河流水沙過程二重性及健康關(guān)系分析

董 荷

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

河流作為人類生命之水的主要獲取途徑，它對人類生產(chǎn)和生活起著重要作用，既可以在人類生存方面提供水源，在農(nóng)業(yè)方面提供灌溉，在畜牧業(yè)方面提供用水，在運輸業(yè)方面提供便利交通，還可以在生物多樣性方面提供基本的生存環(huán)境，且可以在人類發(fā)展過程中提供水電新能源的支撐。在河流系統(tǒng)中，有多種物理要素組成，其中水流、泥沙可以稱為河流的動力要素。但在人類對水流系統(tǒng)的開發(fā)使用中，容易對河流的系統(tǒng)產(chǎn)生影響，容易改變整個生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)?；诖耍疚膶恿鹘】档淖饔靡蛩剡M行了論述，其中最為主要的為對水沙過程的分析。

1 水沙過程二重性分析

1.1 自然水沙過程的二重性

自然河流在人類的生存和發(fā)展中起著重要的作用，它有很多形式的水沙過程,對整個生態(tài)環(huán)境也有舉足輕重的影響。河流對人類的引用水、農(nóng)作物的灌溉、新能源的電力提供、水路交通運輸、漁業(yè)和林業(yè)的發(fā)展等系列方面都展示了必不可少的服務(wù)功能，另外在生態(tài)環(huán)境的改善上，包括水源的凈化、污染物的降解、物種多樣性的保護等，同樣有著不容小覷的正向作用。

不過，萬事萬物都是具有兩面性的，水沙過程控制不力，會對人類的生存和發(fā)展起到反作用，同樣對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生威脅。對人類的反作用主要表現(xiàn)為，河流過盛容易造成洪澇災(zāi)害，以及河流不足容易產(chǎn)生旱災(zāi)，這些災(zāi)難問題同樣對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，容易導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的失衡，對物種多樣性產(chǎn)生直接影響。因此，自然河流在人類生產(chǎn)和發(fā)展，以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中起著二重性，既可以產(chǎn)生保護和積極的作用，又可以產(chǎn)生危害和抑制的反面作用。

1.2 治理開發(fā)下水沙過程的二重性

在河流的水沙過程的調(diào)節(jié)中，同樣存在一定的二重性，這包括在水資源的分配利用上，以及在水利工程的開發(fā)建設(shè)上。這些活動開展雖然一定程度上降低河流的負面作用，使得河水自然泛濫的危害程度降低，使得河流在人類和生態(tài)服務(wù)方面的效果提升。一些大型的水利工程，會對人類發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用，產(chǎn)生相當大的經(jīng)濟效益，比如中國三峽水電站這一巨型水利工程，它的成功建設(shè)在人類新能源的應(yīng)用，在電力的提供，在水災(zāi)的控制等方面產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益、社會效益、安全效益。相反，一些不合理的水資源開發(fā)運用，不僅會對人類發(fā)展產(chǎn)生消極影響，還容易對生態(tài)環(huán)境造成巨大威脅，比如阿斯旺大壩[2]，建設(shè)在非洲尼羅河對生態(tài)環(huán)境造成破壞，又比如歐洲萊茵河的渠化工程[3]、密西西比河系列攔水大壩[4],對當?shù)厣鷳B(tài)多樣性的影響，這些都會啟示我們注重對水資源合理利用。

1.3 水沙過程二重性所揭示的內(nèi)涵

根據(jù)以上闡述，我們明確了自然水沙過程、治理開發(fā)水沙過程都具有二重性，它們對河流系統(tǒng)的負面作用主要表現(xiàn)為，一方面缺少對水沙過程的基本約束調(diào)節(jié)，自然水沙容易造成泛濫，一方面過度的水沙過程的調(diào)節(jié)，容易導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境變化，出現(xiàn)不良的服務(wù)功能。這兩方面的表現(xiàn)，都反映了水沙過程的雙面性，是二重性的極端。再有不管是自然水沙過程，還是治理開發(fā)水沙過程，都有生態(tài)環(huán)境健康和服務(wù)功能健全的相同點,它們的主要不同點表現(xiàn)為:在自然情況下,河流系統(tǒng)的主要功能會受到外界環(huán)境影響產(chǎn)生變化,而治理開發(fā)下，河流系統(tǒng)的主要功能受到的是人類主觀的控制影響。

2 河流健康的主要威脅及其實質(zhì)

在人類水利開發(fā)活動中，由于受到人類行為的影響，河流的健康狀況呈現(xiàn)出多樣性，有的表現(xiàn)為積極因影響，有的表現(xiàn)為消極影響。人類不良行為對河流健康的主要威脅，可以分為直接破壞和間接破壞兩類。第一類直接破壞表現(xiàn)為，對森林和土地的過度開采造成水土流失問題，不合理的漁業(yè)和畜牧業(yè)養(yǎng)殖造成水資源過度使用問題，一些農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥以及生活工業(yè)廢渣廢水等污染問題。這些不合理的利用水源問題帶來的危害，是人類較為常見的，也是人類比較熟知的，這類問題的解決和預(yù)防，可以通過對人類行為加強控制進行解決，通過水利維護修復(fù)工程，可以逐漸的消除造成的影響，恢復(fù)河流的功能。

第二類，間接破壞表現(xiàn)為，在河流上興建的水利工程，包括水庫、防洪水壩、水電站等系列工程，雖然會對人類產(chǎn)生經(jīng)濟社會效益，對河流的泛濫起到調(diào)節(jié)作用，但一定程度上依然存在隱患。例如，人類經(jīng)濟不斷地發(fā)展，人們對河流水資源的開發(fā)不斷加大，過多的水利工程的建設(shè)或人類對開發(fā)認識不足，以及對水利工程的維護不到位，容易出現(xiàn)對河流健康的影響行為，造成間接地破壞。

具體以阿斯旺水庫建庫前后年內(nèi)徑流變化進行分析，如圖1所示，阿斯旺水庫建庫前后河流水沙過程發(fā)生過很大的變動。同樣，其它的水利工程建設(shè)，包括對水資源的跨區(qū)域調(diào)動、河道的不斷增加或堤壩建設(shè)等都容易引起河水的變動，使得河水水量或沖淤發(fā)生改變等等。

圖1 阿斯旺高壩修建前后尼羅河入海流量過程

基于此，我們可以確認在河流健康的潛在威脅方面，水沙過程變化對河流的健康具有較為實質(zhì)的影響。

3 水沙過程變化與河流健康的關(guān)系

3.1 河流系統(tǒng)對水沙過程變化的響應(yīng)

3.1.1 水沙過程變化與河床邊界的調(diào)整

河床的形成主要是依靠水流的沖擊，具體水沙兩相流產(chǎn)生的河床沖擊特征，主要是受到徑流水平、變幅、各流量的有效沖擊時間等因素影響。河床的變化影響因素是泥沙，包括泥沙的數(shù)量和形狀大小都是主要的影響點，不同的影響程度會導(dǎo)致不同的河床變形，形成不同的平面和斷面，整體可以描述為水、沙和河床是一種整體聯(lián)系和互相影響的關(guān)系。

水沙過程變化對下游有不斷地較遠距離的沖擊，具體沖擊的影響程度對下游水位變化、河流的特征變化、河岸的穩(wěn)定程度等有一定影響。河床邊界特征變化會具體影響河流的形狀尺寸、植物組成、河流的形態(tài)、河岸的坡度、整體河流的蜿蜒度等等。水沙過程變化和河床邊界特征變化，在不同的時間和空間會產(chǎn)生不同的影響形式，這些影響形式表現(xiàn)各異，對河流系統(tǒng)的服務(wù)功能有一定程度的影響，各因素的作用關(guān)系可詳見圖2所示。

在防洪方面，水庫能發(fā)揮一定的作用，可以較好的對上游洪水起到調(diào)節(jié)作用，對中游地區(qū)的洪水進行緩和，對下游的防洪壓力進行控制，但單一水庫的調(diào)節(jié)可能對水庫區(qū)域產(chǎn)生新的防洪壓力。

3.1.2 水沙過程變化與河流水環(huán)境

根據(jù)分析可以看出，河流水環(huán)境情況、河流的徑流情況、河流的泥沙特征、河床邊界特征，它們之間既相互作用又相互制約。在自然河流中，水環(huán)境與河流系統(tǒng)是有一定平衡關(guān)系的，互相的適應(yīng)。不過，當自然河流受到外界污染等，在河流水質(zhì)的變化上，水沙過程會成為要因。水庫的建設(shè)對河流水沙過程有明顯的影響，對原來的平衡產(chǎn)生影響，進一步改變著河流水環(huán)境特征。

從水流條件變化角度，對河流水質(zhì)的影響進行分析，主要的影響包括兩個方面，一方面是導(dǎo)致污染物混合能力和稀釋能力的變化，一方面是導(dǎo)致污染物復(fù)氧降解能力的變化。這兩方面的變化都和水流的特征變化有較深的關(guān)系，受到水流大小、速率等的直接影響。水庫的建設(shè)會引起水沙攔截、污染累積，進一步對污染物稀釋和降解自凈能力產(chǎn)生影響。在水庫的下游區(qū)域，徑流的變化可以調(diào)整水量的分配,對污染物稀釋水量產(chǎn)生影響，通過水庫合理調(diào)整汛期和枯季的河水流量，可以有利于水質(zhì)的改善。另外，泥沙的特征變化不容忽視，尤其是它對河床形態(tài)變化的影響，對水質(zhì)的影響。水庫的建立，可以降低下泄泥沙含量,使得河床泥沙粗化,進一步減少污染物在泥沙顆粒上的吸附和降解，再有水沙搭配關(guān)系變化會影響下游區(qū)域河道的變形,容易造成河道的端面和坡度變化，降低了水流的沖擊力等，減緩了下游污染物的遷移，對河流自凈能力有影響。

圖2 水沙過程變化與河床邊界及河流服務(wù)功能間的關(guān)系

3.1.3 水沙過程變化與河流生態(tài)

河流生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境主要是由流動和變化的水沙動力因素和水流沖擊形成的河道形態(tài)。水沙過程對水生植物有較大的影響，主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)生存環(huán)境的影響，包括水深、營養(yǎng)、基質(zhì)等,另外水流的變化對水生物的食物尋覓、繁殖后代等都會有影響。

水沙過程在水生物生存方面的影響較為直接，會很容易表現(xiàn)出來。在自然河流中，與河流相關(guān)的生物群落與河流的水文特征關(guān)系緊密，互相適應(yīng)，一旦河流水文特征出現(xiàn)改變，會對生物群落的結(jié)構(gòu)和數(shù)量產(chǎn)生直接影響。在實際河流變化記錄中，有的水文特征改變后直接導(dǎo)致了水生物的遷徙受阻，無法按照原有生活特性生存，出現(xiàn)數(shù)量迅速減少問題。

水沙過程對河流生態(tài)系統(tǒng)有很普遍的影響，不僅包括水文特征改變造成外來生物的入侵、原有生物無法適應(yīng)變化后的生存環(huán)境，還包括泥沙的變化對河流營養(yǎng)源分布造成破壞、灘槽營養(yǎng)循環(huán)受到影響，以及洪水流量對河道沖擊的變化造成河流橫向連續(xù)性變化，使得河床變化破生物群落壞棲息地的多樣性。另外，河床的變化,對棲息地自然演替產(chǎn)生影響，降低了生物群落的更新速率，影響生物多樣性。

總之，水沙過程變化，以及附帶引起的河床形態(tài)變化,都能給河流生態(tài)環(huán)境造成影響，具體影響的正面或負面決定了生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。

3.2 河流系統(tǒng)對水沙過程的適應(yīng)性

3.2.1 水沙過程的漸變和突變

在水沙過程的漸變和突變中，都離不開人類的活動，都或多或少受人類水資源開發(fā)利用影響。水沙過程的漸變基本是在河流自然的變化范圍內(nèi)，一旦變化巨大或日積月累容易造成水沙過程的突變。實際人類水資源開發(fā)中，進行水電建設(shè)等是水沙過程突變的一項主要因素。我們可以對黃河流域進行研究,黃河流域多年平均徑流量為423億 m3,到1989年黃河上游水庫庫容約為522.5億 m3,但在小浪底等水利工程投入使用后，黃河流域各類水庫的總庫容增至720億 m3。黃河自1989年以來庫容系數(shù)由1.24增至1.70,水沙過程改變較為明顯(庫容系數(shù)=用水庫總庫容/徑流總量×100%,可以表示水庫對徑流的調(diào)節(jié)程度)。這種水沙過程突變，從一定層面講對黃河健康影響較大，是關(guān)鍵影響因素之一。另外，對長江流域進行研究，長江宜昌站的多年平均徑流量為4 382億 m3,通過對上游大型水庫庫容計算得到1964-2010年庫容系數(shù)逐年變化情況,如圖3所示。通過圖可看出，在70年初和90年代后期,水庫對水沙過程的調(diào)節(jié)作用較為突出，整體的庫容系數(shù)不斷增加，在2013年該數(shù)據(jù)已達到18.83%。這充分說明，長江流域水利工程的建設(shè)使用，造成長江流域水沙過程突變的危險性提升。

圖3 長江上游庫容系數(shù)逐年變化

3.2.2 河流系統(tǒng)對水沙過程的適應(yīng)性

水沙過程變化會引起河流系統(tǒng)的自適應(yīng)性,可以從以下兩個方面進行分析：

(1)河床邊界的不斷調(diào)整是整體適應(yīng)性的體現(xiàn)，主要表現(xiàn)為長年累月的沖淤平衡,河型和河勢基本穩(wěn)定。另外，這種適應(yīng)性不是絕對的，在短時間的水沙過程變化,容易在河段造成較大范圍的沖刷或淤積,這樣會導(dǎo)致河勢和河型跟著產(chǎn)生改變。不過這類的改變不是長期的，相對時間比較短，影響范圍比較局部，從長遠角度看河道仍然可以趨向平衡。

(2)河流水環(huán)境的適應(yīng)性展現(xiàn),主要表現(xiàn)為水環(huán)境系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。水環(huán)境系統(tǒng)不是封閉的，是與外界互相影響的開放系統(tǒng),它們可以在物質(zhì)、能量等多方面進行交換,以及內(nèi)部出現(xiàn)物理變化和生物變化等。通?？梢哉f，水環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整、功能健全，它們之間可以相互適應(yīng)，進行各自調(diào)節(jié)。

3.3 河流健康的實質(zhì)

從水沙過程這一影響因素分析，河流健康的表現(xiàn)主要是在以下兩方面：

(1)河流的生態(tài)環(huán)境功能和人類服務(wù)功能可以互相統(tǒng)一指標，有了明確的調(diào)控的對象。河流系統(tǒng)的各功能是互相影響的，不是各自獨立，如果河流系統(tǒng)在一些方面功能增強，勢必會在其它功能上減弱。在長期的研究中，根據(jù)水環(huán)境和生態(tài)的互相作用關(guān)系，部分專家提出了系列河流健康保護措施,不過實際發(fā)現(xiàn)這些保護措施往往會和河流的實際服務(wù)功能沖突，很難做到兩者兼顧。

(2)它確定了河流健康維護的目標,在河流的綜合運用上有很好的指導(dǎo)意義。很久以來，對水沙調(diào)控的認識不足,造成河流治理中出現(xiàn)較多不良問題，比如：對徑流調(diào)節(jié)雖然一定程度上對河道防洪、航運有利,但隨著時間累積，河床變化較大，容易造成河岸土地變化，導(dǎo)致原有防洪工程失效,出現(xiàn)淺灘現(xiàn)象，對航運發(fā)展產(chǎn)生阻礙。從根本上分析，這是因為水沙調(diào)控不合理導(dǎo)致，因此必須研究和找出了人類綜合行為對臨界水沙閾值體系的影響，只有這樣才能確定河流開發(fā)利用的合理限度，為人類的河流開發(fā)和水沙過程控制提供指標依據(jù)。

4 結(jié)語

當今社會，人類越來越重視人類開發(fā)水資源可能帶來的不良后果，并積極對可能產(chǎn)生的不良后果進行預(yù)防控制等。河流的健康與否，是現(xiàn)在水資源開發(fā)利用中最為關(guān)注的問題，它不僅關(guān)系到人與自然的和諧相處,還關(guān)系到水資源能否可持續(xù)發(fā)展。本文先對河流水沙的二重性進行了論述，然后對河流健康的潛在威脅進行了分析，隨后對河流健康的內(nèi)涵進行了討論，論述了其與水沙過程變化的相關(guān)性，提出了健康河流的基本概念，分析了健康河流在維持河流生態(tài)環(huán)境，及在人類服務(wù)中的功能，明確了健康河流和水沙過程調(diào)節(jié)的基本關(guān)系[6]。保證河流的健康可持續(xù)發(fā)展是一項艱巨的工作,它不僅是對各方面研究的系統(tǒng)總結(jié),還是對人類改造河流的探索。