國內外河流生態系統修復相關研究進展

劉福全，杜 崇，韓 旭，李 瑞

（黑龍江大學水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080）

0 前言

河流對于維持地球水循環、氣候變化等方面有著十分重要的作用,同時也是人類最重要的生存資源,在人類生產、生活中發揮著不可替代的作用。然而,隨著社會經濟的快速發展、人類生產生活需水量的增加,以及氣候變化等方面的影響,致使河流水生態環境面臨著嚴重的威脅[1]。無論從恢復時間還是從恢復程度上來講,河流通過自身凈化系統進行恢復的能力是十分有限的,這就需要靠人為的力量推動河流更好地完成自身系統性的修復。本文在歸納總結國內外河流生態修復的理論和技術成果以及結合當前的研究現狀后,提出了三點展望,以期為今后河流生態修復工作提供參考。

1 河流生態修復的目標與任務

1.1 河流生態修復的目標

河流生態修復不是打破原有的生態結構和功能而創造新的生態系統,而是要立足于我國目前江河生態現狀,以遵循自然規律為前提,在掌握各大河流生態受損程度的基礎上,運用現有的修復理念和先進技術,達到對河流生態近自然狀態的修復目標,以維持河流生態系統的健康良性循環。

1.2 河流生態修復的任務

由于受到人類活動、城市化、工業化、水利水電工程等多方面因素的影響,河流的形態、生物多樣性、河流水質及水文條件均遭到不同程度的損害。基于河流生態系統的受損機制以及河流生態系統的復雜性、多變性和非線性的特點,總體上說,河流水環境生態修復任務主要從以下三個方面來建設：一是要建設河流形態多樣性；二是在保證河流多樣性的同時,也要對河流生物多樣性進行修復；三是從河流水質、水文條件等方面進行修復。河流形態多樣性的修復包括：一是要保持河流的蜿蜒性以恢復河流縱向上的連續性；二是要利用生態護坡、生態河底等生態工程替代傳統的硬質化工程,從而恢復河流橫向和垂向上的連通性。同時還要從整體角度考慮一條河流不同河段的生態特點,從點到線再到面,進行多層次分段化修復。

河流生物多樣性修復包括：沿河流廊道和水陸交錯帶水生、陸生動植物群落的保護,為魚類、鳥類以及兩棲動物提供適宜的生存環境,以維護河流生態食物鏈的多樣性和穩定性。河流水質、水文條件的修復包括：通過控制污水排放、增建污水處理廠、生物膜法、人工濕地處理污水等技術達到對河流水質的修復。在綜合考慮各生態因子的前提下改變水庫的調度方式,合理分配水資源以實現河流的生態調度和生態補水,從而維持河流河道最小生態需水量,模擬自然水文變化周期以改善河流下游生境生態條件。

以上三個方面同時又是相輔相成、相互促進、互為保障的聯動關系。一方面河流形態的多樣性能促進水質、水文條件的改善,進而促進河流生物的多樣性；另一方面生物群落的豐富又能夠為改善水質、水文條件及維持河流形態多樣性提供保障。

2 國內外河流生態修復研究進展

2.1 國外河流生態修復研究進展

在意識到以防洪、排澇、航運、灌溉為主要目的傳統水利工程以及人類活動對河流生態系統帶來的破壞后,西方國家開始有針對性的開展對“非健康”河流的修復工作。包括修復理論的逐步形成和修復工程的逐步實踐。其過程大致可分為三個時期：首先是河流生態修復理論的初期階段；其次是對河流生態修復理論的加工完善豐富階段；最后經過一系列的復雜過程,終于迎來了河流生態修復理論的階段。

（1）在20 世紀30 年代~20 世紀50 年代期間,是河流生態修復理論的初期階段,1938 年德國Seifert第一次提出了“近自然河溪治理”的概念,該理念框架下的河流生態修復治理方案要求使河流達到接近自然標準同時,還必須使治理成本降到最低。其目標是通過人為修復使河流生態恢復至原生自然化狀態。Seifert提出的“近自然河溪治理”的概念為人類對河流生態的修復工作提供了豐富的理論支持,也使人們對河流的修復由傳統觀念向近自然化觀念轉變[2]。

（2）20 世紀50 年代~20 世紀80 年代期間,是對河流生態修復理論的加工完善再豐富階段。西方國家最開始的河流生態修復重點落向于河流水質的治理和河流污染防控這兩方面。隨著人們對河流生態受損機制了解更加深入,意識到河流的渠道化和硬質化是造成河流生態系統退化的重要原因,相關學者開始站在生態學的角度思考傳統水利工程存在的弊端,并將其應用于水利工程建設當中。據此,20 世紀50 年代“近自然河道治理工程學”理念在德國應運而生,并逐步發展成為河流生態修復研究的重要理論支撐。其核心是將生態學原理與工程設計理念相融合,在修復方法上,強調人為治理要與河流的自我恢復能力相結合[3]。

1962 年美國生態學家H.T.Odum等提出將生態學中的自我設計概念運用到河流的生態修復工程當中,由此生態工程的概念迅速傳播開來,并將生態工程定義為：“人運用少量輔助能而對那種以自然能為主的系統進行的環境控制。”Schlueter（1971）認為,在對河流生態近自然化治理中,要在滿足人類對河流的基本利用要求為前提條件下達到對河溪生態多樣性的維護和重塑。直止20 世紀70 年代末瑞士Zurich州河川保護建設局在借鑒德國生態護岸試驗的基礎上對其進一步深入實踐,將其延伸發展為“多自然型河道生態修復技術”,其目的是使河流最大化保持原始自然狀態[4]。

河流生態修復理論的成熟階段：隨著河流修復理論的不斷完善以及各種修復手段不斷在河流治理中得到成功實踐,河流治理的范圍也逐漸向多指標和多維度方向拓展。有學者開始將河流水動力學、地質學等知識運用到河流的治理當中。Binder（1983）則認為首先要充分了解河道的水力學特性和地貌特點等基本自然規律,才能更好地對河流進行整治,在這一概念中,明確指出了河流生態治理過程中近自然治理與工程治理兩種方法在目的和手段上的差異。Holzmann（1985）認為河流的生態治理應該創造出一個水流斷面、水深及流速等水文特征多樣性的河溪,并強調河流的近自然治理要面向生境多樣性發展。同時,德國、瑞士于20 世紀80 年代提出了“河流再自然化”的概念,他的最終想法是將河流凈化程度達到跟自然水體一樣。英國在修復河流時也強調“近自然化”,將河流生態功能的恢復作為治理的重點[5]。

美國的Mitsch和Jorgensn于1989 年對Odum等在1962 年提出的生態工程這一概念進行了總結和探討,從而拓展衍生出了“生態工程”這一理論,奠定了河道生態修復技術的理論基礎。日本于1986 年開始引進和學習歐洲的河道治理經驗,隨后開創了“創造多自然型河川計劃”,并稱之為“多自然河川工法”。其理論也隨著河流整治工程的不斷實踐得以完善和發展。

歸納總結國外河流修復的研究成果,其核心理念是將生態學原理應用于工程實踐中,其目標是恢復河流生態的多樣性,使其達到近自然狀態,創造出一個良性循環的河流生態環境。

2.2 國內生態修復研究進展

國內在河流生態修復方面的研究在20 世紀末開始進行。初始階段主要側重研究河流生態系統中某一個層面的功能。近年來,國家越來越重視對河流生態環境的保護與修復,相關學者開始從不同角度積極開展對河流生態修復的研究。1999 年高甲榮等系統性闡述了景觀生態學在荒溪治理工程中的方法和要點。并在此基礎上深入探討了河溪近自然治理的概念、發展和特征；王超等在2004 年系統性闡述了水安全、水環境、水景觀、水文化和水經濟五位一體的城市河流水生態系統建設機制,為城市河流的修復提供了理論指導；楊海軍（2004）等指出傳統的水利工程在一定程度上破壞了河流的生態功能,在分析和總結國內外關于受損河岸生態系統修復研究的基礎上,指出了我國在開展受損河岸生態系統修復工作時會面臨的問題,并據此提出了相應的解決措施；鐘春興等（2004）詳細闡述了河流生態修復的內涵,目標明確,強調了河道形態的修復在河流生態整治中的重要性,并且要同時兼顧河流在縱向和橫向上的修復[6]；趙彥偉和楊志峰（2005）在深入研究城市河流生態系統健康概念的基礎上,系統地闡述了城市河流生態健康系統的評價指標體系、評價標準以及評價方法；倪竟仁等（2006）分析了河流治理過程中不同階段的河流特點和影響因素,提出了自然循環、主功能優先、多功能協調等10 項河流生態修復原則,并指出了河流生態修復的基本步驟；徐菲等（2014）結合國內外學者的研究成果,對河流治理強調多學科思想相融合指導下的綜合型修復將是未來河流修復發展的主要方向[7]。徐艷紅等（2017）針對淮河流域河南段部分河流出現的不同程度上的河流生態退化問題,分別構建了三種修復模式和五種修復方法,對淮河流域內生態受損河流的修復具有重要技術指導意義[8]。李飛朝（2019）針對河流提出泥底清理與濕地修復技術,又對生態補水和人工補氧做了相關介紹,指出這兩種方法都可以達到凈化水體的目的,對河流生態系統的恢復治理達到了很好的效果[9]。

綜上,雖然我國在河流生態修復方面的研究起步較晚,但發展迅速,對河流生態系統的修復不再是以單一的水質修復為主,而是逐漸向以流域尺度出發的整體生態修復過渡,在河流生態系統修復的理論、技術和實踐上都取得了豐富的研究成果。

3 對我國河流生態修復研究的發展和展望

（1） 我國河流眾多,受地理空間等因素影響,其形態各異。為便于掌握各條河流生態狀況,有必要建立多機制、多效應、業務化的河流生態管理平臺,并且區域性從河流水質、水文、生物群落、河流形態四方面建立河流生態系統健康數據庫,為河流健康評估提供實時依據。多方面量化河流生態受損程度,從而為制定河流修復方案提供依據。

（2）目前,我國的河流修復仍處于以水質恢復為主的階段,單從某一方面對河流生態進行治理都達不到最佳修復效果,應該多層次、多角度、多指標建立立體化河流生態修復規劃機制。同時依賴生態學、河流動力學、生物學、遙感技術、計算機技術等多學科協同規劃。

（3）實施遞進式周期性修復措施,以適應河流自身的凈化能力,針對不同階段河流的水生態情況,制定相應的修復措施。我國河流眾多,地理位置不同,污染程度也不相同,治理的方法不能抄襲照搬,應該結合當地河流的具體情況具體分析,因地制宜地進行針對性的治理,達到對癥下藥的目的。