水利水电工程开发与河流生态修复-中国环境生态网

　　［摘要］水利水电工程对于生态系统胁迫的主要原因，是由于水利水电工程在不同程度上改变了生境多样化，从而导致生物群落多样性的下降，并对水生生物造成一定影响。因此应通过生态设计、生态环境建设、生态监控、生态保护来实现生态修复、生态安全与生态灾难的防治。最终实现我国由工程水利到生态水利的变革，达到人与自然的和谐共处。

　　［关键词］河流生态修复水利水电工程

　　1 水利水电工程对河流生态系统的影响

　　1.1 河流形态的均一化和不连续化改变了生态环境多样性

　　所谓河流形态的均一化主要是指自然河流的渠道化或人工河网化。具体表现为［1，2］：①平面布置上，河流形态直线化。即将蜿蜒曲折的天然河流改造成直线或折线型的人工河流或人工河网。采用这种规划设计方法的理由是：直线型的渠道工程量小，同时节省耕地，减少移民搬迁。②渠道横断面几何规则化。把自然河流的复杂形状变成梯形、矩形及弧形等规则几何断面。规则的渠道断面输水能力强，也可减少占地。设计时易于计算，建设时易于施工。③河床材料的硬质化。渠道的边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料。防洪工程的河流堤防和边坡护岸的迎水面也采用这些硬质材料。原因是渠道工程中可减少渠水的渗漏，以利节水。光滑的渠坡减少表面糙率，提高输水效率。在岸坡防护方面，采用硬质材料的原因是其抗冲、抗侵蚀性及耐久性好。④河流的裁弯取直工程。

　　河流形态的不连续化是指在河流筑坝形成水库，造成水流的不连续性。有的河流进行梯级开发，更形成多座水库串连的格局。水库淹没原有的河流两岸的植被，又将搬迁的城镇及废弃的农田沉入库底，未清除的垃圾、工业废料及农药残留统统进入水库。更重要的是，水体在水库中形成相对静水，其流速、水深、水温及水流边界条件都发生了重大变化。水库的生态系统比河流生态系统相对要脆弱。

　　1.2 河流形态多样性降低对生物群落多样性的影响

　　河流的渠道化和裁弯取直工程彻底改变了河流蜿蜒型的基本形态，急流、缓流、弯道及浅滩相间的格局消失，而横断面上的几何规则化，也改变了深潭、浅滩交错的形势，生态环境的异质性降低，水域生态系统的结构与功能随之发生变化，特别是生物群落多样性将随之降低，可能引起淡水生态系统退化。具体表现为河滨植被、河流植物的面积减少，微生态环境的生物多样性降低，鱼类的产卵条件发生变化，鸟类、两栖动物和昆虫的栖息地改变或避难所消失，这造成物种的数量减少和某些物种的消亡。河床材料的硬质化，切断或减少了地表水与地下水的有机联系通道，本来在沙土、砾石或粘土中辛勤工作的数目巨大的微生物再也找不到生存环境，水生植物和湿生植物无法生长，使得植食两栖动物、鸟类及昆虫失去生存条件。本来复杂的食物链（网）在某些关键种和重要环节上断裂，这对于生物群落多样性的影响将不是局部的，而是全局性的［2，3］。如上所述，河流生态系统的重要特点是系统的整体性，即生态系统的各要素不能被分割而孤立存在。水是河流生态系统的重要要素，是河流生态系统的动脉。当人们开发和利用水资源时，如果硬要把水与生物群落分割开来，放到一个直线线路、规则断面并由人工材料建设的人工河道中，很显然，这种新的河流生态系统将不再具备原来河流生态系统的整体功能和特点。

　　自然河流的非连续化，造成的影响是将动水生态环境改变成了静水生态环境，二者分别对应着动水生物群落和静水生物群落。由于水库水深远大于河流水深，太阳光辐射作用随水深加大而减弱，在深水条件下，光合作用较为微弱，所以水库生态环境的生态系统生产力较低，物质循环和能量流动都不如河流生态系统那样通畅。水库的淡水生态系统是一个相对封闭的系统，与河流生态系统相比较为脆弱，表现为抗逆性较弱，自我恢复能力也弱。水库形成以后，原来河流上中下游蜿蜒曲折的形态在库区消失了，主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生态环境代之以较为单一的水库生态环境，生物群落多样性在不同程度上受到影响。另外，筑坝以后给洄游鱼类造成了不可逾越的障碍。如果没有建设适合鱼类习性的过鱼设施，将对某些洄游鱼类造成致命的打击。

　　1.3 下泄流量的减少对水生生物的影响

　　下泄水量的减少，将导致下游河道水面宽度缩窄，水位下降，河道中流量减少，水生生物栖息环境随之显著改变，从而导致该河段内水生生物栖息环境明显缩小。浮游生物、底栖生物、水生植物的种群结构及生物量都会发生改变，种群缩小、生物生产力降低，由于栖息环境恶化，鱼类区系组成、种群结构等皆有可能受到影响。

　　此外，发电低温尾水排入坝址下游河段后，将改变原河流的水温条件，这将对鱼类的繁殖产生影响，对鱼类的繁殖影响表现为造成一些鱼类的繁殖时间延后。

　　2 河流生态修复的研究

　　20世纪70年代以来，一些发达国家的科技界和工程界针对水利工程对于河流生态系统产生的负面影响，提出了如何进行补偿的问题，在此基础上产生了河流生态修复的理论与工程实践。我国的河流生态修复正处于起步阶段，在理论和实践方面也进行了有益的探索。按照生态水利工程学理论，河流生态修复的任务，一是水文条件的改善，二是河流地貌学特征的改善［4-6］。其目的是改善河流生态系统的结构与功能，标志是生物群落多样性的提高。一些地区结合河流整治和城市水利工程建设，即与防洪、排水、疏浚、供水、城市景观、水文化、人文历史等工程相结合，开展了河流生态修复示范工程建设。这类工程既具备特定的水利功能，可以满足经济社会发展的需求，同时也兼顾河流生态系统健康和可持续性的需求，以实现水利功能与生态系统功能的统一［4-6］。

　　国外修复受损河岸生态系统的研究发展很快。20世纪60年代后期，德国及瑞士认识到传统的水利设计及管理思想是导致河流自然生态系统受损的根本原因，开始进行如何把生态学原理应用于土木工程，修复受损河岸生态系统的实验研究；日本也很早就开始学习欧洲的河道治理经验，并在理论、施工及高新技术的各个领域丰富发展了“多自然型河道生态修复技术”，由此诞生了生态学与土木工程学有机融合的“应用生态工学”及其理论。近年来，我国水利学者也深刻认识到现行水利工程的设计和施工对生态环境的影响，开始探索修复受损河流生态系统的技术手段［7，8］。

　　当今欧美经济发达国家已普及了“多自然型河道生态修复技术”，以实现、再生“自然与人的和谐共处”的生态环境，建设生态河流、生态道路及生态城市［9］。国外关于受损河流生态系统生态修复方面的大量研究工作，多集中于生态修复材料的开发及生境缀块的设计和构建上。而关于恢复中的生态学过程和机理的研究很少，缺乏证明恢复过程中的生态系统是如何进行及如何自我调节的理论和实验体系，因而没有形成一个评价“多自然型河道生态修复技术”有效性的指标体系。

　　3 河流生态修复的措施与途径

　　过去建设的水利工程侧重于满足人类社会对水的多种需求，相对忽视了维护一个健康生态系统的稳定性需求。由于水利工程可能引起河流形态的均一化和不连续化，降低了生境多样性，对河流生态系统形成了一种胁迫，这种胁迫可能引起河流生态系统的退化，随之也会降低河流生态系统的服务功能，最终对人们的利益造成损害。水利工程建设要正视这个问题，以积极的态度解决这个问题。未来的水利工程不仅是能够满足人们供水、灌溉、防洪、航运、发电及旅游需求的工程，也应该是有利于生态建设的环境工程。其生态修复的技术与措施如下［4-9］：

　　（1）从水利工程的规划设计的指导思想看，建设水利工程的目的不仅应满足人们对水的需求，同时要满足维持河流生态系统健康的需求，其中的关键问题之一是尽可能地保护河流形态的多样性。保持河流的蜿蜒性是保护河流形态多样性的重点。在河道整治工程中，尊重天然河道形态，避免直线和折线型的河道设计。灌溉渠道设计也要注意模仿河流自然形态的特点。对于河流的裁弯取直工程要充分论证，持慎重态度。

　　（2）保持河流断面形状的多样性，尊重河流原有的自然断面形态。河道整治工程中应尽可能避免采用几何规则断面，疏浚工程施工中避免河道断面的均一化。

　　（3）河道防护工程的岸坡采用有利于植物生长的透水材料，特别注意采用当地天然材料，也要注意整理、发掘和发展传统治河工法和材料。开发和推广供输水渠道使用的利于植物生长同时具有一定防渗性能的衬砌材料和施工工艺。

　　（4）水利工程设计应为植物生长和动物栖息创造条件。提供鱼类产卵条件以及鸟类和水禽栖息地和避难所。建设符合生态学原理的过坝鱼道。开发新型丁坝、人工浮岛及生态型城市雨洪利用系统技术。

　　（5）新建大坝枢纽工程要充分论证由于水库建设改变河流生态系统为静水生态系统的利弊得失，采取必要的补偿工程措施和生物措施。

　　（6）开展已建水库的生态系统健康评估与预测。注重水库生态系统退化的恢复及富营养化控制问题。通过水库库区生态建设及水生生物的合理结构设计，提高水库水体自净能力和自我修复能力。充分利用乡土种生物，慎重引进外来种，注意防止生物入侵。

　　（7）采用植被进行岸坡侵蚀防护。通过引入植被，应用生态工程技术措施进行岸坡侵蚀防护是江塘河道整治的中心环节之一。河岸带植被虽对行洪具有一定影响，但它有很多其他功能，这些功能源自于河岸带生态系统内的环境过程，如正常发育的河岸带植被对河道岸坡有一定的加固作用，可以提供遮阴从而降低河流水温，在营养物质循环和水质改善方面也具有重大作用，为野生动物提供多种栖息地环境，并可以增加河道两岸的美学价值。

　　（8）选择适宜的植物物种。河道植物的选择以邻近河道自然植被的植物种类为主体，它们经过了自然界适者生存、劣者消亡的过程，最能适应河道边生态环境、且病虫害较少。根据水位变动情况，进行植物分区。在河道常水位线以下种植水生植物，它的功能主要是净化水质和为水生动物提供食物和栖息场所。沉水植物、浮水植物、挺水植物按其生态习性混合种植和块状种植相结合。高杆、蔓延快的植物（如芦苇等）控制种植。在常水位至洪水位的区域下部以种植湿生植物为主，上部以中生但能短时间耐水淹植物为主。植物配置种植应群落化，物种间生态位互补,上下有层次，左右相连接。种植多年生草本、灌木和乔木树种（如水杉、垂柳、落羽杉、枫杨等）。洪水位线以上配有占总量50%～60%的常绿树种，以增加河道观赏性。

　　（9）目前在河流的水力资源开发上，开发目标应注意经济效益与环境效益并重，选址设计要考虑库与库之间水体的自然恢复，区域水资源利用的布局合理，库区水域功能多样等。新的梯级开发规划和设计，首先应改变传统的一级接一级建设的不间断水库布局模式。根据其开发目标，充分地考虑河流成库后的自然净化条件，为泄流的库水充分自净留予足够长的恢复河段，以克服河流成库后因水库物理场的改变而导致地球化学场和生物场改变所带来的弊端，减轻污染物的累积程度，延缓水库衰老过程。

　　（10）保持河流一定的生态基流，充分考虑河流生态需水。生态需水［10-15］是指在一定的生态目标下，维持特定时空范围内生态系统与自然环境正常功能或者恢复到某个稳定状态所需求的水量。在“三生（生活、生产、生态）”共享水资源的条件下，其需水量是实现一定生态系统功能目标客观需要的水资源量。由上述概念可以看出，生态需水的大小受三方面的因素制约，即生态目标、生态特性和生态条件。所谓的生态目标是指人们所期望维护一定水平的生态系统的组成、结构和功能。显然，随着人们对生态系统质量期望值的提高，生态目标也将提升到一个更高的水平，相应的生态需水量也将发生变化。一定程度上可以认为，生态需水的大小受限于社会经济发展的耗水状况以及人们对生态保护和建设重要性的认识程度，并随着社会经济的发展而发生相应的变化。但是，从本质上看，生态需水还受两类自然因素的影响。一类是生态系统本身的组成和结构特征，如植被类型、空间结构、格局等。另一类则是包括水分条件在内的外界环境因子，如土壤、日照、气温、风速、大气组成等。因此，受生态系统本身物质、能量循环周期特征以及外界环境因子变化的综合作用，生态需水在不同的时段和空间范围内是不同的。在区域水资源合理配置中应根据这种差异，因地制宜，因时制宜，有针对性地设计，而不应强求一致。国内外河道内生态需水计算方法大致可以分为5类［10-15］：①历史流量法；②水力定额法；③栖息地定额法；④整体分析法；⑤生境模拟法。历史流量法如蒙大拿法、流量历时曲线法、ABF法等；水力定额法包括湿周法、RO2法等；栖息地定额法有有效宽度法、加权有效宽度法、河道内流量增加法等；整体分析法如BBM法等；生境模拟法有PHABSIM等。另外还有刘昌明院士提出的水力学和生物学结合起来的一种方法——水力半径法，刘昌明院士根据南水北调西线一期工程调水区属于缺资料地区的实际情况，提出了一种同时考虑河道本身信息（水力半径、糙率、底坡比降）和水生生物信息（流速信息）的估算生态需水量的方法。依据该方法计算的关键是确定生态水力半径所对应的河道断面面积，并根据不同规则断面和天然河道断面与水力半径之间的关系计算生态需水量。

　　4 结语

　　在我国开展受损河流生态系统修复研究是一种新尝试，具有广泛的代表性和示范作用，其研究成果能够在以下两方面对河流生态修复有所贡献：在理论和技术上，为已建河流整治工程构造物的受损河流生态系统的生态修复提供新技术、新方法、新范例；为适于动植物及微生物生存的河道整治工程生态设计提出参考设计规范和科学依据。最终实现我国由工程水利到资源水利、环境水利的变革，达到人与自然的和谐共处。

　　参考文献

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