国内外河流生态系统修复相关研究进展

刘福全，杜 崇，韩 旭，李 瑞

（黑龙江大学水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080）

0 前言

河流对于维持地球水循环、气候变化等方面有着十分重要的作用,同时也是人类最重要的生存资源,在人类生产、生活中发挥着不可替代的作用。然而,随着社会经济的快速发展、人类生产生活需水量的增加,以及气候变化等方面的影响,致使河流水生态环境面临着严重的威胁[1]。无论从恢复时间还是从恢复程度上来讲,河流通过自身净化系统进行恢复的能力是十分有限的,这就需要靠人为的力量推动河流更好地完成自身系统性的修复。本文在归纳总结国内外河流生态修复的理论和技术成果以及结合当前的研究现状后,提出了三点展望,以期为今后河流生态修复工作提供参考。

1 河流生态修复的目标与任务

1.1 河流生态修复的目标

河流生态修复不是打破原有的生态结构和功能而创造新的生态系统,而是要立足于我国目前江河生态现状,以遵循自然规律为前提,在掌握各大河流生态受损程度的基础上,运用现有的修复理念和先进技术,达到对河流生态近自然状态的修复目标,以维持河流生态系统的健康良性循环。

1.2 河流生态修复的任务

由于受到人类活动、城市化、工业化、水利水电工程等多方面因素的影响,河流的形态、生物多样性、河流水质及水文条件均遭到不同程度的损害。基于河流生态系统的受损机制以及河流生态系统的复杂性、多变性和非线性的特点,总体上说,河流水环境生态修复任务主要从以下三个方面来建设：一是要建设河流形态多样性；二是在保证河流多样性的同时,也要对河流生物多样性进行修复；三是从河流水质、水文条件等方面进行修复。河流形态多样性的修复包括：一是要保持河流的蜿蜒性以恢复河流纵向上的连续性；二是要利用生态护坡、生态河底等生态工程替代传统的硬质化工程,从而恢复河流横向和垂向上的连通性。同时还要从整体角度考虑一条河流不同河段的生态特点,从点到线再到面,进行多层次分段化修复。

河流生物多样性修复包括：沿河流廊道和水陆交错带水生、陆生动植物群落的保护,为鱼类、鸟类以及两栖动物提供适宜的生存环境,以维护河流生态食物链的多样性和稳定性。河流水质、水文条件的修复包括：通过控制污水排放、增建污水处理厂、生物膜法、人工湿地处理污水等技术达到对河流水质的修复。在综合考虑各生态因子的前提下改变水库的调度方式,合理分配水资源以实现河流的生态调度和生态补水,从而维持河流河道最小生态需水量,模拟自然水文变化周期以改善河流下游生境生态条件。

以上三个方面同时又是相辅相成、相互促进、互为保障的联动关系。一方面河流形态的多样性能促进水质、水文条件的改善,进而促进河流生物的多样性；另一方面生物群落的丰富又能够为改善水质、水文条件及维持河流形态多样性提供保障。

2 国内外河流生态修复研究进展

2.1 国外河流生态修复研究进展

在意识到以防洪、排涝、航运、灌溉为主要目的传统水利工程以及人类活动对河流生态系统带来的破坏后,西方国家开始有针对性的开展对“非健康”河流的修复工作。包括修复理论的逐步形成和修复工程的逐步实践。其过程大致可分为三个时期：首先是河流生态修复理论的初期阶段；其次是对河流生态修复理论的加工完善丰富阶段；最后经过一系列的复杂过程,终于迎来了河流生态修复理论的阶段。

（1）在20 世纪30 年代~20 世纪50 年代期间,是河流生态修复理论的初期阶段,1938 年德国Seifert第一次提出了“近自然河溪治理”的概念,该理念框架下的河流生态修复治理方案要求使河流达到接近自然标准同时,还必须使治理成本降到最低。其目标是通过人为修复使河流生态恢复至原生自然化状态。Seifert提出的“近自然河溪治理”的概念为人类对河流生态的修复工作提供了丰富的理论支持,也使人们对河流的修复由传统观念向近自然化观念转变[2]。

（2）20 世纪50 年代~20 世纪80 年代期间,是对河流生态修复理论的加工完善再丰富阶段。西方国家最开始的河流生态修复重点落向于河流水质的治理和河流污染防控这两方面。随着人们对河流生态受损机制了解更加深入,意识到河流的渠道化和硬质化是造成河流生态系统退化的重要原因,相关学者开始站在生态学的角度思考传统水利工程存在的弊端,并将其应用于水利工程建设当中。据此,20 世纪50 年代“近自然河道治理工程学”理念在德国应运而生,并逐步发展成为河流生态修复研究的重要理论支撑。其核心是将生态学原理与工程设计理念相融合,在修复方法上,强调人为治理要与河流的自我恢复能力相结合[3]。

1962 年美国生态学家H.T.Odum等提出将生态学中的自我设计概念运用到河流的生态修复工程当中,由此生态工程的概念迅速传播开来,并将生态工程定义为：“人运用少量辅助能而对那种以自然能为主的系统进行的环境控制。”Schlueter（1971）认为,在对河流生态近自然化治理中,要在满足人类对河流的基本利用要求为前提条件下达到对河溪生态多样性的维护和重塑。直止20 世纪70 年代末瑞士Zurich州河川保护建设局在借鉴德国生态护岸试验的基础上对其进一步深入实践,将其延伸发展为“多自然型河道生态修复技术”,其目的是使河流最大化保持原始自然状态[4]。

河流生态修复理论的成熟阶段：随着河流修复理论的不断完善以及各种修复手段不断在河流治理中得到成功实践,河流治理的范围也逐渐向多指标和多维度方向拓展。有学者开始将河流水动力学、地质学等知识运用到河流的治理当中。Binder（1983）则认为首先要充分了解河道的水力学特性和地貌特点等基本自然规律,才能更好地对河流进行整治,在这一概念中,明确指出了河流生态治理过程中近自然治理与工程治理两种方法在目的和手段上的差异。Holzmann（1985）认为河流的生态治理应该创造出一个水流断面、水深及流速等水文特征多样性的河溪,并强调河流的近自然治理要面向生境多样性发展。同时,德国、瑞士于20 世纪80 年代提出了“河流再自然化”的概念,他的最终想法是将河流净化程度达到跟自然水体一样。英国在修复河流时也强调“近自然化”,将河流生态功能的恢复作为治理的重点[5]。

美国的Mitsch和Jorgensn于1989 年对Odum等在1962 年提出的生态工程这一概念进行了总结和探讨,从而拓展衍生出了“生态工程”这一理论,奠定了河道生态修复技术的理论基础。日本于1986 年开始引进和学习欧洲的河道治理经验,随后开创了“创造多自然型河川计划”,并称之为“多自然河川工法”。其理论也随着河流整治工程的不断实践得以完善和发展。

归纳总结国外河流修复的研究成果,其核心理念是将生态学原理应用于工程实践中,其目标是恢复河流生态的多样性,使其达到近自然状态,创造出一个良性循环的河流生态环境。

2.2 国内生态修复研究进展

国内在河流生态修复方面的研究在20 世纪末开始进行。初始阶段主要侧重研究河流生态系统中某一个层面的功能。近年来,国家越来越重视对河流生态环境的保护与修复,相关学者开始从不同角度积极开展对河流生态修复的研究。1999 年高甲荣等系统性阐述了景观生态学在荒溪治理工程中的方法和要点。并在此基础上深入探讨了河溪近自然治理的概念、发展和特征；王超等在2004 年系统性阐述了水安全、水环境、水景观、水文化和水经济五位一体的城市河流水生态系统建设机制,为城市河流的修复提供了理论指导；杨海军（2004）等指出传统的水利工程在一定程度上破坏了河流的生态功能,在分析和总结国内外关于受损河岸生态系统修复研究的基础上,指出了我国在开展受损河岸生态系统修复工作时会面临的问题,并据此提出了相应的解决措施；钟春兴等（2004）详细阐述了河流生态修复的内涵,目标明确,强调了河道形态的修复在河流生态整治中的重要性,并且要同时兼顾河流在纵向和横向上的修复[6]；赵彦伟和杨志峰（2005）在深入研究城市河流生态系统健康概念的基础上,系统地阐述了城市河流生态健康系统的评价指标体系、评价标准以及评价方法；倪竟仁等（2006）分析了河流治理过程中不同阶段的河流特点和影响因素,提出了自然循环、主功能优先、多功能协调等10 项河流生态修复原则,并指出了河流生态修复的基本步骤；徐菲等（2014）结合国内外学者的研究成果,对河流治理强调多学科思想相融合指导下的综合型修复将是未来河流修复发展的主要方向[7]。徐艳红等（2017）针对淮河流域河南段部分河流出现的不同程度上的河流生态退化问题,分别构建了三种修复模式和五种修复方法,对淮河流域内生态受损河流的修复具有重要技术指导意义[8]。李飞朝（2019）针对河流提出泥底清理与湿地修复技术,又对生态补水和人工补氧做了相关介绍,指出这两种方法都可以达到净化水体的目的,对河流生态系统的恢复治理达到了很好的效果[9]。

综上,虽然我国在河流生态修复方面的研究起步较晚,但发展迅速,对河流生态系统的修复不再是以单一的水质修复为主,而是逐渐向以流域尺度出发的整体生态修复过渡,在河流生态系统修复的理论、技术和实践上都取得了丰富的研究成果。

3 对我国河流生态修复研究的发展和展望

（1） 我国河流众多,受地理空间等因素影响,其形态各异。为便于掌握各条河流生态状况,有必要建立多机制、多效应、业务化的河流生态管理平台,并且区域性从河流水质、水文、生物群落、河流形态四方面建立河流生态系统健康数据库,为河流健康评估提供实时依据。多方面量化河流生态受损程度,从而为制定河流修复方案提供依据。

（2）目前,我国的河流修复仍处于以水质恢复为主的阶段,单从某一方面对河流生态进行治理都达不到最佳修复效果,应该多层次、多角度、多指标建立立体化河流生态修复规划机制。同时依赖生态学、河流动力学、生物学、遥感技术、计算机技术等多学科协同规划。

（3）实施递进式周期性修复措施,以适应河流自身的净化能力,针对不同阶段河流的水生态情况,制定相应的修复措施。我国河流众多,地理位置不同,污染程度也不相同,治理的方法不能抄袭照搬,应该结合当地河流的具体情况具体分析,因地制宜地进行针对性的治理,达到对症下药的目的。