強干擾河流生態(tài)學(xué)基本問題與技術(shù)體系探析

張云昌，趙進勇

（1.水利部三峽工程管理司，100053，北京；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

一、概 述

近40年來，我國水利工程建設(shè)為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)保障，但也對自然環(huán)境特別是對水生態(tài)系統(tǒng)形成了巨大壓力。一方面，在保障供水、發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉和水力發(fā)電、防洪安全等方面發(fā)揮了巨大作用；另一方面，也使江河湖泊面貌發(fā)生了巨變。在河流上建設(shè)的水壩和各類建筑物大幅度改變了河流地貌景觀和水文情勢；過度的水資源開發(fā)利用造成河流干涸、斷流，對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重大影響。如何使水利工程運行管理與水生態(tài)保護和諧統(tǒng)一成為水利部門的重要課題，比如已建大壩增設(shè)魚道的理論基礎(chǔ)和依據(jù)，河道型水庫的管理依據(jù)是河流或湖泊，強干擾河流生態(tài)修復(fù)目標如何制定，強干擾河流的健康標準如何確定，河流開發(fā)的限度與閾值如何表征與度量，流水變?yōu)殪o水后河流上游生物適應(yīng)性策略調(diào)整時支流系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)意義如何認識等。

近年，世界范圍內(nèi)河流生態(tài)學(xué)研究出現(xiàn)了一些新特點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①建立在全球水文圈—生物圈、流域、河流廊道和河段等多尺度大量觀測資料基礎(chǔ)上的河流生態(tài)系統(tǒng)過程研究，豐富了河流生態(tài)學(xué)理論。②改變了長期以來河流生態(tài)學(xué)以原始自然河流為研究對象的局面，研究重點轉(zhuǎn)向自然和人類活動雙重作用下的河流生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律，適應(yīng)了近百年來河流被大規(guī)模開發(fā)和改造的現(xiàn)實。③社會需求的增長為河流生態(tài)學(xué)的發(fā)展提供了動力。河流生態(tài)學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，特別是為流域一體化管理和河流生態(tài)修復(fù)提供了一種科學(xué)工具，為管理決策提供了多種選擇。④信息技術(shù)的發(fā)展，特別是遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)為河流生態(tài)學(xué)大尺度的景觀格局分析提供了工具。⑤河流生態(tài)學(xué)與相關(guān)學(xué)科交叉融合，形成了許多新的學(xué)科生長點，一批邊緣交叉學(xué)科興起。

總體來看，水域生態(tài)系統(tǒng)研究重點是水域生命系統(tǒng)與生命支持系統(tǒng)之間復(fù)雜、動態(tài)、非線性、非平衡的關(guān)系，其核心問題是研究水域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能，以及生物與生境因子之間耦合、反饋關(guān)系。在大壩阻隔、航道建設(shè)、梯級水庫累計影響、過度取水、河渠硬化等強干擾人類行為影響下，水域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)過程、結(jié)構(gòu)和功能已發(fā)生巨變，形成了新型生態(tài)系統(tǒng)，需要深刻理解這種新型生態(tài)系統(tǒng)的特點，進一步指導(dǎo)水利工程的建設(shè)運行，亟須構(gòu)建強干擾河流的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論，為生態(tài)友好的水利水電工程運行管理提供理論基礎(chǔ)。

二、強干擾河流的定義、分類及生態(tài)學(xué)特征

1.強干擾河流定義

強干擾河流可定義為：河流生態(tài)系統(tǒng)受到自然、人為因素或二者的共同干擾，使系統(tǒng)的某些要素或系統(tǒng)整體發(fā)生不利于生物和人類生存要求的量變和質(zhì)變，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生與原有平衡狀態(tài)或進化方向相反的較大位移。具體表現(xiàn)為河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和固有功能的破壞或喪失、生物多樣性下降、穩(wěn)定性和抗逆能力減弱及生產(chǎn)力下降。

2.強干擾河流分類

根據(jù)干擾類型，可將強干擾河流分為自然強干擾河流和人為強干擾河流；根據(jù)干擾機制，可分為物理強干擾河流、化學(xué)強干擾河流、生物強干擾河流；根據(jù)傳播特征，可分為局部強干擾河流、跨邊界強干擾河流。

3.強干擾河流生態(tài)學(xué)特征

強干擾河流會發(fā)生系列生態(tài)學(xué)變化。生物多樣性方面，首先是特征種、優(yōu)勢種消失，然后從屬種相繼消失，伴生種迅速發(fā)展，生物多樣性發(fā)生變化，質(zhì)量下降，價值降低，功能衰退；層次結(jié)構(gòu)方面，種類組成發(fā)生變化，優(yōu)勢種群結(jié)構(gòu)異常，群落結(jié)構(gòu)矮化，整體景觀斑塊呈破碎化；食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，食物網(wǎng)簡單化，食物鏈縮短，部分鏈斷裂和解環(huán)。

三、強干擾河流生態(tài)學(xué)基本問題研究框架

1.強干擾河流水沙變化規(guī)律及多因子耦合機理

水和泥沙共同作用塑造水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，對維持生物多樣性和完整性至關(guān)重要。懸浮物和水體中的污染物（如重金屬）受到有機物和化合物的作用富集到泥沙中，將會對水生生物產(chǎn)生一定危害，影響水生態(tài)系統(tǒng)健康。因此深入研究水—泥沙—污染物—生物之間的耦合作用機理，對保護水生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，包括建立河流泥沙變化與河流形態(tài)的關(guān)系、河流形態(tài)與河流生物的關(guān)系、河流泥沙與生物及污染物的關(guān)系，研究泥沙沖淤變化對河流形態(tài)與河勢變化影響的規(guī)律，闡明河道整治工程和水沙變化對魚類繁衍生息和重要濕地的影響，最終提出生態(tài)良性維持和修復(fù)技術(shù)。

2.水文情勢—生態(tài)要素長歷時響應(yīng)關(guān)系

自然水流狀態(tài)的流量大小、頻率、發(fā)生時間、持續(xù)時間、變化率等五個要素一般被視為維持、保護河流生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和生態(tài)功能的核心。河流生態(tài)系統(tǒng)的退化往往是由多種因素綜合作用導(dǎo)致的，其中一個重要方面為水文狀態(tài)發(fā)生變化或流量減少。因此，明晰河流水文—生態(tài)響應(yīng)關(guān)系，就可以明確水文變動引起的生態(tài)改變，從而為相關(guān)河流有目的地恢復(fù)提供依據(jù)。Poff 等人梳理歸納了水文—生態(tài)響應(yīng)相關(guān)的165篇文章，其結(jié)果表明，關(guān)于自然水流狀態(tài)五個要素的生態(tài)響應(yīng)均有研究，流量大小方面的研究最多；生物響應(yīng)對象包括魚類、底棲動物、河岸帶植被、初級生產(chǎn)者、鳥類等；響應(yīng)關(guān)系是指表征水文、生態(tài)過程的多個因子之間相關(guān)關(guān)系的定性與定量分析。

在研究過程中，應(yīng)突破目前生態(tài)需水和環(huán)境水流研究的局限性，不應(yīng)僅關(guān)注流量，還應(yīng)考慮生態(tài)流量過程以及水域生態(tài)系統(tǒng)演替的水文機制等，研究長歷時人類活動造成水文情勢改變的生態(tài)響應(yīng)機制、流域水循環(huán)過程與生態(tài)過程的關(guān)系、生態(tài)水文過程的尺度轉(zhuǎn)換等。

3.水文—地貌—景觀格局演變機理與驅(qū)動機制

河流地貌的形態(tài)與變化過程是河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要影響因素。在愈發(fā)關(guān)注河流科學(xué)、河湖生態(tài)修復(fù)實踐以及定量研究生態(tài)環(huán)境各要素關(guān)系與影響的背景下，明確河流地貌與生態(tài)之間的相互作用顯得尤為重要。不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)之間形成嵌套層級結(jié)構(gòu)，生態(tài)學(xué)家通常以“自下而上”的遞進順序進行研究，即微生境尺度—地貌單元尺度—流域尺度，然而地貌學(xué)家則常與之相反。但無論研究順序如何，地貌特征變化都被視為生物多樣性和其棲息地狀況的重要驅(qū)動因素。在研究過程中，應(yīng)基于河流生態(tài)系統(tǒng)空間與時間尺度，考慮強干擾河流在流域、河流廊道、河段、地貌單元、微棲息地五種不同尺度下的影響機制，以及河床地貌演化和沉積物分布的影響等，研究強干擾河流水文過程變異驅(qū)動下的地貌單元結(jié)構(gòu)演變，以及基于河流水文過程變異與河段地貌單元多樣性變化共同驅(qū)動形成的景觀斑塊演變機理，探究水系水文—地貌—景觀格局對關(guān)鍵棲息地功能維持的驅(qū)動機制，提出改善棲息地功能的控制對策。

4.生物多樣性對強干擾河流生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的維持機制

生物多樣性的功能和服務(wù)是人類可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，物種滅絕將造成大部分功能區(qū)脆弱性風(fēng)險提升，因此防止生物滅絕尤為重要。其中，淡水生態(tài)系統(tǒng)對于自然和社會有著不可替代的作用，地球上各洲和流域的淡水生物多樣性出現(xiàn)一定程度下降，而且下降的速度明顯快于陸地生態(tài)系統(tǒng)。在研究過程中，應(yīng)基于生物多樣性與河流生態(tài)系統(tǒng)功能及其穩(wěn)定性的關(guān)系，闡明生物多樣性對強干擾河流生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的作用機制；識別強干擾河流生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性對物種喪失的響應(yīng)規(guī)律，明晰關(guān)鍵類群，闡明關(guān)鍵類群物種變化對強干擾河流生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的影響。

四、強干擾河流生態(tài)學(xué)研究技術(shù)體系

針對強干擾河流生態(tài)系統(tǒng)特點，考慮包含水體、消落帶、濱水區(qū)三個層級的水庫生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能特征以及三峽工程影響區(qū)重點水生生物“三場一通道”等，從水庫生態(tài)系統(tǒng)、水工程生態(tài)調(diào)度、過魚設(shè)施、水生生物保護區(qū)、魚類洄游特性五個方面建立強干擾河流生態(tài)學(xué)研究技術(shù)體系。

1.水庫生態(tài)系統(tǒng)三區(qū)保護

開展以水體、消落帶、濱水區(qū)為對象的水庫生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能特點研究，科學(xué)識別不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)特點，分析其演變特征與趨勢；提出水庫生態(tài)系統(tǒng)特征指標體系，識別不同區(qū)域的主要生態(tài)壓力因子，定量分析河流干擾強度，進而構(gòu)建一套生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)潛力評價指標體系，分區(qū)分類評估區(qū)域生態(tài)恢復(fù)潛力，提出不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)潛力優(yōu)選清單和恢復(fù)指標。

（1）水體

富營養(yǎng)化是影響水庫水體質(zhì)量的重要問題。庫區(qū)水體富營養(yǎng)化是流域尺度內(nèi)陸域和水域人類活動共同作用的結(jié)果，隨著水庫中氮、磷污染不斷增加，出現(xiàn)嚴重富集問題，加重富營養(yǎng)化，藻類水華暴發(fā)的頻率也增加。水體富營養(yǎng)化會嚴重影響庫區(qū)生態(tài)平衡，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化。庫區(qū)水域內(nèi)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括生態(tài)清淤、生物控藻、生態(tài)水位調(diào)控、前置庫、原位一體化生態(tài)修復(fù)裝備等。

（2）消落帶

水庫消落帶的物理結(jié)構(gòu)具備水陸交錯的特點，受到陸域和水域生態(tài)系統(tǒng)的交互影響。在長期反復(fù)淹水—出露和干濕交替作用下，消落帶原有生境將發(fā)生劇烈改變，許多植物不適應(yīng)新生境而難以生存，原有植被逐漸消亡，植被與生物的多樣性喪失，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，生態(tài)功能衰退。消落帶生態(tài)系統(tǒng)受周期性反季節(jié)水淹影響，植物主要受水淹、土壤水分變化和干旱脅迫，很多植被因不能適應(yīng)這種環(huán)境變化而消亡，導(dǎo)致植被群落結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化。以三峽庫區(qū)為例，三峽工程建成后，消落帶植被群落組成發(fā)生了變化，逐漸由原來的喬灌群落轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼救郝?，并且草本群落所占比例不斷提高。反季?jié)性水淹對于喬灌木和多年生草本植物的沖擊十分劇烈，長期水淹環(huán)境對于三峽地區(qū)原有的很多多年生草本和灌木有著致命影響。另外，環(huán)境的改變可能導(dǎo)致本地物種相對于侵入種的競爭能力下降。自然狀態(tài)下，本地種更具競爭力，且具有較快的生長速率，但侵入種對鹽分脅迫、干旱脅迫、水淹脅迫具有較強耐受能力。環(huán)境改變將導(dǎo)致本地種被侵入種所替代，并逐漸發(fā)展為優(yōu)勢種。鄉(xiāng)土物種不能正常更新是導(dǎo)致其衰減的主要原因。相關(guān)的修復(fù)方法包括消落帶植被修復(fù)、消落帶立地條件構(gòu)建、消落帶植被配置等。

（3）濱水區(qū)

濱水區(qū)的修復(fù)目標是通過管理措施和工程措施，恢復(fù)其規(guī)模和功能，首先保障行洪安全，同時恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過程。管理措施是指通過嚴格執(zhí)行《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國環(huán)境保護法》等，劃定水域岸線生態(tài)保護紅線，明確濱水區(qū)河濱帶的所有權(quán)和管理權(quán)，建立健全管理機構(gòu)和管理辦法。在生態(tài)保護方面，通過濱水區(qū)河濱帶植被重建，恢復(fù)濱水區(qū)河濱帶植被固岸、遮陰、緩沖等生態(tài)功能。設(shè)計濱水區(qū)緩沖帶時應(yīng)充分考慮緩沖帶位置、植物種類、結(jié)構(gòu)布局及寬度等因素，以充分發(fā)揮其功能，而這些要素又取決于緩沖帶的立地條件，包括污染類型和負荷、緩沖帶截留和轉(zhuǎn)化污染物的能力、降低污染的程度等。

2.水工程生態(tài)調(diào)度

我國現(xiàn)有閘壩的調(diào)度運行，在汛期以防洪調(diào)度為主，非汛期以供水調(diào)度為主，對上下游河道水環(huán)境與水生態(tài)保護要求的考慮較少。在閘壩調(diào)度運行中，應(yīng)考慮河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量。對于節(jié)制閘，要考慮生態(tài)環(huán)境下泄水量，對支流溝口擋洪閘，按照設(shè)計功能運行，在非汛期盡可能敞開閘門。因此，需研究在已建水庫中，通過調(diào)整部分興利庫容為生態(tài)庫容，從而完善生態(tài)功能；結(jié)合水庫除險加固工程，對水庫原有功能進行調(diào)整，增加生態(tài)用水功能，確定生態(tài)用水庫容。

閘壩群的生態(tài)調(diào)度從生態(tài)需水及水環(huán)境質(zhì)量兩方面統(tǒng)籌考慮。水生態(tài)方面，閘壩調(diào)度時，為維護河流健康，考慮下游的生態(tài)需水，特別要在枯水期保證一定的下泄水量；對于有多級閘壩的河流，必須實行上下游閘壩聯(lián)合調(diào)度，補充閘壩區(qū)間的河道水量，維持河道內(nèi)生態(tài)用水，為生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)創(chuàng)造條件。水環(huán)境方面，在閘壩水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度、保證小流量下泄的基礎(chǔ)上，考慮根據(jù)閘壩間的蓄水情況和部分閘壩區(qū)域聯(lián)合調(diào)度，提高河段的水環(huán)境容量。

3.過魚設(shè)施種類及結(jié)構(gòu)形式比選

閘壩截斷河道后，阻斷了魚類的天然洄游通道，建造過魚設(shè)施以便于魚類在克服水流落差情況下過壩，是保護和發(fā)展江河魚類資源的措施之一。按魚類洄游特性，可分為溯河洄游過魚設(shè)施和降河洄游過魚設(shè)施兩類。洄游過魚設(shè)施包括仿自然魚道、旁路水道、豎縫式魚道、魚閘、升魚機等。

溯河洄游過魚設(shè)施和降河洄游過魚設(shè)施設(shè)計有多種技術(shù)和結(jié)構(gòu)可選擇，應(yīng)根據(jù)主要洄游魚類種類及其行為習(xí)性、洄游季節(jié)、洄游特性和路線、游泳能力以及樞紐下游聚集區(qū)域狀況等生物學(xué)特性，結(jié)合筑壩河流河段形態(tài)、場地空間、水文特性、地質(zhì)條件、工程布置、工程特征水位及調(diào)度運行方式，綜合開展多種方案設(shè)計，并通過經(jīng)濟技術(shù)論證，因地制宜確定。

4.水生生物保護區(qū)布局優(yōu)化

制定恢復(fù)魚類洄游通道規(guī)劃需在流域范圍內(nèi)進行，合理制定魚類洄游目標，選擇目標魚類物種，量化生物、水文、棲息地等生態(tài)目標，并通過監(jiān)測、調(diào)查和評價，識別主要洄游通道，特別要識別溯河/降河洄游魚類通道，對于干流、支流、湖泊、水庫實行優(yōu)先排序，選擇重點河段和重點水利工程，以解決關(guān)鍵洄游通道問題，并制定分期實施計劃。

需研發(fā)形成重點水生生物產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場的變遷圖景、預(yù)測方法以及修復(fù)技術(shù)。三場修復(fù)技術(shù)包括多種類型、構(gòu)件和材料，比如人工魚巢技術(shù)，包括浮動式人工魚巢、魚礁式人工魚巢和護岸式人工魚巢等。

5.長江中游主要魚類洄游路線刻畫

魚類洄游特性的研究內(nèi)容主要包括其洄游的規(guī)律、特點、路線、時間等。魚類洄游行為的研究方法有很多種，基于是否進行捕撈可將其分為兩類：依靠捕撈和不依靠捕撈的洄游行為研究。前者包括標志回捕、密度變化分析和單位捕撈努力量漁獲量（CPUE）等手段，結(jié)合其時空尺度的變化進而獲得魚類的空間遷移和洄游行為；后者包括視頻觀察電阻率技術(shù)法和水聲學(xué)技術(shù)。標志回捕技術(shù)是研究魚類洄游行為的重要方法，目前已被證明是魚類洄游行為研究中最重要的方法之一，能夠快速、長期和大范圍識別和定位魚類，具有高時空分辨率，并可以在一些人跡無法到達的地方使用。密度變化分析和單位捕撈努力量漁獲量是基于在相同區(qū)域出現(xiàn)出生、死亡、遷入和遷出的原理采用的分析方法。

五、結(jié) 語

基于強干擾河流生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論，結(jié)合三峽工程特點，形成三峽庫區(qū)生態(tài)研究理論框架；強化三峽工程自身安全以及防洪、供水、生態(tài)等功能安全，從本質(zhì)和全局上把握三峽庫區(qū)的生態(tài)保護修復(fù)方向和戰(zhàn)略，進一步提出優(yōu)化三峽工程運行管理的有關(guān)政策建議。

識別三峽庫區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的演變特征與趨勢，分別針對三峽庫區(qū)水庫、支流、消落帶、濱水區(qū)4種不同區(qū)域的特點，開展相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用。

在開展強干擾河流生態(tài)學(xué)基本問題研究時，需明晰強干擾河流的定義、分類、生態(tài)學(xué)特征，揭示強干擾河流生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律，進而確定生態(tài)修復(fù)的目標，并研發(fā)相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)。以三峽工程為例，可為著眼“大時空、大系統(tǒng)、大擔當、大安全”，強化三峽工程等水利工程自身安全以及防洪、供水、生態(tài)等功能安全管理的戰(zhàn)略總要求提供堅實理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)，推動水利行業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科創(chuàng)新，為江河永續(xù)利用提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)，為建設(shè)、管理運行好生態(tài)水利工程、推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。