河流生态修复理论技术及其应用

河流生态修复理论技术及其应用董哲仁孙东亚彭静中国水利水电科学研究院，北京100038提要：本文提出了河流生态修复整体模型，系统阐述了水利工程对河流生态系统胁迫及其机理，对传统意义上的水利工程规划设计理念和方法进行了系统的反思，总结了河流生态修复规划原则与评估方法及河流廊道生态修复技术，对典型示范工程进行了简单介绍。关键词：胁迫，生态修复，模型，示范工程THEORIESANDPRACTICESOFRIVERRESTORATIONDongZheren,SunDongya,PengJingChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,ChinaABSTRACTTheholisticmodelofriverecosystemstructureandfunctionisproposed.Stressesofhydraulicengineeringonriverecosystemsareanalyzedcomprehensively.Countermeasuresandtechnologiesarebroughtforwardforecologicalcompensationsandrehabilitations,whichovercomesomeshortcomingsoftraditionalmethodologiesinhydraulicprojectplanning,designandmanagement.Onedemonstrationprojectonriverrestorationisbrieflyintroduced.Keywords:Stress,riverrestoration,holisticmodel,demonstrationproject1、前言水利工程在防洪、灌溉、供水、发电、航运和旅游等诸多方面对于保障社会安全、促进经济可持续发展发挥着巨大的作用，这是举世公认的事实。但是另一方面，水坝和堤防建设、河道整治工程和跨流域调水工程等各类水利工程对于河流、湖泊生态系统也造成了胁迫效应。水利工程的负面影响主要表现为改变了自然水文规律和引起地貌特征变化，从而不同程度地改变了生境条件，导致淡水生态系统结构和功能的变化。水利工程的生态影响问题引起了社会各界的广泛关注，也逐渐变成了水利水电建设发展的瓶颈问题。如何正确对待和处理水利工程的生态影响问题，需要坚持可持续发展的原则，用辩证的观点进行分析。在工程技术层面上，纵观传统意义上水利工程的建设和管理目标，都是以建设和运行工程设施为手段，通过改造和控制河流，实现预期的经济效益和社会目标。传统意义上的水利工程尽管满足了社会经济需求，但是在不同程度上忽视了淡水生态系统的健康需求，因此对生态系统构成了胁迫效应。面对这个复杂问题，应坚持全面权衡利弊，力争趋利避害的辩证思维方法，探索通过工程措施、生物措施和管理措施，尽量避免、缓解或补偿水利工程对于河流生态系统的负面影响，达到社会经济效益与生态保护二者兼顾的目标。本文系统阐述了水利工程的生态影响现象，分析了胁迫效应的机理，对于传统意义上的水利工程规划设计理念和方法进行了系统的反思，总结了河流生态修复规划原则与评估方法和河流廊道生态修复技术，对典型示范工程进行了介绍。2、水利工程对河流生态系统胁迫和机理分析自然力和人类活动对于淡水生态系统构成双重胁迫。各类水利工程对淡水生态系统的胁迫是大规模人类活动的负面影响之一。这种影响主要表现为改变了自然水文规律和引起地貌特征变化，从而不同程度地改变了生境条件，导致淡水生态系统的结构和功能的变化。2.1水文－生物－生态功能河流连续体四维模型本文作者根据近20多年来生态学理论的发展以及对于河流生态系统的认识深化，在前人提出的河流连续体概念（Vannote,1980）的基础上，通过进一步完善，提出“水文－生物－生态功能河流连续体”概念。所谓“水文－生物－生态功能河流连续体四维模型”的内涵是：由河流水文－水力学过程空间连续性；生物群落结构空间连续性；营养物质流和能量流空间连续性；信息流空间连续性为要素的河流连续体模型，同时，考虑水文、生物及河流生态系统演变和进化的动态特征，需要建立时间坐标和尺度。（1）河流水文－水力学因子三维连续性河流的流动是水体一种不可逆的单向运动，河流的水文－水力学因子用流量、水位、流速、脉动压力、水温等指标度量。如果在河流的某一横断面建立三维坐标系，即水流的瞬时流动方向x轴（纵向），在地平面上与水流垂直方向y轴（横向），与地平面垂直向下的z轴（竖向），借以考察河流的三维运动（图1）。在纵向x方向河流的流动是主导方向，河流的流量、流速、脉动压力、水温等沿上中下游都是连续分布的，反映了河流顺水流方向的连续性。河流是一个动态过程，河流依照水文学规律呈周期变化，形成年内洪水与枯水期交错发生的格局。当洪水发生时，河水向侧向y方向漫溢，使主流、河滩、河汊、静水区和湿地连成一体，形成复杂的水流系统，这就是河流侧向y轴的连通性。在竖向z轴是地表水与地下水连接的通道，通过渗透的方式向地下水补给。绝大部分自然河流的河床材料构成具有透水性的特征，因此在z方向水体的连续性可以理解为渗透性。（2）河流生物群落结构连续性河流不仅是一个流动的物理系统，更是一个动态的生态系统。生物群落随河流水文－水力学特征（流量、水位、流速、流量、脉动压力、水温等）连续性变化也呈现连续性分布。尽管大型河流可能穿过不同的气候分区，河流高程沿河流纵坡有很大差别，但是沿河流的生物群落仍然遵循连续性分布的规律。这不仅反映在沿河流廊道植被的连续性分布，而且水生动物、无脊椎动物、昆虫、两栖动物、水禽和哺乳动物等都是遵循连续分布的规律，形成丰富有序的食物链（网）。这种连续性的产生是由于在河流生态系统的演替过程中，生物群落对于水域生境条件不断进行调整和适应，反映了生物群落与淡水生境的适应性和相关性。（3）营养物质流和能量流连续性河流的连续性不仅是生物群落分布的连续性，更是生态系统生物学过程的连续性。由于水体具有良好的可溶性，使河流成为生态系统营养物质输移、扩散的主通道。河流泥沙的输移扩散是河流运动的重要的因子。附着在泥沙表面的营养物质随泥沙的运动迁移转化。河流的纵向（x轴）流动把营养物质沿上中下游输送。在洪水季节洪水漫溢，又在横向（y轴）把营养物质输送到河滩、河汊、静水区和湿地。每年洪水的到来，对于河流的水生生物和水陆交错带的植物无疑是莫大的福音。在河流的竖向（z轴）河流向地下含水层的补给以及相对应化学成分的变化，并且在竖向还进行着营养物质的输移转化。正因为如此，大多数河床含水层存在着丰富的生物量。在上述3个方向营养物质的输移转化，表现为营养物质流与能量流的空间与时间连续性，使得下游的生态过程与上游的生态过程直接相关。（4）河流信息流的连续性河流为诸多鱼类和其它水生生物提供生命信号。随着水文周期的变化，河流水位消长。当洪水漫溢河滩和河汊、水陆交错湿地，一些鱼类离开河槽到河滩、河汊及湿地寻找避难所或产卵；当水位消落，鱼类又回到河流主槽。鱼类的这些生命活动是对水位变化的正面响应。河流的流速、水温等同样是众多水生生物的生命信号。我国著名的中华鲟是一种溯源产卵洄游鱼类，每年秋季中华鲟成群结队逆流而上，在长江上游重庆以上河段的深潭及金沙江的急流中产卵，幼鱼顺江游到大海，在海洋生活10余年后仍然返回长江上游，2000公里不迷路。其产卵季节与河流水温带来的信息关系密切，而河流的流速和脉动压力无疑对洄游鱼类长距离运动的导航信号。由于河流的水文－水力学因子在空间上的连续性，就使得河流走廊的生态系统结构呈现连续性特点。由于河流水文－水力学因子在时间上的连续性以及气候因素的影响，就使得河流走廊的生物群落随时间出现年内周期性的变化。2.2人类活动和水利水电工程对于河流生态系统的胁迫人类活动对于河流生态系统的胁迫，从更大的尺度研究应该包括近代人类活动引起的全球变化如气候变化引起河流径流量的变化，酸雨引起的河流水质变化等。人类对水土资源的开发利用以及其他经济活动引起对于河流的胁迫效应，包括：水污染，超量用水，土地利用方式变化，对湖泊和河流滩地的围垦，生物入侵。几千年来人类为了防洪安全与经济发展，对于河流进行了大量的人工改造。特别是近一百多年来利用现代工程技术手段，对河流进行了大规模开发利用，兴建了大量工程设施，改变了河流地貌学特征。河流近一百年来的人工变化超过了数万年的自然进化。水利工程对于河流生态系统的胁迫主要来源于以下两个方面：一是河流的人工改造，包括1）自然河流的渠道化，2）自然河流的非连续化；二是跨流域调水工程，如图2所示。河流的人工渠道化破坏了自然河流所特有的蜿蜒性特征，改变了深潭与浅滩交错，急流与缓流交替的格局。不透水和光滑的护坡材料阻碍了地表水与地下水的联通，改变了鱼类产卵条件。这些因素的叠加，造成生物异质性下降，导致生物栖息地的质量的下降。水域生态系统的结构与功能随之发生变化，特别是生物群落多样性将随之降低，引起淡水生态系统不同程度的退化。(a)自然状态河流，(b)建设梯级水坝后的河流图2河流非连续化示意图上节提出的“水文－生物－生态功能河流连续体四维模型”概念，说明河流生态系统是一种开放的、流动的生态系统，其连续性不仅指一条河流的水文学意义上的连续性，同时也是对于生物群落至关重要的营养物质输移的连续性。大坝将河流拦腰斩断，改变了连续性河流的规律，形成了河流的非连续性特征。流动的河流变成了相对静止的人工湖，无论是库区还是大坝下游河段的流速、水深、水温及水流边界条件都发生了变化。建有坝后式水电站的大坝运行是根据防洪和兴利需要进行调度，采用人工泄流方式，坝后经常或间断有水流下泄。堤防工程妨碍了汛期主流与岔流之间的沟通，阻止了水流的横向扩展，形成另一种侧向的水流非连续性。堤防把干流与滩地和洪泛区隔离，使岸边地带和洪泛区的栖息地发生改变。跨流域调水工程打破了流域、水系的自然格局，改变了水文循环条件，对于水域和陆地生态系统产生胁迫效应。针对水利工程对河流生态系统的胁迫问题，需要吸收生态学的理论知识，完善传统的水利工程技术，探索生态水利工程建设技术方法，构建与生态友好的水利水电工程技术体系，开展河流生态修复工作。3、河流生态修复规划与河流健康评估河流生态修复规划与评估包括四部分主要内容：现状及历史调查分析；制定河流生态修复目标；提出规划对策，包括工程任务、管理措施和建立监测与评估系统；进行经济－生态效益综合评估。编制河流生态修复规划的主要技术流程如下：（1）明确规划的总体思路，包括指导思想，遵循原则，体现人口－资源－环境协调的可持续发展观和人与自然和谐的理念。（2）现状调查与分析，包括社会、经济及水资源状况、水文气象、地貌地质、河流演进历史和形态、生物物种状况和河流生态系统退化原因调查分析。（3）在调研的基础上，制定河流生态修复目标。（4）确定规划范围、时间与空间尺度以及总体格局。（5）确定工程任务，主要包括水文条件（水量、水质和水文情势的恢复；栖息地建设；濒危、珍稀和特有物种保护与恢复。（6）建立河流生态监测系统和河流健康评估系统。（7）提出管理对策（8）对于整个规划进行经济－生态效益综合评估。3.1河流水系生态恢复的任务河流水系生态恢复的任务有三大项：一是水质条件、水文条件的改善，二是河流地貌特征的改善，三是生物物种的恢复。总目的是改善河流生态系统的结构与功能，主要标志是生物群落多样性的提高。水质条件、水文条件的改善包括：水量、水质条件的改善，水文情势的改善，水力学条件的改善。通过水资源的合理配置以维持河流河道最小生态需水量。通过污水处理、控制污水排放、生态技术治污、提倡源头清洁生产、发展循环经济以改善河流水系的水质。提倡多目标水库生态调度，即在满足社会经济需求的基础上，模拟自然河流的丰枯变化的水文模式，以恢复下游的生境。河流湖泊地貌学特征的改善包括：恢复河流的纵向连续性和横向联通性；保持河流纵向蜿蜒性和横向形态的多样性；外移堤防给洪水以空间并扩大滩地；退耕还湖和退