新时期河流水生态系统修复设计研究

苏 伟 ，陈凯麒，彭文启，吴佳鹏，胡宝月

(1.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京 100038；2.河北农业大学理工学院，河北 黄骅 061100；3.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012)

0 引 言

河流是人类文明的起源，是人类社会、文化和经济福祉的基础。河流水体内生物要素(即生物群落)与非生物要素(即生境)共同构成了相互作用、相互制约的河流水生态系统[1]。随着经济的快速发展，很多河流生态系统结构与功能的完整性遭到了破坏，人类对宜居生态环境的需求与经济发展的矛盾越来越突出。为缓解日益突出的矛盾，必须加快推进河流水生态系统保护与修复工作的步伐。河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统[2]，但在修复过程中，常常由于对生态系统修复的复杂性估计不足，出现好心办坏事的现象，即有好的修复理念，有完整的修复方案，修复效果却不尽人意。

在推动我国生态文明建设迈上新台阶的新时期，在水利行业“工程补短板、行业强监管”基调的引领下[3]，沿着“科学引导、技术支撑、社会监管”的相融合的修复思路，搭建STS(Science-Technology-Society)模型，系统梳理3个要素(科学、技术、社会)运行的关键程序，并阐述3个要素之间的关系对河流水生态系统修复的影响，对于进一步认识和发现河流生态系统存在的自然规律和生态规律，修复并促进河流生态系统各要素和谐共生具有重要意义。

1 河流水生态系统修复设计模型

1.1 模型内涵

新时期的河流水生态系统修复设计是建立在对河流水生态系统重要性的全新认识基础上的，“先破坏、后修复”、“头疼医头、脚疼医脚”的旧观念有所改变，绿水青山就是金山银山的发展理念正在盛行，山水林田湖草生命共同体的大局观正在深入人心。在新观念的引领下，以问题为导向，深入到水生态系统修复的各个层面，将补短板、强监管的理念渗透进整个修复设计中，对整个修复过程进行了系统、全面的思考。基于以上思考，搭建了基于过程的河流水生态系统修复设计STS模型，立体模型可以简化为2个部分，横向是“轮”图，纵向是螺旋发展示意。河流水生态系统修复设计STS模型见图1。

图1 河流水生态系统修复设计STS模型

STS模型中各符号代表含义见表1。模型运用系统论的方法，全方位考虑了河流水生态系统修复相关的科学因素、技术因素和社会因素。

表1 STS模型中各符号代表含义

“轮”图共分3层，最内层为科学层；中层为技术层，包括修复设计环节①～⑧；最外层为社会层，包括M、L、S等3种社会监管模式。水生态系统修复螺旋发展图中环节①～⑧为1个周期。“轮”图描述了生态修复过程中涉及的要素及各要素所处的层次，主结构由3个要素组成，分别是科学、技术和社会，1周代表1个修复周期。每1个修复周期结束后，要根据修复同步监测数据，分析在修复过程出现的偏差，通过负反馈机制反馈，开始规划下1个修复周期，循环往复形成了水生态系统修复螺旋发展图。总体来看，需要的人工干预修复的周期会越来越长(示意长度10→20→30→40→50)，整个河流水生态系统修复过程在人工不断干预下，应该向着自然化、自维持状态转变，直到脱离人工干预，真正恢复到自然状态。

1.2 模型三要素的关系

模型中包含的科学、技术、社会3个要素，分别处在了“轮”的不同层次上，代表了在河流水生态系统修复过程中不同的作用和重要性。科学、技术与社会(STS)的关系对河流生态修复的影响见图2。

图2 科学、技术与社会(STS)的关系对河流生态修复的影响

科学是河流水生态系统修复的核心层。科学是技术的理论基础，多学科知识的交叉才能促进修复技术的发展，保证修复过程中水生态系统的综合修复。同时，科学知识也能帮助全民提高生态保护意识，深入了解绿水青山就是金山银山的发展理念，坚持山水林田湖草是一个生命共同体的主流思想。从长远来看，如果公众缺少科学的思想，修复项目获得最终成功的机率会很低[4]。

技术是河流水生态系统修复的中坚层。河流水生态系统修复的复杂性和不确定性，决定了在整个修复过程中需要以科技作为支撑，强化修复工作的科技含量。技术与社会的关系主要表现为社会对技术的主动需求和技术对社会的影响都空前扩大[5]。河流生态系统的社会性决定生态修复工作不能脱离社会，需要建立一整套务实高效管用的监管体系，促进修复技术的实施，进而改变修复工作效率低的被动局面。

社会是河流水生态系统修复的最外层，起催化剂的作用。从社会角度看，社会监管模式(法制、体制、机制)的适应性变化加速了河流水生态系统修复的速度，使整个修复过程有法可依、有章可循，极大地强化了项目修复的可持续性。但是，社会监管模式是否合理需要根据水生态系统修复的实际效果进行科学评估，然后依照自然规律、生态规律进行科学的适应性变化。

在每1个修复周期中，都需要科学引导、技术支撑、社会监管相互配合，才能让修复的“轮”转得更快，使河流水生态系统恢复得更好。总之，科学、技术和社会3个要素互为前提、相互促进、相互渗透，牢牢把握三者之间的辩证关系，才能更好进行河流水生态系统修复，并保证修复项目的成功。

2 河流水生态系统修复设计的关键程序

2.1 科学(核心层)

在河流水生态系统修复的过程中，没有科学，技术就没有了源头，也就没有了发展的动力[6]。在生态修复过程中，根据水生态系统调查中发现的生态系统退化现象，探索生态系统退化的原因；利用已有的知识基础，对解决退化问题的方法进行探索，对修复理论进行创新；通过试验、数值模拟等方法对创新知识进行验证，确定创新理论的可行性；将通过验证的新知识纳入理论知识体系，并对新旧知识进行融合；结合河流水生态系统修复过程中的技术需求，针对性地指导创新修复技术；在用新技术解决问题的同时，在河流生态修复领域又会遇到新问题，继而进入新的循环周期。科学层设计思路见图3。

图3 科学层设计思路

2.2 技术(中坚层)

在整个水生态系统修复过程中，可以将技术层分成3个阶段，分别是修复前规划阶段(①、②、③、④)、修复中控制阶段(⑤)、修复后监测管理阶段(⑥、⑦、⑧)。技术层设计思路见图4。

图4 技术层设计思路

2.2.1评价河流生态现状

在河流生态修复规划前，对河流的生态现状进行评价，了解河流水生态系统的实际状态非常重要。资料收集与分析在生态现状评价甚至是在整个修复计划中都扮演着重要角色[7]。资料收集要做好2项准备工作：确认技术层面和制度层面的数据需求、确定好合适的数据采集途径。

收集的数据资料包括：基础资料(水文水资源、水环境、生态状况、河流地貌、土地空间利用等)、历史资料、社会文化经济层面数据。数据采集设备包括：卫星遥感、历史图层、无人机航拍等。资料收集后要进行分类整合、数据库管理、分级处理，在此基础上，建立不同尺度(如流域尺度、河流廊道尺度)的生态系统评价体系，对生态现状进行评价。

2.2.2识别关键退化因子

根据生态现状评价结果，确定影响河流生态系统退化因子的大致范围，分析因子对系统退化影响的敏感性，进而结合现场调查结果识别促使生态系统退化的关键因子，或在修复过程中最为关键的控制因子，以便在修复规划和实施过程中强化关键因子或控制因子的监督，保证修复项目的顺利实施。

2.2.3确定生态修复基点和修复目标

河流生态修复就是在退化的生态系统中帮助建立改善水文、地貌和生态过程，并替换自然系统中丢夫、损坏或受损的元素[4]。生态修复基点是生态修复的参照点，修复目标是生态修复的期望点，确定这2个点是目标管理的关键环节。一般河流生态修复基点的确定是依据河流未受人类干扰或干扰较小时的健康自然状态[8]。在不同的修复层面(水文情势、连通性、水质、生物群落及栖息地中的某一或几个方面)、在不同的修复空间(河流上游、中游、下游)应选择不同的修复基点。

河流生态修复的目标主要包括水文情势节律性及连通性加强、水质改善、河岸带稳定、栖息地增加、生物多样性丰富，同时满足人们美学和娱乐需求，还要根据不同的河流、不同的利益相关者所设定的生态修复目标应该有所侧重。

2.2.4制定生态修复规划

生态修复是一个长久的过程，不能一蹴而就。因此，生态修复应按照“统一规划、分阶段布局、循序渐进”的原则开展生态修复工作。河流的生态修复需要将整个流域作为整体进行统筹考虑和战略规划，但是在实际修复过程中，有限的资金难以对全流域进行全面修复，需要有选择、有重点地对某一河流或局部河段进行优先修复，这就涉及到修复优先序的问题[9]。因此，在制定生态修复规划时，首先要从流域层面出发，基于流域生态现状评价结果和生态退化关键因子的识别情况，进行适当优先选择模型，以确定最佳的修复策略和资源分配计划。

河流生态修复的各个阶段中，水环境质量保护与恢复阶段、生态需水保障与恢复阶段、栖息地保护与恢复阶段以及生物多样性保护与恢复阶段之间具有依次递进、从量变到质变的关系，每个阶段都有不同的规划要点[10]。

2.2.5实施生态修复措施

实施生态修复措施是河流生态修复规划的重要一步，是生态修复规划落地的重要保障。从河流具体生态修复措施层面来说，生态受损河流主要有以下几个方面的技术措施[11]：①水质净化改善措施，包括物理、化学、生物/生态3个方面；②生态水资源调度措施；③河岸湿地自然化改造措施；④河流结构的拟自然化措施；⑤过鱼设施。

生态修复措施在实施过程中，对修复过程的控制是非常重要的。在整个修复过程中，要确保修复措施的实施不会破坏现有河流生态系统，所有的修复措施都要在修复规划的指导下分阶段实施，要符合河流生态系统自然恢复的规律，不求一时成功，但求生态系统能够长久自维持运行。

2.2.6修复效果监测

河流廊道的恢复治理具有复杂性和随机性，复杂性在于涉及河流及其两岸水陆交错带的生境和生物要素的恢复治理，随机性在于河流廊道自身的演变以及人类影响的输入。为及时掌握河流廊道生态系统的信息变化，并适用于大型河流的廊道规划与治理，需建立相应的生态系统监测管理体系[12]。生态系统监测分为项目实施过程同步监测和项目后监测。项目实施过程同步监测主要针对修复措施实施过程中对生态系统的影响，项目后监测是针对修复项目完成后生态系统恢复效果的监测。主要监测内容包括水文监测、水质监测、生物监测、人类干扰监测。

2.2.7河流适宜性管理

在河流生态系统中，生物与生物之间、生物与环境之间都存在着各种反馈关系，生态平衡是在不断循环反馈的演进过程中达到的。在河流生态修复的过程中，人工修复措施很难在短时间内达到修复目标。因此，要想达到预期的修复效果，就必须遵循生态系统的自然规律，通过适应性管理，建立循环负反馈调节机制，逐步缩小河流生态现状与健康自然状态的差距，使生态系统达到稳定趋好的状态[10]。

2.2.8项目后评价及技术推广

河流生态系统修复项目后评价主要是对已经完成的修复项目的执行过程、效益、作用和影响进行系统、客观的分析，通过修复项目的实际效果检查总结，确定项目预期目标是否达到，项目或规划是否有效，总结经验教训，为技术改进做准备。对于修复效果良好的先进成熟技术，应列入推广计划，鼓励技术创新和技术推广，推动河流生态修复工作不断进步和发展。

2.3 社会(催化剂)

河流水生态系统修复是一个螺旋式的发展过程，在整个过程中需要社会的监管，促进水生态系统的修复和维护。河流水生态系统的监管要以生态修复过程中的问题为导向，以改进修复效果为目标，对违反规章制度的行为严格问责，从法制、体制、机制入手，建立一套高效的监管体系。从法制上，建立完善水利监管的法律法规、部门规章、标准规范、实施办法等制度体系，明确水生态系统修复和维护过程中的监管内容、监管人员、监管方式、监管责任、处置措施等。从体制上，明确监管的职责机构和人员编制，建立统一领导、全面覆盖、分级负责、协调联动的监管队伍。从机制上，建立内部运行的规章制度，确保监管队伍能够认真履职尽责，顺利开展工作[3]。社会层设计思路见图5。

图5 社会层设计思路

3 结论与展望

河流水生态系统修复的问题最根本的问题是人的问题，也是修复思路的问题。原来河流生态修复思路着眼于局部，“头疼医头、脚疼医脚”是很长一段时间内的修复思路，思路的偏差导致的结果是短时间内河流生态现状改善，长时间后生态问题反弹甚至恶化，需要长期的人工干预，导致人力、物力、财力的大量浪费。在新时期的河流水生态系统修复思路下，将着眼于全局、从流域尺度出发、以河流整个水生态系统为研究对象、按照“初期人工干预，后期逐渐进入自我修复”的思路开展修复工作。

针对新时期河流水生态系统修复新思路搭建的模型，从科学、技术、社会三要素的相互关系出发，阐述了三要素在整个水生态系统修复中所发挥的作用；从河流水生态系统的修复进程出发，提出的螺旋式发展模式能保证修复工作科学的、系统的、有序的开展；从各要素的具体流程出发，指出了科技支撑、技术修复、社会监管的具体步骤和关键环节，为修复工作的具体实施奠定了基础。河流水生态系统修复工作思路的转变增加了修复成功的可能性，但是要想达到更好的修复效果，在未来的发展中仍需开展以下研究：

(1)水生态系统生态修复要加强多学科多技术交叉融合，优化配置。在整个修复项目中存在着很大的复杂性和不确定性，修复目标不同，运用的修复技术不同，但由于它们之间存在着千丝万缕的联系，单独治理哪一方都不会取得最佳效果，这就需要加强学科交叉，技术融合，通过优化配置达到最佳效果。

(2)水生态系统螺旋推进周期的确定。要想真正达到水生态系统自我维持状态，需要多个螺旋推进周期之后才能达到。关键在于随着修复进程的推进，推进周期是逐渐变化的，如何选取适当的周期要结合修复效果监测数据以及修复经验加以确定，对于不同区域河流应建立对应的标准，方便修复工作的推进。

(3)加强管理制度改进与生态修复工作的有机融合。生态系统修复工作具有长期性、可持续性，在长期的修复工作中，如果相关的法律条文、部门机构、制度条款不能做适应性改进，修复效果就会因为管理和技术不能对接大打折扣。