河流生态水文学研究进展

摘 要:生态水文学是20世纪90年代兴起的一门新兴边缘学科,主要从流域尺度上研究水文与生态之间的相互关系,探索实现流域生态平衡与水资源可持续利用的新途径。通过对生态学与水文学相关关系的分析,提出了河流生态水文学的概念与内涵,综述了河流生态水文学的研究进展,着重介绍了水文与生态的相互关系、水利工程的生态效应、河流生态需水量,以及河流生态系统的恢复,并在此基础上,结合中国实际情况,指出了河流生态水文学的研究重点,提出了未来的研究方向。

关键词:生态水文学河流生态系统水文过程生态修复

中图分类号:X171文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0004-02

生态水文学是20世纪90年代兴起的一门研究生态过程和生态格局水文机制的边缘科学,于1992年在都柏林国际水与环境大会上作为一门独立的学科提出来,目的是寻求对水文因子与生态系统间结构与功能的理解,是水资源可持续管理的方法[1]。生态水文学源于湿地生态系统管理和恢复的研究,1996年Wassen[2]等第一次提出了生态水文学的定义,他们认为:生态水文学是为了更好地理解湿地生态系统自然发育以及评价湿地系统价值、保护和恢复的一门应用科学。2000年Zalewski[3]提出的定义受到了较为广泛的认同,他认为:生态水文学是在流域尺度上研究水文学与生物区功能上的相互作用,是水资源可持续管理的一种新方法。

目前,生态水文学的研究已得到迅速的发展和广泛的重视,成为热点问题。越来越多的研究人员将理论生态学应用于河流管理以便保护沿河生物群栖息场所的研究,营养物在河道、洪泛平原和河岸区内的迁移规律的研究,以及河流廊道对生物种群结构和空间生态结构的影响方面的研究。由于人为干扰日益严重,河流生态系统退化已是全球性的生态环境问题,河流生态水文学研究被寄予厚望,成为生态水文学研究的中心问题。

1 河流生态水文学概念与内涵

河流生态系统指河流水体的生态系统,属流水生态系统的一种,是陆地与海洋联系的纽带,在生物圈的物质循环中起着主要作用,具有栖息地功能、过滤作用、屏蔽作用、通道作用以及源汇功能。河流生态水文学主要研究的是各种水生动植物的生态学特征以及河流水文水质变化与水生生物的关系。其内涵可归纳如下:(1)流域或区域水文循环过程中生态与水文相互作用与影响问题,研究生态过程如何影响流域或区域的水文循环过程,包括河道内水生生态系统对河流水文过程的作用;(2)流域水利工程措施如何作用和影响流域内的生态系统,即流域水文过程或水文情势变化对生态系统的影响;(3)生态水资源问题,研究流域内各种生态系统的水资源需求和水消耗规律[4]。

2 河流生态水文学研究方向与进展

2.1 水文与生态的相互作用

2.1.1 水流动态与水生生物的关系

水流是河流生境的主要决定因素,也是生物组成的决定因素。为满足水流环境的变化,动、植物种类必须不断改变它们的形态、繁衍传播方式以及生理条件来与之相适应。植物群落沿水流方向呈带状分布:上游断为藻类,中游段为大型植物,下游为藻类和浮游植物。另外,水流速率决定了浮游生物是否能够生长并且维持自身的发展。水流速度越慢,其中生长在岸边和底部的生物群落结构和外形就会越接近静水中的模式。

水生植物生长能降低水流流速,增强沉积,为无脊椎动物、鱼类和藻类提供生存环境。植物对水流影响主要有:(1)对水流流速分布的影响;(2)对水流紊动强度的影响;(3)对水流的行洪特性影响。

2.1.2 现状水文特征的生态效应

其影响主要体现在对生物的行为和生理的影响。(1)流量与频率变化对生物的影响,流量的频繁变化将加剧冲刷、使敏感物种灭绝和破坏生物生命循环,哈尔比等通过小型河道实验,表明大流量期间幼鳟鱼被冲至下游后,小流量期间还可游至原来位置,但是一些较小的鱼却不能游回原点。(2)来水时间的变化对生物的影响,季节性洪峰流量的丧失可导致鱼类产卵、孵化和迁徙激发因素中断,使鱼类无法返回湿地或水域,另水生生物食物网结构改变,降低植被生长速度等。(3)来水时间对生物的影响,长时间的小流量将导致水生生物聚集、植被减少或消失,或植被多样性消失,植物生理胁迫使植物生长较慢,导致河道地形变化。淹没时间长短将会影响植被的覆盖类型,如长时间淹没,会使植被功能发生变化,对树木有致命影响,水生生物的浅滩生境丧失。

2.2 水利工程的生态效应

重点是大坝的生态效应,为了满足人类社会经济发展要求而修建的水利工程,其主要功能包括蓄水发电、防洪排涝、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航养殖等方面,其发挥作用的同时不可避免地对生态环境造成了巨大影响。

大坝对鱼类最直观的影响是阻断了其自由迁移的通道。严重影响了鱼类的生殖,尤其是对洄游性鱼类。国外投入了大量的人力、物力进行保护性研究,在重要的洄游通道上修建鱼道,挽救那些受到威胁的物种。大鳞大麻哈鱼作为哥伦比亚河流域重要的捕捞鱼类,自该流域修建大坝后,其成鱼和仔鱼难以洄游,失去了45%的栖息地,种类和数量都不断下降,成为该河流区域立法保护的濒危鱼类[5]。

大坝通过减少洪峰流量和增加枯水流量,减小河流径流变动幅度,造成多种河流鱼类生境的同一化。2007年,Poff等研究了美国186条建坝河流的水文变化,发现由于大坝的干扰,河流水文情势发生明显均质化现象,鱼类生境显示出强烈的同一化趋势。河流水文情势可变性的降低对鱼类多样性的影响很大,流量的变动性降低导致河道复杂性下降,进而降低生境多样性。

2.3 河流生态需水量

2.3.1 生态需水量研究历程

国际上对生态水资源的研究主要集中在生态需水及其相关问题上,河流生态需水是生态需水的研究中心。20世纪40年代到60年代,美国、加拿大、澳大利亚、南非以及法国等国家提出了“河流最小环境流量”的概念。随后至20世纪90年代,Covich和Gleick提出基于生态建设用水的基本生态需水量的概念。2003年南非发展中国家流域水资源需求与利用报告中,认为流域环境需水量就是河流生态系统维持一定状态所需的河道内径流量。Baron等认为科学上虽明确了维护淡水生态系统对水资源需求及人类必须予以保障的理论阐述,但建立人类社会与生态系统之间水资源合理分配的理论体系还远远不足。

我国对生态需水量的研究虽然起步较晚,但发展较快,早在20世纪70年代,兰州水文地质与工程地质中心针对地下水盆地水量平衡中提出生态用水的水量消耗项。80年代后期,施雅风等提出生态用水问题,认为“为了保护各绿洲的生态环境,而生态环境的保护也离不开水,这部分水可统称为生态用水”。2007年,陈浩等利用Montana法计算了河道维护水生生境最小需水量和最适宜需水量。2008年,黄强等深入探讨了河流生态用水的质与量综合评价,完善了河流生态用水质与量综合评价模型,并以此模型对黄河进行了适当分析。

2.3.2 河流生态需水量理论与量化方法

河流生态需水量是指满足维持河流系统特定的生态与环境功能(如输沙、防污、防止海水入侵、景观娱乐等)而消耗的水量,主要包括防止河道断流、湖库萎缩所需要的河道基流量;维持河流输沙平衡的最小流动水量;改善江河水环境质量的最小稀释净化水量;防止海水入侵所需的河口最小流量等。

国外河流生态需水量计算方法归纳起来有四种:(1)历史流量法,包括蒙大拿发、流量历史曲线法、产水常数法;(2)水力定额法包括湿周法、简化水尺分析法、R2CROSS 法、WSP水力模拟法等;(3)栖息地定额法,包括河道流量增加法(IFM)、有效宽度(UW)法、加权有效宽度(WUW)法、偏好面积法等;(4)整体分析法,包括BBM 法,澳大利亚的整体法等。国内,系统研究河流生态需水的工作尚处于起步阶段,对生态环境需水计算方法的研究也不够深入。方法主要包括:枯水年天然径流估算法(以最枯年天然径流进行估算)和将河流年最小月均流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水量。这两种河流生态需水量计算的方法属于历史流量法的范围,具有与历史流量法相同的优点和不足。

2.4 河流的生态修复

过度的河流开发导致生物多样性下降、生态系统退化、河岸侵蚀等问题,产生深远的影响。如何保护和修复河流生态,使生态系统实现可持续发展成为全球关注的热点。河流生态修复作为一种环境保护行动,旨在促使河流生态系统恢复到较为自然的状态,提高生态系统的价值和生物多样性。

2.4.1 国外河流生态修复

(1)河道清淤、人工渠回填和自然河道恢复。美国Kissimmee河生态修复过程中总计回填了12Km长的人工渠,恢复2.3Km的自然河流,示范区河水的SS,TP均显著下降,DO明显上升。修复完成后,重金属Fe,Mn,As和Hg在5种鱼肉、鱼肝的含量减少7～50%。

(2)河堤去除、河道加宽与河漫滩湿地恢复。英国实施河堤去除后;增加了洪泛平原(湿地)的面积,不仅对生态恢复有利;而且可减少洪峰10％～15％。

(3)河道生境结构与河流水文动态恢复。法国在Seine河实施了类似的工程,并强调了结构、功能与动态的统一,以及发挥最佳效果的所需尺度;多样的生境结构与多变的水文动态可为更多的净化污染的植物、小型动物与微生物提供适宜的生境。

(4)河道及其河系网络的生态修复。基于生境考虑的修复不如基于过程驱动的修复更有效。恢复河道的原貌几乎不可能,但选择参照河相当重要,需要在流量、基质、河岸植被、河谷形态方面相同或相近。

(5)修复与重建工程效果的合理评价和适应性管理。Downs & Kondolf采用地貌、水文、泥沙、生态等指标,分别以四条河流为例,对其恢复目标、短期行为、长期匹配性进行了评价,并提出适应性管理政策。

2.4.2 国内河道生态修复

安树青等利用廉价的材料设计适用于农村中小型河流的生态河床,该河床主要由表面流湿地和沉水植物共同构成。既具有较高的净污控污能力,又有较高的过水效率,为重建和恢复河流生态系统提供了有效的技术手段。郑天柱等应用生态工程学理论,探讨河道生态恢复机理,指出满足河流生态需水量是缺水地区恢复河流生态的关键。杨海军等也提出退化水岸带生态系统修复的主要内容应包括适于生物生存的环境缀块构建研究、适于生物生存的生态修复材料研究以及水岸生态系统恢复过程中自组织机理研究。

河流生态修复是一个多目标、多层次、多措施、多约束条件的复杂问题。目前的生态河道建设处于因现实需要而进行的工程修复阶段,对背后的生态学过程了解有限。整体上,国内对河道生态修复与功能重建的工作处于起步阶段,还处于对国外技术部分吸收、消化与适应性转化阶段;为此,需要大量的工程规模的实践检验,以便筛选出适宜的技术及其技术体系,当然,一定的技术创新也是必不可少的。

3结语

目前,我国水环境问题相当严峻,大坝的建设与河流生态系统保护之间的矛盾日益突出;西部生态环境脆弱,土地荒漠化以及水土流失十分严重。作为一门新兴的边缘科学,生态水文学是目前水资源管理的一个重要理论基础,为水资源开发利用、水利工程的生态调度以及河流适应性管理提供不可或缺的科技支撑。

国外的水文生态学研究已经有了较好的基础,发展很快,国内相关研究起步较晚,因而有更多的问题需要关注。

(1)加强河流的水文生态学研究,创建水利工程学和生态学有机结合的理论、技术和评价体系。

(2)建立全面的生态系统监测网络, 加强野外生态系统和水文因子的监测,尤其要注重监测数据的长期积累。

(3)追踪土地利用与覆被变化等的水文生态学效应,为我国水土防治、环境保护等提供理论依据。

(4)利用国外的先进建模理论,结合我国水文资料、注重新技术、新方法在水文生态学研究中的应用,建立符合我国水文实际的研究模型[6]。

(5)政府应给予政策上的倾斜,给河流生态水文学的研究已政策和法规上的支持,最终实现我国水资源的可持续利用。

参考文献

[1]赵文智,王根绪.生态水文学[M].北京:海洋出版社,2002.

[2]Covich A. Water and ecosystems.In. P.H.Gleick,ed.Water in crisis:A guide to the world’s fresh water resources. Oxford University Press,New York,USA,1993.40～55.

[3]Zaleweski M, et al. Ecohydrology-A new paradigm for the sustainable use of aquatic resources,International Hydrological Programme.IHP-V,No.7.1997.

[4]王根绪,刘桂民,常娟.流域尺度生态水文研究评述[J].生态学报,2005,25(4):892～903.

[5]Richter B D, Thomas G A.Restoring environmental flows by modifying dam operations[J]．Ecology and Society,2007,12(1):12.

[6]程飞,吴清江,谢松光.水文生态学研究进展及应用前景[J].长江流域资源与环境,2010,19(1):98～106.

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