疏浚工艺进行优化分析，选择合理的疏浚集成工艺等。③疏浚底泥再利用，根据疏浚底泥的特性、疏浚技术和疏浚工艺，研制底泥再利用方案。底泥疏浚时应注意防止二次污染。欧美不少国家都采用底泥疏浚技术对湖泊进行生态修复，取得了良好效果。例如瑞典的Trummen湖，清除表层1米厚的底泥后，水深增加了1.1~1.7米，TP浓度迅速下降，这种状态维持了18年。

3）湿地修复工程技术。它是指对退化或消失的湿地进行修复或重建的物理、化学和生物技术或生态工程。其目的是通过改变湿地生物所依赖的生态环境，提高生境的异质性和稳定性，实现湿地基底稳定、水质改善、环境健康和功效如前。湿地修复的物理技术主要包括土壤渗滤法、调水冲洗法；化学技术主要包括混凝法、中和法、氧化还原法、吸附法、离子交换法、电渗析法；生物技术主要包括湿地植物净化、生物膜吸附等。由于化学方法容易对湿地生态系统造成新的污染，所以相关技术应用不广泛。土壤渗滤法和生物膜吸附法是2项比较新的技术，应用性也较强（廖静秋等，2013）。①土壤渗滤处理系统。是一种人工强化的污水生态工程处理技术，它充分利用在地表下面的土壤中栖息的土壤动物、土壤微生物、植物根系以及土壤所具有的物理、化学特性将污水净化，属于小型的就地污水土地处理技术。在国外，土壤渗滤技术工艺在20世纪70年代的日本即得到应用，日本的Niimi，Masaaki在20世纪80年代开发出土壤毛管浸润沟污水净化工艺，处理生活污水的出水水质优于二级处理出水。美国、法国、德国、以色列等发达国家也都在大力推行与土壤渗滤技术相关的土地处理工艺。②生物膜吸附法。是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术，是一种固定膜法，是污水水体自净过程的人工化和强化，主要去除废水中溶解性的和胶体状的有机污染物。处理技术有生物滤池（普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池）、生物转盘、生物接触氧化设备和生物流化床等。该方法对于湿地环境中的重金属和有机污染物都具有较好的吸附作用。其基本原理是根据湿地的理化性质设计生化池，采用连续水的动态自然挂膜培养方式，微生物在填料上缓慢生长和繁殖，生物膜会逐渐变厚。生物膜上含有丰富的藻类和原生动物，先吸附原水中的有机物、氨氮、重金属等污染物，再进一步为膜上的微生物分解、吸收和代谢而得到去除（肖羽堂等，2005）。

4）地下水修复工程技术。地下水修复技术主要是指采用抽提、气提、生物修复、渗透反应墙等，使受污染的地下水恢复到原有水质的技术，包括抽提技术、气提技术、空气吹脱技术、生物修复技术、渗透反应墙技术、原位化学修复技术等。抽提处理技术是目前相对成熟、有效和低成本的技术，它是采用水泵将地下水抽出来，在地面通过沉淀、膜分离、交换树脂、活性炭吸附、空气吹脱、化学氧化和生物降解等得到合理的净化处理，并将处理后的水重新注入地下或排入地表水体。这种处理方式对抽取出来的水中污染物能够进行高效去除，但不能保证全部地下水尤其是岩层中的污染物得到有效去除。

（四）生境恢复工程技术

生境是指物种或物种群体赖以生存的生态环境。对药用植物生存而言，其最大的威胁就是生境的破坏，如森林的砍伐、草原和湿地的开垦以及由此带来水土流失、干旱化、养分的减少等。生境恢复工程技术是一种对受损的生境进行恢复与重建，使恶化状态得到改善的工程技术，其主要结果是生物群落多样性和服务功能的显著提升。流域和湿地生境恢复的工程技术，一般分为下列几个步骤：①明确生境恢复的边界。②调查生境退化的特征，包括退化主导因子、退化过程、退化类型、退化阶段与强度的调查、诊断和辨识。③生境退化的评价，确定生境恢复目标。④生境恢复工程技术选择，有针对性地建立起不同功能区的生境恢复方案及其工程技术方法，包括生境恢复与经济协调发展的方案。⑤生境恢复工程措施实施和动态监管，包括对生境恢复模式的总结、示范和推广，以及后续的动态监测与评价等。

生境恢复工程技术的核心是解决水环境恢复、土壤环境恢复和植被恢复三大方面的技术问题。水环境恢复和土壤环境恢复的关键技术，上文已有阐述。植被恢复的过程必须以植物生态学为指导，综合考虑待恢复生境的物理条件、营养条件和污染状况等进行适当的物种选择，可详见下文生物恢复工程技术的阐述。

（五）生物恢复工程技术

生物恢复工程技术，核心是植被恢复。后者是指运用生态学原理，通过保护现有植被、封山育林或营造人工林、灌、草材料，修复或重建被毁坏或被破坏的森林和其他自然生态系统，恢复生物多样性及其生态系统功能的过程。在总体思路上，植被恢复首先要尊重植被群落的演替规律，遵守植物地带性原则、生物多样性原则、群落稳定性原则和长短效益结合原则，从结构入手进行人工植物群落设计，实现群落的物种组成、群落片层、垂直结构和时空结构上的合理配置，达到群落结构合理、功能优化的目的。其次是要建构“复合型”植被重建工程，改变单一品种，营造“复合型”植被。在操作层面上，流域和湿地生物恢复一般按以下程序进行：①选择先锋物种。它是群落演替中最先出现的植物，具有生长快、种子产量大、较高的扩散能力等特点，但不适应相互遮阴和根际竞争，所以很容易被后来的种群排挤掉。通常选择根系发达、生长迅速的草本物种，以达到固定新生土壤和改善土壤结构的目的。②恢复植被群落。根据流域和湿地的土壤类型、群落优势种的生物学特性及其对环境的适应性和生态位关系，筛选优良的乡土草灌木和林木，建立适合地方自然条件和经济发展特点的植被群落。在植被恢复过程中，适当的人为干扰是必要的，但必须防止生物侵入的风险和隐患。日本学者宫胁昭根据植被科学中的演替理论，采用当地乡土树种的种子进行营养钵育苗，配以适当的土壤改造，在较短时间内建立起适应于当地气候的顶级群落类型。这一方法取得了显著成绩，得到了世界公认，通常称之为宫胁法。在实践中从营养钵育苗开始培育，可能会有些难度，但植被重建选择的品种应该是适应当地生长的品种。例如红壤地区的植被恢复、植被重建可以选择地带内的阔叶树种，包括山茶科木荷、金缕梅科枫香、杨梅科杨梅、壳斗科闽粤栲与青冈、樟科香樟、木兰科含笑、杜英科山杜英；灌木乡土品种可以选择蝶形花科胡枝子等。营造水保林选择以马尾松、木荷、枫香、杨梅、胡枝子等为典型优势造林树种，这是建立地带性质顶极稳定群落的需要（孙波等，2011）。