河流健康若干理论问题探讨
人们提出“河流健康”理念已有十多年历史，并开展了许多恢复河流健康的实践，但对河流健康的标志及其评价指标的选择和确定原则等并未达成共识，因此提出的河流健康指标种类繁多。作者认为，河流健康是人类对河流生存状态和河流功能发挥水平的判断，故要深入认识河流健康的标志和指标，需从河流生命的本质和河流的功能入手分析。
1 河流的生命和功能
水循环是地球上最重要、最活跃的物质循环之一，河流水系是陆地水循环的主要路径，是陆地和海洋进行物质和能量交换的主要通道。与地球上的有机生命体相似，河流也经历板块构造运动、河谷侵蚀、水系发育、河床调整、河流衰亡的生命演变过程，从这个意义上，可把河流视为生命体。
河流的生命是河流水系按一定方向和路径进行的水循环过程，地表径流沿河流水系的持续运动是河流生命的表现方式。对于较大的外流河，河流生命存在的标志至少应体现在容纳水流的河床、基本完整的水系和连续而适量的河川径流等三方面。连续而适量的河川径流是河流生命维持的关键，它使陆地上的水不断得以补充、水资源得以再生，从而产生了河床、河流水系和河流生态系统。
在没有人类干预情况下，伴随着沿河流水系不断进行的水循环，水流利用其自身动力和相对稳定的路径，实现从支流到干流再到大海的物质搬运（主要是水沙输送）和能量传递，即水沙输送和能量传递是河流最基本的功能。在河流水沙输送和能量传递过程中，河床形态在水沙作用下不断发生调整、入河污染物的浓度和毒性借助水体的自净作用逐渐降低、源源不断的水流和丰富多样的河床则为河流生态系统中的生物创造了良好的生境，因此，河流的河床塑造功能、自净功能和生态功能可以视为其水沙输送和能量传递转换功能的外延。以上功能与人类存在与否没有关系，故系河流的自然功能。河流的自然功能状况是河流生命活力的重要标志。
随着人类活动的增加、利用和改造自然能力的提高，人们充分利用河流的自然功能，给河流赋予了更多的功能，包括泄洪和滞洪功能、供水功能、发电功能、航运功能、净化环境功能、景观功能等，这些功能可称为河流的社会功能。河流的社会功能是河流对人类社会经济系统支撑能力的体现，是人类维护河流健康的初衷和意义所在。人类赋予河流以社会功能，但人类活动加大和人类价值取向不当使自然功能逐渐弱化，最终制约社会功能正常发挥，影响人类经济社会的可持续发展。
2 河流健康的内涵和标志
由于河流健康反映的是河流生命存在情况下人类对河流功能发挥的认可程度，因此，健康河流原则上应同时拥有理想的社会功能和自然功能。然而，在人类经济社会高度发展情况下，期望河流各方面功能均达到理想状态几乎不可能，因此河流健康目标只能是一个妥协的目标，它既要考虑维持河流自然功能的需要，也要考虑相关区域人类生存和发展的需要。没有前者，人类未来的可持续发展就要受到制约；没有后者，维护河流健康就失去实际意义，从而也难以得到公众的理解和支持。同时，由于人类所处的经济社会环境在不断变化、对自然界的认识在不断进步，使人类对河流功能的价值取向存在明显的时段特征，因此，河流健康标准必然是动态的，在不同时期或不同地区，河流健康标准实际折射出人类在相应背景下的价值取向。可见，所谓健康河流，是指在相应时期其社会功能与自然功能能够均衡发挥的河流。
在河流社会功能过度开发而导致自然功能衰退、进而严重制约社会经济可持续发展的背景下，人们提出了河流健康的新理念，其目的是使河流自然功能得到一定程度的恢复，因此河流健康的标志应是河流自然功能和社会功能均衡发挥情况下自然功能的表现状态。
分析河流自然功能可知：水沙输送和能量传递是河流最基本、最重要的功能，因此，拥有一个良好的水沙通道（即河床）显然是河流健康的最重要标志。河床塑造功能是河流水沙输送功能和能量传递功能的外延，因此良好的河床形态也是河床塑造功能的直观体现；良好的水质和河流生态显然是自净功能和生态功能基本正常的标志；要维持河流的自然功能、维持自然功能和社会功能的均衡发挥，必须具有充足的河川径流。因此，在普遍意义上，河流健康的标志是：具有良好的河床、水质和河流生态系统，并拥有充足的河川径流。充足而洁净的河川径流是维持河流健康的关键，它使河流的自然功能得以维护、社会功能得以合理发挥。
水资源的可更新能力、河流水循环健康等常被人们视为河流健康的重要体现。不过，在河流自然功能和社会经济用水基本得到保障的情况下，流域水循环和水资源更新能力显然也处于正常状态。
维护河流健康之目的并非要回归河流的原始状态，而是通过河流自然功能的恢复，使其自然功能和社会功能得到均衡发挥，以维持河流社会功能的可持续利用，保障人类经济社会的可持续发展。
河流健康程度是人类对河流功能是否均衡发挥的认可程度，是一定时期内人类河流价值观的体现，因此对那些远离人类社会干预、基本不影响人类生存和发展的河流，研究其健康与否是没有意义的。
3 河流健康指示性因子及其量化标准的确定方法
河流健康程度反映的是河流自然功能的状况，是客观的；但河流健康评价的标准却是其自然功能与社会功能平衡后的结果，是主观的。为了使维护河流健康的理念真正应用于河流管理、指导生产实际，尚需对“良好河床、良好水质、良好生态和充足河川径流”的量化标准进行深入研究。
3.1 河流健康指示性因子选择
河流健康的指示性因子应是能够基本反映河流自然功能的因子，包括河床形态、水质、河流生态系统和河川径流。不过，由于不同的河流其自然特点和社会背景不同，因此健康指示性因子的种类和数量等应因河而异。
岩基河床的形状和大小变化很小，可不将河床参数作为健康指示性因子。有些河流虽是冲积性河床，河床形态对其上游水沙变化非常敏感，但河床变化基本不会给人类带来负面影响，也可不将河床参数作为河流健康指示因子。但对类似黄河下游的冲积性河床，人类活动和气候变化对河床形态的影响非常显著，且河床冲淤变化对人类的生存和发展具有重要影响，因此河床形态因子应作为河流健康指示性因子。
黄河下游和宁蒙河段的河床均是冲积性河床，由主槽和滩地组成，其中，主槽的排洪能力一般占全断面的60～80％、输沙则几乎全部依靠主槽，且主槽也是河床冲淤变化最频繁的部位，因此可综合反映主槽排洪输沙功能的主槽过流能力（即平滩流量）应是其健康指示性因子之一。此外，河道蓄泄大洪水的能力和滩地的滞洪沉沙环境也应作为健康河床的指示性因子。
表征河流生态功能的指示性因子也应因河而异的。如对生物多样性丰富并拥有珍稀动物（鱼类）的河流，表征其生态功能状况的因子不仅要有体现反映生态系统健康的普通参数，如物种丰度和多度、水生生物栖息地状况等，还要反映珍稀鱼类的生存情况，如莱茵河的“鲑鱼2000”计划。黄河因含沙量大，水生生物原本不丰富，更难以将冲淤变化频繁的河槽作为其栖息地，因此黄河的河流生态系统应重点关注与黄河有直接水力联系的沿黄湿地和鱼类。
水质和河川径流的指示性因子分别为水质类别和流量。
3.2 河流健康指示性因子量化标准确定方法
由于河流健康标志是河流自然功能和社会功能基本平衡情况下的河流自然功能表现状态，因此，河流健康指示性因子的确定应重点把握以下原则：
首先，确定河流健康指示性因子量化标准不仅要充分考虑维持河流自然功能的需要，还要充分考虑河流的自然功能和社会功能的均衡发挥。如所谓良好的河床形态，不仅要考虑维持河流水沙输送和能量传递功能、为水生生物提供良好栖息地条件等自然功能的需要，还要考虑人类对防洪安全的需要；所谓良好的河流生态，实际是人类用水与河流生态系统中的各类生物用水之间的博弈。
第二，由于人类认识水平、价值取向和河流自然条件的变化，相同河流在不同时期应有不同的健康评价指标。
第三，由于人与人之间对事物认识存在偏差，因此确定具体河流的健康评价标准必须吸纳多学科研究者介入，并充分听取利益相关者的意见。
第四，河流健康指标是人类治理、开发、利用和保护河流的约束条件，是全流域及其相关区域所有的利益相关者共同努力的目标，因此指标的选择必须考虑其科学性、可行性和可操作性。
现以黄河健康指示因子中的下游主槽过流能力和干流河川径流为例，说明河流健康指标的论证思路。
1、黄河下游主槽过流能力
主槽既然是黄河下游排洪输沙的主体，因此主槽应具备的过流能力主要取决于高效输沙和塑槽要求、防御大洪水要求和滩区群众的生存生活要求、以及未来可能的径流（特别是洪水）条件。
水流在从上游流向下游的过程中，其势能不断转化成动能，动能则不断被消耗于河床形态塑造和泥沙物质搬运中。因此，对一定断面的河床，水流的造床能力显然与流速的高次方和水量成正比、与河床阻力成反比。由于水流的动能系由其势能转化而来，且河床阻力随流速增大而增大，故特定断面的水流流速并不随流量增加而无限增大，存在流量～流速关系拐点。利用实测资料点绘黄河下游典型断面流量与主槽平均流速的关系发现（图1、2），当流量大于3500m3/s左右后，主槽流速基本不再增加，说明该流量是相应河段水流造床能力随流量增加而增幅变缓的拐点。该结果与以往关于河道排沙比与流量变化关系研究的结论是基本一致的（1，2），即当下游流量大于3500m3/s左右后，水流的输沙或冲刷效率增加幅度非常缓慢。由于主槽是黄河下游水沙输送的基本通道，因此其过流能力显然应大于该拐点流量，才能够实现水沙的高效输送，即3500m3/s应是黄河下游主槽过流能力恢复目标的低限。
为认识不同平滩流量对河道排泄大洪水的影响，利用黄河下游二维水沙数学模型，比较了不同平滩流量情况下花园口发生22000m3/s洪水时的洪水水位情况（见表1）。从计算结果看，随平滩流量增加，洪水位一直呈降低之势。不过，由于河道断面比主槽断面大得多，因此当平滩流量大于4000 m3/s以后，洪水位的增加幅度变缓，如5000 m3/s相应的洪水位仅比平滩流量4000 m3/s相应的洪水位低12cm。黄河下游现状堤防系按防御22000m3/s水位并超高2～3m设计，因此12cm的水位差应在堤防防御能力之内。
水位涨率及滩地分洪比也是下游发生大洪水时人们关注的主要指标。为此，分析了高村站平滩流量与平滩后流量增加1000m3/s的水位涨幅的关系（图3），发现当平滩流量达到4500m3/s左右后水位涨幅明显减小。进一步比较高村站滩地过流量与平滩流量的关系发现，平滩流量超过4000 m3/s左右后滩地过流量的增幅也明显减小。
考虑到现状堤防的安全度普遍增强，且在大漫滩洪水期间下游主槽断面一般会在洪水期调整和扩大，因此认为，当主槽过流能力达到4000～4500m3/s以上，基本可以满足防御大洪水的要求。
主槽过流能力也与滩区群众的防洪安全密切相关。黄河下游滩区在大洪水期间承担着滞洪和沉沙任务，其削峰率可达50％、淤积比可达70%，对调蓄洪水和处理泥沙具有十分重要的作用。但目前滩区却居住着181万人，他们多系1855年黄河改道而被迫成为滩区居民，洪水频繁漫滩显然严重制约滩区群众的生活生产。综合考虑滩区群众的接受能力和黄河下游滞洪沉沙要求，认为主槽过流能力应维持在4000m3/s以上。
分析研究主槽断面形态与水流流速的关系发现，在相同流量条件下，主槽断面越大、水流速度越小（图3）。由于水流挟沙能力与流速的高次方成正比，故同流量洪水在大河槽运行时的输沙能力必然小于在小河槽运行时的输沙能力。由此可见，主槽断面的大小还应与洪水形势相适应。未来，日均洪峰流量3000～5000m3/s的洪水将成为黄河下游的常遇洪水（3），因此，从河槽与洪水条件相适应角度，主槽过流能力亦不宜大于5000m3/s。
主槽的过流能力能否基本维持在4000～5000 m3/s，很大程度上取决于未来洪水条件。
在没有外部水源补充情况下，未来黄河下游汛期天然来水仅约130～150亿m3，其中可能以洪水形式出现的水量约70～100亿m3，其最大输沙能力约4～5亿t。而在小浪底水库拦沙期结束前，进入下游的泥沙量约5～6亿t，通过引水引沙、滩区和堤防放淤等可处理泥沙约1～1.5亿t，则需利用水流输送的泥沙约4～5亿t。可见，小浪底水库拦沙期结束前，下游主槽过流能力基本可以维持在4000m3/s以上；之后，如果古贤水库和黄土高原水土流失治理工程能够继续将来沙量控制在5～6亿t，则可继续维持主槽不再萎缩。
为进一步维持主槽过流能力4000 m3/s左右的可能性，选择1975年以来实测资料，点绘黄河下游汛期水量与平滩流量的关系（图4），其中，汛期径流量为连续5年滑动平均值，意在反映前期河床边界条件的影响）。由图4可见，若花园口年均汛期径流量能继续维持1986年以来的平均水平，达到130亿m3左右，下游平滩流量可基本维持在3500～4000m3/s，平均3800 m3/s左右。图4采用的资料系列为小浪底水库运用前的资料系列。小浪底水库运用后，进入下游的水沙过程将得到一定程度的改善，因此下游主槽过流能力可能将大于3800 m3/s。
综上分析认为，在小浪底水库拦沙期结束前，应将4000 m3/s左右作为黄河下游主槽过流能力目标。
|
延伸阅读
|
