新時期河流水生態系統修復設計研究

蘇 偉 ，陳凱麒，彭文啟，吳佳鵬，胡寶月

(1.中國水利水電科學研究院水生態環境研究所，北京 100038；2.河北農業大學理工學院，河北 黃驊 061100；3.生態環境部環境工程評估中心，北京 100012)

0 引 言

河流是人類文明的起源，是人類社會、文化和經濟福祉的基礎。河流水體內生物要素(即生物群落)與非生物要素(即生境)共同構成了相互作用、相互制約的河流水生態系統[1]。隨著經濟的快速發展，很多河流生態系統結構與功能的完整性遭到了破壞，人類對宜居生態環境的需求與經濟發展的矛盾越來越突出。為緩解日益突出的矛盾，必須加快推進河流水生態系統保護與修復工作的步伐。河流生態系統是一個復雜、開放、動態、非平衡和非線性系統[2]，但在修復過程中，常常由于對生態系統修復的復雜性估計不足，出現好心辦壞事的現象，即有好的修復理念，有完整的修復方案，修復效果卻不盡人意。

在推動我國生態文明建設邁上新臺階的新時期，在水利行業“工程補短板、行業強監管”基調的引領下[3]，沿著“科學引導、技術支撐、社會監管”的相融合的修復思路，搭建STS(Science-Technology-Society)模型，系統梳理3個要素(科學、技術、社會)運行的關鍵程序，并闡述3個要素之間的關系對河流水生態系統修復的影響，對于進一步認識和發現河流生態系統存在的自然規律和生態規律，修復并促進河流生態系統各要素和諧共生具有重要意義。

1 河流水生態系統修復設計模型

1.1 模型內涵

新時期的河流水生態系統修復設計是建立在對河流水生態系統重要性的全新認識基礎上的，“先破壞、后修復”、“頭疼醫頭、腳疼醫腳”的舊觀念有所改變，綠水青山就是金山銀山的發展理念正在盛行，山水林田湖草生命共同體的大局觀正在深入人心。在新觀念的引領下，以問題為導向，深入到水生態系統修復的各個層面，將補短板、強監管的理念滲透進整個修復設計中，對整個修復過程進行了系統、全面的思考。基于以上思考，搭建了基于過程的河流水生態系統修復設計STS模型，立體模型可以簡化為2個部分，橫向是“輪”圖，縱向是螺旋發展示意。河流水生態系統修復設計STS模型見圖1。

圖1 河流水生態系統修復設計STS模型

STS模型中各符號代表含義見表1。模型運用系統論的方法，全方位考慮了河流水生態系統修復相關的科學因素、技術因素和社會因素。

表1 STS模型中各符號代表含義

“輪”圖共分3層，最內層為科學層；中層為技術層，包括修復設計環節①～⑧；最外層為社會層，包括M、L、S等3種社會監管模式。水生態系統修復螺旋發展圖中環節①～⑧為1個周期?！拜啞眻D描述了生態修復過程中涉及的要素及各要素所處的層次，主結構由3個要素組成，分別是科學、技術和社會，1周代表1個修復周期。每1個修復周期結束后，要根據修復同步監測數據，分析在修復過程出現的偏差，通過負反饋機制反饋，開始規劃下1個修復周期，循環往復形成了水生態系統修復螺旋發展圖。總體來看，需要的人工干預修復的周期會越來越長(示意長度10→20→30→40→50)，整個河流水生態系統修復過程在人工不斷干預下，應該向著自然化、自維持狀態轉變，直到脫離人工干預，真正恢復到自然狀態。

1.2 模型三要素的關系

模型中包含的科學、技術、社會3個要素，分別處在了“輪”的不同層次上，代表了在河流水生態系統修復過程中不同的作用和重要性?？茖W、技術與社會(STS)的關系對河流生態修復的影響見圖2。

圖2 科學、技術與社會(STS)的關系對河流生態修復的影響

科學是河流水生態系統修復的核心層?？茖W是技術的理論基礎，多學科知識的交叉才能促進修復技術的發展，保證修復過程中水生態系統的綜合修復。同時，科學知識也能幫助全民提高生態保護意識，深入了解綠水青山就是金山銀山的發展理念，堅持山水林田湖草是一個生命共同體的主流思想。從長遠來看，如果公眾缺少科學的思想，修復項目獲得最終成功的機率會很低[4]。

技術是河流水生態系統修復的中堅層。河流水生態系統修復的復雜性和不確定性，決定了在整個修復過程中需要以科技作為支撐，強化修復工作的科技含量。技術與社會的關系主要表現為社會對技術的主動需求和技術對社會的影響都空前擴大[5]。河流生態系統的社會性決定生態修復工作不能脫離社會，需要建立一整套務實高效管用的監管體系，促進修復技術的實施，進而改變修復工作效率低的被動局面。

社會是河流水生態系統修復的最外層，起催化劑的作用。從社會角度看，社會監管模式(法制、體制、機制)的適應性變化加速了河流水生態系統修復的速度，使整個修復過程有法可依、有章可循，極大地強化了項目修復的可持續性。但是，社會監管模式是否合理需要根據水生態系統修復的實際效果進行科學評估，然后依照自然規律、生態規律進行科學的適應性變化。

在每1個修復周期中，都需要科學引導、技術支撐、社會監管相互配合，才能讓修復的“輪”轉得更快，使河流水生態系統恢復得更好?？傊?，科學、技術和社會3個要素互為前提、相互促進、相互滲透，牢牢把握三者之間的辯證關系，才能更好進行河流水生態系統修復，并保證修復項目的成功。

2 河流水生態系統修復設計的關鍵程序

2.1 科學(核心層)

在河流水生態系統修復的過程中，沒有科學，技術就沒有了源頭，也就沒有了發展的動力[6]。在生態修復過程中，根據水生態系統調查中發現的生態系統退化現象，探索生態系統退化的原因；利用已有的知識基礎，對解決退化問題的方法進行探索，對修復理論進行創新；通過試驗、數值模擬等方法對創新知識進行驗證，確定創新理論的可行性；將通過驗證的新知識納入理論知識體系，并對新舊知識進行融合；結合河流水生態系統修復過程中的技術需求，針對性地指導創新修復技術；在用新技術解決問題的同時，在河流生態修復領域又會遇到新問題，繼而進入新的循環周期?？茖W層設計思路見圖3。

圖3 科學層設計思路

2.2 技術(中堅層)

在整個水生態系統修復過程中，可以將技術層分成3個階段，分別是修復前規劃階段(①、②、③、④)、修復中控制階段(⑤)、修復后監測管理階段(⑥、⑦、⑧)。技術層設計思路見圖4。

圖4 技術層設計思路

2.2.1評價河流生態現狀

在河流生態修復規劃前，對河流的生態現狀進行評價，了解河流水生態系統的實際狀態非常重要。資料收集與分析在生態現狀評價甚至是在整個修復計劃中都扮演著重要角色[7]。資料收集要做好2項準備工作：確認技術層面和制度層面的數據需求、確定好合適的數據采集途徑。

收集的數據資料包括：基礎資料(水文水資源、水環境、生態狀況、河流地貌、土地空間利用等)、歷史資料、社會文化經濟層面數據。數據采集設備包括：衛星遙感、歷史圖層、無人機航拍等。資料收集后要進行分類整合、數據庫管理、分級處理，在此基礎上，建立不同尺度(如流域尺度、河流廊道尺度)的生態系統評價體系，對生態現狀進行評價。

2.2.2識別關鍵退化因子

根據生態現狀評價結果，確定影響河流生態系統退化因子的大致范圍，分析因子對系統退化影響的敏感性，進而結合現場調查結果識別促使生態系統退化的關鍵因子，或在修復過程中最為關鍵的控制因子，以便在修復規劃和實施過程中強化關鍵因子或控制因子的監督，保證修復項目的順利實施。

2.2.3確定生態修復基點和修復目標

河流生態修復就是在退化的生態系統中幫助建立改善水文、地貌和生態過程，并替換自然系統中丟夫、損壞或受損的元素[4]。生態修復基點是生態修復的參照點，修復目標是生態修復的期望點，確定這2個點是目標管理的關鍵環節。一般河流生態修復基點的確定是依據河流未受人類干擾或干擾較小時的健康自然狀態[8]。在不同的修復層面(水文情勢、連通性、水質、生物群落及棲息地中的某一或幾個方面)、在不同的修復空間(河流上游、中游、下游)應選擇不同的修復基點。

河流生態修復的目標主要包括水文情勢節律性及連通性加強、水質改善、河岸帶穩定、棲息地增加、生物多樣性豐富，同時滿足人們美學和娛樂需求，還要根據不同的河流、不同的利益相關者所設定的生態修復目標應該有所側重。

2.2.4制定生態修復規劃

生態修復是一個長久的過程，不能一蹴而就。因此，生態修復應按照“統一規劃、分階段布局、循序漸進”的原則開展生態修復工作。河流的生態修復需要將整個流域作為整體進行統籌考慮和戰略規劃，但是在實際修復過程中，有限的資金難以對全流域進行全面修復，需要有選擇、有重點地對某一河流或局部河段進行優先修復，這就涉及到修復優先序的問題[9]。因此，在制定生態修復規劃時，首先要從流域層面出發，基于流域生態現狀評價結果和生態退化關鍵因子的識別情況，進行適當優先選擇模型，以確定最佳的修復策略和資源分配計劃。

河流生態修復的各個階段中，水環境質量保護與恢復階段、生態需水保障與恢復階段、棲息地保護與恢復階段以及生物多樣性保護與恢復階段之間具有依次遞進、從量變到質變的關系，每個階段都有不同的規劃要點[10]。

2.2.5實施生態修復措施

實施生態修復措施是河流生態修復規劃的重要一步，是生態修復規劃落地的重要保障。從河流具體生態修復措施層面來說，生態受損河流主要有以下幾個方面的技術措施[11]：①水質凈化改善措施，包括物理、化學、生物/生態3個方面；②生態水資源調度措施；③河岸濕地自然化改造措施；④河流結構的擬自然化措施；⑤過魚設施。

生態修復措施在實施過程中，對修復過程的控制是非常重要的。在整個修復過程中，要確保修復措施的實施不會破壞現有河流生態系統，所有的修復措施都要在修復規劃的指導下分階段實施，要符合河流生態系統自然恢復的規律，不求一時成功，但求生態系統能夠長久自維持運行。

2.2.6修復效果監測

河流廊道的恢復治理具有復雜性和隨機性，復雜性在于涉及河流及其兩岸水陸交錯帶的生境和生物要素的恢復治理，隨機性在于河流廊道自身的演變以及人類影響的輸入。為及時掌握河流廊道生態系統的信息變化，并適用于大型河流的廊道規劃與治理，需建立相應的生態系統監測管理體系[12]。生態系統監測分為項目實施過程同步監測和項目后監測。項目實施過程同步監測主要針對修復措施實施過程中對生態系統的影響，項目后監測是針對修復項目完成后生態系統恢復效果的監測。主要監測內容包括水文監測、水質監測、生物監測、人類干擾監測。

2.2.7河流適宜性管理

在河流生態系統中，生物與生物之間、生物與環境之間都存在著各種反饋關系，生態平衡是在不斷循環反饋的演進過程中達到的。在河流生態修復的過程中，人工修復措施很難在短時間內達到修復目標。因此，要想達到預期的修復效果，就必須遵循生態系統的自然規律，通過適應性管理，建立循環負反饋調節機制，逐步縮小河流生態現狀與健康自然狀態的差距，使生態系統達到穩定趨好的狀態[10]。

2.2.8項目后評價及技術推廣

河流生態系統修復項目后評價主要是對已經完成的修復項目的執行過程、效益、作用和影響進行系統、客觀的分析，通過修復項目的實際效果檢查總結，確定項目預期目標是否達到，項目或規劃是否有效，總結經驗教訓，為技術改進做準備。對于修復效果良好的先進成熟技術，應列入推廣計劃，鼓勵技術創新和技術推廣，推動河流生態修復工作不斷進步和發展。

2.3 社會(催化劑)

河流水生態系統修復是一個螺旋式的發展過程，在整個過程中需要社會的監管，促進水生態系統的修復和維護。河流水生態系統的監管要以生態修復過程中的問題為導向，以改進修復效果為目標，對違反規章制度的行為嚴格問責，從法制、體制、機制入手，建立一套高效的監管體系。從法制上，建立完善水利監管的法律法規、部門規章、標準規范、實施辦法等制度體系，明確水生態系統修復和維護過程中的監管內容、監管人員、監管方式、監管責任、處置措施等。從體制上，明確監管的職責機構和人員編制，建立統一領導、全面覆蓋、分級負責、協調聯動的監管隊伍。從機制上，建立內部運行的規章制度，確保監管隊伍能夠認真履職盡責，順利開展工作[3]。社會層設計思路見圖5。

圖5 社會層設計思路

3 結論與展望

河流水生態系統修復的問題最根本的問題是人的問題，也是修復思路的問題。原來河流生態修復思路著眼于局部，“頭疼醫頭、腳疼醫腳”是很長一段時間內的修復思路，思路的偏差導致的結果是短時間內河流生態現狀改善，長時間后生態問題反彈甚至惡化，需要長期的人工干預，導致人力、物力、財力的大量浪費。在新時期的河流水生態系統修復思路下，將著眼于全局、從流域尺度出發、以河流整個水生態系統為研究對象、按照“初期人工干預，后期逐漸進入自我修復”的思路開展修復工作。

針對新時期河流水生態系統修復新思路搭建的模型，從科學、技術、社會三要素的相互關系出發，闡述了三要素在整個水生態系統修復中所發揮的作用；從河流水生態系統的修復進程出發，提出的螺旋式發展模式能保證修復工作科學的、系統的、有序的開展；從各要素的具體流程出發，指出了科技支撐、技術修復、社會監管的具體步驟和關鍵環節，為修復工作的具體實施奠定了基礎。河流水生態系統修復工作思路的轉變增加了修復成功的可能性，但是要想達到更好的修復效果，在未來的發展中仍需開展以下研究：

(1)水生態系統生態修復要加強多學科多技術交叉融合，優化配置。在整個修復項目中存在著很大的復雜性和不確定性，修復目標不同，運用的修復技術不同，但由于它們之間存在著千絲萬縷的聯系，單獨治理哪一方都不會取得最佳效果，這就需要加強學科交叉，技術融合，通過優化配置達到最佳效果。

(2)水生態系統螺旋推進周期的確定。要想真正達到水生態系統自我維持狀態，需要多個螺旋推進周期之后才能達到。關鍵在于隨著修復進程的推進，推進周期是逐漸變化的，如何選取適當的周期要結合修復效果監測數據以及修復經驗加以確定，對于不同區域河流應建立對應的標準，方便修復工作的推進。

(3)加強管理制度改進與生態修復工作的有機融合。生態系統修復工作具有長期性、可持續性，在長期的修復工作中，如果相關的法律條文、部門機構、制度條款不能做適應性改進，修復效果就會因為管理和技術不能對接大打折扣。