2.1　城市河流环境修复的理论基础

2.1.1　水环境容量理论

污染物进入河流后，经由水体中发生的物理作用、化学反应、生物吸收和微生物降解等，可以实现污染物的自然净化。水体的这种自净能力使其具备了一定的水环境容量。水环境容量是由水环境系统结构决定的，是表征水环境系统的一个客观属性，是水环境系统与外界物质输送、能量交换、信息反馈的能力和自我调节能力的表现。在实践中，水环境容量是水环境目标管理的基本依据，是水环境保护的主要约束条件。

（1）基本概念

水环境容量是在满足水环境质量目标的条件下，水体所能接纳的最大允许污染物负荷量，又称水体纳污能力。在《全国水环境容量核定技术指南》中的定义为：在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量。水环境容量的确定是水污染物削减的依据。

河流的水环境容量可用函数关系表达为：

W=f（C0，CN，x，Q，q，t）　　（2-1）

式中　　W——水环境容量，用污染物浓度乘以水量表示，也可用污染物总量表示；

C0——河水中污染物的原有浓度，mg/L；

CN——水环境质量目标，mg/L；

x，Q，q，t——距离、河流流量、排放污水的流量和时间。

（2）分类

根据不同的应用机制，水环境容量可分为如下几类（图2-1）：

①按水环境目标可分为自然环境容量和管理环境容量。两者都是将水体的允许纳污量作为水环境容量的，只是前者以污染物在水体中的基准值为水质目标，后者则以污染物在水体中的标准值为水质目标。很明显，管理环境容量不仅反映出了水体的自然属性，而且还反映出人为的约束条件和社会因素的影响。

②按污染物性质可分为可降解有机物水环境容量、难降解有机物水环境容量和重金属水环境容量。可降解有机物也就是耗氧有机物，由于其本身可以在水体中被氧化，所以有着较大的环境容量；难降解有机物和重金属类污染物属于保守性污染物，它们在水体中很难被分解或根本不能被分解，所以要慎重利用该类污染物的水环境容量。

③按照污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量和自净容量两部分。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。

④按容量的可再生性分为可更新容量和不可再新容量。前者指的就是上面所提到的水体对污染物的降解自净容量或无害化容量，可以永续利用，但是如果对它超负荷利用，同样可以造成水环境的污染。而不可更新容量则是指水体对不可降解或只能微量降解的污染物所具有的容量，对于这样的容量，应该给予足够的保护，使污染物在其源头得到控制。

（3）影响要素

影响水域水环境容量的要素很多，概括起来主要有以下4个方面。

①水域特性。水域特性是确定水环境容量的基础，主要包括：几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；化学性质（pH值，硬度等）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；化学自净能力（氧化、水解等）；生物降解（光合作用、呼吸作用）。

②环境功能要求。各类水域一般都划分了水环境功能区，不同的水环境功能区对应着不同的水质功能要求。水质要求高的水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大。

③污染物质。不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规律，不同类型的污染物对水生生物和人体健康的影响程度不同。因此，不同的污染物具有不同的环境容量，但具有一定的相互联系和影响。

④排放口位置与排污方式。水域的环境容量与污染物的排放位置与排放方式有关。一般来说，在其他条件相同的情况下，集中排放的环境容量比分散排放小，瞬时排放比连续排放的环境容量小，岸边排放比河心排放的环境容量小。因此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定因素。

（4）水环境容量计算

水环境容量是由水环境系统结构决定的，表征水环境系统的一个客观属性，为了计算水体的环境容量，研究人员提出了很多水环境容量计算模型。

①河流水环境容量模型　污染物进入水体以后，存在3种主要的运动形态：随环境介质的推流迁移、污染物质点的分散以及污染物的转化与衰减。

如果将所研究的河流环境看成一个存在边界的单元，V代表单元的容积；Q0、C0代表从上游流入该单元的流量和污染物浓度；q、C1代表由侧向进入该单元的流量和污染物浓度；C代表单元中经过各种反应过程以后的污染物浓度；Q代表从该单元输出的介质流量。由质量平衡可以写出完全混合模型：

　　（2-2）

式中　r——污染物的反应速率；

rV——由于单元中的反应作用导致的污染物增量。

如果反应项只考虑污染物的衰减，即r=-kC，且讨论稳态问题，即：，上式可以写成：

　　（2-3）

式中　k——污染物衰减反应速率常数。

根据水环境容量的定义，当系统中污染物的浓度C等于水环境功能区的环境质量标准CS时，系统外输入的污染物量就等于系统的水环境容量，即：

　　（2-4）

由式（2-4）可以看出，环境容量由两部分构成。第一部分（等式右边第一项）是由于推流作用产生的容量，决定于水体的流量、功能区水环境质量标准以及上游的水质状况，也可以称为目标容量；第二部分（等式右边第二项）是降解容量，与污染物的降解性能、水体容积有关，降解反应速度越高、水体容积越大，降解容量越大。

如果污水的流量可以忽略，即Q=Q0，则式（2-4）可以写作：

如果上游水体的污染物浓度与目标水体的水环境质量目标一致，即C0=CS，则式（2-4）可以进一步写作：

R=kVCS　　（2-5）

从上面的分析可以看出，若C0<CS，其目标容量为正值，则R>kVCS；若C0>CS，其目标容量为负值，则R<kVCS。目标容量为正值是指水体中污染物的浓度低于水环境质量目标时水体可以接收污染物量，这部分容量只是“临时容量”，一旦水体污染物的浓度达到水环境功能区的水质标准，这部分容量就不复存在。对于水环境保护来说，可以正常利用的水环境容量只是第二部分容量，即降解容量。

②综合水质模拟模型　自20世纪初S-P模型诞生以来，水质模型取得了很大的发展。模型机理越来越细致，模拟的状态变量越来越多，从简单的BOD-DO耦合模型，发展到氮、磷模型、富营养化模型、有毒物质模型和生态系统模型；模型模拟的时空尺度不断扩大，在时间尺度上，从早期的稳态模型发展到动态模型；在空间尺度上，可以进行一维、二维到三维的水质模拟；同时随着计算机技术、网络技术、地理信息技术和软计算技术的发展，也极大地推动了水质模型的发展和完善。这一方面归功于科学家对污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究的不断深入外，另一方面也得益于日益广泛的水环境管理的需求。

目前文献中常见的综合水质模型系统有WASP、CE-QUAL-ICM、EFDC/HEM3D、MIKE3和RMA10等，可实现河流、湖泊、水库、河口和沿海水域等一系列水质问题的模拟，支持河流的水环境容量的计算。

（5）水环境容量分配

水环境容量分配是指将计算得出的环境容量以允许排放负荷的形式分配至各个污染源。

①分配原则　允许排放负荷分配的原则通常要考虑科学性、公平性、效率性和经济性。科学性基于科学的计算河流环境容量和排污口的允许纳污量。公平性是指均等对待所有参与者，同类型的不同污染源具有平等的分配权利。公平是一个相对概念，从不同的角度有不同的衡量标准与解决方法。公平性原则需要考虑区域人口、经济、环境承载力、现状环境状况等条件下，尽可能地减少因分配问题而导致的纠纷。效率性是指在可行的前提下，以最小的投入或损耗换取最大的效益。经济性是在确保污染负荷分配方案科学可行、公平、有效之后，追求在控制单元范围内以最少的经济投资获取最大的环境效益。

②分配技术　国内外的专家学者们提出了众多污染负荷分配方法，比如表2-1中所列的美国最大日负荷（TMDL，total maximum daily load）计划常用的污染负荷分配方法。

尽管具体的方法种类和数量很多，并且分别适用于不同的情景和目标，但是概括起来，常用的分配方法基本上可以归结为最优化分配方法和公平分配法两大类。

最优化分配法的显著特征是具有单一的最大化（或最小化）目标。这个目标可以是污染物去除的总成本，也可以是污染物的去除总量。

公平分配法即将污染负荷按污染源的某一属性进行平均分配。目前关注较多的公平分配方法有：区域差异法、基尼系数法、等比例削减法、按贡献率分配法等。

2.1.2　河流生态需水理论

保障城市河流生态需水量是保障河流自净能力，发挥河流自然功能和生态服务价值的基础。

河流生态需水量是维持河流水生生物的正常发育及河流系统的基本动态平衡、维持相应水质水平所需要的水量。根据城市河流生态需水的定义，广义上讲是维持水热平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡等所需要的水；狭义上讲是指为维护生态环境质量不恶化并逐渐改善所需的水量。

常用的河流生态需水量计算方法主要包括：水文学法、功能法和生境法等。

2.1.2.1　水文学法

水文学法也称历史流量法，是通过历史流量记录来评价河流生态状况的一种方法。常用的水文学法包括如下几种。

（1）Tennant法

Tennant法是应用广泛的一种方法之一，其主要依据过去长期的流量记录，认为这些长系列流量可以反映自然生态系统的运行模式。根据水生生物生境与流量关系的研究：河道内径流为河道平均流量的60%，可以为大多数水生生物在主要生长期提供优良至极好的栖息条件和多数娱乐用途所推荐的径流量；河道内径流河道平均流量的30%，这是保持大多数水生动物有良好的栖息条件和一般的娱乐活动所推荐的基本径流量；河道内径流河道平均流量的10%，是保持大多数水生生物短时间生存所推荐的最低瞬时径流量（见图2-2）。

随着研究的不断深入，专家根据水量对生物物种和生境的有利程度给出表2-2中的若干流量级别，在年内不同阶段按照河流年平均流量的百分比来表示。认为河流年平均流量的10%为维持河流生态系统的最低流量，也是河流的生态基础流量。

Tennant方法的优点是不需要进行专门的生态需水现场测量。对于设有水文站的河流，年平均流量可以从历史资料获得；对于没有水文站的河流，也可通过水文知识间接获得。

（2）7Q10法

一种较常用的水文学法是7Q10法，该法基于水文学参数，考虑水质因素，采用90%保证率最枯月连续7d的平均水量作为河流最小流量设计值。

（3）最小月平均流量法

该方法在我国使用较多。参考7Q10法，结合我国的具体情况对上述方法进行了修改，我国在《制订地方水污染物排放标准的技术原则和方法》（GB 3839—83）中规定：一般河流采用近十年最小月平均流量或90%保证率最小月平均流量。

（4）河道生态流速、生态水位法

主要适用于城市的季节性河流，考虑到流量变化的季节性，一般汛期水量丰富，能够满足生态流量的要求；枯水期因无固定水源，需要用最小生态流速和生态水深来确定。最小生态流速和生态水深的取值要结合各地的具体情况确定。

2.1.2.2　功能法

功能法主要从水生态环境保护的角度，基于城市河流的主要功能确定其生态需水量。城市河流生态需水通常主要考虑生物栖息地需水、稀释净化需水以及景观环境需水。

（1）生物栖息地需水

对于河流的水生生物，其主要栖息地为河道内的水域，故城市河流需要一定的水深才能满足生物栖息的基本要求；此外，为了河流内部的自净能力，河流必须达到一定的流速。因此对于计算城市河道的生物栖息地生态需水量，可根据城市河流生物的需求，从水深及流速两个角度计算其需水量。此外，由于河道中水量存在蒸发渗漏，故在计算中要考虑蒸发渗漏损失，可以用计算公式表示为：

　　（2-6）

　　（2-7）

式中　W1（ti）——第ti时段河流生物栖息地需水量，104m3；

H生i——第ti时段河流生态水深，m；

Si——第ti时段河段平均水面面积，104m2；

W损（ti）——第ti时段河流水量损失的需水量，104m3；

W1（T）——T周期内河流生物栖息地需水量，104m3。

有些生物对流速较敏感，可以以流速作为生物栖息地需水的控制因素，生态需水量计算公式可表示为：

　　（2-8）

　　（2-9）

式中　——第ti时段河流生态流速，m/s；

Ai——第ti时段控制节点断面面积，m2；

其他符号含义同上。

在实际的河道生物栖息地需水的计算中，可以根据不同的实际情况，尤其是在水资源量受限的情况下，可以在一个计算周期内选择不同的计算方法，分别采用生态流速和生态水深计算。

（2）稀释净化需水

城市点源、非点源的入河污染控制是城市河流水环境管理的基础，不过由于各种原因，城市河流仍会有污染进入水体。稀释净化需水是指为改善水质而需要补充到河道中的水。

进行稀释净化需水量的计算，首先对河流的水体现状及污染物情况进行调查，确定河流主要水质问题，选择关键水质因子为主要水质控制目标。根据城市河流污染物质排放量及其分布，河流的水文、污染物排放等状况，建立河流水质模型，计算满足水质目标的水量需求。对于难以建立机理水质模拟模型的资料较少的河流，可以用如下计算公式计算：

　　（2-10）

式中　W2（T）——河道生态稀释净化需水量，m3；

P——计算河段污染物质量，t/a；

Cs——计算河段生态水质目标，mg/L；

C0——计算河段污染物自然背景浓度值或来水污染物浓度，mg/L；

K——计算河段中污染物综合衰减系数，s-1；

X——计算河段长度，m；

V——计算河段水体平均流速，m/s。

（3）景观环境需水

景观环境需水要从水量、水质两个角度分析，水质的需求在稀释净化需水的水质目标中确定，即可满足水质要求。这里主要从水量的角度来计算。水量方面主要是为了满足人类的视觉感观（亲水特性）、旅游等功能，主要体现在水面大小与水深上，计算公式如下：

　　（2-11）

　　（2-12）

式中　W3（ti）——第ti时段河流景观环境需水量，104m3；

——第ti时段河流景观环境水深，m；

W3（T）——T周期内河流景观环境需水量，104m3；

其他符号含义同上。

（4）基于功能的城市河流最小生态需水量

根据“木桶效应”原理，在满足各种生态功能的生态需水量计算的基础上，选择不同功能下生态需水的外包络线，可得到满足各种功能的需求的需水量，即最小生态需水量，公式如下：

　　（2-13）

式中　W（T）——周期T内生态需水量；

其他符号含义同上。

2.1.2.3　生境法

生境是指动植物生存的周围的物理环境，描述河流的生境特征，包括水深、流速，这些直接与流量相关。生境法是对水文学法的扩展应用，是把水文学条件与特定的生态需求建立起来计算流量的。因为这种方法直接把水文学与生物、生态之间联系起来，所以在美国这种方法是应用最为广泛的。常用的生境法包括如下方法：

（1）IFIM法

IFIM（instream flow incremental methodology）法根据现场数据，如水深、河流基质类型、流速等，采用PHABSIM（physical habitat simulation component）模型模拟流速变化和栖息地类型的关系，通过水文学数据和生物学信息的结合，决定适合于一定流量的主要的水生生物及栖息地。

（2）CASIMIR法

CASIMIR（computer aided simulation model for instream flow requirements in diverted stream）法是基于现场数据、底部流量在时间和空间上的变化。首先从现场观测的数据中，分析底部剪力与流量水平之间的关系，其次建立该区域水动力学模式与天然流量、关键生物的偏好之间的模型，与IFIM相同，评价河流中关键生物的数量与水量变化之间的关系。

（3）BBM

BBM（building block methodology）法推动了河流生态需水评价向一个全新的方向发展，它强调河流生态系统的每个组成部分结构和机能的健康，而不只是重视某些物种，该方法在南非和澳大利亚得以广泛使用。

2.1.3　河流生态健康理论

生态学是研究生物体与其周围环境（包括非生物环境和生物环境）相互关系的科学，而河流生态学（river ecology；stream ecology）是研究河流中水生生物群落结构、功能关系、发展规律及其与周围环境（理化、生物）间相互作用机制的理论科学。河流生态学研究的重点是河流生命系统与生命支持系统之间的复杂、动态、非线性、非平衡关系，其核心问题是生态系统结构功能与重要生境因子的耦合、反馈相关关系。这里所说的重要生境因子是指：水文情势、水力学特征、河流地貌等因素。

河流生态健康理论是伴随着人们对河流生态环境退化的关注而产生的。它是人们从水质、生物以及生态等众多角度更好评估河流生态系统状况，进而改善河流管理的一种河流管理评估工具和技术手段。

2.1.3.1　河流生态健康的内涵

生态系统健康是指系统具有活力、稳定和自我调节的能力，可以指为生态系统的生存和发展提供持续良好的生态系统服务功能。生态系统健康包含两方面内容：满足人类社会合理要求的能力和生态环境自我维持与更新的能力。

生态系统健康首先要保持结构和功能的完整性，保证生态系统服务功能，这样才具有抗干扰力和干扰后的自我恢复能力，才能提供长期的生态服务。一般认为，生态系统健康是指生态系统处于良好状态；生态系统不仅能保持化学、物理及生物完整性，还能维持其对人类社会提供的各种服务功能。著名生态学家R.Constanza （1992）提出的生态系统健康概念涵盖了6个方面，即自我平衡、没有病征、多样性、有恢复力、有活力和能够保持系统组分间的平衡。

因此，河流生态健康是基于河流管理而提出的一种评价河流状况的概念，用以综合评判河流在某一特定时段所呈现状态，在此基础上判断河流生态系统是否能够维持自身的生态环境功能正常发挥，以及满足人类社会各种活动的需求，从而为受损河流生态修复和流域水资源管理提供决策依据。

2.1.3.2　河流生态健康评价

随着河流生态健康理论的发展，河流生态健康状况评价在很多国家先后开展，并分别提出了不同的河流健康状况评价内容及评价指标。河流健康评价多以原始状态或干扰极小的状态作为参考状态，即评价标准。

按照指标内容的不同，河流生态健康评价方法可分为指示物种法和结构功能指标法。

指示物种法是一种评价河流生态健康状态比较有效的方法，但采用指示物种法评价河流的环境状态需要有大量的生物数据及生物与环境变量间关系的研究作基础，在缺少生物数据及相关研究的区域，指示物种法的使用受到了限制。

结构功能指标法综合了生态系统的多项指标，来反映河流系统的过程以及结构功能的状态。该方法一般可以分为单一指标评价和由指标体系组成的综合评价。单一指标评价就是选定最能体现系统健康特征的指标来对河流系统进行评价。但是由于在流域范围内对所有干扰都敏感的单一河流健康指标是不可能存在的，故而很少被使用。结合了来自不同学科的多个指标组成指标体系的综合评价法，则在一定程度上可弥补指示物种法的不足，更好地评价河流的健康状况。因为在这一类指标体系中包含反映河流健康不同信息的指标，利于全方位揭示复杂的河流生态系统存在的问题。许多国家也倾向于发展综合评价法，所以综合评价法将是今后河流健康评价的一个发展方向。但就目前的发展状态看，这种评价方法也存在一定的缺陷，由于河流系统本身的复杂性，每个指标体系都包含大量指标，增加了评价工作的难度及工作量，影响了指标体系的推广使用。表2-3为当今国际上主要河流健康状况的评价方法，其中较为具有代表性的结构功能指标法有RCE、ISC、RHS、RHP和USHA等。

2.1.3.3　河流生态健康与河流管理

河流生态健康是面向河流管理而提出的一种评价河流生态状况的概念，用以综合评判河流生态系统结构和功能的整体状态，并为河流管理提供决策。两者关系具体表现在以下几个方面。

①河流生态健康状况研究是河流管理的基础　河流生态健康状况研究的主要目的是了解河流生态系统的结构和功能状况，预测河流可能的演变和生态健康状况发展趋势。而河流管理首先应了解河流现状，剖析影响河流生态健康的内因和外因，分析河流生态健康状况的可能发展趋势，从而制定或采取针对性的河流管理措施，以更好地维护河流的良好运行。合理的河流开发利用、综合整治、河流修复等都应基于河流生态健康状况研究。

②河流生态健康是河流管理的目标　河流生态健康是河流生态系统功能正常发挥的前提和基础，健康的河流生态系统能发挥其生态系统功能，提供最大限度的持续稳定的生态系统服务。河流管理的目标就是更好地发挥河流的各项功能，以实现环境、资源、社会经济的可持续发展。因此，维持河流生态健康，保障其功能的正常发挥是河流管理的目标。

③河流科学管理是河流生态健康的先决条件　河流管理是维护河流生态健康状况的重要手段，它为河流的良好运行和功能的发挥提供了重要的保障。良好的河流管理能为河流生态健康发展创造良好的环境，提供较佳的条件。当河流生态健康状况受损时，应采取相应措施对河流进行修复，并加强河流管理以保障河流修复措施的有效实施，尽快恢复河流生态健康。因此，只有在优化、有效的适应性河流管理基础之上，河流才可能维持其健康、可持续的状态。