河流生态学相关交叉学科进展

作者:董哲仁    文章来源:水利水电技术    点击数:5792    更新时间:2010-1-7

董哲仁,孙东亚,王俊娜,赵进勇
(中国水利水电科学研究院,北京 100038)

摘  要:论述了近年来河流生态学发展的主要特点。指出河流生态系统研究是一种跨学科的研究,诸多学科与河流生态学的交叉、融合,发展了富有生命力的新兴学科领域。文章介绍了生态水文学、生态水力学、景观生态学和生态水工学的学科内涵、研究进展和学科发展趋势。指出学科的细化标志着对于河流自然规律认识的深化,交叉学科必然会遵循生态系统整体性原则,最终朝着建立综合的河流科学理论方向发展。
关键词:河流生态学;生态水文学;水文情势;环境水流;生态水力学;生物生活史;景观生态学;生态水工学
中国图书分类号:X171.1    文献标识码:C   文章编号:1000-0860(2009)08-0036-08

Progresses of interdisciplines related to river ecology
DONG Zhe-ren  SUN Dong-ya  WANG Jun-na  ZHAO Jin-yong
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract: The main characteristics of the development of river ecology in recent years are discussed herein. It is pointed out that the study on river ecosystem is a kind of interdisciplinary research, and then is a new energetic field developed by crossing and syncretizing the river ecology with many related disciplines; in which the connotations, developments and trends of eco-hydrology, eco-hydraulics, landscape ecology and eco-hydraulic engineering are expatiated. It is indicated that the refinements of these disciplines imply the profound understanding of human being on the natural law of river. The interdiscipline will definitely follow the principles of ecosystem integrity and ultimately develop toward the establishment of comprehensive theories for river science.
Key words: river ecology; eco-hydrology; hydrological regime; environmental flow; eco-hydraulics; biotic life history; landscape ecology; eco-hydraulic Engineering

1  引 言
 
    近十几年来,在世界范围内河流生态学研究取得了长足进展,并且出现了一些新的特点,主要表现在以下几个方面:(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的大量观测资料基础上的河流生态系统过程研究,不断丰富了河流生态学理论。(2)改变了长期以来河流生态学以原始的自然河流为其研究对象的局面,把研究重点转向在自然力和人类活动双重作用下的河流生态系统的演替规律,适应了近百年来河流被大规模开发和改造的现实。(3)社会需求的增长为河流生态学的发展提供了动力。河流生态学的应用领域不断扩大,特别是为流域一体化管理和河流生态修复提供了一种科学工具,为管理决策提供了多种选择。(4)信息技术的发展,特别是遥感技术和地理信息系统技术,为河流生态学大尺度的景观格局分析提供了有用的工具。(5)河流生态学与相关学科的交叉融合,形成了许多新的学科生长点,一批边缘交叉学科的兴起成为河流生态学发展的最重要特征。
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    河流生态系统研究的重点是研究河流生命系统与生命支持系统之间的复杂、动态、非线性、非平衡关系,其核心问题是研究生态系统结构功能与重要生境因子的耦合、反馈相关关系。这里所说的重要生境因子是指:水文情势、水力学特征、河流地貌等因素[1],它们对应的学科分别是水文学、水力学和河流地貌学等。河流生态系统研究是一种跨学科的研究,诸多学科与河流生态学的交叉、融合发展了富有生命力的新兴学科领域,这包括生态水文学、生态水力学、景观生态学和生态水工学等。目前,这些新的交叉学科正处于方兴未艾阶段,研究工作十分活跃。

2  生态水文学
2.1  生态水文学的内涵
    生态水文学(Ecohydrology)是水文学与生态学融合形成的边缘、交叉学科,其内涵是研究水文过程与生物过程的耦合关系。迄今,对于生态水文学内涵的表述多种多样,最早可以追溯到1992年在都柏林召开的水与环境国际会议,在那次会议上为解决全球水环境退化问题,提出了将水文学和生态学结合的构想。1997年,Zalewski等人首先在联合国教科文组织国际水文计划(UNESCO IHP)-V的技术手册中给出了生态水文学的概念。2008年Harper和Zalewski等人对于生态水文学进一步给出了较为完整的定义:“通过对流域内水文机制对生物区以及生物区对水文机制的双向调节的量化与模拟,认识二者变化与协同的整体性,以保护、增强或修复流域水生态系统的可持续利用能力为基本目标,缓解人类活动的影响。”[2]
    Rodriguez(1997)认为,生态水文学是寻求生态模式和生态过程的水文机制的一门科学。他认为植被是生态水文学的核心内容[3]。
    Nuttle(2000)认为,生态水文学所关心的是水文过程对生态系统配置、结构和动态性的影响,以及生物过程对于水循环要素的影响[4]。
    以上定义中都重视水文要素与生物要素之间双重、交互调节作用,主要体现在以下两个方面:一方面是水文过程对生态因子的影响,如河流、湖泊的水文情势影响着水生态系统中种群和种群间关系,两者的相互作用决定了水生态系统的动态变化;另一方面是生物因子反过来也调节着水文过程,如流域内植被通过改变蒸散发、径流量和土壤水与地下水间的分配影响着水文循环,岸边的植被和洪泛平原的湿地影响着流量的出现时机等。在Zalewski等的定义中,还强调了人类活动对于水生态系统的影响,并且明确了研究生态水文学的目的是为保护和修复水域生态系统提供科学支持。
    生态水文学研究的范围包括:陆地上的气候-土壤-植被间的动态关系,探索生态格局和生态过程变化的水文学机制;水循环中的水文情势及其变化对水生生物和河流生态系统的影响[5];近年来发展的流域生态水文学,聚焦于流域尺度上水文过程和生态系统的相互关系,为水资源的可持续性管理提供科学工具。

2.2  研究进展
    自然水文情势(Hydrological regime)指自然河流的特定的水文过程,可以用流量、频率、出现时机、延时和变化率等5个控制性要素描述[6]。研究表明,特定的水文情势往往与特定的河流生物群落的生物构成和生物过程具有明显的相关性。年周期的水文情势变化是相关物种的生理学需求,引发不同的行为特点,比如鸟类迁徙、鱼类洄游、涉禽的繁殖以及陆生无脊椎动物的繁殖和迁徙。水文情势也是河流栖息地的重要组成部分。水文情势随时间的变化形成了一系列不同类型的栖息地,栖息地的时空变化规律影响着物种的分布和丰度,以及生态系统的功能。骤然涨落的洪水脉冲把河流与滩区动态地联结起来,形成了河流-滩区系统有机物的高效利用系统,促进水生物种与陆生物种间的能量交换和物质循环,完善食物网结构,促进鱼类等生物量的提高[1]。
    人们对于水资源的大规模开发利用,导致了社会系统与生态系统在水资源配置方面的竞争。为防洪兴利建设的大量水库在运行中进行的人工径流调节,又使自然水文情势发生变化,特别是水文过程的均一化削弱了水文过程的脉冲作用。跨流域调水工程打破了河流水系的自然格局,改变了水文循环条件。研究表明,人类活动对水文情势的干扰,导致对于生物群落特别是一些濒危、珍稀和特有生物的生存构成威胁[7]。
    在应用研究方面,近年来在我国十分活跃的领域当属环境水流(Environmental flow)研究。对于环境水流内涵的表述也有多种,其中较有代表性的Tharme(1998)等认为:“河流环境水流评价可以简单定义为:为维持生态系统被肯定的价值,评估在河道以及河漫滩中原始的水流情势需要维持在何种程度上。” [8] Dyson等(2003)认为,“环境水流是指用水矛盾突出且水量可以调度的河流、湿地或沿海区域,为维持其正常生态系统及功能所拥有的水量。” [9]目前,国内外使用过的环境水流计算方法可以分为四类,分别为:水文学法、水力学法、栖息地模拟法、整体法[10]。尽管我国在环境流领域的研究成果不少,但是在基本概念上还存在若干歧义。笔者认为,环境流概念不是一个纯科学的概念,环境流评价也不是一个纯科学问题。环境流评价是一种水资源配置的管理工具,是存在水资源竞争的条件下,水资源在经济社会与生态系统之间进行配置时所需要的妥协方法。环境水流评估可能提供一种水文情势改变程度的限制,使水生态系统的退化保持在人们可以接受的程度以内,成为利益相关者间进行协调的依据。
    在陆地生态水文学研究方面,在人类大规模经济活动背景下,在森林、草原以及干旱-半干旱地区,变化的水文情势对于陆地生态系统格局与过程的影响研究,取得了丰硕的成果。近年来,全球气候变化可能导致地球水文循环普遍加强,伴随降雨和蒸散发状况的变化以及极端水文事件的增加,陆地淡水生态系统对于这种剧烈的水文过程变化的响应机制,是研究工作的热点课题[11]。

2.3  学科发展趋势
    水文情势和生态过程耦合研究是河流生态水文学的基本内容,耦合模型的开发是量化和预测水文情势改变对生态过程影响的关键,也是调控水文情势的基础。研究内容包括:水域生态系统演替的水文机制;人类活动造成水文情势改变的生态响应机制;流域水循环过程与植被群落演替和生态过程的关系;生态水文过程的尺度转换;气候-水分-植被-土壤耦合模式等。虽然在国外这个领域研究开始较早,但是目前还未形成成熟的耦合机制模型,大部分成果停留在研究水生生物(鱼类、藻类、大型无脊椎动物和微生物等)对水文情势的响应方面。我国在这个领域的研究起步较晚,又受到生态监测系统不完善、生物监测资料严重缺乏这些因素的制约,因此进展不大,尚有较大的发展空间。
    生态水文学关注的不仅是流量或水量的生态效应,更加关注水文过程对于生态系统结构与功能的影响。水文过程的生态响应,其过程、模式、机理与效应问题,将是研究的重点。作为河流-河漫滩系统驱动力的洪水脉冲作用,需要通过系统的现场监测和分析,认识其机理和构建模拟方法。我国在环境流的研究中,关注水量、流量较多,但是缺乏水文过程以及洪水脉冲的生态效应研究,估计在此领域会有所发展。
    遥感技术和地理信息系统技术的发展,为流域尺度的生态水文学发展提供了有用的工具。利用分布式水文模型,进一步引进生物要素,模拟水文情势与生物过程的耦合关系,可能成为生态水文学新的生长点。在河流生态修复和改善水库调度等领域,生态水文学的应用研究将会更加活跃。

3  生态水力学
3.1  生态水力学的内涵
    生态水力学(Ecohydraulics)是水力学与生态学融合形成的一门新兴交叉学科。国际水力学研究协会(International Association for Hydraulic Research,IAHR)于1994年在挪威召开了第一届国际栖息地水力学(生态水力学)研讨会,成为生态水力学发展为一门独立学科的标志,迄今这个研讨会已经举办了7届。
    Nestler (2008)认为,“生态水力学的目标,是将水力学和生物学结合起来,改善和加强对水域物理化学变化的生态响应的分析和预测能力,支持水资源管理。” [12]生态水力学的研究尺度是河段或称中等栖息地和微观栖息地。
    研究表明,生物生活史特征与水力学条件之间存在着适宜性关系并符合下列原则:生物不同生活史特征对于栖息地需求可根据水力条件变量进行衡量;对于一定类型水力条件的偏好能够用适宜性指标进行表述;生物物种在生活史的不同阶段通过选择水力条件变量更适宜的区域来应对环境变化而做出响应。
    所谓水力学条件包括水流特征量(流速、流速梯度、流量、含沙量)、河道特征量(水深、底质类型和湿周)、无量纲量(弗劳德数、雷诺数)和复杂流态特征量。所谓生物生活史特征指的是生物年龄、生长、繁殖等发育阶段及其历时所反映的生物生活特点。就鱼类而言,其生活史可以划分为若干个不同的发育期,包括胚胎期、仔鱼期、稚鱼期、幼鱼期、成鱼期和衰老期,各发育期在形态构造、生态习性以及与环境的联系方面各具特点。
    水力学条件各变量指标对生物生活史特征产生综合影响。在急流中,水中含氧量几近饱和,喜氧的狭氧性鱼类通常喜欢急流流态,而流速缓慢或静水池塘等水域中的鱼类往往是广氧性鱼类。河流也提供不同流态以符合鱼类溯游行为模式。对于不同的流态,比如从急流区到缓流区,鱼类的种类组成、体型和食性类型都有明显变化。水流还具有传播鱼卵和幼体的功能,例如,在长江中上游天然产卵场产卵的四大家鱼的卵和幼鱼不具备游泳能力,但它们能顺水流到江河下游,并在养料丰富的洪泛区及河湖口地区生长发育。水温对鱼类代谢反应速率起控制作用,从而成为影响鱼类活动和生长的重要环境变量。决定鱼的产卵期(和产鱼洄游)的主要外界条件是水温和使鱼类达到性成熟的热总量。
    水生生物反过来也对水动力产生影响。河流-河漫滩-湿地系统存在着不同类型的植被组合,这些植被通过茎、叶的阻挡作用加大了岸滩的糙率,降低了行洪能力,也导致污染物运移、泥沙沉积和河床演变规律发生变化。
    人类大规模的治河工程和开发,包括河流渠道化、疏浚和采砂等,改变了河流蜿蜒性等特征,也改变了水流的边界条件,使水力学条件发生重大变化,可能导致栖息地减少或退化。水坝不但切断了洄游鱼类通道,而且造成水库水体的温度分层现象。很多鱼类对水温变化敏感,一些鱼类随着水温的升高产量增加,一些则下降。另外,高坝泄水时,高速水流与空气掺混,出现气体过饱和现象,导致水坝下游长距离河道的某些鱼类患有气泡病。最后,进行电站日调节的水库,下泄流量的日变幅和小时变化率都较大,有时会在减水时段,因水位下降过快造成鱼类的搁浅[13]。
    综上所述,笔者认为,生态水力学的任务在是河段的尺度上,建立起生物生活史特征与水力学条件的关系,研究水力学条件发生变化情况下的生态响应,预测水生态系统的演替趋势,提出加强和改善栖息地的流场控制对策。

3.2  研究进展
    (1)水生生物栖息地模拟
    生态水力学模拟的水生生物栖息地主要是中等栖息地(如河段的深潭-浅滩序列)和微观栖息地(如水生生物产卵等行为所利用的局部区域)。考虑的生境因子包括水流特征量(流速、流速梯度、流量、含沙量)、河道特征量(水深、底质类型和湿周)、无量纲量(弗劳德数、雷诺数)和复杂流态特征量。
    早在1982年Bovee就提出了自然栖息地模拟模型-PHABSIM Model。用以描述目标物种在其某一生命阶段由于水流变化引起微栖息地的变化的生态响应。采用一维水动力学模型计算结果,通过单变量的栖息地适宜性曲线转换成表征可用栖息地的数量和质量的指标——栖息地的权重可利用面积,输出结果是栖息地的权重可利用面积和流量的关系曲线[14]。
    Jorde(2000)在PHABSIM模型的基础上提出的CASIMIR模型,用基于模糊逻辑并结合专家知识的方法计算栖息地的适宜性[15]。另外,Parasiewicz(2000)等开发了中等尺度的栖息地模拟模型(Meso-HABSIM),以解决PHABSIM在应用到更大尺度上栖息地模拟的缺陷[16]。
    我国的栖息地模拟研究起步较晚,主要是借鉴国外经验,在水动力模拟的基础上,采用单变量的适宜性评价准则,模拟某几种珍稀濒危水生生物栖息地,得出了有益的结论[17-19]。
    (2)生态水力学模型
    生态水力学模型是在理解水动力、水质、生物和生态之间的动力学机制的基础上,尽可能接近生物过程和生态系统的实际特征,采用数字计算和经验规律相结合的方法建立的计算机模型[20]。
    生态水力学模型是水动力学模型和生态动力学模型的耦合模型。水动力学模型常采用数值解法。生态模型一般也采用类似水力学的空间均质的连续性方程,如水域多种群模型以及生命体运动方程等。为模拟自然界的空间异质性和许多生物过程如繁殖、捕食的非连续性,又不断有新的生态模型提出,如细胞自动化机器模式、基于个体模式、盒式模型等。
    (3)生态水力学的应用研究
    流场控制技术。在生物监测和实验研究的基础上,可以得出生物体适宜生长-面临威胁-面临死亡这三种状态间相互转换的阈值,如适宜的水流条件和最差可接受的水流条件。人为造出一种特定的流场环境,使某些生命体生长、增殖;或使某些生命体的增殖受到抑制,以此来帮助或诱导某些生命体逃离危险环境,使濒危物种得到保护,这一措施称为生命体的流场控制技术[21]。美国爱荷华州立大学水力研究所(IIHR)通过对鲑鱼生态水力学特性的系统实验研究,采用流场控制技术,诱导鲑鱼苗成功通过哥伦比亚河的七座大坝[22]。我国采用流场控制技术,成功控制了钉螺随灌溉水流扩散,有效防止了血吸虫病在灌溉区流行[23]。

3.3  学科发展趋势
    在水生生物栖息地模拟研究方面,预计将朝着水动力模型的精细化、适宜性评价准则客观化、栖息地模拟尺度多元化的方向发展。
    重视学科整合。除重视水力学因素对于生物的直接影响以外,还要重视水力学因素的间接影响。水流影响河床地貌的演化和沉积物的分布,影响河床岸坡植被的生长和生物的多样性,以及影响水质(溶解氧、营养盐的分布)、水体温度场、栖息地格局、水生生物的食物分布、含沙量等。因此,生态水力学的研究将进一步朝着学科整合和一体化方向发展。
    在应用研究方面,诸如河流生态修复工程优化设计和项目有效性评估,鱼道设计、减轻高坝泄流过饱和气体对鱼类影响,控制水库下泄水温变化,防治水库湖泊的富营养化等。

4  景观生态学
4.1  景观生态学的内涵
    景观生态学(Landscape ecology)既是生态学的一个分支学科,也是融合生态学、地理学、系统论和信息技术等学科形成的一个新兴交叉学科。景观生态学起源于中东欧,德国地理学家Troll在1939年创造了“景观生态学”一词,并把景观生态学定义为研究某一景观中生物群落之间错综复杂的因果反馈关系的学科[24]。其后学科不断发展,1982年成立了国际景观生态协会(International Association for Landscape Ecology, IALE)。这个时期景观生态学的研究重点是大尺度上不同生态系统的空间格局和相互关系,并且为土地规划与管理提供科学支持。至上世纪80年代后期以来,景观生态学在美国兴起,其理论成果重视景观空间异质性和格局-过程分析,进一步推动了学科的发展。
    景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置及其与生态学过程相互作用的综合性学科。强调空间格局、生态学过程与尺度之间的相互作用是景观生态学研究的核心所在[24, 25]。 
    景观格局(landscape pattern)指空间结构特征包括景观组成的多样性和空间配置[26]。景观空间格局是在自然力和人类活动双重作用下形成的。而人类历史上的农牧业生产活动、砍伐森林、工业化、城市化进程都大幅度改变着景观格局,其后果是原始景观格局发生了剧变。各种工程设施的建设,也改变了景观的空间配置,比如水库淹没土地后,造成原有陆地景观的“破碎化”。
    建立景观格局与生态过程的关系的目的,是通过对于景观格局的分析来认识生态过程。生态过程相对较为隐含,而景观格局较为直观,可以用测量、调查或遥感、地理信息系统(GIS)等技术工具记录和分析,如果建立起景观格局与生态过程之间的相关关系,那么,通过对于景观空间格局的分析,就可以理解生态过程和进行生态评价[27]。

4.2  研究进展
    景观生态学的研究重点主要包括:景观格局的形成和动态及其与生态学过程的相互作用;格局-过程-尺度之间的相互关系;景观的等级结构和功能特征以及尺度推绎;人类活动与景观结构、功能的相互关系;景观异质性的维持和管理。
    河流景观生态学主要研究河流廊道或流域尺度下河流景观格局与生态过程之间的相关关系。景观格局可以用景观镶嵌体进行定量描述,如缀块的数量、大小、形状、空间位置和性质等,基底的类型、下垫面性质等,都是可以通过各种测量的方式进行定量描述。生态过程包括生物多样性、种群动态、动物行为、种子或生物体的传播、捕食者-猎物相互作用、群落演替、干扰传播、物质循环、能量流动等。通过对河流景观空间格局的分析,就可以认识生态过程并进行生态评价,并可利用景观空间格局理论作为技术工具进行生态规划,还可通过适度改善景观格局去影响生态过程,达到河流生态修复的目的。
    河流廊道是陆地生态景观中最重要的廊道。河流廊道范围可以定义为河流及其两岸水陆交错区植被带,或者定义为河流及其某一洪水频率下的洪泛区的带状地区。广义的河流廊道还应包括由河流连接的湖泊、水库、池塘、湿地、河汊、蓄滞洪区以及河口地区。把河流廊道作为一个整体研究时,景观生态学具有很大的优势,能够将河流廊道的结构、功能和动态有机地结合起来[28]。
    地理信息系统(GIS)、遥感(RS)及全球定位系统(GPS)技术的发展,为河流景观生态学研究提供了十分有效的技术工具[29]。遥感作为一种获取和更新空间数据的有力工具,成为GIS的主要信息源。GPS可以快速地获得地表特征的位置信息,成为GIS精确定位的控制系统。在遥感和GPS的支持下,GIS作为空间数据处理、操作和分析的有力工具,促进了景观生态学的发展[30]。
    景观生态学为恢复生态学提供了新的理论基础。传统上以物种保护为中心的自然保护途径,对于多尺度生物多样性格局和过程及其相互关联重视不够,具有一定片面性。景观生态学研究表明,物种保护应该同时考虑其生存的生态系统和景观的多样性和完整性。景观生态学的应用使自然保护从“物种模式”转变为“景观模式”,即应用景观生态学理论指导生态修复和自然保护的规划设计,这极大开拓了景观生态学的应用领域[31]。

4.3  学科发展趋势
    目前景观生态学主要聚焦于有关格局和过程的研究,未来的研究将深入到对“过程”和“变化”进行关联性探索,并向多元化和空间直观化方向发展。解决特定格局和过程的合适尺度并进行尺度推绎也是景观生态学的发展中的关键课题[32]。
    在河流生态应用研究方面,在流域尺度上研究景观格局与流域生态过程的耦合关系,探讨在气候变化和人类剧烈活动(城市化,工业化)条件下景观格局变化的流域生态响应,都将是具有挑战性的课题。在河流生态修复方面,研究水资源开发和人工径流调节引起的景观格局变化的生态学过程;通过河流廊道景观格局的多种选择进行河流生态修复规划方案优化等,都会具有相当的应用价值。

5  生态水工学
5.1  生态水工学的内涵
    生态水利工程学(Eco-Hydraulic Engineering)简称生态水工学,是水利工程学吸收融合生态学的理论方法而形成的一门新兴交叉学科。董哲仁(2003)给出了生态水工学的定义:“生态水利工程学(Eco-Hydraulic Engineering)作为水利工程学的一个新的分支,是研究水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水域生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学。”[33]在这个定义中,既承认人类社会开发水资源的合理性,又强调保护河流生态系统的必要性,力图在矛盾的局面中寻找平衡,以实现开发与保护的双赢,促进人与自然的和谐。
    1993年美国科学院所主办的生态工程研讨会中根据Mitsch的建议,对“生态工程学”定义为:“将人类社会与其自然环境相结合,以达到双方受益的可持续生态系统的设计方法。”生态工程学的范围很广,包括河流、湖泊、湿地、矿山、森林、土地及海岸等的生态建设问题。河流的生态工程在德国称为“近自然河道治理工程”,提出了河道的整治要符合植物化和生命化的原理。在日本称为“多自然型建设工法”或“生态工法”,在美国称为“自然河道设计技术”。一些国家已经颁布了相关的技术规范和标准。
    生态水工学的产生是对于传统水利工程反思的结果。传统意义上的水利工程学作为一门重要的工程学科,以构筑水工建筑物为手段,目的是改造和控制河流,以满足人们防洪和水资源利用等多种需求。当人们认识到河流不仅是可供开发的资源,更是河流系统生命的载体;认识到不仅要关注河流的资源功能,还要关注河流的生态功能,这时才发现水利工程学存在着明显的缺陷,就是在满足人类社会需求时,忽视了河流生态系统的健康与可持续性的需求。
    生态水工学既借鉴了发达国家的河流生态工程理论经验,也立足于我国国情有所发展。发达国家水资源水能开发已经基本完成,而我国正处在水利水电的建设高潮,我国不但要解决被改造河流的生态修复问题,还要探索新建工程规划设计理论的改进与完善问题;不但要开发生态工程技术,还要研究水库调度和适应性管理等非工程措施,建立和发展与生态友好的水利工程技术体系。

5.2  研究进展
    河流生态修复是指通过适度人工干预,促进河流生态系统恢复到较为自然状态的过程,在这种状态下河流生态系统具有可持续性,并可提高生态系统价值和生物多样性。20世纪80年代阿尔卑斯山区相关国家-德国、瑞士、奥地利等国,在山区溪流生态治理方面积累了丰富的经验。随后,莱茵河“鲑鱼-2000”计划实施成功,提供了以单一物种目标的大型河流生态修复的经验。90年代欧洲的多瑙河、美国的基西米河及密苏里河的生态修复规划实施,标志着大型河流的全流域综合生态修复工程进入实践阶段[34]。1988年成立了国际生态修复协会(Society for Ecological Restoration International),1999年成立了欧洲河流修复中心(European Center for River Restoration, ECRR),迄今已经召开了4届国际研讨会[35]。2006年亚洲河流修复网络成立,我国也成立了相应的河流生态修复技术协作网。我国水利部于2004年启动了水生态系统保护与修复工作,目前全国已经开展了十个试点工作,同时开展了一批河流生态修复科研和推广项目,取得了可喜的进展。
    对河流生态系统结构、功能和过程的理解,是河流生态修复的基础。所以,有关水域生态系统的河流泥沙过程、地貌过程、水文过程、生物过程以及生态系统相互关联的整体性研究,成为河流修复的应用基础性研究的重要方向[36]。水利水电工程包括水坝、防洪工程、跨流域调水工程的生态影响机理分析是重要的研究领域。对于目标河流关键生态胁迫因子的识别方法研究也取得了进展。考虑到河流生态修复存在的大量不确定性因素,因此河流修复的适应性管理方法,近年已成为研究者关注的热点[37]。生态监测与评估方法方面,包括水域生态系统的综合评估方法、河流栖息地评估方法、河流健康评估方法等研究领域都十分活跃。欧盟颁布的《水框架指令》代表了水资源与水环境评估体系的国际水平。我国在河流健康评估方法研究方面尽管成果不少,但在概念上还存在着若干歧义。 
    在水利水电工程生态影响的评价方法方面,发达国家大多是以物种或生境为对象,通过生境评价方法进行评估。我国目前已有的相关技术规范与导则主要是针对单一工程,在单一工程评价中又局限在诸如濒危、珍稀、特有物种保护和水温等局部因素问题,忽视了水文情势变化、河流地貌变化对栖息地的影响等众多因素,更缺乏对于河流生态系统完整性影响的总体评价。由于在评价的时间尺度、空间尺度和评价内容等方面均存在较大缺陷,现行的相关技术规范与导则还难以满足工程规划生态影响评价的要求。
    兼顾生态的水库调度方法,是近年来国内外一个活跃的应用研究课题。这种水库调度方法是指在实现防洪与兴利多种社会经济目标的前提下,兼顾河流生态系统需求的水库调度方法[38]。这个问题的基本前提是:认识到人工径流调节对于水域生态系统的不利影响,采取改善水库调度的方法,部分恢复自然水文情势以改善水库上下游的生态系统结构与功能[39]。1996年美国联邦能源委员会在水电站运行许可审查过程中,要求针对生态环境影响制定新的水库运行方案,包括增大最小泄流量、增加或改善鱼道、周期性大流量泄流和陆域生态保护措施等。兼顾生态的水库多目标调度方法是一个非线性、多目标、多约束的优化决策问题。其中生态目标是多样的,包括保护水生生物、控制有害物种、改善水质、泥沙输移、河口生态维持等。胡和平等[40]提出了基于生态流量过程线的水库生态调度方式。将此生态流量过程线作为水库调度流量变化的约束条件之一,建立水库生态调度模型,求出相对最优解。
    在技术开发方面,河流栖息地保护与加强技术、岸坡防护生态工程技术、受损水体的生物修复技术以及水库生态修复技术等,国内外都有长足的进展和应用[41]。

5.3  学科发展趋势
    对于生态水文学、生态水力学和景观生态学的一体化应用将是发展生态水工学的关键。在一体化应用中,首先要解决尺度问题。在流域尺度上应用生态水文学方法研究在人类活动胁迫和人工径流调节的条件下,水文过程与生物过程的耦合问题,为流域生态修复规划提供支持。在流域或河流廊道尺度上,应用景观生态学方法研究在自然力和人类活动作用下景观格局变化的生态响应,分析河流形态和地貌过程的生态影响,为河流修复设计优化提供支持。在河段尺度上,应用生态水力学方法和生态工程技术,研究目标河流物种适宜栖息地的保护和加强方案,为河流修复工程区的技术设计提供支持。
    针对我国的社会经济需求,在兼顾水能资源开发与生态保护的原则指导下,研究河流水电梯级开发的阈值和总体布局问题,将具有很大的现实意义。另外建立完善的水利水电工程的环境影响评价体系,也是一项迫切的任务。
    生态工程适应性管理方法和生态水利工程负反馈设计理论,都将进一步得到重视和发展。
    兼顾生态的水库调度方法研究,需要结合各类示范项目进行。在总结实践经验的基础上,完善调度方法和模式。
    在开发和整合生态工程技术方面,诸如生物治污技术、栖息地加强技术、水坝过鱼及鱼类保护技术等,都将在社会需求的有力推动下有所发展。

6  结语
    河流生态系统是一个非线性、非平衡的复杂系统,在自然力和人类活动的双重作用下处于不断变化和演替过程中。各重要生境因子如水文、水质、水流流态和地貌等之间不是孤立存在的,而是交互作用的。各重要生境因子对于生命系统的作用更是综合的。实际上,水文过程、地貌过程、物理化学过程与生物过程总是相互作用而交织在一起的。
    一个学科的发展过程常常是沿着“综合-分解-综合”这样不断反复的模式前进。生态学的产生,就是把生命科学领域的许多学科,诸如动物学、植物学等学科与地学科学诸如地理学、气象学、水文学等融合起来,形成了生态学新的领域。随着生态学研究的深入,对于水文、水质、水流流态和地貌等生境因子与生命系统的耦合关系又进行了深入研究,于是产生了生态水文学、生态水力学、河流景观生态学等这些新兴交叉学科,有力地推动了河流生态学的发展。
    学科的细化标志着对于自然规律研究的深化,但是不意味着对河流生态现象和过程的孤立与分割[42,43]。学科的发展必然会遵循河流生态系统的整体性原则,最终朝着综合的方向,建立一体化的河流科学理论。

参考文献:
[1]  董哲仁. 河流生态系统研究的理论框架[J]. 水利学报,2009,40(2): 129-137.
[2]  Harper D, Zalewski M, Jorgensen S E. Ecohydrology: Processes, Models and Case Studies[M]. London:CABI Publ, 2008.
[3]  Rodriguez I. Ecohydrology: a hydrological perspective of climate-soil-vegetation dynamics[J]. Water Resource Research, 2000, 36(1): 3-9.
[4]  Nuttle W K. Eco-hydrology's past and future in focus[J]. Eos Trans. AGU, 2002, 83(19):205.
[5]  Acreman M C. Hydro-ecology: Linking Hydrology and Aquatic Ecology[M]. Wallingford:IAHS Publ, 2001.
[6]  Poff N L, Allan J D, Bain M B, et al. The natural flow regime-a paradigm for river conservation and restoration[J], Bioscience, 1997, 47:1163-1174.
[7]  Xie P, Wu J, Huang J, et al. Three-Gorges Dam: Risk to Ancient Fish[J]. Science, 2003, 302:1149.
[8]  Tharme R E, King J M. Development of the building block methodology for instream flow assessment, and supporting research on the effects of different magnitude flows on riverine ecosystem[R]. Water research Commission Report No. 576/1/98, 1998.
[9]  Dyson M, Bergkamp G., Scanlon J编,张国芳,等译. 环境流量——河流的生命(中译本)[M]. 郑州:黄河水利出版社,2006.
[10]  桑连海,陈西庆,黄 薇. 河流环境流量研究进展[J]. 水科学进展,2006,17(5):754-760.
[11]  王根绪,刘桂民,常 娟. 流域尺度生态水文研究评述[J]. 生态学报, 2005, 25(4): 892-903.
[12]  Nestler M, Goodwin, Smith, et al. A mathematical and conceptual framework for ecohydraulics[A]. In Wood P J, Hannah D M, Sadler J P, eds. Hydroecology and ecohydrology: past, present and future[C]. England: John Wiley & Sons, Ltd, 2008.
[13]  Halleraker H, Saltveit S, Harby A, et al. Factors influencing stranding of wild juvenile brown trout (salmo trutta) during rapid and frequent flow decreases in an artificial stream[J]. River research and application, 2003, 19: 589-603.
[14]  Bovee K D. A Guide to Stream Habitat Analysis Using the Instream Flow Incremental Methodology[R]. Washington, D.C: U.S. Fish and Wildlife Service, 1982.
[15]  Jorde K, Schneider M, Zoellner F. Analysis of instream habitat quality-preference functions and fuzzy models[A]. In: Wang, Hu, Eds. Stochastic Hydraulics[C]. Rotterdam:Balkema, 2000:671-680.
[16]  Parasiewicz P. MesoHABSIM: a concept for application of instream flow models in river restoration planning[J]. Fisheries,2001,26: 6-13.
[17]  吴凤燕, 付小莉. 葛洲坝下游中华鲟产卵场三维流场的数值模拟[J]. 水力发电学报,2007,26(2): 114-118.
[18]  杨 宇, 严忠民, 常剑波. 中华鲟产卵场断面平均涡量计算及分析[J]. 水科学进展,2007,18(5): 701-705.
[19]  杨 宇, 谭细畅,常剑波. 三维水动力学数值模拟获得中华鲟偏好流速曲线[J]. 水利学报,2007,(10):531-535.
[20]  陈求稳,欧阳志云. 生态水力学耦合模型及其应用[J]. 水利学报,2005,36(11):1273-1279.
[21]  姜跃良,王美敬,李 然. 生态水力学原理在城市河流保护及修复中的应用[J]. 水利学报,2003, 34(8):75-78.
[22]  Anderson J J. Diverting migrating fish past turbines[J]. Northwest Environmental Journal, 1988, 4:109-128.
[23]  李大美、王祥三、赖永根. 钉螺流场实验模拟及其应用[J]. 水科学进展,2001, 12(3): 343-349.
[24]  邬建国. 景观生态学-格局、过程、尺度与等级[M]. 北京:高等教育出版社,2000.
[25]  Risser P G, Karr J R, Forman R T. Landscape ecology: Directions and approaches[M]. Champaign:Illinois Natural History Survey, 1984.
[26]  Farina A. Principles and methods in landscape ecology[M]. Landon: Chapman and Hall, 1998.
[27]  董哲仁. 河流生态修复的尺度、格局和模型[J].水利学报,2006, 37(12):1476-1481.
[28]  周华荣. 干旱区河流廊道景观生态学研究[M]. 北京:科学出版社,2007.
[29]  Kondolf G M, Piegay H. Tools in fluvial geomorphology[M]. England: John Wiley & Sons Ltd, 2003.
[30]  Negri P, Casotti V. The Mosaic Evaluation System (MOS.E.S): a GIS based tool to support floodplain restoration[A]. In Gumiero B, Rinaldi M, Fokkens B eds. IVth ECRR Interational Conference on River restoration 2008 Proceedings[C]. Venice:ECRR, 2008.
[31]  Palik B J, et al. Using landscape hierarchies to guide restoration of disturbed ecosystems[J]. Ecological Application, 2000,10:189-202.
[32]  冷文芳, 肖笃宁, 李月辉, 等. 通过《Landscape Ecology》杂志看国际景观生态学研究动向[J]. 生态学杂志, 2004,23(5):140-144.
[33]  董哲仁. 生态水工学的理论框架[J]. 水利学报, 2003, 34(1):1-6.
[34]  Federal Interagency Stream Restoration Working Group. Stream Corridor Restoration: Principles, Processes, and Practices[M]. Washington, DC:USDA-Natural Resources Conservation Service, 2001.
[35]  Gumiero B, Rinaldi M, Fokkens B. IVth ECRR Interational Conference on River restoration Proceedings[C]. Venice:ECRR, 2008.
[36]  Habersack H, Piegay H, et al. Gravel-bed River VI-From Process Understanding to River Restoration[M]. Amsterdam:ELSEVIER, 2008.
[37]  Darby S, Sear D. River Restoration-Managing Uncertaity in Restoring Physical Habitat[M]. England:John Wiley & Sons, Ltd, 2008.
[38]  董哲仁,孙东亚,赵进勇. 水库多目标生态调度[J]. 水利水电技术, 2007, 39(1):37-41.
[39] Richter B D, Thomas G A. Restoring environmental flows by modifying dam operations[J]. Ecology and Society, 2007, 12(1):12.
[40]  胡和平,刘登峰,田富强等. 基于生态流量过程线的水库生态调度方法研究[J]. 水科学进展,2008,19(3): 325-332.
[41]  董哲仁, 孙东亚 等. 生态水利工程原理与技术[M]. 北京:中国水利水电出版社,2007.
[42]  Gary J B, Kirstie A. River future-An Intergrative Scientific Approach to River Repair[M]. Wanshington:Island Press, 2008.
[43]  Hauer E R, Lamberti G A. Methods in Stream Ecology[M]. Amsterdam: Elsevier, 2007.

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