水利工程河湖湿地生态保护修复技术研究进展

朱秀迪　成波　李红清　王小雨　江波

摘要：水利工程具有防洪、发电、供水、航运等多重效益，但其建设和运行可能带来湿地萎缩、生境退化、生物多样性减少、生态系统稳定性降低等生态环境问题。系统研究水利工程建设和运行对湿地生态环境的影响并提出多目标协同提升的湿地生态保护修复技术，对湿地生态保护和修复具有重要现实意义和科学研究价值。对国内外水利工程影响下湿地关键修复技术研究进展及湿地保护修复尚存的主要问题进行分析，展望湿地保护修复技术的研究和发展方向，以期为受水利工程影响下河湖湿地生态修复技术研究提供思路和借鉴。

关键词：湿地保护; 生态保护; 生态修复; 水利工程

中图法分类号：X171 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.001

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0008 - 07

0 引 言

湿地是重要的国土资源及自然资源，为许多动植物提供了独特的生境，与人类的生存、繁衍、发展息息相关。全球湿地面积虽然仅占地球表面的 1% 左右，却为全球约 20% 的物种，尤其是濒危及特有物种提供了合适的栖息地[1-3]。因此湿地在保护全球生物多样性与完整性等方面发挥了重要作用[4-5]。

水利工程作为国民经济基础设施重要的组成部分，在防治洪水泛滥、保障供水安全、保护生态环境以及推动国民经济发展等方面发挥了至关重要的作用[6]。截至2020年4月，全球已建造了58 713座水坝[7]，全球河流受到了严重的物理阻隔[8]，进而导致水利工程上下游产生和维持湿地生态系统生物多样性的水文情势、水环境、地貌形态、沉积态均发生显著改变[9-12]，对湿地保护与修复带来了全新的挑战。

自19 世纪开始，国外就逐步开展了有关湿地保护与修复的相关研究，早期主要集中在控制污水排放和湖泊水污染治理上，目前已建立了相对完善的湿地保护修复法律法规体系[13]。中国早在 2003年就编制了《全国湿地保护工程规划》;2017年，国家林业局、国家发展改革委、财政部共同编制了《全国湿地保护“十三五”实施规划》，明确了湿地修复的指导思想与目标任务，确定了“十三五”期间需实施的重大湿地保护修复工程与发展方向;2020年，《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021～2035年）》明确了“坚持保护优先，自然恢复为主”“恢复长江黄河生态系统”及“全面保护濒危野生动植物及其栖息地”等重大生态保护举措，内容涵盖了退耕还湿、自然保护地建设、湿地生态保护能力及保障体系建设等多个方面，为中国湿地保护修复工作起到了很好的支撑作用。目前，受水利工程影响的湿地恢复和修复工作尚未引起足够的重视。因此，全面认识水利工程对湿地生态的影响并采取有针对性的湿地生态保护和修复技术，对于维护湿地生态系统完整性、维持湿地生态多样性和改善社会生态环境都具有重要意义。

本研究在归纳总结国内外受水利工程影响的湿地生态保护修复相关技术研究进展的基础上，分析其不足，提出未来应加强的若干研究方向，以期促进水利工程、湿地科学等交叉学科的整体发展。

1 湿地生态保护与修复技术现状

1.1 水文连通修复技术

水文连通修复可按其连通性方向分为纵向水文连通、侧向水文连通及垂向水文连通[14-15]（图1）。上下游的水文连通称为纵向水文连通[16-17]、河流-泛滥平原/湿地和河流-湖泊系统称之为侧向水文连通[18-19]，地表水和地下水的垂直水文交换称为垂向水文连通性[20]。

纵向连通性恢复主要包括拆坝、筑生态坝及建立生态渠道等技术[21]。Brown等[22]提出综合大坝评估建模技术以评估大坝建设及拆除的成本及收益分析。Corsair等[23]提出基于多标准决策分析方法的水坝退出策略。目前，中国发布了SLT 791-2019《水库降等与报废评估导则》，形成1套较为完整的水库降等与报废流程。生态水坝是利用生态袋（将草籽和锯末混合在沙袋中）或当地土壤和植被建造的透水性较好的坝，既有保水功效，又有泄水功效[24]。生态渠道是具有源汇功能的人工渠道，可为鱼类提供洄游通道，连接破碎湿地，引水至缺水湿地，根本上缓解缺水型湿地退化[25]。

侧向连通性可以通过人工洪水及拆除或减少不透水性河岸来进行恢复。与疏浚或连通线路重建相比，人工洪水可在避免工程建设对环境的物理扰动情况下，将河流及缺水的洪泛区连接起来，具有经济性与环保性。提高河岸透水性，同样能够通过增加侧向水文补给增强侧向水文连通性。石头和混凝土等传统护岸材料会通过隔离水土物质交换对岸坡型湿地的水文连通性形成负面影响[26]。因而在河岸带侧向连通性恢复时，应尽量使用高透水性的非生物亲水材料，如天然材料（木桩、竹笼、鹅卵石）、生态塑料袋、植被混凝土、三维植被网、石笼网、细石混凝土等。这些材料不仅可以满足过滤和防冲刷的要求，而且还可以为植物生长和无脊椎动物和鱼类的发育提供栖息条件[27-28]。

垂向连通性可以通过拆除水体不透水下垫面或提升水体下垫面透水率等方式来恢复。

1.2 水利工程控制的湿地水文调控技术

水利工程控制的湿地生态水文调控技术主要包括湿地生態水文调控策略制定及湿地水文调控效果评价（图2）。生态水文调控策略制定包括湿地生态需水量确定、划定调度时段、制定调度路径3个部分[29]。湿地生态需水量定义为特定调度目标下湿地所需的生态水量，是制定湿地生态调度策略的基础。因此，在确定湿地生态需水量之前，首先应明确调度目标，如维系湿地生态环境现状、恢复历史适宜参考时期的湿地生态景观、保障湿地基本形态或某些具体的指示性目标、保护湿地生物多样性等[30]。目前，国内湿地生态需水量多利用目标水量、目标水位、目标水面、目标生物栖息数量和密度等水文或生态指标来量化调度目标，并基于此作为生态调度计算的边界条件，确定生态调度水量[31]。调度时段主要囊括调度起止时间、年内调度频次及调度时长等[32]。调度路径通常基于湿地所处的地理气候水文特点来进行选择[29]。在制定涵盖调度水量、调度时段、调度路径等多目标多要素的调度方案后，基于湿地与可利用调度水源的位置关系、区域水资源供需矛盾、调度线路的调水能力和资源消耗等条件，考虑上下游关系综合确定调度策略[33]。此外，为进一步论证生态调度策略的合理性，避免水资源及经济损失，国内外学者还会进行湿地生态调度措施的生态效益预测分析和生态调度后效分析[34-35]。

1.3 湿地动植物恢复技术

湿地动植物恢复技术是修复受水利工程影响的湿地最直接的方式。现存的湿地动植物恢复方法如图3所示。

1.3.1 湿地植物恢复

水利工程导致的湿地连通性降低与水文情势变化在一定程度上导致了湿地时空格局分布的改变或生境质量的下降。目前湿地植被恢复技术的选择通常依据湿地资源现状及特点，在充分调查研究的基础上，因地制宜地采取自然恢复、人工促进自然恢复和人工恢复等恢复模式。其中，自然恢复是指通过湿地自身动态变化过程而进行的被动性恢复，主要在植物种质资源丰富、具有良好水文周期、自然肥力高等区域采用。人工促进自然恢复是指通过人工辅助手段进行恢复，在自然恢复进程缓慢区域，通过人工撒播、补种水生植物等方式辅助自然恢复，如要求在湿地植物恢复过程中，尽量保持原始的自然地貌及水流状态;选择乡土植物，按照生态习性，分别栽种挺水、沉水、浮水植物等湿地植物，丰富植物群落多样性。人工恢复主要通过退耕还湿、退田还湖、生态农业及建立人工湿地等方式增加湿地面积，从而促进湿地植物恢复。

1.3.2 湿地动物恢复

湿地动物恢复的主要手段如下：① 水环境质量改善技术。水环境质量改善能够促进底栖无脊椎动物的多样性和丰富度增加[36-37]。水环境质量改善技术可按治理对象分为源头水污染阻控技术和受损水环境改善技术。源头水污染阻控技术多可采用厌氧池、塔式蚯蚓滤池组、微曝气潜流人工湿地、水生植物等组合方式净化源头水流，促进河湖湿地水质改善。受损水环境改善技术通常包括利用内电解基质强化净化、潜水泵、碳纤维生态草、沉水植物光合补氧等方法的黑臭河道水质净化技术，以及构建生态格、挂壁式立体生态修复竹排、石笼等方法的完全硬化河道水污染净化技术。② 湿地重建技术。两栖动物物种多样性、丰富度与湿地覆盖呈正相关[38]。因此可采用生态促淤、水位调节、人工湿地建设等方法增加水利工程驱动的湿地面积损失区的湿地面积。③ 多类型适宜生境营造技术。多类型生境可为不同类型湿地动物提供栖息觅食场所，提高湿地生态种群多样性。通常可根据能量塔原理和食物链食物网的物质流动原理，针对湿地水文水质条件、结构特征，顾及湿地修复区湿地动物的生活习性和对环境的适应能力，通过地形改造、基质恢复、补充与完善各营养级功能团等技术塑造多元化生境条件，改善湿地生境质量，改善其种群动态和群落组成[39]。

2 河湖湿地生态修复面临的主要问题

2.1 忽视“源头预防”

水利工程作为调蓄水资源分配、保障供水安全和防洪安全的重大工程措施，在产生巨大经济效益和社会效益的同时，也不可避免地对江湖连通与河湖水文情势产生影响，进而影响湖泊湿地生态水文过程、湖泊湿地生境及生物多样性[40-42]。目前，受水利工程影响的湿地修复研究方案制定时通常存在“头痛医头，脚痛医脚”“改造自然”等思维惯性，缺乏对影响湿地生态系统结构、过程、功能及生物多样性的关键驱动因子的溯源研究，过度干预自然演替过程，致使生态修复缺乏可持续性[43]。如果只聚焦生态系统退化过程及其空间格局，而忽视退化过程的驱动机制，并不能达成“源头预防”的效果[40]。

2.2 修复目标手段单一、系统性不强

生态修复目标既包括从供给侧提升生态系统质量和稳定性以及生态产品和服务供给能力，又包括从需求侧的角度提升人类福祉[40]。然而，现有的湿地生态修复往往局限于湿地生态系统本身，忽视了湿地生态系统与社会、经济、文化等要素之间的耦合作用。其针对的也往往是湿地生态系统某一个或某几个生态功能，忽视了湿地生态系统修复是在保护湿地生态系统功能的基础上维持和提升人类福祉，以达到生态修复多目标协同提升。中国过去的湿地生态修复技术大多聚焦于土壤、植被等单一生态要素，或水环境质量变化等单一过程，或聚焦于单个湿地，缺乏从流域生态系统的角度对湿地生态系统进行系统性、整体性修复，导致治标不治本的问题较为突出。另外，现有湿地生态修复技术往往忽视不同区域湿地生态特征和社会经济发展水平的差异，在推进有关重点湿地生态工程建设中，往往存在生态修复治理技术及模式单一，生态工程建设目标、建设内容和治理措施上缺乏创新，生态修复系统性和整体性不足，适用技术推广应用不够广泛等问题，对湿地生态保护和修复工程建设的支撑作用不足。

2.3 多元投入机制尚未建立

湿地生态系统修复是一个长期的过程。实施前期的修复试验、实施后的跟踪监测评估以及适应性管理模式探索均需要较大的财力、物力及人力投入。湿地生态补偿是以市场机制和经济手段调节利益相关者关系、协调湿地生态保护与经济发展的重要制度安排[44-46]，也是保障湿地生态修复效果的基础支撑。从理论上讲，生态补偿是通过生态系统服务的受益者向提供者支付费用，鼓励生态系统服务提供者对生态系统服务进行维护和保育，解决由于市场机制失灵造成的生态效益外部性问题，达到利益调控和效益权衡的核心目标[46-48]。生态补偿的途径和手段是协调利益相关方关系，其政策的成功与否在很大程度上取决于利益相关方的参与程度[49]，及其在生态补偿机制建立过程中扮演的角色和作用[50]。但受限于生态补偿政策设计过程中难以将生态系统服务供给方与受益方有机地联系起来[51]，導致利益相关方参与不够、补偿主客体难以界定和补偿标准确定缺乏科学基础等诸多问题[45]，进而导致湿地生态修复的前期试验、跟踪监测以及管理模式探索等环节实施进程缓慢。

3 河湖湿地生态修复的解决措施

3.1 加强湿地源头治理

由于受损湿地的恢复具有“范围局限、见效缓慢、效果有限”等显著的问题。不管是对受损程度较低的湿地生态系统进行自然恢复，还是采用人工辅助修复或生态重建的生态修复方式对自然恢复难度较大的湿地生态系统进行恢复，其核心点都是要对主要扰动因子进行调控。因此，实施生态修复技术过程中，加强“源头预防”，弱化水利工程建设对湿地造成的直接与间接不利影响，降低造成湿地生态系统退化的关键影响源与受损湿地生态联系，对于湿地生态系统的修复治理工作尤为重要。首先，各地区有关部门应进一步加强可能对湿地有影响的水利工程论证与审批工作，加大相关项目湿地保护措施，落实监督监管力度，探索新型管理体制并细化管控单元，积极动员公众参与湿地保护修复，提高公众湿地保护意识。此外，对于确有必要开展但对湿地生态具有一定不利影响的水利工程，应在项目建设的同时开展生态预修复，以避免或降低水利工程对湿地生态系统的不利影响。

3.2 提升湿地生态系统性修复技术研究水平

在国家持续、大力推进实施各项重要生态系统保护和修复重大工程建设的关键期，迫切需要积极统筹山水林田湖草一体化修复技术，大力提升湿地生态修复技术研究水平。具体可从以下6个方面着手：① 深入研究湿地生态系统结构、过程和功能及其与自然资源要素的相互作用关系，明确湿地生态修复关键目标。② 深入研究湿地生态系统结构、过程与功能退化的驱动机制，研发耦合模型，明确生态保护修复关键途径和标准体系。③ 从自然-社会-经济耦合效应的角度，分析并明确湿地生态修复的利益相关方。④ 深入研究湿地生态系统结构、过程和功能与自然资源要素的相互作用关系及湿地生态系统结构、过程和功能的驱动机制，从问题解决和目标实现出发研发湿地生态保护修复关键技术，为湿地生态保护修复提供科技支撑。⑤ 以水利工程影响下的湿地生态系统功能和服务提升为目标，深入研究水利工程影响下湿地水文情势和水环境变化对生态系统结構、过程和功能的影响机制，提出以河岸（湖滨）带植被组成和配置为主体的生态修复标准体系和研究面向水文情势变化的湿地生态修复标准体系。⑥ 从湿地生态水量保障、湿地资源合理利用和保护、湿地水环境保障等技术角度，研究以“水资源-水环境-水生态”（三水）为调控核心、湿地生态系统服务和人类福祉保护为主要需求的河湖湿地生态保护修复技术体系。

3.3 加快开展多元投入机制研究

为更有效地保障湿地生态修复效果，地方政府层面应充分整合现有资金政策和渠道，加强生态补偿，动员社会多元力量参与湿地生态修复工作。基于 “谁受益、谁恢复”原则吸引社会资本的资金保障体系，探索多元化投融资渠道的市场化资金运作模式，以期降低生态修复在资金投入方面的阻碍。

此外，为更科学有效达成湿地生态修复多元投入目标，亟待开展湿地生态补偿机制前期研究、生态系统服务综合与集成评估、利益相关方效益评估相关的研究，具体包括以下4个方面的内容。

（1） 生态补偿政策前期研究。基于生态系统服务产生及空间转移规律，确定生态系统服务供给者和需求者的空间分布特征及相互关系，并以此为基础确定生态补偿主客体、补偿范围、补偿标准、补偿方式和补偿途径。

（2） 生态系统服务综合与集成评估。基于利益相关分析和湿地生态修复目标，确定生态系统服务评估指标体系，并结合生态监测、社会调查和定量评估模型（生物物理模型和经济评估模型），开展湿地生态系统服务综合与集成评估。

（3） 生态补偿机制效果评估。在生态系统服务综合与集成评估的基础上，分析生态补偿实施前后湿地生态系统服务的动态变化、湿地生态系统服务的相互关系及供给者生计的变化，揭示生态补偿实施前后生态系统服务是否得到提升、生态系统服务供给者的生计是否得到改善及生态补偿机制实施是否有效地调节了生态系统服务之间的权衡关系。

（4） 生态补偿机制优化及成果借鉴。基于生态补偿机制实施效果评估结果，优化生态补偿范围和标准，提高生态系统服务多尺度利益相关者的参与度和满意度，保障修复区域生态可持续向好，同时为其他区域实施生态补偿机制建设和湿地生态修复及管理提供依据。

4 结 论

当前，针对水利工程造成的湿地水文连通性下降、水文节律失常及生物多样性下降等多项问题，国内外学者在湿地关键修复技术方面取得了一系列的创新及突破。但仍在源头阻控、综合治理及多元共治体系构建等方面存在技术瓶颈。相关研究可沿如下3个方面深入加强：① 强化湿地生态预警及预修复技术的研发工作，通过降低造成湿地生态系统退化的关键影响源与受损湿地的生态联系实现源头治理。② 以提升湿地生态系统性修复技术研究水平为牵引，推进湿地系统性治理研究工作开展。③ 加快湿地生态补偿机制前期研究、生态系统服务综合与集成评估、利益相关方成本效益评估等方向研究成果的产出。

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（编辑：李 晗）

Progress of ecological protection and restoration technologies of river and lake wetlands affected by water conservancy projects： A review

ZHU Xiudi CHENG Bo LI Hongqing WANG Xiaoyu JIANG Bo

（1. Changjiang Water Resources Protection Institute， Wuhan 430051， China; 2. Key Laboratory of Regional Ecology and Environmental Change， School of Geography and Information Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract：Water conservancy projects have multiple benefits such as flood control， power generation， water supply， and shipping. However， their construction and operation may bring about ecological and environmental problems such as wetland shrinkage， habitat degradation， decrease in biodiversity， and reduction in ecosystem stability. Systematically studying the impact of the construction and operation of water conservancy projects on wetlands and proposing multi-objective collaborative improvement of wetland ecological protection and restoration technology are of great real significance and scientific research value to wetland protection and restoration. This research summaries the research progress of key wetland restoration technologies under the influence of water conservancy at home and abroad， points out main problems of wetland protection and restoration， and makes a prospect of the future research and development of wetland protection and restoration technologies. The results can provide ideas for the research field about ecological restoration of wetlands affected by water conservancy projects.

Key words： wetland protection; ecological protection; ecological restoration;water conservancy project