1、河流生態修復理論技術及其應用 董哲仁  孫東亞  彭靜 中國水利水電科學研究院，北京 100038提要：本文提出了河流生態修復整體模型，系統闡述了水利工程對河流生態系統脅迫及其機理，對傳統意義上的水利工程規劃設計理念和方法進行了系統的反思，總結了河流生態修復規劃原則與評估方法及河流廊道生態修復技術，對典型示范工程進行了簡單介紹。關鍵詞：脅迫，生態修復，模型，示范工程THEORIES AND PRACTICES OF RIVER RESTORATIONDong Zheren, Sun Dongya, Peng JingChina Institute of Water Reso

2、urces and Hydropower Research, Beijing 100038, ChinaABSTRACTThe holistic model of river ecosystem structure and function is proposed. Stresses of hydraulic engineering on river ecosystems are analyzed comprehensively. Countermeasures and technologies are brought forward for ecological compensations

3、and rehabilitations, which overcome some shortcomings of traditional methodologies in hydraulic project planning, design and management. One demonstration project on river restoration is briefly introduced.Keywords: Stress, river restoration, holistic model, demonstration project1、前言  

4、0; 水利工程在防洪、灌溉、供水、發電、航運和旅游等諸多方面對于保障社會安全、促進經濟可持續發展發揮著巨大的作用，這是舉世公認的事實。但是另一方面，水壩和堤防建設、河道整治工程和跨流域調水工程等各類水利工程對于河流、湖泊生態系統也造成了脅迫效應。水利工程的負面影響主要表現為改變了自然水文規律和引起地貌特征變化，從而不同程度地改變了生境條件，導致淡水生態系統結構和功能的變化。    水利工程的生態影響問題引起了社會各界的廣泛關注，也逐漸變成了水利水電建設發展的瓶頸問題。如何正確對待和處理水利工程的生態影響問題，需要堅持可持續發展的原則，用辯證的觀點進行分析。在工程技

5、術層面上，縱觀傳統意義上水利工程的建設和管理目標，都是以建設和運行工程設施為手段，通過改造和控制河流，實現預期的經濟效益和社會目標。傳統意義上的水利工程盡管滿足了社會經濟需求，但是在不同程度上忽視了淡水生態系統的健康需求，因此對生態系統構成了脅迫效應。面對這個復雜問題，應堅持全面權衡利弊，力爭趨利避害的辯證思維方法，探索通過工程措施、生物措施和管理措施，盡量避免、緩解或補償水利工程對于河流生態系統的負面影響，達到社會經濟效益與生態保護二者兼顧的目標。    本文系統闡述了水利工程的生態影響現象，分析了脅迫效應的機理，對于傳統意義上的水利工程規劃設計理念和方法進行了

6、系統的反思，總結了河流生態修復規劃原則與評估方法和河流廊道生態修復技術，對典型示范工程進行了介紹。2、水利工程對河流生態系統脅迫和機理分析    自然力和人類活動對于淡水生態系統構成雙重脅迫。各類水利工程對淡水生態系統的脅迫是大規模人類活動的負面影響之一。這種影響主要表現為改變了自然水文規律和引起地貌特征變化，從而不同程度地改變了生境條件，導致淡水生態系統的結構和功能的變化。2.1水文生物生態功能河流連續體四維模型    本文作者根據近20多年來生態學理論的發展以及對于河流生態系統的認識深化，在前人提出的河流連續體概念（Vannote

7、, 1980）的基礎上，通過進一步完善，提出“水文生物生態功能河流連續體”概念。所謂“水文生物生態功能河流連續體四維模型”的內涵是：由河流水文水力學過程空間連續性；生物群落結構空間連續性；營養物質流和能量流空間連續性；信息流空間連續性為要素的河流連續體模型，同時，考慮水文、生物及河流生態系統演變和進化的動態特征，需要建立時間坐標和尺度。    （1）河流水文水力學因子三維連續性    河流的流動是水體一種不可逆的單向運動，河流的水文水力學因子用流量、水位、流速、脈動壓力、水溫等指標度量。如果在河流的某一橫斷面建立三維坐標系，即水流的瞬

8、時流動方向x軸（縱向），在地平面上與水流垂直方向y軸（橫向），與地平面垂直向下的z軸（豎向），借以考察河流的三維運動（圖1）。在縱向x方向河流的流動是主導方向，河流的流量、流速、脈動壓力、水溫等沿上中下游都是連續分布的，反映了河流順水流方向的連續性。河流是一個動態過程，河流依照水文學規律呈周期變化，形成年內洪水與枯水期交錯發生的格局。當洪水發生時，河水向側向y方向漫溢，使主流、河灘、河汊、靜水區和濕地連成一體，形成復雜的水流系統，這就是河流側向y軸的連通性。在豎向z軸是地表水與地下水連接的通道，通過滲透的方式向地下水補給。絕大部分自然河流的河床材料構成具有透水性的特征，因此在z方向水體的連續性

9、可以理解為滲透性。    （2）河流生物群落結構連續性    河流不僅是一個流動的物理系統，更是一個動態的生態系統。生物群落隨河流水文水力學特征（流量、水位、流速、流量、脈動壓力、水溫等）連續性變化也呈現連續性分布。盡管大型河流可能穿過不同的氣候分區，河流高程沿河流縱坡有很大差別，但是沿河流的生物群落仍然遵循連續性分布的規律。這不僅反映在沿河流廊道植被的連續性分布，而且水生動物、無脊椎動物、昆蟲、兩棲動物、水禽和哺乳動物等都是遵循連續分布的規律，形成豐富有序的食物鏈（網）。這種連續性的產生是由于在河流生態系統的演替過程中，生物群落對于

10、水域生境條件不斷進行調整和適應，反映了生物群落與淡水生境的適應性和相關性。    （3）營養物質流和能量流連續性    河流的連續性不僅是生物群落分布的連續性，更是生態系統生物學過程的連續性。由于水體具有良好的可溶性，使河流成為生態系統營養物質輸移、擴散的主通道。河流泥沙的輸移擴散是河流運動的重要的因子。附著在泥沙表面的營養物質隨泥沙的運動遷移轉化。河流的縱向（x軸）流動把營養物質沿上中下游輸送。在洪水季節洪水漫溢，又在橫向（y軸）把營養物質輸送到河灘、河汊、靜水區和濕地。每年洪水的到來，對于河流的水生生物和水陸交錯帶的植物無疑是莫大

11、的福音。在河流的豎向（z軸）河流向地下含水層的補給以及相對應化學成分的變化，并且在豎向還進行著營養物質的輸移轉化。正因為如此，大多數河床含水層存在著豐富的生物量。在上述3個方向營養物質的輸移轉化，表現為營養物質流與能量流的空間與時間連續性，使得下游的生態過程與上游的生態過程直接相關。    （4）河流信息流的連續性    河流為諸多魚類和其它水生生物提供生命信號。隨著水文周期的變化，河流水位消長。當洪水漫溢河灘和河汊、水陸交錯濕地，一些魚類離開河槽到河灘、河汊及濕地尋找避難所或產卵；當水位消落，魚類又回到河流主槽。魚類的這些生命活動是

12、對水位變化的正面響應。河流的流速、水溫等同樣是眾多水生生物的生命信號。我國著名的中華鱘是一種溯源產卵洄游魚類，每年秋季中華鱘成群結隊逆流而上，在長江上游重慶以上河段的深潭及金沙江的急流中產卵，幼魚順江游到大海，在海洋生活10余年后仍然返回長江上游，2000公里不迷路。其產卵季節與河流水溫帶來的信息關系密切，而河流的流速和脈動壓力無疑對洄游魚類長距離運動的導航信號。由于河流的水文水力學因子在空間上的連續性，就使得河流走廊的生態系統結構呈現連續性特點。由于河流水文水力學因子在時間上的連續性以及氣候因素的影響，就使得河流走廊的生物群落隨時間出現年內周期性的變化。2.2 人類活動和水利水電工程對于河流

13、生態系統的脅迫    人類活動對于河流生態系統的脅迫，從更大的尺度研究應該包括近代人類活動引起的全球變化如氣候變化引起河流徑流量的變化，酸雨引起的河流水質變化等。人類對水土資源的開發利用以及其他經濟活動引起對于河流的脅迫效應，包括：水污染，超量用水，土地利用方式變化，對湖泊和河流灘地的圍墾，生物入侵。幾千年來人類為了防洪安全與經濟發展，對于河流進行了大量的人工改造。特別是近一百多年來利用現代工程技術手段，對河流進行了大規模開發利用，興建了大量工程設施，改變了河流地貌學特征。河流近一百年來的人工變化超過了數萬年的自然進化。水利工程對于河流生態系統的脅迫主要來源于以下

14、兩個方面：一是河流的人工改造，包括1）自然河流的渠道化，2）自然河流的非連續化；二是跨流域調水工程，如圖2所示。河流的人工渠道化破壞了自然河流所特有的蜿蜒性特征，改變了深潭與淺灘交錯，急流與緩流交替的格局。不透水和光滑的護坡材料阻礙了地表水與地下水的聯通，改變了魚類產卵條件。這些因素的疊加，造成生物異質性下降，導致生物棲息地的質量的下降。水域生態系統的結構與功能隨之發生變化，特別是生物群落多樣性將隨之降低，引起淡水生態系統不同程度的退化。(a) 自然狀態河流，(b) 建設梯級水壩后的河流圖2 河流非連續化示意圖    上節提出的“水文生物生態功能河流連續體四維模型

15、”概念，說明河流生態系統是一種開放的、流動的生態系統，其連續性不僅指一條河流的水文學意義上的連續性，同時也是對于生物群落至關重要的營養物質輸移的連續性。大壩將河流攔腰斬斷，改變了連續性河流的規律，形成了河流的非連續性特征。流動的河流變成了相對靜止的人工湖，無論是庫區還是大壩下游河段的流速、水深、水溫及水流邊界條件都發生了變化。建有壩后式水電站的大壩運行是根據防洪和興利需要進行調度，采用人工泄流方式，壩后經常或間斷有水流下泄。堤防工程妨礙了汛期主流與岔流之間的溝通，阻止了水流的橫向擴展，形成另一種側向的水流非連續性。堤防把干流與灘地和洪泛區隔離，使岸邊地帶和洪泛區的棲息地發生改變。 &

16、#160;  跨流域調水工程打破了流域、水系的自然格局，改變了水文循環條件，對于水域和陸地生態系統產生脅迫效應。    針對水利工程對河流生態系統的脅迫問題，需要吸收生態學的理論知識，完善傳統的水利工程技術，探索生態水利工程建設技術方法，構建與生態友好的水利水電工程技術體系，開展河流生態修復工作。3、河流生態修復規劃與河流健康評估    河流生態修復規劃與評估包括四部分主要內容：現狀及歷史調查分析；制定河流生態修復目標；提出規劃對策，包括工程任務、管理措施和建立監測與評估系統；進行經濟生態效益綜合評估。  

17、;  編制河流生態修復規劃的主要技術流程如下：（1）明確規劃的總體思路，包括指導思想，遵循原則，體現人口資源環境協調的可持續發展觀和人與自然和諧的理念。（2）現狀調查與分析，包括社會、經濟及水資源狀況、水文氣象、地貌地質、河流演進歷史和形態、生物物種狀況和河流生態系統退化原因調查分析。（3）在調研的基礎上，制定河流生態修復目標。（4）確定規劃范圍、時間與空間尺度以及總體格局。（5）確定工程任務，主要包括水文條件（水量、水質和水文情勢的恢復；棲息地建設；瀕危、珍稀和特有物種保護與恢復。（6）建立河流生態監測系統和河流健康評估系統。（7）提出管理對策 （8）對于整個規劃進行經濟生態效益綜

18、合評估。3.1河流水系生態恢復的任務    河流水系生態恢復的任務有三大項：一是水質條件、水文條件的改善，二是河流地貌特征的改善，三是生物物種的恢復。總目的是改善河流生態系統的結構與功能，主要標志是生物群落多樣性的提高。    水質條件、水文條件的改善包括：水量、水質條件的改善，水文情勢的改善，水力學條件的改善。通過水資源的合理配置以維持河流河道最小生態需水量。通過污水處理、控制污水排放、生態技術治污、提倡源頭清潔生產、發展循環經濟以改善河流水系的水質。提倡多目標水庫生態調度，即在滿足社會經濟需求的基礎上，模擬自然河流的豐枯變化的水文

19、模式，以恢復下游的生境。    河流湖泊地貌學特征的改善包括：恢復河流的縱向連續性和橫向聯通性；保持河流縱向蜿蜒性和橫向形態的多樣性；外移堤防給洪水以空間并擴大灘地；退耕還湖和退漁還湖；采用生態型護坡以防止河床材料的硬質化。    生物物種的恢復包括:瀕危、珍稀、特有生物物種的保護；河湖水庫水陸交錯帶植被恢復；包括魚類在內從水生生物資源的恢復等。3.2 河流生態修復的規劃設計    河流生態修復規劃的指導思想是：以可持續發展理念為指導，評估河流的生態狀況，確定河流開發與保護的適宜程度，提出改善河流生態系統

20、結構與功能的工程措施和管理對策，促進人與自然和諧相處。    河流生態修復規劃的原則是：（1）河流修復與社會經濟協調發展原則；（2）社會經濟效益與生態效益相統一原則；（3）流域尺度規劃原則；（4）增強空間異質性的景觀格局原則；（5）生態系統自設計、自我恢復原則；（6）提高水系聯通性原則；（7）負反饋調節設計原則；（8）生態工程與資源環境管理相結合原則。    河流生態修復的目標不可能“完全復原”到某種本來不清楚的原始狀態，也不可能“創造”一個全新的生態系統，應該立足于我國江河現狀，在充分發揮生態系統自我恢復功能的基礎上，適度進行人工干

21、預，保證河流生態系統狀況有所改善使之具有健康和可持續性。3.3 河流健康評估    借鑒國外經驗，結合我國國情，本文提出了“可持續利用的生態良好河流”作為對河流健康的定義。    其概念包含雙重含意，一方面要求人們對于河流的開發利用保持在一個合理的程度上，保障河流的可持續利用；另一方面要求人們保護和修復河流生態系統，保障其狀況處于一種合適的健康水平上。它既強調保護和恢復河流生態系統的重要性，也承認了人類社會適度開發水資源的合理性；既劃清了與主張恢復河流到原始自然狀態、反對任何工程建設的絕對環保主義的界線，也扭轉了“改造自然”、過度開發

22、水資源的盲目行為，力圖尋求開發與保護的共同準則。    “可持續利用的生態良好河流”作為管理工具，需要提供一種評估方法，既評估在自然力與人類活動雙重作用下河流演進過程中河流健康狀態的變化趨勢，進而通過管理工作，促進河流生態系統向良性方向發展；又評估人類利用水資源的合理程度，使人類社會以自律的方式開發利用水資源。可持續利用的生態良好河流概念，把在自然系統中討論保護和修復河流生態系統的理念進一步拓寬，把自然系統與社會系統有機地結合起來。不僅要使河流為人類造福，也需要保護和修復河流生態系統；不僅需要以河流的可持續利用支持社會經濟可持續發展，也需要保障河流生態系統的健康和

23、可持續性。    河流健康評估的內容一般包括以下4方面內容：物理化學評估；生物棲息地質量評估；水文評估和生物評估。    （1）物理化學評估作指標可以反映河流水流和水質變化、河勢變化、土地使用情況和岸邊結構。與傳統水質評估方法不同，在健康評估中突出物理化學量測參數對河流生物群落的潛在影響；    （2）生物棲息地評估的內容是勘查分析河流廊道的生物棲息地狀況，調查生物棲息地對于河流生態系統結構與功能的影響因素，進而對棲息地質量進行評估。具體體現在河流的物理化學條件、水文條件和河流地貌學特征對于生物群落的適宜

24、程度，特別是對于形成完整的食物鏈結構和完善的生態功能的作用；    （3）水文評估的目的是分析水文條件的變化對于河流生態系統結構與功能產生的影響。所謂“水文條件”既包括傳統的水文參數，還包括水流的季節性特征和水文周期模式、基流、水溫、水位漲落速度等，這些都對魚類和其它生物的棲息繁衍產生影響；    （4）生物評估具體是分析水文條件、水質條件和棲息地條件發生變化對于河流生物群落的影響程度。可能產生的變化包括：水域生物群落物種成分變化；棲息地生物優勢種群的變化；物種枯竭；整個種群死亡率；生物行為變化；生理代謝變化；組織變化和形態畸變等。3

25、.4 棲息地評價    棲息地評價的目的是在揭示影響棲息地質量的關鍵環境因子，并定量地評價棲息地的質量。具體而言，是評價指示性生物的河流棲息地的質量狀況。河流棲息地評價模型的建立一般包括以下五個步驟：確定指示性生物及評價的時空尺度，構建棲息地適宜度函數，建立評估模型并進行驗證，構建棲息地評價模型時的參照系，構建棲息地評價模型所使用的數學方法。    目前，生態水力學模型方法在棲息地評價中獲得了廣泛應用。它是生態水力學的重要方法，在充分理解水動力學、水質、生物和生態動態特征相互作用機制的基礎上，描述生物過程和生態系統的實際特征，建立計算

26、模型，為河流環境整治和生態修復及管理提供技術支持。本文成果依據目標魚類的適好曲線，結合示范工程進行了生態水力學定量分析，評估不同布置方案的棲息地質量，完成河流修復示范工程優化設計(圖3、4)。  （a） 原設計                   （b） 修改方案圖3  生態水力學模型的河段地形 4、河流廊道生態修復技術    我國現階段河流修復中

27、的首要任務是遏制流域內引起生態系統退化的污染，并在合理論證的基礎上采取必要的修復措施。對于規劃、評估、監測這些不同的任務，其工作對象的空間尺度可能是不同的。監測和評估工作可以在流域甚至是跨流域的尺度上進行。規劃工作的尺度可以是流域或河流廊道。至于河流修復工程項目的實施，一般在關鍵的重點河段內進行。    我國河流生態修復工程的規劃設計應在滿足防洪等傳統工程目標的前提下，使工程適應自然生態系統的要求。河流修復的規劃和設計應采用系統方法，遵循自然規律，不僅能適應有固定邊界條件的河流，也能適應可變邊界條件的河流，而且要能保證在同一個工程目標下，不同工程技術人員能做出相似

28、的設計方案，系統方法是一個多次反復的過程。河流生態修復工程的目標應是部分地恢復河流的自然地貌、水力和生態功能，需要不同專業領域專家的參與并提供技術支撐。修復工程的規劃設計人員應包括地貌學、水文學、河流動力學、巖土工程和生態學領域的專家，此外還應包括關注這一工作的機構、個人、組織和其它利益相關者。    我國大多數河流都建有堤防工程，河流地貌不可避免要受到堤防工程的影響。從恢復自然環境功能但同時又能發揮防洪工程效益的角度出發，需要改進完善現有堤防的設計和建設方法，提出一些創新性的技術方法。    （1）洪水后退。這項措施包括清除河漫灘內

29、的所有結構物，把河道恢復到歷史狀態。設計河道形態時要使河流泥沙不會產生嚴重的沖刷和淤積現象，并能恢復到天然形態。河流形態可以自由蜿蜒，洪水可以漫灘，平均漫灘頻率為一年或兩年。從現實來看，這一理念在我國的應用將受到社會經濟發展的制約，對大多數已經建有堤防工程的河道而言，要實現河流形態的完全恢復是不切實際的。但對于尚未建造堤防工程的河段，在未來的防洪規劃中，可把這種非工程防護措施作為一個主要的待選方案。    （2）堤防后靠。這項措施與洪水后退措施在本質上是一致的，但河漫灘洪水被限制在兩岸堤防之間。堤防在布置上不應侵占蜿蜒帶，從而使河道在地貌變化活躍的廊道區域內仍可以

30、擺動。這項措施符合當前的洪水管理理念，但在很大程度上受經濟條件的制約。對于新建堤防，在堤線布置方面，應遵循宜寬則寬的原則，處理好河道行洪和生態保護要求與土地開發利用之間的矛盾，河槽和河漫灘不僅要能滿足設計洪水的行洪要求，還要保持一定的淺灘寬度和植被空間，為生物的生長發育提供棲息地，既可發揮河流的自凈化功能，又有利于地表和地下水的聯通。    （3）兩級河道。兩級河道實質上是大河道內套小河道，即上部河道主要用于行洪，枯水河道主要用于改善棲息地質量和提高泥沙輸移能力。上部河道可設計成公共娛樂場所或濕地型棲息地，枯水河道可設計成蜿蜒形態。  

31、0; （4）行洪河道。把現有河道恢復到原來的形態，同時建設一條行洪河道或大流量河道以滿足行洪需求。恢復的河道主要是為了修復棲息地，而行洪河道則可設計成濕地或低洼棲息地，或開發為旅游休閑地，其作用就如同一個分離的河漫灘。    （5）河道內棲息地加強結構。通過在河道內增加礫石、翼型導流設施（側堰）、堆石堰和魚巢等結構，可以增強河道棲息地功能。但在設計中，必須考慮這些結構對河道過流能力和泥沙輸移能力的影響，以保證防洪工程的可靠性。    （6）岸坡防護。在河道岸坡防護工程中引入樹木和灌木類植被，不僅能提供良好的生物棲息地環境，而且還可以增

32、加審美情趣。這類措施對防洪工程的改變最小，因此最容易實施，并強調在多孔性防護結構底部設置反濾層和墊層。此外，河岸植被將增進河道糙率，因此需進行詳細的水力學分析來評價這種影響。針對沖刷侵蝕嚴重的河段，本項成果開發了一些岸坡防護結構和產品，包括棕纖維生態墊、柔性護岸排、魚巢護岸砌塊、凈水石籠凈、水箱護岸砌塊，獲得2項發明專利和3項實用新型專利。5、河流生態修復實踐    在上述理論研究和技術開發的基礎上，開展了河流生態修復示范工程建設，包括浙江省海寧市辛江塘河道整治工程、深圳市田下河和觀瀾河生態修復工程、重慶市苦溪河生態修復工程，通過這些工程示范發展和完善了河流生態修

33、復的理論和技術方法，同時也取得了可觀的環境效益和社會效益。下面僅以浙江省海寧市辛江塘河道生態整治示范為例，予以簡單說明。    （1）基本情況    辛江塘（河）是海寧境內主干河流之一。西起萬興橋，東至袁花大虹橋，全長32.4 km，是境內西引東泄的主干河道，亦是橫貫東西的一條水上運輸通道。在辛江塘河道生態修復工程建設中，盡量做到水土保持措施與“國家級生態示范市”建設相結合、與安全帶植物綠化相結合、與環境整治相結合；淤泥堆放與肥田相結合；主干河道與交叉河道定位相結合；河道用地和借地相結合。    （2）工程規劃設計    根據辛江塘不同河段的功能要求，分為基本功能河段、兼顧城鎮建設功能河段、兼顧通航功能河段、具有飲用水源保護區功