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1、河流生态修复的规划与设计方法研究董哲仁，孙东亚，赵进勇（中国水利水电科学研究院，北京 100038）摘 要：本文阐述了河流生态修复的目标、任务以及时空尺度等基本问题，并对河流生态修复规划原则、设计方法和规划技术工具进行了总结和发展，同时提出了河流结构功能整体模型作为河流生态修复的科学基础，最后介绍了河流生态修复工程案例。关键词：河流生态修复，规划，设计1 概述人们对于河流生态系统的胁迫效应反思和总结以后，认为应试图缓解对河流生态系统的压力，对于各种胁迫因素给予补偿，恢复河流生态系统原有面貌，于是出现了“河流恢复（river restoration） ”的概念和相应工程技术。美国土木工程师协会
2、(ASCE) 对于“河流恢复”有以下定义：“ 河流恢复是这样一种环境保护行动，其目的是促使河流系统恢复到较为自然的状态，在这种状态下，河流系统具有可持续特征，并可提高生态系统价值和生物多样性。”（ASCE，2003） 。西方发达国家经历一百多年对于河流大规模开发利用的工程建设以后，从 20 世纪 50年代开始，逐步把重点从开发利用转向对河流的保护。从 50 年代开始以水质恢复为第一阶段，到 80 年代初期转入第二阶段即河流生态恢复阶段。80 年代初期的特点是建设小型河流的生态恢复工程，到 80 年代末进入以单一物种恢复为标志的大型河流恢复行动。90 年代开始规划流域尺度的河流生态整体恢复工程并
3、开始若干示范工程建设。目前发达国家的河流生态恢复建设正处于方兴未艾的形势中。我国的河流生态修复工作起步较晚。90 年代末我国水利部门开始探索通过应急调水的方法恢复急剧退化的河流生态系统并取得初步成功，这些试点包括塔里木河、黑河和扎龙湿地等。应急输水缓解生态系统急剧退化是修复河流生态的一次有益的尝试。到 21 世纪初水利部门开展了水域生态修复规划编制的试点，这些试点包括海河流域生态环境修复水资源保障规划、桂林漓江、武汉、无锡的水生态修复规划。与此同时，一些中小型河流的生态修复试点工程陆续开展，包括北京市、浙江省、重庆市等。2 河流生态修复的目标、任务以及时空尺度2.1 河流生态修复的目标按照国际
4、生态恢复学会（Society of Ecological Restoration）的定义，生态修复是帮助研究和管理原生生态系统的完整性的过程，这种完整性包括生物多样性的临界变化范围、生态系统结构和过程、区域和历史状况以及可持续的社会实践等。在“河流生态恢复” 的目标方面，学术界存在着不同的表述，这些表述也反映了不同的学术观点，从过程、目标到相关措施都有很大的差异。对于河流生态恢复定义有以下主要表述：“完全复原” (Full restoration)，定义为“使生态系统的结构和功能完全恢复到干扰前的状态”（Cairns,1991)。完全复原首先是河流地貌学意义上的恢复，这就意味着拆除大坝和大部分
5、人工设施以及恢复原有的河流蜿蜒性形态。然后，在物理系统恢复的基础上促进生物系统的恢复。“修复”（Rehabilitation） ，定义为“部分地返回到生态系统受到干扰前的结构和功能 ”。通过生态修复方案的实施，在大多数情况下，具有重要功能的可持续的生态系统和栖息地仍可以被重建。“增强”， （Enhancement） ，定义为 “环境质量有一定程度的改善” （National Research Council 1992） 。典型的增强措施包括改变具体的水域、河道和河漫滩特征以补偿人类活动影响。比如改变河流内鱼类栖息地结构等。但有的学者认为，这些增强措施虽能提供改善栖息地条件的机遇，但缺乏生态学基
6、础，其有效性受到置疑（Beschta et al. 1994） 。“创造”， （Creation） ，定义为“ 开发一个原来不存在的新的河流生态系统，形成新的河流地貌和河流生物群落”（National Research Council，1992 ） 。创建新的栖息地的做法是一种管理手段，试图把丧失栖息地的影响降到最低或弥补这种影响。“自然化”（Naturalization） ，由于人类对于水资源的长期开发利用，已经形成了一个新的河流生态系统，而这个系统与原始的自然动态生态系统是不一致的。在承认人类对于水资源利用的必要性同时，强调要保护自然环境质量。通过河流地貌及生态多样性的恢复，达到建设一个具
7、有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统（Rhoads and Herricks，1990） 。2.2 河流生态修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
8、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；退耕还湖和退渔还湖；采用生态型护坡以防止河床材料的硬质化。生物物种的恢复包括：濒危、珍稀、特有生物物种的保护；河湖水库水陆交错带植被恢复；包括鱼类在内从水生生物资源的恢复等。2.3 河流生态修复的时空尺度景观生态学中的所谓“尺度” （scale ）是指在研究某一生态现象时所采用的空间和时间单位，同时又可以指某一生态现象或生态过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率。前者是从研究者的角度定义的单元，带
9、有很强的主观性。而后者是自然现象的客观存在。人们认识客观世界的过程，应努力使主观认识与客观的自然现象相符合，尽可能使研究尺度与客观时空尺度相一致。2.3.1 时间尺度与空间尺度河流生态系统的演进是一个动态过程，确定合理的时间尺度就是为正确反映系统的动态性。对河流产生重要影响的地貌和气候变化，其时间尺度往往在数千年到数百万年，因此如果要追溯河流的演进历史，其时间尺度起码要跨越数千年。靠人工适度干预的河流生态修复规划的时间尺度往往需要数十年，比如湿地的恢复和重建就需要 15 至 20 年。另外，同一种过程也会有不同的时间尺度，比如对于河流变化产生重要影响的土地利用方式改变的时间尺度就有多种：农业种
10、植结构变化的尺度要几年、城市化进程要数十年、森林植被变化数百年，如此等等。总之，要基于不同的研究目标选择适当的时间尺度2.3.2 河流生态系统的空间尺度设定河流生态系统空间尺度的目的是为了体现生态系统的整体性原则，不可能孤立地研究单一尺度的生态系统。生态系统的完整性包括生命支持系统的完整性和生物完整性。不同尺度的河流生态系统之间是相互作用的，生态系统的诸多功能比如物质运动（径流、泥沙、营养物质等） 、能量运动（食物网） 、生物迁徙等都是在不同尺度的生态系统之间进行的。这可以解释为某一尺度的生态系统的外部环境是一个尺度更大的生态系统。一方面，该系统的结构、功能是更大尺度系统的一部分（当然不可线性
11、叠加） ，另一方面，该系统与较大尺度的系统存在着输入/ 输出关系。比如河流廊道尺度被流域尺度所环绕，在流域尺度发生的物质运动、能量运动、物种迁徙等，对于河流廊道来说是一种外部环境。同时物质、能量是在河流廊道与流域之间进行交换和相互作用，生物体也在二者间进行迁徙运动。在景观生态学中用 3 种基本元素定义特定尺度下的空间结构，这 3 种基本元素是：基底（matrix） 、斑块(patch)和廊道( corridor) 。每一级尺度在其层次内都具有自身的空间格局。不同尺度对应的空间结构要素具有不同定义和不同的空间格局，因此需要考察尺度与空间结构元素之间的相关关系。河流生态系统的空间尺度有多种划分，笔
12、者认为可以大致划分为景观、流域、河流廊道和河段等 4 种。(1) 景观生态学把生物圈划分为 11 个层次，依次是生物圈、生物群系、景观、生态系统、群落、种群、个体、组织、细胞、基因和分子。这里所说的“景观”（landscape）是指第 3 层次上的尺度，可见景观是相当大的一种尺度。在实际应用时，可以定义为自然地理区域（region ） ，也可以定义为特大型河流流域，如长江、黄河、珠江流域等，或者定义为跨流域的空间尺度。景观可以定义为土地覆盖（land cover）的陆地格局，这种覆盖包括两类：即自然覆盖（森林、灌丛、沼泽、荒漠等）和人工构筑物（城市、道路、村镇等） ，反映自然地域和人类活动地域
13、。景观的空间结构中的基底，通常是占支配地位的自然植被群落（如草原型、森林型、湿地型、沙漠型等）或者是以耕地、牧场为主的生态系统。斑块有两类：具有自然属性的斑块包括森林、湖泊、湿地等，具有社会属性的斑块包括耕地、城市带、开发区、村庄等。廊道包括河流、峡谷、道路等。(2) 流域严格说，采用流域作为一种尺度不很确切，因为不同的流域尺度在几何意义上相距甚远。但是大小不同的流域却有类似的生态结构特征，所以流域尺度常被采用。在本文中，流域尺度主要指中小型河流流域和特大型河流的支流流域。流域的自然地理、气候、地质和土地利用等要素决定着河流的径流、河道、基底类型、水沙特性等物理及水化学特征，这些因素对河流生态
14、系统具有深远影响。在流域内进行着水文循环的动态过程，包括植被截留、积雪融化、地表产流、河道汇流、地表水与地下水交换、蒸散发等。河流生态系统的生态过程包括系统的结构、功能、景观异质性、斑块性、植被、生物量等因子与水文过程密切相关，生态过程所发生及涉及的范围，与水文过程的范围往往在流域尺度中重合。换言之，水文过程与生态过程在流域这种空间单元内实现一定程度的耦合。流域集水区的土壤水滋润着大部分陆生植被，无数溪流和支流成为陆生生物与水生生物汇集的纽带，从而形成完善的食物网。在流域尺度上，更关注水系、上中下游、河口三角洲、洪泛滩地、河床结构等这些空间基本元素。(3) 河流廊道河流廊道（river cor
15、ridor）包括河道、两岸植物群落、洪泛滩区和支流等，也有学者建议按照某一频率下洪水的淹没范围划定河流廊道宽度。河流廊道具有很高的生态功能。一方面，河流廊道是河流生态系统的物质流、能量流、信息流的重要通道，又是连接流域的上中下游以及洪泛平原的纽带。另一方面，河流本身又是大量水生动植物、鸟类、水禽和无脊椎动物的栖息地，有其自身的空间结构元素组合。两岸森林和灌丛是河流廊道的主要基底。空间格局中的斑块包括自然部分如湿地、草灌、牛轭湖、江心岛等；人工部分包括居民区、开发区、游览休闲区等。(4) 河段可以理解河段(reach)是相对较小的栖息地与生物群落的组合，起关键作用的是河流地貌形态及其对应的水流流
16、态。比如河流纵坡、蜿蜒性、河流断面材质和几何形状等所相应的流速、水深、脉动压力等水力学条件，由此产生不同的栖息地空间异质性。而生物群落多样性则与空间异质性条件具有正相关关系。所以河段的特征往往用急流、缓流、静水区等描述。结构元素中斑块包括深潭、浅滩、池塘、河滩水生植物区等。从河流利用角度，也常按照物理、化学、生物等属性划分河段，如水功能区、自然保护区等。需要说明的是，对于规划、评估、监测这些不同的任务，工作对象的空间尺度可能是不同的。监测工作应该在尽可能大的尺度内进行。比如修复一块湿地以吸引鸟类，经过一年或者更长的时间均告失败。这就需要考虑是否有质量更好的生境吸引了候鸟而改变了它们的迁徙路线，监测工作可能在大陆的范围内开展。评估工作可能在流域或跨流域的尺度上进行。河流生态修复规划工作的尺度应该是流域。河流生态修复工程规划可以在河流廊道范围内进行。所谓“河流廊道”（River corridor）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。3 河流生态修
