河流生态恢复的目标

作者:董哲仁    文章来源:中国水利    点击数:1281    更新时间:2010-1-7
  摘  要 水利工程建设一方面给经济社会带来了巨大利益,一方面对于河流生态系统造成了胁迫。人们在反思中提出如何恢复河流生态系统的问题,以对河流生态系统进行补偿。本文列举了各国学者对河流生态恢复目标的不同定义,讨论了如何结合我国国情研究和实施河流生态恢复。
  关键词:河流 生态 恢复 胁迫 目标

    从上世纪70年代开始,水利工程与河流生态系统的关系问题,在国际科技界和工程界就引起了广泛的关注,成为环境科学领域中的一个热门话题。人们从不同的角度分析了水利工程对于河流生态系统产生的负面影响,进而提出如何进行补偿的问题,在此基础上产生了河流生态恢复的理论与工程实践。本文介绍了国际上不同学派对于河流生态恢复的定义,讨论了如何结合我国国情研究和规划河流生态恢复问题。

    一、生态恢复的缘起

    1. 历史简要回顾

    在数百万年长期进化过程中,自然河流与周围的生物种群交织在一起,形成了复杂、有序、动态稳定的河流生态系统,依据其自身规律良性运行。人类历史与自然河流历史相比要短暂得多。比如,据科学家估计长江形成的历史,应追溯到约300万年前喜马拉雅山强烈运动时期。而人类有记载的历史不过几千年,与河流自然年代相比实在微不足道。但是这几千年人类为了自身的安全与发展,对于河流的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,改变了河流的地貌学特征。河流一百年的人工变化超过了数万年的自然演进。有学者估计,至今,全世界有大约60%的河流经过了人工改造,包括筑坝、筑堤、自然河道渠道化、裁弯取直等(Brookes,2001)。据统计,全世界坝高超过15米或库容超过300万立方米的大坝有45000座。其中大约40000座大坝是在1950年以后建设的。坝高超过150米或库容超过250亿立方米的大坝有305座。(ICOLD,2000)。建坝最多的国家依次为中国、美国、前苏联、日本和印度。

    一方面,这些工程为人类带来了巨大的经济和社会利益,另一方面却极大改变了河流自然演进的方向。人们始料未及的是对于河流大规模的改造,造成了对于河流生态系统的胁迫,导致河流生态系统的不同程度的退化。这种退化也降低了河流生态系统的服务功能,本来大自然对于人类的恩赐因此而减少,这样反过来又损害了人类自身的利益。

    人们开始反思水利工程的功过得失,特别是讨论水利水电工程对于生态系统的负面影响问题。70年代在西方国家就出现了反对建设大坝的观点和思潮,称大坝为“河流杀手”。到20世纪80年代以后,西方国家一些拟建的水利水电工程由于受到社会舆论的猛烈批评,致使计划终止。一些学者还进一步主张要拆除现存的大坝,还自然河流以本来面目。在90年代,发达国家开始小规模地拆除大坝,比如美国拆除了180座小型水坝,计划在2001年再拆除30座坝。

    大规模的调水工程在前苏联也受到致命性的打击。前苏联自20世纪30年代开始建设大规模调水工程。至苏联解体为止,相继完成费尔干纳大灌渠(1939)、北克里木运河(1971)、卡霍夫主干渠(1979)和列宁-卡拉库姆运河(1980)等近百项规模不等的调水工程,主要分布在缺水的乌克兰、俄罗斯欧洲部分南部和中亚地区部分。调水线路总长6000多公里,年调水总量高达861亿立方米。到80年代中期,全国调水工程建设形成高潮,更大的调水工程还在规划中。但是形势却发生了急剧逆转。1985年官方准许在媒体上公开批评调水工程,于是全国范围开展了一场关于调水工程合理性的大辩论。反对派的主要观点是调水工程存在着潜在的严重生态危机,而决策者和设计者对此问题评估不足。另外,反对派认为在经济上调水工程的是一种挥霍浪费。对于南方干旱地区可以靠工业节水和改造灌溉系统等多种途径解决缺水问题。反对派中许多作家和知名学者反对调水工程的另外理由是工程给俄罗斯北部的中世纪城市、教堂、寺庙等历史文化遗产带来损害。在这种形势下,戈尔巴乔夫领导下的苏共中央和和部长会议于1986年8月通过一项决议,要求暂停调水工程的设计工作,授权国家科委等单位组织对于开展水资源再分配的科学问题研究,进行全面经济和生态研究论证。随后几年,前苏联局势急转直下,到苏联解体后,大规模调水工程计划也就从此束之高阁。

    2.水利工程对河流生态系统的胁迫

    自然与人类活动对于生态系统造成的压力,生态学中称为胁迫(stress)。人类活动对于河流生态系统的胁迫主要来自以下几个方面:(1)工农业及生活污染物质对河流造成污染;(2)从河流、水库中超量引水,使得河流本身流量无法满足生态用水的最低需要;(3)通过对湖泊、河流滩地的围垦挤占水域面积以及上游毁林造成水土流失,导致湖泊、河流的退化;(4)在河流的水库中,不适当地引入外来物种造成生物入侵,使乡土种消失和生态系统水平的退化;(5)水利工程对于生态系统的胁迫。这是一种物理类的胁迫。
水利工程对于河流生态系统的胁迫主要表现在两方面:一是自然河流的渠道化,二是自然河流的非连续化。

    所谓“河流渠道化”是指:(1)平面布置上的河流形态直线化。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。(2)河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。(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。河流的渠道化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。二是指自然河流的非连续化。筑坝是顺水流方向的河流非连续化。流动的河流变成了相对静止的人工湖,流速、水深、水温及水流边界条件都发生了重大变化。库区内原来的森林、草地或农田统统淹没水底。陆生动物被迫迁徙。水库形成后也改变了原来河流营养盐输移转化的规律。由于水库截留河流的营养物质,气温较高时,促使藻类在水体表层大量繁殖,产生水华现象。藻类蔓延遮盖住大植物的生长使之萎缩,而死亡的藻类沉入水底,在那里腐烂的同时还消耗氧气。溶解氧含量低的水体会使水生生物“窒息而死”。由于水库的水深高于河流,在深水处阳光微弱,光合作用也弱,导致水库的生态系统比河流的生物生产量低,相对要脆弱,自我恢复能力弱。河流泥沙在水库淤积,而大坝以下清水下泄又加剧了对河道的冲蚀,这些变化都大幅度改变了生境。由于靠水库进行人工径流调节,改变了自然河流年内丰枯的水文周期规律,即改变了原来随水文周期变化形成脉冲式河流走廊生态系统的基本状况。最后,众所周知,不设鱼道的大坝对于洄游鱼类是不可逾越的障碍。另一类非连续性是由于筑堤引起的。堤防也有两面性。一方面起防洪作用,另一方面又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。原来可能扩散到滩地和洪泛区的水、泥沙和营养物质,被限制在堤防以内的河道内。植被面积明显减少。鱼类无法进入滩地产卵和觅食,也失去了躲避风险的避难所。鱼类、无脊椎动物等大幅度减少,导致滩区和洪泛区的生态功能退化。

    二、 河流生态恢复和生态工程学的定义

    人们对于水利工程给河流生态系统带来的胁迫进行反思和总结以后,认为应该缓解对河流生态系统的压力,对于各种胁迫因素给予补偿,恢复河流原有面貌,于是出现了“河流恢复”的概念和相应工程技术。美国土木工程师协会对于“河流恢复”有以下定义:“河流恢复是这样一种环境保护行动,其目的是促使河流系统恢复到较为自然的状态,在这种状态下,河流系统具有可持续特征,并可提高生态系统价值和生物多样性。”(ASCE,2003) 

    河流生态恢复是生态工程学的一个分支。所谓生态工程学是20世纪80年代开始,为促进工程学与生态学相结合形成的一门新兴的交叉学科。1989年Mitsch 等对于“生态工程学”(Ecological engineering) 给出定义,Mitsch有时也使用 “生态技术”(Ecotechnology)一词。1993年美国科学院所主办的生态工程研讨会上根据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。

    1. 河流生态恢复的目标

    在“河流生态恢复”的目标方面,学术界存在着不同的表述,这些表述也反映了不同的学术观点,从过程、目标到相关措施都有很大的差别。对于河流生态恢复定义有以下主要表述:

    “完全复原” (Full  restoration, Cairns,1991),定义为“使生态系统的结构和功能完全恢复到干扰前的状态”。完全复原首先是河流地貌学意义上的恢复,这就意味着拆除大坝和大部分人工设施以及恢复原有的河流蜿蜒性形态。然后,在物理系统恢复的基础上促进生物系统的恢复。

    “修复”(Rehabilitation),定义为“部分地返回到生态系统受到干扰前的结构和功能”。

    “增强”,(Enhancement,National Research Council 1992),定义为“环境质量有一定程度的改善”。

    “创造”,(Creation,National Research Council,1992),定义为“开发一个原来不存在的新的河流生态系统,形成新的河流地貌和河流生物群落”。

    “自然化”(Naturalization,Rhoads and Herricks,1990)。“自然化”的出发点是,由于人类对于水资源的长期开发利用,已经形成了一个新的河流生态系统,而这个系统与原始的自然动态生态系统是不一致的。在承认人类对于水资源利用的必要性同时,强调要保护自然环境质量。通过河流地貌及生态多样性的恢复,达到建设一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统。

    对应不同的恢复目标,采取不同的措施。概括各种措施不外以下几种:(1)人工直接干预。 通过人工栽种植被,改变植被结构,引进某些生物以达到生态恢复的目标。(2)自然恢复。主要依靠生态系统自我设计、自我组织、自我修复和自我净化的功能,达到生态恢复目标。(3)增强恢复。是介于以上两种方法的中间路线。在初期的物质和能量的投入基础上,靠生态系统自然演替过程和河流侵蚀与泥沙输移实现恢复目标。

    上述几种恢复目标中,实现“创造”这种目标,主要靠人工直接干预。其余几种目标依靠增强恢复和自然恢复,不过侧重点有所不同。

    2.各种恢复目标的异同

    上述几种生态恢复目标存在着共同点。首先,都是从河流生态系统的整体性出发,确定恢复的着眼点是河流生态系统的结构和功能。研究表明,在一个淡水水域中,各类生物相生相克,形成了复杂的食物链(网)结构。一个物种类型丰富而数量又均衡的食物网结构,其抵抗外界干扰的承载力高,生态功能(如能量流动、物质循环、物种流动等)也会趋于完善和健康。其次,各种恢复目标都把生物群落多样性作为恢复程度的主要衡量标准,而不是仅仅恢复岸边植被或恢复某些单一物种。最后,从生物群落多样性与河流生境的统一性原理出发,都强调恢复工程要遵循河流地貌学原理。

    至于几种恢复目标的差别,一些学者对于“完全恢复”这种目标提出置疑。到底恢复到什么历史时期的状况?几十年前抑或几百年年前?由于缺乏河流干扰前的地图、文字或其它图象等科学资料,所以弄清楚干扰前的河流状况是十分困难的。何况在近代社会人们在河流上已经建设了大量的水利设施,在经济社会发展中发挥着巨大效益。闸坝、堤防、航道等这些基础设施已经成了河流恢复的重要约束条件。如果全面拆除大坝及各种水利设施以恢复河流的原始面貌,从经济分析和防洪安全观点看可以说是完全不现实的。如上述美国在20世纪90年代拆除了180座小型水坝,占美国大坝总数0.23 %。拆坝之举,同样在科学界引起争论。著名生态学家 Mitsch(2004)指出,回顾90年代在拆除大坝行动,“对于拆坝带来的影响方面科学研究论证很不充分,往往是零散片断地进行,采取的方法是一种‘学院式’的方法而不是用整体式方法。比如一位科学家研究对于鱼类的影响,另一位科学家研究无脊椎动物,第三位可能去分析水样。”Hart  (2002)批评说:“已往拆坝的科学论证工作是基于定性的观察而不是定性的测量。由于缺乏对于总体因素比如泥沙输移和水温等重要因素的全面分析,拆坝行动论证中对于拆坝的理由和造成的影响分析往往基于错误的假设。”

    其次,对于“创造”一个新的河流生态系统,也有不同观点。不少学者主张,应该更多地依靠自然界的力量,依靠自然演替过程实现生态恢复的目标。人工生态系统的建立具有很大的不确定性,何况新的人工生态系统的成本要高得多。欧洲和日本的河流恢复实践大多倾向于在承认河流开发现状的基础上,进行河流的生态恢复。在权衡满足经济社会需求与满足生态健康关系上,大体采取二者并重的立场。

    三、如何结合我国的国情

    如何结合我国的国情考虑河流生态恢复工程?首先,对于水利工程建设,要采取面对现实的态度,充分肯定水利工程对于国家经济社会发展的重要作用。为了防洪、供水、灌溉、发电和航运等目的,现在和将来,社会还离不开水利工程。如果在我国侈谈为恢复河流生态而大规模拆除大坝,将是完全脱离社会实际的。如果简单引用西方学者观点一概反对建坝,恐怕也失之偏颇。我们要承认水利工程为经济社会服务这个基本现实,在此基础上,研究河流生态恢复问题。同样,针对工程对生态系统的胁迫问题,也应该采取面对现实的科学态度,而不是回避的态度。要承认并且深入研究这些负面影响。新建水利工程需要在充分论证对生态系统的影响基础上进行建设。对于新建和已建工程,要采取各种工程措施、管理措施和生物措施,尽可能减轻对于河流生态系统的压力,对于生态系统的胁迫给予补偿,在一定程度上恢复河流原有的面貌。总之,应该提倡“趋利弊害”的原则,而不主张“因噎废食”的做法。

    我国治水历史悠久,古籍记载的大禹治水约发生在公元前21世纪,说明中华民族大规模的治水活动至今已经有4000余年的历史。古往今来大规模水利工程建设,包括筑坝、筑堤、裁弯取直、渠道化、人工河网化等,已经使我国众多的自然河流面貌发生了巨大的变化。尽管我国有大量的古籍记载了历代治水的历史、对策,但是仍然缺乏大中型河流的包括生态状况的自然演变和人类活动的科学资料。在美国可以讨论河流恢复的目标是欧洲移民到达前河流未受干扰的状况,其实那不过是二、三百年前的历史,而对于我国来说,如果讨论恢复到干扰前的状况是完全缺乏科学基础的。退一步讲,即使讨论恢复到50年前大规模水利建设以前河流生态状态,在缺乏较完整的科学资料条件下,制定这样的生态恢复目标同样会遇到困难。我国河系的中下游地区,人口密集,土地利用高,为防洪目沿河筑堤,已经成为河流恢复的主要约束条件。大范围地调整河流地貌学特征,对于大中型河流来说余地已经不多。

    综上所述,在我国对大中型河流生态“完全恢复”可以说是不现实的。在我国需要全面介绍发达国家提出的“河流恢复”的战略规划和经验,全面介绍西方各种学派对于河流恢复的认识。不可简单引用某一种学派的结论,照搬到我国的河流整治的实际中来。实际上,主张拆坝,实现“完全恢复”河流原貌的,仅是一种学派主张。西方各国也是因地制宜地制定河流恢复的目标,制定河流恢复的规划并进行设计和实施。

    我们应实事求是地研究我国河流保护问题。考虑到我国目前经济发展阶段,从经济实力看,在我国多数地区还难于按照西方国家的高标准进行河流恢复建设。生态建设要进行经济分析,充分考虑投入产出关系,取得生态效益的最大化。在我国值得提倡的经济可行的技术路线是充分利用生态系统自我设计,自我组织的功能,实现生态系统的自我修复。重点是减轻人为对河流生态系统的胁迫,包括强化治污和污水排放控制,保持最低生态需水量等。在此基础上研究河流恢复问题。在河流恢复工程中,在初期投入少量资金,建设必要的辅助人工措施,主要是河流自然形态的恢复和生物栖息地的构筑,最大限度地发挥生态系统自我修复功能。如果靠国家大量投资进行河流生态建设,力图“创造”一个新的生态系统,本质上说,这也是“改造自然”的一种新翻版。

    总之,在我国河流恢复的目标不可能是返回到某种本来不清楚的原始状态,也不是创造一个全新的生态系统,而是立足河流生态系统现状,积极创造条件,发挥生态系统自我恢复功能,使河流廊道生态系统逐步得到恢复,使其具有健康性和可持续性。按照我国的国情和治河经验,治河工程大多是综合治理,在我国现实可行的路线是,结合河流防洪、整治和城市水景观建设等工程项目,综合开展河流生态恢复建设。

    重要的问题是水利工程建设如何处理好人与自然的关系。在权衡社会经济需求与生态系统健康需求这二者关系方面,结合我国的情况,要改变水利工程建设的目的仅仅是为开发利用水资源这种单一目标,而是强调水利工程在满足人类社会需求的同时,应兼顾水域生态系统的健康和可持续性。为此,就要需要吸收生态学知识,促进水利工程学与生态学的结合,改善水利工程的规划设计方法,发展生态水利工程学,尽量减少对于生态系统的胁迫,充分考虑生态系统健康的需求问题。

    (原载《中国水利》2004年第10期) 


参考文献

ASCE River Restoration Subcommittee on Urban Stream Restoration,Urban stream
Restoration,Journal of Hydraulic Engineering ASCE , July 2003, pp 491-493

Brookes , A., Shields, F. D., River Channel Restoration: Guiding Principles
for Sustainable Projects, John Wiley & Sons, Chichester, England, 2001

National Research Council, Restoration of Aquatic Ecosystems, National Academy 
Press Washington D.C. 1992.

Hart, D. D. and N. L. Poff, eds. . Dam removal and river restoration: special 
section. BioScience 52:653-747, 2002.

董哲仁, 生态水工学的理论框架, 水利学报, 2003年第1期P1-6
董哲仁,河流形态多样性与生物群落多样性,水利学报,2003年第11期,P1-7
董哲仁,水利工程对生态系统的胁迫,水利水电技术,2003年7期,P1-5
董哲仁,河流治理生态工程学的发展沿革与趋势,水利水电技术,2004年第1期,P39-41
董哲仁,荷兰围垦区生态重建的启示,中国水利2003年第11期,P45-47
杨立信 等, 国外调水工程,中国水利水电出版社,2003.
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