河流生态修复理论技术及其应用
提要：本文提出了河流生态修复整体模型，系统阐述了水利工程对河流生态系统胁迫及其机理，对传统意义上的水利工程规划设计理念和方法进行了系统的反思，总结了河流生态修复规划原则与评估方法及河流廊道生态修复技术，对典型示范工程进行了简单介绍。
关键词：胁迫，生态修复，模型，示范工程
THEORIES AND PRACTICES OF RIVER RESTORATION
Dong Zheren, Sun Dongya, Peng Jing
China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
ABSTRACT
The holistic model of river ecosystem structure and function is proposed. Stresses of hydraulic engineering on river ecosystems are analyzed comprehensively. Countermeasures and technologies are brought forward for ecological compensations and rehabilitations, which overcome some shortcomings of traditional methodologies in hydraulic project planning, design and management. One demonstration project on river restoration is briefly introduced.
Keywords: Stress, river restoration, holistic model, demonstration project
1、前言
水利工程在防洪、灌溉、供水、发电、航运和旅游等诸多方面对于保障社会安全、促进经济可持续发展发挥着巨大的作用，这是举世公认的事实。但是另一方面，水坝和堤防建设、河道整治工程和跨流域调水工程等各类水利工程对于河流、湖泊生态系统也造成了胁迫效应。水利工程的负面影响主要表现为改变了自然水文规律和引起地貌特征变化，从而不同程度地改变了生境条件，导致淡水生态系统结构和功能的变化。
水利工程的生态影响问题引起了社会各界的广泛关注，也逐渐变成了水利水电建设发展的瓶颈问题。如何正确对待和处理水利工程的生态影响问题，需要坚持可持续发展的原则，用辩证的观点进行分析。在工程技术层面上，纵观传统意义上水利工程的建设和管理目标，都是以建设和运行工程设施为手段，通过改造和控制河流，实现预期的经济效益和社会目标。传统意义上的水利工程尽管满足了社会经济需求，但是在不同程度上忽视了淡水生态系统的健康需求，因此对生态系统构成了胁迫效应。面对这个复杂问题，应坚持全面权衡利弊，力争趋利避害的辩证思维方法，探索通过工程措施、生物措施和管理措施，尽量避免、缓解或补偿水利工程对于河流生态系统的负面影响，达到社会经济效益与生态保护二者兼顾的目标。
本文系统阐述了水利工程的生态影响现象，分析了胁迫效应的机理，对于传统意义上的水利工程规划设计理念和方法进行了系统的反思，总结了河流生态修复规划原则与评估方法和河流廊道生态修复技术，对典型示范工程进行了介绍。
2、水利工程对河流生态系统胁迫和机理分析
自然力和人类活动对于淡水生态系统构成双重胁迫。各类水利工程对淡水生态系统的胁迫是大规模人类活动的负面影响之一。这种影响主要表现为改变了自然水文规律和引起地貌特征变化，从而不同程度地改变了生境条件，导致淡水生态系统的结构和功能的变化。
2.1水文－生物－生态功能河流连续体四维模型
本文作者根据近20多年来生态学理论的发展以及对于河流生态系统的认识深化，在前人提出的河流连续体概念（Vannote, 1980）的基础上，通过进一步完善，提出“水文－生物－生态功能河流连续体”概念。所谓“水文－生物－生态功能河流连续体四维模型”的内涵是：由河流水文－水力学过程空间连续性；生物群落结构空间连续性；营养物质流和能量流空间连续性；信息流空间连续性为要素的河流连续体模型，同时，考虑水文、生物及河流生态系统演变和进化的动态特征，需要建立时间坐标和尺度。
（1）河流水文－水力学因子三维连续性
河流的流动是水体一种不可逆的单向运动，河流的水文－水力学因子用流量、水位、流速、脉动压力、水温等指标度量。如果在河流的某一横断面建立三维坐标系，即水流的瞬时流动方向x轴（纵向），在地平面上与水流垂直方向y轴（横向），与地平面垂直向下的z轴（竖向），借以考察河流的三维运动（图1）。在纵向x方向河流的流动是主导方向，河流的流量、流速、脉动压力、水温等沿上中下游都是连续分布的，反映了河流顺水流方向的连续性。河流是一个动态过程，河流依照水文学规律呈周期变化，形成年内洪水与枯水期交错发生的格局。当洪水发生时，河水向侧向y方向漫溢，使主流、河滩、河汊、静水区和湿地连成一体，形成复杂的水流系统，这就是河流侧向y轴的连通性。在竖向z轴是地表水与地下水连接的通道，通过渗透的方式向地下水补给。绝大部分自然河流的河床材料构成具有透水性的特征，因此在z方向水体的连续性可以理解为渗透性。
（2）河流生物群落结构连续性
河流不仅是一个流动的物理系统，更是一个动态的生态系统。生物群落随河流水文－水力学特征（流量、水位、流速、流量、脉动压力、水温等）连续性变化也呈现连续性分布。尽管大型河流可能穿过不同的气候分区，河流高程沿河流纵坡有很大差别，但是沿河流的生物群落仍然遵循连续性分布的规律。这不仅反映在沿河流廊道植被的连续性分布，而且水生动物、无脊椎动物、昆虫、两栖动物、水禽和哺乳动物等都是遵循连续分布的规律，形成丰富有序的食物链（网）。这种连续性的产生是由于在河流生态系统的演替过程中，生物群落对于水域生境条件不断进行调整和适应，反映了生物群落与淡水生境的适应性和相关性。
（3）营养物质流和能量流连续性
河流的连续性不仅是生物群落分布的连续性，更是生态系统生物学过程的连续性。由于水体具有良好的可溶性，使河流成为生态系统营养物质输移、扩散的主通道。河流泥沙的输移扩散是河流运动的重要的因子。附着在泥沙表面的营养物质随泥沙的运动迁移转化。河流的纵向（x轴）流动把营养物质沿上中下游输送。在洪水季节洪水漫溢，又在横向（y轴）把营养物质输送到河滩、河汊、静水区和湿地。每年洪水的到来，对于河流的水生生物和水陆交错带的植物无疑是莫大的福音。在河流的竖向（z轴）河流向地下含水层的补给以及相对应化学成分的变化，并且在竖向还进行着营养物质的输移转化。正因为如此，大多数河床含水层存在着丰富的生物量。在上述3个方向营养物质的输移转化，表现为营养物质流与能量流的空间与时间连续性，使得下游的生态过程与上游的生态过程直接相关。
（4）河流信息流的连续性
河流为诸多鱼类和其它水生生物提供生命信号。随着水文周期的变化，河流水位消长。当洪水漫溢河滩和河汊、水陆交错湿地，一些鱼类离开河槽到河滩、河汊及湿地寻找避难所或产卵；当水位消落，鱼类又回到河流主槽。鱼类的这些生命活动是对水位变化的正面响应。河流的流速、水温等同样是众多水生生物的生命信号。我国著名的中华鲟是一种溯源产卵洄游鱼类，每年秋季中华鲟成群结队逆流而上，在长江上游重庆以上河段的深潭及金沙江的急流中产卵，幼鱼顺江游到大海，在海洋生活10余年后仍然返回长江上游，2000公里不迷路。其产卵季节与河流水温带来的信息关系密切，而河流的流速和脉动压力无疑对洄游鱼类长距离运动的导航信号。由于河流的水文－水力学因子在空间上的连续性，就使得河流走廊的生态系统结构呈现连续性特点。由于河流水文－水力学因子在时间上的连续性以及气候因素的影响，就使得河流走廊的生物群落随时间出现年内周期性的变化。
2.2 人类活动和水利水电工程对于河流生态系统的胁迫
人类活动对于河流生态系统的胁迫，从更大的尺度研究应该包括近代人类活动引起的全球变化如气候变化引起河流径流量的变化，酸雨引起的河流水质变化等。人类对水土资源的开发利用以及其他经济活动引起对于河流的胁迫效应，包括：水污染，超量用水，土地利用方式变化，对湖泊和河流滩地的围垦，生物入侵。
几千年来人类为了防洪安全与经济发展，对于河流进行了大量的人工改造。特别是近一百多年来利用现代工程技术手段，对河流进行了大规模开发利用，兴建了大量工程设施，改变了河流地貌学特征。河流近一百年来的人工变化超过了数万年的自然进化。水利工程对于河流生态系统的胁迫主要来源于以下两个方面：一是河流的人工改造，包括1）自然河流的渠道化，2）自然河流的非连续化；二是跨流域调水工程，如图2所示。
河流的人工渠道化破坏了自然河流所特有的蜿蜒性特征，改变了深潭与浅滩交错，急流与缓流交替的格局。不透水和光滑的护坡材料阻碍了地表水与地下水的联通，改变了鱼类产卵条件。这些因素的叠加，造成生物异质性下降，导致生物栖息地的质量的下降。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，引起淡水生态系统不同程度的退化。
(a) 自然状态河流，(b) 建设梯级水坝后的河流
图2 河流非连续化示意图
上节提出的“水文－生物－生态功能河流连续体四维模型”概念，说明河流生态系统是一种开放的、流动的生态系统，其连续性不仅指一条河流的水文学意义上的连续性，同时也是对于生物群落至关重要的营养物质输移的连续性。大坝将河流拦腰斩断，改变了连续性河流的规律，形成了河流的非连续性特征。流动的河流变成了相对静止的人工湖，无论是库区还是大坝下游河段的流速、水深、水温及水流边界条件都发生了变化。建有坝后式水电站的大坝运行是根据防洪和兴利需要进行调度，采用人工泄流方式，坝后经常或间断有水流下泄。堤防工程妨碍了汛期主流与岔流之间的沟通，阻止了水流的横向扩展，形成另一种侧向的水流非连续性。堤防把干流与滩地和洪泛区隔离，使岸边地带和洪泛区的栖息地发生改变。
跨流域调水工程打破了流域、水系的自然格局，改变了水文循环条件，对于水域和陆地生态系统产生胁迫效应。
针对水利工程对河流生态系统的胁迫问题，需要吸收生态学的理论知识，完善传统的水利工程技术，探索生态水利工程建设技术方法，构建与生态友好的水利水电工程技术体系，开展河流生态修复工作。
3、河流生态修复规划与河流健康评估
河流生态修复规划与评估包括四部分主要内容：现状及历史调查分析；制定河流生态修复目标；提出规划对策，包括工程任务、管理措施和建立监测与评估系统；进行经济－生态效益综合评估。
编制河流生态修复规划的主要技术流程如下：（1）明确规划的总体思路，包括指导思想，遵循原则，体现人口－资源－环境协调的可持续发展观和人与自然和谐的理念。（2）现状调查与分析，包括社会、经济及水资源状况、水文气象、地貌地质、河流演进历史和形态、生物物种状况和河流生态系统退化原因调查分析。（3）在调研的基础上，制定河流生态修复目标。（4）确定规划范围、时间与空间尺度以及总体格局。（5）确定工程任务，主要包括水文条件（水量、水质和水文情势的恢复；栖息地建设；濒危、珍稀和特有物种保护与恢复。（6）建立河流生态监测系统和河流健康评估系统。（7）提出管理对策 （8）对于整个规划进行经济－生态效益综合评估。
3.1河流水系生态恢复的任务
河流水系生态恢复的任务有三大项：一是水质条件、水文条件的改善，二是河流地貌特征的改善，三是生物物种的恢复。总目的是改善河流生态系统的结构与功能，主要标志是生物群落多样性的提高。
水质条件、水文条件的改善包括：水量、水质条件的改善，水文情势的改善，水力学条件的改善。通过水资源的合理配置以维持河流河道最小生态需水量。通过污水处理、控制污水排放、生态技术治污、提倡源头清洁生产、发展循环经济以改善河流水系的水质。提倡多目标水库生态调度，即在满足社会经济需求的基础上，模拟自然河流的丰枯变化的水文模式，以恢复下游的生境。
河流湖泊地貌学特征的改善包括：恢复河流的纵向连续性和横向联通性；保持河流纵向蜿蜒性和横向形态的多样性；外移堤防给洪水以空间并扩大滩地；退耕还湖和退渔还湖；采用生态型护坡以防止河床材料的硬质化。
生物物种的恢复包括:濒危、珍稀、特有生物物种的保护；河湖水库水陆交错带植被恢复；包括鱼类在内从水生生物资源的恢复等。
3.2 河流生态修复的规划设计
河流生态修复规划的指导思想是：以可持续发展理念为指导，评估河流的生态状况，确定河流开发与保护的适宜程度，提出改善河流生态系统结构与功能的工程措施和管理对策，促进人与自然和谐相处。
河流生态修复规划的原则是：（1）河流修复与社会经济协调发展原则；（2）社会经济效益与生态效益相统一原则；（3）流域尺度规划原则；（4）增强空间异质性的景观格局原则；（5）生态系统自设计、自我恢复原则；（6）提高水系联通性原则；（7）负反馈调节设计原则；（8）生态工程与资源环境管理相结合原则。
河流生态修复的目标不可能“完全复原”到某种本来不清楚的原始状态，也不可能“创造”一个全新的生态系统，应该立足于我国江河现状，在充分发挥生态系统自我恢复功能的基础上，适度进行人工干预，保证河流生态系统状况有所改善使之具有健康和可持续性。
3.3 河流健康评估
借鉴国外经验，结合我国国情，本文提出了“可持续利用的生态良好河流”作为对河流健康的定义。
其概念包含双重含意，一方面要求人们对于河流的开发利用保持在一个合理的程度上，保障河流的可持续利用；另一方面要求人们保护和修复河流生态系统，保障其状况处于一种合适的健康水平上。它既强调保护和恢复河流生态系统的重要性，也承认了人类社会适度开发水资源的合理性；既划清了与主张恢复河流到原始自然状态、反对任何工程建设的绝对环保主义的界线，也扭转了“改造自然”、过度开发水资源的盲目行为，力图寻求开发与保护的共同准则。
“可持续利用的生态良好河流”作为管理工具，需要提供一种评估方法，既评估在自然力与人类活动双重作用下河流演进过程中河流健康状态的变化趋势，进而通过管理工作，促进河流生态系统向良性方向发展；又评估人类利用水资源的合理程度，使人类社会以自律的方式开发利用水资源。可持续利用的生态良好河流概念，把在自然系统中讨论保护和修复河流生态系统的理念进一步拓宽，把自然系统与社会系统有机地结合起来。不仅要使河流为人类造福，也需要保护和修复河流生态系统；不仅需要以河流的可持续利用支持社会经济可持续发展，也需要保障河流生态系统的健康和可持续性。
河流健康评估的内容一般包括以下4方面内容：物理－化学评估；生物栖息地质量评估；水文评估和生物评估。
（1）物理－化学评估作指标可以反映河流水流和水质变化、河势变化、土地使用情况和岸边结构。与传统水质评估方法不同，在健康评估中突出物理－化学量测参数对河流生物群落的潜在影响；
（2）生物栖息地评估的内容是勘查分析河流廊道的生物栖息地状况，调查生物栖息地对于河流生态系统结构与功能的影响因素，进而对栖息地质量进行评估。具体体现在河流的物理－化学条件、水文条件和河流地貌学特征对于生物群落的适宜程度，特别是对于形成完整的食物链结构和完善的生态功能的作用；
（3）水文评估的目的是分析水文条件的变化对于河流生态系统结构与功能产生的影响。所谓“水文条件”既包括传统的水文参数，还包括水流的季节性特征和水文周期模式、基流、水温、水位涨落速度等，这些都对鱼类和其它生物的栖息繁衍产生影响；
（4）生物评估具体是分析水文条件、水质条件和栖息地条件发生变化对于河流生物群落的影响程度。可能产生的变化包括：水域生物群落物种成分变化；栖息地生物优势种群的变化；物种枯竭；整个种群死亡率；生物行为变化；生理代谢变化；组织变化和形态畸变等。
3.4 栖息地评价
栖息地评价的目的是在揭示影响栖息地质量的关键环境因子，并定量地评价栖息地的质量。具体而言，是评价指示性生物的河流栖息地的质量状况。河流栖息地评价模型的建立一般包括以下五个步骤：确定指示性生物及评价的时空尺度，构建栖息地适宜度函数，建立评估模型并进行验证，构建栖息地评价模型时的参照系，构建栖息地评价模型所使用的数学方法。
目前，生态水力学模型方法在栖息地评价中获得了广泛应用。它是生态水力学的重要方法，在充分理解水动力学、水质、生物和生态动态特征相互作用机制的基础上，描述生物过程和生态系统的实际特征，建立计算模型，为河流环境整治和生态修复及管理提供技术支持。本文成果依据目标鱼类的适好曲线，结合示范工程进行了生态水力学定量分析，评估不同布置方案的栖息地质量，完成河流修复示范工程优化设计(图3、4)。
（a） 原设计 （b） 修改方案
图3 生态水力学模型的河段地形
4、河流廊道生态修复技术
我国现阶段河流修复中的首要任务是遏制流域内引起生态系统退化的污染，并在合理论证的基础上采取必要的修复措施。对于规划、评估、监测这些不同的任务，其工作对象的空间尺度可能是不同的。监测和评估工作可以在流域甚至是跨流域的尺度上进行。规划工作的尺度可以是流域或河流廊道。至于河流修复工程项目的实施，一般在关键的重点河段内进行。
我国河流生态修复工程的规划设计应在满足防洪等传统工程目标的前提下，使工程适应自然生态系统的要求。河流修复的规划和设计应采用系统方法，遵循自然规律，不仅能适应有固定边界条件的河流，也能适应可变边界条件的河流，而且要能保证在同一个工程目标下，不同工程技术人员能做出相似的设计方案，系统方法是一个多次反复的过程。河流生态修复工程的目标应是部分地恢复河流的自然地貌、水力和生态功能，需要不同专业领域专家的参与并提供技术支撑。修复工程的规划设计人员应包括地貌学、水文学、河流动力学、岩土工程和生态学领域的专家，此外还应包括关注这一工作的机构、个人、组织和其它利益相关者。
我国大多数河流都建有堤防工程，河流地貌不可避免要受到堤防工程的影响。从恢复自然环境功能但同时又能发挥防洪工程效益的角度出发，需要改进完善现有堤防的设计和建设方法，提出一些创新性的技术方法。
（1）洪水后退。这项措施包括清除河漫滩内的所有结构物，把河道恢复到历史状态。设计河道形态时要使河流泥沙不会产生严重的冲刷和淤积现象，并能恢复到天然形态。河流形态可以自由蜿蜒，洪水可以漫滩，平均漫滩频率为一年或两年。从现实来看，这一理念在我国的应用将受到社会经济发展的制约，对大多数已经建有堤防工程的河道而言，要实现河流形态的完全恢复是不切实际的。但对于尚未建造堤防工程的河段，在未来的防洪规划中，可把这种非工程防护措施作为一个主要的待选方案。
（2）堤防后靠。这项措施与洪水后退措施在本质上是一致的，但河漫滩洪水被限制在两岸堤防之间。堤防在布置上不应侵占蜿蜒带，从而使河道在地貌变化活跃的廊道区域内仍可以摆动。这项措施符合当前的洪水管理理念，但在很大程度上受经济条件的制约。对于新建堤防，在堤线布置方面，应遵循宜宽则宽的原则，处理好河道行洪和生态保护要求与土地开发利用之间的矛盾，河槽和河漫滩不仅要能满足设计洪水的行洪要求，还要保持一定的浅滩宽度和植被空间，为生物的生长发育提供栖息地，既可发挥河流的自净化功能，又有利于地表和地下水的联通。
（3）两级河道。两级河道实质上是大河道内套小河道，即上部河道主要用于行洪，枯水河道主要用于改善栖息地质量和提高泥沙输移能力。上部河道可设计成公共娱乐场所或湿地型栖息地，枯水河道可设计成蜿蜒形态。
（4）行洪河道。把现有河道恢复到原来的形态，同时建设一条行洪河道或大流量河道以满足行洪需求。恢复的河道主要是为了修复栖息地，而行洪河道则可设计成湿地或低洼栖息地，或开发为旅游休闲地，其作用就如同一个分离的河漫滩。
（5）河道内栖息地加强结构。通过在河道内增加砾石、翼型导流设施（侧堰）、堆石堰和鱼巢等结构，可以增强河道栖息地功能。但在设计中，必须考虑这些结构对河道过流能力和泥沙输移能力的影响，以保证防洪工程的可靠性。
（6）岸坡防护。在河道岸坡防护工程中引入树木和灌木类植被，不仅能提供良好的生物栖息地环境，而且还可以增加审美情趣。这类措施对防洪工程的改变最小，因此最容易实施，并强调在多孔性防护结构底部设置反滤层和垫层。此外，河岸植被将增进河道糙率，因此需进行详细的水力学分析来评价这种影响。针对冲刷侵蚀严重的河段，本项成果开发了一些岸坡防护结构和产品，包括棕纤维生态垫、柔性护岸排、鱼巢护岸砌块、净水石笼净、水箱护岸砌块，获得2项发明专利和3项实用新型专利。
5、河流生态修复实践
在上述理论研究和技术开发的基础上，开展了河流生态修复示范工程建设，包括浙江省海宁市辛江塘河道整治工程、深圳市田下河和观澜河生态修复工程、重庆市苦溪河生态修复工程，通过这些工程示范发展和完善了河流生态修复的理论和技术方法，同时也取得了可观的环境效益和社会效益。下面仅以浙江省海宁市辛江塘河道生态整治示范为例，予以简单说明。
（1）基本情况
辛江塘（河）是海宁境内主干河流之一。西起万兴桥，东至袁花大虹桥，全长32.4 km，是境内西引东泄的主干河道，亦是横贯东西的一条水上运输通道。在辛江塘河道生态修复工程建设中，尽量做到水土保持措施与“国家级生态示范市”建设相结合、与安全带植物绿化相结合、与环境整治相结合；淤泥堆放与肥田相结合；主干河道与交叉河道定位相结合；河道用地和借地相结合。
（2）工程规划设计
根据辛江塘不同河段的功能要求，分为基本功能河段、兼顾城镇建设功能河段、兼顾通航功能河段、具有饮用水源保护区功能河段，进行治理方案的统一规划和实施。
河流形态的规划设计基本保持现有河道平面形态，特殊地段局部调整河线。拆除阻水建筑物，以满足河道排涝泄洪过水和抗旱引水要求。河道随弯则弯，宜宽则宽，并增设河滩和岸边湿地等。
在满足河道功能的前提下，尽可能保持辛江塘天然断面。在保持天然河道断面有困难时，按复式断面、梯形断面、矩形断面的顺序选择。辛江塘大部分河段可用天然河道断面，在通过主要集镇时采用梯形、矩形断面。
原有老护岸通过顶部种植植物进行覆盖，为水域提供遮荫，调节河流局部水温。在治理规划中，还保留了一些河边静水区和湿地，营造多样性水域栖息地环境，使之具有不同的水深、流场和流速，适于不同生物发育和生长需求。
（3）治理效果
经过综合整治，辛江塘生态修复的实际效果符合预期设想，表现在如下几个方面：提高防洪和护堤能力，缓解边坡水土流失；水质得到改善，水生动物生长良好；大大节约工程投资，与传统技术相比，工程投资降低约1/3。
治理后辛江塘水葫芦减少。青蛙、鱼类等水生动物数量明显丰富。野兔、鸟类等进出频繁，河道边的林带更是成了诸多白鹭的栖息地。
另外，水生植物基本沿河道两侧均衡生长，野草、灌木、树根等降低了暴雨对土层的冲蚀，对坡面径流也有过滤作用，提高了排入河道内水的质量（图5）。
图5 辛江塘整治工程2年后的景观
6、结论
本文分析了水利工程对于河流生态系统的胁迫作用，对于水利工程的规划设计方法进行了反思，提出了河流生态修复的任务和规划原则，提出了河流健康的内涵和评估框架，整合并开发了河流修复技术，提供了已经完成的示范工程案例。
我国的河流生态修复工作正处于起步阶段，需要继续加强理论研究和工程示范，加强监测工作，长期积累数据。还需要不断总结经验，加强相关技术标准和规范的编制工作。
参考文献
1中国水利水电科学研究院，《河流生态修复理论研究与工程示范》研究报告，WH2007017，2006年12月.
2 董哲仁，孙东亚等，生态水利工程原理与技术[M], 中国水利水电出版社，2007年3月.
3 董哲仁，探索生态水工学[M]，中国水利水电出版社，2007年3月
