流域尺度的河流生态修复
作者：孙东亚赵进勇董哲仁来源：www.66wen.com更新时间：2007年06月29日
KeyWords:River,Rehabilitation,Watershed,Rivercontinuum,Ecosystem
1、前言
长期以来，人们为了防洪、发电、灌溉、供水及航运等目的，建设了大量的水利工程，为人类社会带来了巨大的利益。但是，由于忽视了河流生态系统健康的需求，这些工程设施对河流生态系统形成了不同程度的胁迫。这些胁迫主要来源于两个方面：由于筑坝和筑堤造成的河流的非连续性；由于自然河流的人工改造形成的渠道化［1、2、3］。随着社会经济发展和科技进步，人们逐渐认识到维系河流健康生态系统的重要性，与之相关的河流生态修复理论和技术取得重大进展。
河流生态修复是指使用综合方法，使河流恢复因人类活动的干扰而丧失或退化的自然功能［4］。它需要掌握破坏生态系统结构和功能或阻止其恢复的自然或人为因素，调查河流生态系统的结构和功能的变化，以及对生态系统有影响的物理、化学和生物过程。任何修复方案都应该承认河流的现状。在任何情况下，河流都不会恢复到其原始状态。河流修复的目标应该是建立具有自修复功能的系统。河流生态修复是一个复杂的过程，不仅仅是技术层面上的问题，它还涉及到公众参与、政府行为等诸多社会因素。将来的河流管理不应仅将重点放在调整河流系统来适应人类的需要上，而更应着眼于在流域范围内，调整人类的开发行为来适应河流生态系统。
2、河流修复的理论基础
河流生态系统的脆弱性表现在易受岸上周边地区的影响，包括生命活动和自然过程。因此，在河流生态修复中，仅仅研究水体本身是不够的，需在流域这样一个大的生态系统中，进行规划和实践。从这一观点出发，产生了河流连续体概念和河流四维模型理论。
2.1河流连续体
Vannote等人提出了河流连续体概念(RiverContinuumConcept)［5］，这种理论认为由源头集水区的第一级河流起，以下流经各级河流流域，形成一个连续的、流动的、独特而完整的系统，称为河流连续体。它在整个流域景观上呈狭长网络状，基本属于异养型系统，其能量、有机物质主要来源于相邻陆地生态系统产生的枯枝落叶和动物残肢以及地表水、地下水输入过程中所带的各种养分。
河流连续体是描述河流结构和功能的一个方法，如图1所示。它应用生态学原理，把河流网络看作是一个连续的整体系统，强调河流生态系统的结构与功能与流域的统一性。这种由上游的诸多小溪直至下游河口组成的河流系统的连续性，不仅指地理空间上的连续，更重要的是指生态系统中生物学过程及其物理环境的连续［7］。按照河流连续体理论，从河流源头到下游，河流系统内的宽度、深度、流速、流量、水温等物理变量具有连续变化特征，生物体在结构和功能方面与物理体系的能量耗散模式保持一致，生物群落的结构和功能会随着动态的能量耗散模式作出实时调整。所以，下游河流中的生态系统过程同上游河流有直接联系，也就是说，上游生态系统过程直接影响下游生态系统的结构和功能。这一理论还概括了沿河流纵向有机物的数量和时空分布变化，以及生物群落的结构状况，使得有可能对于河流生态系统的特征及变化进行预测。但是，河流连续体描述的上中下游的能量传递和物质循环过程是一种特例，缺乏一般性，因此限制了这种模型的应用。
2.2河流四维模型
在河流连续体概念的基础上，WARD将河流生态系统描述为四维系统，即具有纵向、横向、竖向和时间尺度的生态系统［8、9、10］，如图2所示。 5a#''TW CEY$&G €[gYu%2]g8W?SqUk|建筑论文 ?;CS2C= ?w/Iu\\RH6vlf/
纵向上，河流是一个线性系统，从河源到河口均发生物理、化学和生物变化。河流是生物适应性和有机物处理的连续体。生物物种和群落随上中下游河道物理条件的连续变化而不断地进行调整和适应。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。因此，尽可能保持河流上中下游的连续性应成为河流生态修复的一个重点，应特别注意因人类活动造成连续性的中断。例如，由于过量取水减少了河道水流造成河流干涸及断流。筑坝破坏了河流纵向的连续性，对鱼类和无脊椎动物的洄游与迁移形成障碍。另外，自然河流中大量营养物质吸附在泥沙颗粒表面，随水流运动而转移扩散，为水生动植物提供丰富的营养。河流是水域生态系统物质循环的主要通道。一旦河流被大坝拦截，粗沙在水库中淤积，清水下泄加剧了对于大坝下游河床的冲刷，改变了营养物质运移规律，有可能破坏原有的河流生态系统结构。
横向上，河流与其周围区域的横向流通性也很重要。河流与周围的河滩、湿地、死水区、河汊等形成了复杂的系统，河流与横向区域之间存在着能量流、物质流等多种联系，共同构成了小范围的生态系统。在自然状态的水文循环产生洪水漫溢与回落过程，是一个脉冲式的水文过程，也是一个促进宝贵的营养物质迁移扩散和水生动物的繁殖过程。但是，人们出于防洪的需要，沿河两岸筑起堤防，把河流约束在两条堤防范围内，使洪水不能肆虐危害人类生存。但是堤防也有其负面效应。堤防防碍了汛期主流与周围河滩、湿地、死水区、河汊之间的流通，阻止了水流的横向扩展，形成了一种侧向的水流非连续性。洪水挟带的大量营养物质无法扩散到洪泛区，泥沙和营养物质被限制在堤防以内的河道内，使岸边地带和洪泛区的栖息地特性发生改变，使两岸植被面积减少，无脊椎动物物种减少。另外，鱼类无法在洪水期内进入滩地产卵和觅食，也失去了躲避洪水风险的避难所。鱼类、无脊椎动物等生物群落会减少，最终有可能导致河流周围区域的生态功能退化。
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竖向上，与河流发生相互作用的垂直范围不仅包括地下水对河流水文要素和化学成分的影响，而且还包括生活在下层土壤中的有机体与河流的相互作用。STANFORD和WARD在1988年对河流系统的竖向领域进行了观测，他们认为这个区域的生物量远远超过河流的底栖生物量［9、10］。人类活动的影响主要是不透水材料衬砌的负面作用。如果对于自然河流进行人工渠道化改造，采用不透水的混凝土或浆砌块石材料作为护坡材料或河床底部材料，将基本割断了地表水与地下水间的通道，也割断了物质流。
在时间尺度上，河流四维模型强调在河流修复中要重视河流演进历史和特征。每一个河流生态系统都有它自己的历史。需要对历史资料进行收集、整理，以掌握长时间尺度的河流变化过程与生态现状的关系。河流系统的演进是一个动态过程。水域生态系统是随着降雨、水文变化及潮流等条件在时间与空间中扩展或收缩的动态系统。水域生境的易变性、流动性和随机性表现为流量、水位和水量的水文周期变化和随机变化，也表现为河流淤积与河流形态的变化，泥沙淤积与侵蚀的交替变化造成河势的摆动。这些变化决定了生物种群的基本生存条件。
生态系统的成长是一个过程，从长时间尺度看，自然生态系统的进化需要数百万年时间。进化的趋势是结构复杂性、生物群落多样性、系统有序性及内部稳定性都有所增强和提高，同时对外界干扰的抵抗力有所增强。从较短的时间尺度看，生态系统的演替，即一种类型的生态系统被另一种生态系统所代替也需要若干年的时间。自然河流生态系统的改变也需要很长时间。即使由于筑坝等人类活动对于水域生态系统的影响，也需要几十年的时间才能显现出来。同样，河流生态修复也需要时间，逐步恢复其结构和功能。有研究指出，湿地重建或修复需要大约15到20年的时间。因此对于河流生态修复项目要有长期准备，同时进行长期的监测和管理。期望河流修复能够短期奏效往往是不现实的。所有这些变化均应反映在河流的时间尺度中。
3、在流域尺度下进行河流生态修复的必要性
如上所述，河流水生态系统易受岸上周边地区影响，包括人类活动和自然过程。与此同时，河流始终是陆地生态系统中的一个重要而活跃的生态因子，对陆地生态系统的研究从来不能离开河流的研究而进行。因此，将流域视为一个复合生态系统，将河流生态系统和陆地生态系统的研究结合起来，在流域尺度下进行河流生态修复的研究，在理论及实践上都是十分必要的。
3.1人类活动影响的大尺度特征
人类对自然界的影响是大尺度的。研究表明，导致河流生态系统退化的主要原因不是在河流水体中形成，而多是在相连的其它生态系统中形成，并通过物质、能量等交换造成河流生态系统退化。事实上，湖泊、小溪、河流、水塘、地下水、湿地、农田、森林、草地、道路、城镇等多种生态系统形成了斑块（PATCHNESS）、廊道(CORRIDOR)和基质（MATRIX）的组合体，形成了生态学意义上的景观。这些生态系统之间有能量、物质、物种和信息流动与过滤［11］，人类活动对于任何生态系统的影响与其它生态系统的变化之间存在着相关性，与小而分散的空间相比，大且连续的空间可以构成更加丰富的生态体系，更能全面衡量人类活动影响的广度和深度。
3.2河流特性的决定因素
河流作为流域的一个组成部分，其特性归根结底是由流域特性决定了的，要想了解一条河流，首先必须了解河流所在的流域［12］。流域自然地理、气候、地质和土地利用等河流生态系统的外源影响因素决定着流域内河流的径流、河道、基质类型、水沙特性等物理及水化学特征，这些因素的变化对河流生态系统具有深远影响。比如，流域内的原始森林为农田所替代后，河流的光照水平显著增加，水温随之升高，从而导致藻类的增生；但木屑、落叶及其它粗有机颗粒物的输入量则明显减少，由此将对河流生态系统的物质和能量流造成重要影响，进而影响河流特性；植被稀少的流域比植被丰富的流域在雨后会产生更大的径流量，而大径流量会造成河道冲刷，从而影响河道地貌和河网密度；河流的水沙条件与流域所产生的水量和沙量直接相关。而流域内所产生的水量和沙量及其随时间的变化均因流域内的气候条件及地形、岩性、植被等特点而异。
3.3河流水污染
除河流栖息地形态和物理性质发生变化导致生物多样性降低之外，河流水质恶化是河流生态系统破坏的又一重要因素。在河流生态修复过程中，必须意识到水质及水生生物的重要性及相互关系，水质恶化导致水体生物量水平降低。同时，也削弱了某些水生生物在净化水体方面的重要作用。河流生态修复的前提应是控制向河流水体内污染物的排放量及污染物的性质。当前，是通过环境技术进行末端治理，提倡清洁生产，发展生态产业以及进行环境立法和资源管理来实现的。在整个流域内流入河流的物质可能被中途拦截或是被选择性过滤。地下水和地表水的流动可以被植物的地下部分和地上部分过滤，从而减少河道污染物的排放量，最大程度地减少沉积物转移，防止水体污染。这种过滤作用，不仅仅是物理作用，更是一种生物化学作用。这种过滤器和屏障作用与流域植被状况密切相关。任何中断缺口都会造成该地区过滤功能受到损害，使污染物自由地流入河流之中。显然，这种非点源污染的控制须在流域尺度下进行。
3.4水陆交错带
在河流生态修复规划中，必须对水陆交错带给予足够的关注。水陆交错带是介于河流和高地植被之间典型的生态过渡带，同时又是相对脆弱的地带。它的功能是在纵向上将上游和下游植被连为一体，在横向上是高地植被和河流之间的桥梁，健康的水陆交错带具有保持物种多样性，拦截和过滤物质流，提供生物栖息地，通过遮荫作用有利于鱼类繁育，稳定毗邻生态系统，有利于岸坡稳定等功能。
水陆交错带含有边界和梯度两个特点［13、14］，其范围通常是指景观和性质受水体及陆地两方面影响的地带。与毗邻的陆地生态系统和水域生态系统相比，交错带中生物多样性、初级生产力、次级生产力、土壤中腐殖质含量、对有机物质的降解速率都比较高。发育良好的水陆交错带具有一定的结构，这种结构在自然条件下呈与水边平行的带状，其植被因当地气候、土壤、微地形、水体营养状况和水文条件各异。按景观作用，可以将水陆交错带划分为四种类型：湖周(或水库、沼泽周边)交错带、河岸边交错带、源头水交错带以及地表水地下水交错带。
4、小结
从河流生态修复的特点、理论基础及河流与流域之间的动态关系可以看出，河流修复项目的实施需要了解流域特征，以及河流与流域之间所进行的能量、物质交换情况，应将流域内的不同级次的河流、水陆交错带、高地等部分作为一个系统进行考虑，综合规划，提出一套完善的实施措施和步骤。需要利用生态学、生物学、地貌学、泥沙学、水力学及景观学等多种学科的交叉研究成果。具体来说，在进行河流修复时应考虑到所修复河段上下游、干支流的情况。生物栖息地的修复不仅包括河道内的栖息地，还包括岸边区域栖息地和高地栖息地。我国现阶段河流修复中的首要任务是遏制流域内引起生态系统退化的污染，并在合理论证的基础上采取必要的修复措施。
需要说明的是，对于规划、评估、监测这些不同的任务，其工作对象的空间尺度可能是不同的。监测和评估工作可以在流域甚至是跨流域的尺度上进行。规划工作的尺度可以是流域或河流廊道。所谓“河流廊道”（Rivercorridor）泛指河流及其两岸与生物栖息地相关的土地，也有定义其范围为河流与对应某一洪水频率的洪泛区。至于河流修复工程项目的实施，一般在关键的重点河段内进行。
(原载《水利水电技术》2005年第5期)
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