河岸緩沖帶劃定及影響因素研究進(jìn)展*

周麗麗 殷培紅 耿潤(rùn)哲 王 萌

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心，戰(zhàn)略規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展研究中心，北京 100029)

2018年6月，國(guó)家審計(jì)署發(fā)布的《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)審計(jì)結(jié)果》顯示，近20年來(lái)，長(zhǎng)江兩岸1 km河岸緩沖帶內(nèi)城鎮(zhèn)面積增長(zhǎng)約52%，下游干流岸線開(kāi)發(fā)利用比例高達(dá)40%，導(dǎo)致干支流生態(tài)緩沖帶面積減少、生態(tài)系統(tǒng)破碎化趨勢(shì)加重[1]。由此可見(jiàn)，科學(xué)合理地劃定河岸緩沖帶，維持河岸緩沖帶生態(tài)水文功能穩(wěn)定發(fā)揮，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，維持人與自然和諧穩(wěn)定具有重要意義。

研究表明，河岸緩沖帶劃定由于受到流域自然地理?xiàng)l件、河流生態(tài)水文功能、流域空間尺度等因素的多重影響，需要因地制宜，采取合理的方法來(lái)劃定[2-4]。國(guó)外河岸緩沖帶劃定研究始于20世紀(jì)70年代，在定義、功能、結(jié)構(gòu)、生態(tài)管理框架等理論知識(shí)方面取得了一定成果[5-8]，并在河岸緩沖帶寬度定量化、生態(tài)修復(fù)與重建等實(shí)踐研究中取得了積極進(jìn)展[9]。近來(lái)年，國(guó)外眾多學(xué)者將地理信息系統(tǒng)(GIS)、無(wú)人機(jī)遙感、衛(wèi)星遙感等技術(shù)應(yīng)用到了河岸緩沖帶規(guī)劃與監(jiān)管中[10-11],[12]43-53。夏繼紅等[13]在梳理了國(guó)外河岸緩沖帶寬度參照值的基礎(chǔ)上，提出我國(guó)在河道建設(shè)和管理中河岸緩沖帶劃定的總體思路和方法。榮冰凌等[14]綜合考慮了生態(tài)環(huán)境、社會(huì)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素，又延伸探討了流域水環(huán)境管理保護(hù)線和控制線的確定方法。饒良懿等[15]綜述了河岸緩沖帶生態(tài)水文功能的研究進(jìn)展，提出了不同河岸緩沖帶發(fā)揮功能所需要的寬度。綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者也圍繞河岸緩沖帶生態(tài)水文功能發(fā)揮、劃定思路與方法等開(kāi)展了一些理論研究。

本研究主要圍繞以下3個(gè)問(wèn)題展開(kāi)綜述：一是對(duì)國(guó)內(nèi)外主要的河岸緩沖帶寬度劃定方法進(jìn)行綜述，分析其優(yōu)缺點(diǎn)；二是分析河岸緩沖帶生態(tài)水文功能對(duì)劃定的影響；三是分析不流域空間尺度對(duì)河岸緩沖帶劃定的影響。

1 河岸緩沖帶寬度劃定方法

河岸緩沖帶介于陸地植被區(qū)域和水域之間，屬于生態(tài)過(guò)渡區(qū)域，是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)性特征的獨(dú)特而又完整的生態(tài)系統(tǒng)。

劃定適宜寬度的河岸緩沖帶是河岸緩沖帶管理和建設(shè)工作的基礎(chǔ)，流域空間尺度、生態(tài)水文功能等對(duì)河岸緩沖帶寬度劃定均有重要影響[16-17]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度提出了多種河岸緩沖帶寬度劃定方法[18]259-269,[19]。

經(jīng)驗(yàn)值法(固定寬度法)是較早界定河岸緩沖帶寬度的方法。DOSSKEY等[20]336-343在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州某小尺度河流中，以保護(hù)水質(zhì)為目的，采用經(jīng)驗(yàn)值法劃定了9～35 m的河岸緩沖帶。QUINN等[21]在新西蘭科羅曼德為保護(hù)小尺度河流河岸緩沖帶無(wú)脊椎動(dòng)物，采用經(jīng)驗(yàn)值法劃定了9～35 m的河岸緩沖帶。該方法可以廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)資料較少的流域，但由于缺乏寬度與河岸生態(tài)功能內(nèi)在聯(lián)系的考慮，其劃定結(jié)果準(zhǔn)確度欠佳[22],[23]259-269。

簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型法是最常用的一種數(shù)學(xué)模型法。不同學(xué)者建立了多種簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型法，諸如單因子、多因子回歸模型法等。NIESWAND等[24]將坡度作為影響河岸侵蝕、截留泥沙的最主要影響因子建立了單因子回歸模型。LEOPOLD等[25]建立了流域集水面積與河岸緩沖帶寬度的冪函數(shù)單因子回歸模型。MANDER等[26]299-324綜合考慮地表徑流強(qiáng)度、流域坡降、坡度及土壤吸附能力等因素，建立了多因子回歸模型。由于不同流域的自然地理?xiàng)l件、生態(tài)水文功能等存在諸多差異，該方法在不同流域應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行修正。

復(fù)雜機(jī)理模型法也是一種數(shù)學(xué)模型法，有河岸生態(tài)系統(tǒng)管理模型(REMM)，農(nóng)田管理系統(tǒng)化合物、徑流及侵蝕模型(CREAMS)，植被過(guò)濾帶模型(VFSMOD)等。REMM是綜合考慮影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康多種因素的河岸緩沖帶劃定模型[27]，已在美國(guó)佐治亞蒂弗頓地區(qū)河岸緩沖帶劃定中得到了較好應(yīng)用[28]。范小華等[29]研究指出，REMM適用于自然坡面緩沖徑流條件下的河流，需要較多基礎(chǔ)資料，應(yīng)用具有一定困難。CREAMS適用于田塊尺度的河岸緩沖帶劃定，可模擬田塊徑流、侵蝕和農(nóng)用化合物流失過(guò)程，可確定河岸緩沖帶寬度與沉積物、污染物去除率的關(guān)系，但該模型不能在大尺度范圍內(nèi)應(yīng)用[30]。VFSMOD是能夠計(jì)算河岸緩沖帶對(duì)坡面地表徑流中泥沙凈化效果的數(shù)學(xué)模型，能夠計(jì)算緩沖帶的出流水量、下滲水量和泥沙截留效率，但該模型不能模擬泥沙吸附態(tài)污染物削減情況[31]。

基于GIS的數(shù)學(xué)模型法是在綜合考慮流域自然地理?xiàng)l件、生態(tài)水文功能等影響因素的基礎(chǔ)上建立的帶空間數(shù)據(jù)庫(kù)的河岸緩沖帶劃定模型，被廣泛用于大尺度流域河岸緩沖帶劃定及管理中[32]。LAURA等[33]在英國(guó)北威爾士康威流域綜合考慮了流域的土壤屬性、植被覆蓋率、土地利用類型、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、氣象條件、海拔高度及50年一遇的洪水位高度等因素，建立了基于GIS的數(shù)學(xué)模型，精確劃定了河岸緩沖帶。GHODEIF等[12]43-53在埃及伊斯梅利亞運(yùn)河流域?yàn)楣贪斗篮?、控制泥沙、保護(hù)河流水質(zhì)運(yùn)用了該方法，劃出了3級(jí)緩沖區(qū)。ABOOD[23]259-269將該方法在美國(guó)明尼蘇達(dá)州及密西根州的多個(gè)大尺度流域推廣，有效發(fā)揮了河岸緩沖帶固岸防洪、控制泥沙等生態(tài)水文功能。

不同河岸緩沖帶寬度劃定方法適宜的流域自然地理?xiàng)l件、精準(zhǔn)性各異，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。經(jīng)驗(yàn)值法和簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型法所需流域的基礎(chǔ)資料少，但未充分考慮劃定流域的自然地理?xiàng)l件、生態(tài)水文功能等影響因素，導(dǎo)致不同區(qū)域應(yīng)用的普適性較差，準(zhǔn)確度欠佳。復(fù)雜機(jī)理模型法所需數(shù)據(jù)資料較多，多應(yīng)用于小尺度流域?；贕IS的數(shù)學(xué)模型法是當(dāng)下劃定河岸緩沖帶的主流方法，但該方法需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料較多。

2 河岸緩沖帶生態(tài)水文功能對(duì)劃定的影響

河岸緩沖帶的生態(tài)水文功能體現(xiàn)在凈化河流水質(zhì)、固岸防洪、調(diào)節(jié)流域微氣候、保護(hù)生物多樣性、為河流生態(tài)系統(tǒng)提供養(yǎng)分和能量等[34-36]。

(1) 凈化河流水質(zhì)。河流兩岸一定寬度的緩沖帶種植植被，可以通過(guò)過(guò)濾、滲透、吸收、滯留、沉積等物理、化學(xué)和生物功能使進(jìn)入地表和地下水的污染物減少[37-38]。MANKIN等[39]在美國(guó)堪薩斯州東北部研究發(fā)現(xiàn)，寬度為8.3～16.1 m的“草+灌木”河岸緩沖帶可以有效去除地表徑流中97.9%～99.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的泥沙、42.9%～91.8%的總磷及44.4%～92.2%的總氮。VOUGHT等[40]在瑞典研究發(fā)現(xiàn)，8～16 m的草地河岸緩沖帶可去除地表徑流中66%～95%的總磷。MANDER等[26]299-324在愛(ài)沙尼亞研究發(fā)現(xiàn)，20～28 m的河岸緩沖帶可有效去除地表徑流中67%～81%的總磷。FENNESSY等[41]研究表明，20～30 m的河岸緩沖帶可去除地表徑流中幾乎所有的硝態(tài)氮。COLLINS等[42]在新西蘭研究表明，河岸緩沖帶對(duì)增加河流溶解氧、降低濁度、改善水質(zhì)有明顯作用。

(2) 固岸防洪作用。河岸緩沖帶對(duì)于減少河岸侵蝕、控制洪水和維持干旱季節(jié)河流流量作用明顯。研究表明，岸邊植被的消失，將會(huì)使更多的地表徑流進(jìn)入河流，在洪水季節(jié)，水流對(duì)河床的沖刷作用大大增強(qiáng)，容易破壞河流生境[43]。河岸緩沖帶主要通過(guò)吸收地表徑流和降低徑流流速來(lái)減少水流對(duì)河岸和河床的沖刷[44]。ABOOD等[18]259-269在美國(guó)多個(gè)州的流域研究得出，河岸緩沖帶寬度至少大于300 m才能有效發(fā)揮固岸防洪生態(tài)水文功能。

(3) 調(diào)節(jié)流域微氣候。河岸緩沖帶的植被可為河流提供遮蔭，同時(shí)還會(huì)減少流域附近的蒸發(fā)和對(duì)流，因此可調(diào)節(jié)流域微氣候。DOSSKEY等[20]336-343研究發(fā)現(xiàn)，如果清除河岸緩沖帶的植被會(huì)導(dǎo)致水溫上升。MELEASON等[45]在新西蘭旺格普阿原始森林研究得出，5～30 m的原始森林河岸緩沖帶還能有效降低日最高氣溫(降幅為3.2～3.4 ℃)。

(4) 保護(hù)生物多樣性。河岸緩沖帶所形成的特定空間是眾多植物和動(dòng)物的棲息地，因此劃定適宜寬度的河岸緩沖帶對(duì)有效保護(hù)生物多樣性具有重要意義。SPACKMAN等[46]在美國(guó)佛蒙特州研究發(fā)現(xiàn)，為保護(hù)小河流兩側(cè)90%的珍稀鳥類，需設(shè)置最低寬度為75～150 m的河岸緩沖帶。KINLEY等[47]在英屬哥倫比亞省某流域研究得出，為保護(hù)珍稀鳥類，需設(shè)置至少50 m的河岸緩沖帶。NEWBOLD等[48]在美國(guó)北加利福尼亞州研究表明，為保護(hù)無(wú)脊椎動(dòng)物群落，河岸緩沖帶寬度至少為30 m。

(5) 為河流生態(tài)系統(tǒng)提供養(yǎng)分和能量。PEIJL等[49]研究認(rèn)為，河岸緩沖帶植被的大量枯枝、落葉、果實(shí)和溶解性養(yǎng)分等進(jìn)入河流可為河流生態(tài)系統(tǒng)提供養(yǎng)分和能量。曾立雄等[50]認(rèn)為，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)滯留在河流中的大型樹木殘骸時(shí)，還會(huì)因?yàn)樽矒糇饔迷黾铀械娜芙庋酢?/p>

綜上，河岸緩沖帶具有多種生態(tài)水文功能，河岸緩沖帶生態(tài)水文功能發(fā)揮對(duì)劃定具有很大影響。河岸生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)目標(biāo)及側(cè)重的功能不同，要求的河岸緩沖帶寬度也不同，因此明確不同流域水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)及功能是劃定河岸緩沖帶的重要前提。

3 流域空間尺度對(duì)河岸緩沖帶劃定的影響

流域空間尺度不同，其河岸緩沖帶劃定的適宜方法往往也不同。表1總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者劃定不同流域空間尺度河岸緩沖帶時(shí)根據(jù)不同的目的所采用的劃定方法及劃定結(jié)果。小尺度和中尺度流域多采用經(jīng)驗(yàn)值法，大尺度流域通常采用基于GIS的數(shù)學(xué)模型法。

表1 不同學(xué)者劃定河岸緩沖帶采用的方法及目的

近些年，國(guó)外逐漸有將流域空間尺度作為河岸緩沖帶劃定的重要影響因素的趨勢(shì)。2008年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部林業(yè)局(USDA-FS)采用ROSGEN[56]的自然河流類型分類法，將自然河流劃分為9種類型，并制定出不同空間尺度河流的河岸緩沖帶劃定規(guī)范[57]。LEE等[58]梳理分析了加拿大和美國(guó)60部“地區(qū)河岸緩沖帶劃定指南”后指出，流域空間尺度越大，所需的河岸緩沖帶越寬，這是因?yàn)榱饔蚩臻g尺度大的河流所需發(fā)揮的生態(tài)水文功能較多，其生態(tài)保護(hù)目標(biāo)也更為豐富，因此需劃定較寬的河岸緩沖帶。

4 總 結(jié)

(1) 綜述了經(jīng)驗(yàn)值法、簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型法、復(fù)雜機(jī)理模型法、基于GIS的數(shù)學(xué)模型法等河岸緩沖帶劃定方法。不同劃定方法適宜的流域自然地理?xiàng)l件、精準(zhǔn)性各異，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

(2) 分析了河岸緩沖帶凈化河流水質(zhì)、固岸防洪、調(diào)節(jié)流域微氣候、保護(hù)生物多樣性、為河流生態(tài)系統(tǒng)提供養(yǎng)分和能量等生態(tài)水文功能對(duì)劃定的影響。

(3) 分析表明，流域空間尺度越大，所需的河岸緩沖帶越寬；流域空間尺度不同，其河岸緩沖帶劃定的適宜方法往往也不同。