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科研新闻 |
| 水利工程对河流生态系统的胁迫与补偿 |
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关键字：生态系统
时间: 2004-03-26 点击率: 1191312 |
| 摘 要： 摘 要:本文阐述了河流生态系统的特点，指出河流形态多样性是生物群落多样性的基础。水利工程对于生态系统胁迫的主要原因，是由于水利工程在不同程度上造成河流形态的均一化和非连续化，其结果导致生物群落多样性的下降。最后，文章提出了水利工程对生态系统补偿的技术对策要点。 |
摘 要:本文阐述了河流生态系统的特点，指出河流形态多样性是生物群落多样性的基础。水利工程对于生态系统胁迫的主要原因，是由于水利工程在不同程度上造成河流形态的均一化和非连续化，其结果导致生物群落多样性的下降。最后，文章提出了水利工程对生态系统补偿的技术对策要点。
1．引言
自然界或人类对于生态系统造成的不利影响，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5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）在湖泊、河流或水库中，不适当地引入外来物种造成生物入侵，使乡土种受到威胁或消失；（5）水利工程对于生态系统的胁迫。本文重点讨论水利工程的负面影响问题。
众所周知，兴建的大量水利工程满足了人们对于供水、防洪、灌溉、发电、航运、渔业及旅游等需求，水利工程对于经济发展、社会进步的作用巨大。水利工程在生态建设方面也同样具有积极作用。通过调节水量丰枯，抵御洪涝灾害对生态系统的冲击，改善干旱与半干旱地区生态状况以及调节生态用水等方面，水利工程同样贡献巨大。
那么，“水利工程对生态系统造成胁迫”这个命题又从何谈起呢？
事物无不具有两重性。从人类幼年时代开始至今在地球上进行的大规模生产和经济活动，首推大片土地的农业垦殖及城市利用，其次是森林大规模砍伐，自工业化社会以来的温室气体排放等，都是引起全球生态系统变化的重要因素。而自远古至今兴建的水利工程是一种在流域和区域水平上对生态系统产生重大影响的事件。人类为自身的安全和经济利益，在疏导河流、整治河道，筑坝壅水等方面，不仅明显地改变着地地形地貌，影响着局部气候，同时也大幅度地改变着河流自身的形态，在不同程度上降低了河流形态多样性。其结果将导致水域生物群落多样性的降低，使生态系统的健康和稳定性都受到不同程度的影响。
一般认为，生态系统是指一定空间中的生物群落（动物、植物、微生物）与其环境组成的系统，其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个有组织的功能复合体。
在生态学中，具体的生物个体和群体生活地区内的生态环境称为“生境”（habitat）。在生境各个要素中，水又具有特殊的不可替代的重要作用。水是生物群落生命的载体，又是能量流动和物质循环的介质。生境中的主要因素称为生态因子（ecological factors）。在水域生态系统中，河流的流速、流量、水温、水深、水质以及水文周期等，都是重要的生境因子。
2. 淡水生态系统的特点
2.1生物群落与生境的统一性
有什么样的生境就造就了什么样的生物群落，二者是不可分割的。如果说生物群落是生态系统的主体，那么，生境就是生物群落的生存条件。一个地区丰富的生境能造就丰富的生物群落，生境多样性是生物群落多样性的基础。如果生境多样性受到破坏，生物群落的性质、密度和比例等都会发生变化，生物群落多样性必然会受到影响。在生境各个要素中，水又具有特殊的不可替代的重要作用。
2.2 生态系统结构的整体性
从生物群落内部看，整体性是生态系统结构的重要特征。一旦形成系统，其内部各要素不能被分割而孤立存在。如果硬性分开，那么分解的要素就不具备整体性的特点和功能。在一个淡水水域中，各类生物互为依存，互相制约，互相作用，形成了食物链结构。研究表明，一个生态系统的生物群落多样性越丰富，或者说食物链越复杂，形成三维的网状结构称为“食物网”，这种复杂的食物网组成的生态系统稳定性要高。另外，一个健康的淡水生态系统，不但生物物种的种类多，而且数量比较均衡，没有哪一种物种占有优势，这就使得各物种间既能互为依存，也能互相制衡，使生态系统达到某种平衡态即稳态，这样的生态系统功能肯定是完善的。反之，如果一个淡水生态系统的生物群落内比例失调，会造成整个系统恶化。
2.3自我修复功能与自我净化功能
淡水生态系统结构的另一个重要特征是具有自我修复功能和自我净化功能。在长期的进化过程中，形成了同种生物种群间、异种生物种群间在数量上的调控，保持着一种协调关系。水体自我修复能力，也是淡水生态系统自我调控能力的一种。在外界干扰条件下，通过自我修复，保持水体的洁净。由于具有这种自我修复功能和自我净化功能，才使淡水生态系统具有相对的稳定性。
所谓稳定性具有两层含意，一是指对于外界干扰的适应力或称为弹性，二是在受到干扰后回到原平衡态的恢复能力。需要指出的是，生态系统的稳定性是相对的，其适应性也是有限的。所谓弹性限度也就是淡水生态系统对外界干扰的承载力。当超过某一个弹性限度，生态系统将出现一种不断远离平衡点的正反馈，加快系统失稳，常以爆发的方式导致系统的全面恶化。
综上所述，什么是一个健康的淡水生态系统呢？它是一个生物群落多样性丰富的系统，是一个食物链（网）结构复杂而完善的系统，是一个物质循环、能量流动及物种流动通畅的系统。
3. 河流形态多样性是生物群落多样性的基础
生物群落与生境的统一性是生态系统的基本特征。在流域生态系统的各种生境因素中，河流形态多样性是流域生态系统最重要生态因子之一。河流形态多样性及与生物群落多样性的关系可以归纳为以下5个方面。
3.1水－陆两相和水－气两相的联系紧密性
与湖泊相对照，河流是一个流动的生态系统。河流与周围的陆地有更多的联系，水－陆两相（two-phase）联系紧密，是相对开放的生态系统。水域与陆地间过渡带是两种生境交汇的地方，由于异质性高，使得生物群落多样性的水平高，适于多种生物生长，优于陆地或单纯水域。在水陆联结处的湿地，聚集着水禽、鱼类、两栖动物和鸟类等大量动物。植物有沉水植物、挺水植物和陆生植物，并以层状结构分布。另外，河流又是联结陆地与海洋的纽带，河口三角洲是滨海盐生沼泽湿地。
由于河流中水体流动，水深又往往比湖水浅，与大气接触面积大，所以河流水体含有较丰富的氧气，是一种联系紧密的水－气两相结构。特别在急流、跌水和瀑布河段，曝气作用更为明显。
3.2 上中下游的生境异质性
我国的大江大河多发源于高原，流经高山峡谷和丘陵盆地，穿过冲积平原到达宽阔的河口。上中下游所流 经地区的气象、水文、地貌和地质条件有很大差异，在水平和垂直方向上形成了极为丰富的流域生境多样化条件，这种条件对于生物群落的性质、优势种和种群密度以及微生物的作用都产生重大影响。在生态系统长期的发展过程中，形成了河流沿线各具特色的生物群落，形成了丰富的河流生态系统。
3.3 河流的蜿蜒性
自然界的河流都是蜿蜒曲折的，显然不存在直线或折线形态的天然河流。在自然界长期的演变过程中，河流的河势也处于演变之中，使得弯曲与自然裁弯两种作用交替发生。但是弯曲或微弯是河流的趋向形态。另外，也有一些流经丘陵、平原的河流在自然状态下处于分岔散乱状态。一些分岔散乱状态的河流归入主槽形成明显的干流，往往是由于人类治河工程的结果。需要强调指出，蜿蜒性是自然河流的重要特征。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境。由此形成了丰富的河滨植被、河流植物，为鱼类的产卵创造条件，成为鸟类、两栖动物和昆虫的栖息地和避难所。
3.4 河流断面形状的多样性
自然河流的横断面也多有变化。河流的横断面形状多样性，表现为非规则断面，也常有深潭与浅滩交错的布局出现。显然，不存在梯形或矩形等几何规则断面的自然河流。河流浅滩的生境，光热条件优越，适于形成湿地，供鸟类、两栖动物和昆虫栖息。积水洼地中，鱼类和各类软体动物丰富，它们是肉食候鸟的食物来源，鸟粪和鱼类肥土又促进水生植物生长，水生植物又是植食鸟类的食物，形成了有利于珍禽生长的食物链。由于水文条件随年周期循环变化，河湾湿地也呈周期变化。在洪水季节水生植物种群占优势。水位下降后，水生植物让位给湿生植物种群，是一种脉冲式的生物群落变化模式。由于水温、阳光辐射、食物和含氧量沿水深变化，在深潭中存在着生物群落的分层现象。
3.5 河床材料的透水性与多孔性
河床的冲淤特性取决于水流流速、流态、水流的含沙率、颗粒级配以及河床的地质条件等。由悬移质和推移质的长期运动形成了河流动态的河床。在高山峡谷湍急的河段，河床由冲刷作用形成，其河床材料是透水性较差的岩石，除此之外，大部分河流的河床覆盖有冲积层，河床材料都是透水的，即由卵石、砾石、沙土、黏土等材料构成的。具有透水性能的河床材料，适于水生和湿生植物以及微生物生存。不同粒径卵石的自然组合，又为鱼类产卵提供了场所。同时，透水的河床又是联结地表水和地下水的通道，使淡水系统形成整体。
综上所述，水－陆两相和水－气两相的紧密关系，形成了较为开放的生境条件；上中下游的生境异质性，造就了丰富的流域生境多样化条件；河流形态的蜿蜒性 形成了急流与缓流相间；河流的横断面形状多样性，表现为深潭与浅滩交错；河床材料的透水性为生物提供了栖息所。由于河流形态多样性形成的在流速、流量、水深、水温、水质、河床材料构成等多种生态因子的异质性，造就了丰富的生境多样性，形成了丰富的河流生物群落多样性。所以说，河流形态多样性是维持河流生物群落多样性的基础。
4. 水利工程如何对河流生态系统造成胁迫
水利工程对河流生态系统造成某种胁迫，具体表现是一些水利工程建设造成河流形态的均一化和非连续化，其后果是生物群落多样性水平下降。
4.1 河流形态的均一化和非连续化改变了生境多样性
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）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。
所谓河流形态的非连续化是指在河流筑坝形成水库，造成水流的非连续性。有的河流进行梯级开发，更形成河流多级非连续化的格局。水库蓄水后，淹没了原有的河流两岸的陆生植被，使得丘陵和平地岛屿化和片断化，陆生动物被迫迁徙。被搬迁的城镇及废弃的农田沉入库底，未清除的垃圾、工业废料及化肥农药残留统统进入水库。
4.2 河流形态多样性的降低对于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，可能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、砾石或黏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。
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境改变成了静水生境，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，所以水库生境的生态系统生产力（productivity）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。退化的水库一般难于自我恢复，需要人类干预才有可能。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境代之以较为单一的水库生境，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鱼道，将对某些洄游鱼类造成致命的打击。
4.3 生物群落多样性下降的后果
在生态学中，把由生态系统为人类提供的物质和生活环境的功能称为生态系统服务功能（Ecosystem services）。研究生态系统服务功能可以清晰地了解人类对于生态系统的高度依赖性，可以更深刻地理解人类对生态系统非理智的破坏行为，反过来会给人类自身造成的重大损害。
淡水生态系统对于人类的生态系统服务是多方面的。水域、湿地为人类提供食品及其它生活物资；对气温、云量和降雨进行调节，在全球、流域、地区和小生境等不同的尺度上影响着气候；对水文循环起调节作用，具有缓解旱涝灾害的功能；植物能涵养水分，有利水土保持；优美的水域景观具有休闲旅游功能，雄伟秀丽的高山大川本身就是一种文明财富。特别要强调的是，淡水生态系统具有的净化环境的功能，对于人类的生存环境具有关键意义。水生植物可以吸收、分解和利用水域中氮、磷等营养物质以及细菌、病毒，并可富集金属及有毒物质。生物净化过程，是在淡水生态系统的食物链（网）中进行的复杂的生物代谢和物理化学过程。通过这个过程，水体中的各种有机物和无机物溶解物和悬浮物被截留，有毒物质被转化，可以防止物质的过分积累所形成的污染，从而清洁了水体。水体的自我净化、自我修复功能，是水域生态系统极为宝贵的服务功能。
人们容易看到水利工程在供水、灌溉、发电等方面给人们带来的直接、有形的效益，却往往忽视水域生态系统为人类带来的利益，更难于看到因水利工程改变河流形态多样性，对人的利益造成的长远的隐形的损害。一旦生态系统遭到外界因素的破坏，大自然无偿提供给我们的服务功能将下降，当破坏程度达到某临界值时，这种服务功能甚至会丧失。
5．新的工程理念与技术对策
对于水利工程对于生态系统的胁迫，存在着两种认识及两种对策。一种是片面强调水利工程对生态系统的负面影响，全盘否定水利工程建设的积极作用，不分青红皂白对新建大坝和水利工程一律反对。在西方国家一些极端环保主义组织和人士就持这种态度。由于出现这样一股思潮和社会力量，使得一些国家特别是发展中国家政府筹划的解决供水、防洪或具有发电、灌溉效益的水利工程项目被封杀在图纸中。除了某些政治因素外，从思想方法角度看，用“因噎废食”来描述这种认识恐不夸张。对于水利工程对生态系统的负面影响，正确的认识应该是正视这些负面影响，对水利工程的工程理念进行反思，以“趋利弊害”的态度，改进和完善水利工程的规划和设计技术。从建设目标看，水利工程在满足人们对水的种种需求的同时，还能兼顾维持生态系统健康性的需求，促进人与自然的和谐共存。换言之，未来的水利工程应具有双重功能，即不但是有具有直接功效的供水、防洪、发电、航运工程，而且还应该是有利于生态系统健康与稳定的生态工程。
为消除水利工程对于生态系统的负面影响，从技术层面上看，似有以下问题值得重视和研究。
1．研究生态水工学。所谓“生态水工学”（Eco-Hydraulic Engineering）是水利工程学的一个新的分支，是研究水利工程在满足人的需求的同时，兼顾水域生态系统健康性与稳定性需求的原理与技术方法的工程学。
2．水利工程要尽最大可能保护和恢复河流形态的多样性。新建水库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。
3．开展已建水库的生态系统健康评估与预测，加强库区生物群落调查。重视水库生态系统退化的恢复及富营养化控制问题。
4．合理调度水库及其它水利设施。水库调度在满足人的需求的同时，兼顾生态系统的健康性的需求，克服静水、深水对于生物群落的不利影响。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。
5．保持河流的蜿蜒性是保护河流形态多样性的重点之一。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，取慎重态度。
6．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。
7．河道防护工程的岸坡采用有利植物生长的透水材料，特别注意采用当地天然材料。注意整理、发掘和发展我国各地的传统治河工法和材料。开发和推广输水渠道新型衬砌材料，可供植物生长并具有一定防渗性能。
8．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。
9. 利用生态系统自我修复和自我净化功能，开发与推广生态系统治污技术，开发人工湿地、生物廊道、生态浮岛等经济实用技术。
参考文献
1．Mitsch ,W.J. 1989 Ecological engineering, John Wiley & Sons Ltd.
2. 董哲仁，生态水工学的理论框架， 《水利学报》，2003年第1期
3. 董哲仁，水利工程对生态系统的胁迫, 《水利水电技术》2003年第7期
4. 董哲仁，保护与恢复河流形态的多样性，《中国水利》2003年第6期
作者简介：董哲仁 中国水利水电科学研究院 教授级高级工程师，博士生导师，北京 ，100038）
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