强干扰河流生态学基本问题与技术体系探析

张云昌¹  赵进勇²

（1.水利部三峡工程管理司，100053，北京；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

 

摘要：河流生态系统在强干扰行为影响下将发生系列变化。归纳了国内外对河流生态学的研究进展，论述了强干扰河流的定义、分类、生态学特征，从水文、地貌、泥沙、生物四个方面建立强干扰河流生态学研究框架，并构建了包括水库生态系统、水工程生态调度、过鱼设施、水生生物保护区、鱼类洄游特性五个方面的技术体系，对其应用场景进行了分析。

关键词：强干扰河流；生态系统结构与功能；水工程；水库生态系统；水生生物；三峡工程

Basic issues and technical system of river ecology under strong disturbance//Zhang Yunchang, Zhao Jinyong

Abstract: River ecosystems undergo a series of changes under the influence of strong disturbance behaviors. This paper summarizes the research progress on river ecology both domestically and internationally, discussing the definition, classification, and ecological features of strongly interfering rivers. A comprehensive framework for the ecological study of strongly interfering rivers is established, covering hydrology, geomorphology, sediment, and biology. A technical system is constructed, encompassing reservoir ecosystems, strongly interfering rivers, fish passes, aquatic biological protection areas, and fish migration. The paper also provides an analysis of its application scenarios.

Keywords: strong interfering rivers; structure and function of an ecological system; water project; reservoir ecosystem; aquatic organisms; Three Gorges Project

中图分类号：TV85+X   文献标识码：B   文章编号：1000-1123（2023）22-0006-04

 

一、概述

近40年来，我国水利工程建设为经济社会发展提供了坚实的基础保障，但也对自然环境特别是对水生态系统形成了巨大压力。一方面，在保障供水、发展农业灌溉和水力发电、防洪安全等方面发挥了巨大作用；另一方面，也使江河湖泊面貌发生了巨变。在河流上建设的水坝和各类建筑物大幅度改变了河流地貌景观和水文情势；过度的水资源开发利用造成河流干涸、断流，对水生态系统产生了重大影响。如何使水利工程运行管理与水生态保护和谐统一成为水利部门的重要课题，比如已建大坝增设鱼道的理论基础和依据，河道型水库的管理依据是河流或湖泊，强干扰河流生态修复目标如何制定，强干扰河流的健康标准如何确定，河流开发的限度与阈值如何表征与度量，流水变为静水后河流上游生物适应性策略调整时支流系统的生态学意义如何认识等。

近年，世界范围内河流生态学研究出现了一些新特点，主要表现在以下几个方面：①建立在全球水文圈—生物圈、流域、河流廊道和河段等多尺度大量观测资料基础上的河流生态系统过程研究，丰富了河流生态学理论。②改变了长期以来河流生态学以原始自然河流为研究对象的局面，研究重点转向自然和人类活动双重作用下的河流生态系统演替规律，适应了近百年来河流被大规模开发和改造的现实。③社会需求的增长为河流生态学的发展提供了动力。河流生态学的应用领域不断扩大，特别是为流域一体化管理和河流生态修复提供了一种科学工具，为管理决策提供了多种选择。④信息技术的发展，特别是遥感技术和地理信息系统技术为河流生态学大尺度的景观格局分析提供了工具。⑤河流生态学与相关学科交叉融合，形成了许多新的学科生长点，一批边缘交叉学科兴起。

总体来看，水域生态系统研究重点是水域生命系统与生命支持系统之间复杂、动态、非线性、非平衡的关系，其核心问题是研究水域生态系统结构、过程和功能，以及生物与生境因子之间耦合、反馈关系。在大坝阻隔、航道建设、梯级水库累计影响、过度取水、河渠硬化等强干扰人类行为影响下，水域生态系统内关键生态过程、结构和功能已发生巨变，形成了新型生态系统，需要深刻理解这种新型生态系统的特点，进一步指导水利工程的建设运行，亟须构建强干扰河流的生态学基础理论，为生态友好的水利水电工程运行管理提供理论基础。

二、强干扰河流的定义、分类及生态学特征

1、强干扰河流定义

强干扰河流可定义为：河流生态系统受到自然、人为因素或二者的共同干扰，使系统的某些要素或系统整体发生不利于生物和人类生存要求的量变和质变，系统的结构和功能发生与原有平衡状态或进化方向相反的较大位移。具体表现为河流生态系统基本结构和固有功能的破坏或丧失、生物多样性下降、稳定性和抗逆能力减弱及生产力下降。

2.干扰河流分类

根据干扰类型，可将强干扰河流分为自然强干扰河流和人为强干扰河流；根据干扰机制，可分为物理强干扰河流、化学强干扰河流、生物强干扰河流；根据传播特征，可分为局部强干扰河流、跨边界强干扰河流。

3.强干扰河流生态学特征

强干扰河流会发生系列生态学变化。生物多样性方面，首先是特征种、优势种消失，然后从属种相继消失，伴生种迅速发展，生物多样性发生变化，质量下降，价值降低，功能衰退；层次结构方面，种类组成发生变化，优势种群结构异常，群落结构矮化，整体景观斑块呈破碎化；食物网结构方面，食物网简单化，食物链缩短，部分链断裂和解环。

三、强干扰河流生态学基本问题研究框架

1.强干扰河流水沙变化规律及多因子耦合机理

水和泥沙共同作用塑造水生态系统结构和功能，对维持生物多样性和完整性至关重要。悬浮物和水体中的污染物（如重金属）受到有机物和化合物的作用富集到泥沙中，将会对水生生物产生一定危害，影响水生态系统健康。因此深入研究水—泥沙—污染物—生物之间的耦合作用机理，对保护水生态系统至关重要，包括建立河流泥沙变化与河流形态的关系、河流形态与河流生物的关系、河流泥沙与生物及污染物的关系，研究泥沙冲淤变化对河流形态与河势变化影响的规律，阐明河道整治工程和水沙变化对鱼类繁衍生息和重要湿地的影响，最终提出生态良性维持和修复技术。

2.水文情势—生态要素长历时响应关系

自然水流状态的流量大小、频率、发生时间、持续时间、变化率等五个要素一般被视为维持、保护河流生态系统生物多样性和生态功能的核心。河流生态系统的退化往往是由多种因素综合作用导致的，其中一个重要方面为水文状态发生变化或流量减少。因此，明晰河流水文—生态响应关系，就可以明确水文变动引起的生态改变，从而为相关河流有目的地恢复提供依据。Poff等人梳理归纳了水文—生态响应相关的165篇文章，其结果表明，关于自然水流状态五个要素的生态响应均有研究，流量大小方面的研究最多；生物响应对象包括鱼类、底栖动物、河岸带植被、初级生产者、鸟类等；响应关系是指表征水文、生态过程的多个因子之间相关关系的定性与定量分析。

在研究过程中，应突破目前生态需水和环境水流研究的局限性，不应仅关注流量，还应考虑生态流量过程以及水域生态系统演替的水文机制等，研究长历时人类活动造成水文情势改变的生态响应机制、流域水循环过程与生态过程的关系、生态水文过程的尺度转换等。

3.水文—地貌—景观格局演变机理与驱动机制

河流地貌的形态与变化过程是河流生态系统结构与功能的重要影响因素。在愈发关注河流科学、河湖生态修复实践以及定量研究生态环境各要素关系与影响的背景下，明确河流地貌与生态之间的相互作用显得尤为重要。不同空间尺度的生态系统之间形成嵌套层级结构，生态学家通常以“自下而上”的递进顺序进行研究，即微生境尺度—地貌单元尺度—流域尺度，然而地貌学家则常与之相反。但无论研究顺序如何，地貌特征变化都被视为生物多样性和其栖息地状况的重要驱动因素。在研究过程中，应基于河流生态系统空间与时间尺度，考虑强干扰河流在流域、河流廊道、河段、地貌单元、微栖息地五种不同尺度下的影响机制，以及河床地貌演化和沉积物分布的影响等，研究强干扰河流水文过程变异驱动下的地貌单元结构演变，以及基于河流水文过程变异与河段地貌单元多样性变化共同驱动形成的景观斑块演变机理，探究水系水文—地貌—景观格局对关键栖息地功能维持的驱动机制，提出改善栖息地功能的控制对策。

4.生物多样性对强干扰河流生态系统功能稳定性的维持机制

生物多样性的功能和服务是人类可持续发展的基础，物种灭绝将造成大部分功能区脆弱性风险提升，因此防止生物灭绝尤为重要。其中，淡水生态系统对于自然和社会有着不可替代的作用，地球上各洲和流域的淡水生物多样性出现一定程度下降，而且下降的速度明显快于陆地生态系统。在研究过程中，应基于生物多样性与河流生态系统功能及其稳定性的关系，阐明生物多样性对强干扰河流生态系统功能稳定性的作用机制；识别强干扰河流生态系统功能稳定性对物种丧失的响应规律，明晰关键类群，阐明关键类群物种变化对强干扰河流生态系统功能稳定性的影响。

四、强干扰河流生态学研究技术体系

针对强干扰河流生态系统特点，考虑包含水体、消落带、滨水区三个层级的水库生态系统结构功能特征以及三峡工程影响区重点水生生物“三场一通道”等，从水库生态系统、水工程生态调度、过鱼设施、水生生物保护区、鱼类洄游特性五个方面建立强干扰河流生态学研究技术体系。

1.水库生态系统三区保护

开展以水体、消落带、滨水区为对象的水库生态系统结构与功能特点研究，科学识别不同区域生态系统特点，分析其演变特征与趋势；提出水库生态系统特征指标体系，识别不同区域的主要生态压力因子，定量分析河流干扰强度，进而构建一套生态系统恢复潜力评价指标体系，分区分类评估区域生态恢复潜力，提出不同区域生态系统恢复潜力优选清单和恢复指标。

（1）水体

富营养化是影响水库水体质量的重要问题。库区水体富营养化是流域尺度内陆域和水域人类活动共同作用的结果，随着水库中氮、磷污染不断增加，出现严重富集问题，加重富营养化，藻类水华暴发的频率也增加。水体富营养化会严重影响库区生态平衡，导致生态系统结构和功能退化。库区水域内的生态修复技术包括生态清淤、生物控藻、生态水位调控、前置库、原位一体化生态修复装备等。

（2）消落带

水库消落带的物理结构具备水陆交错的特点，受到陆域和水域生态系统的交互影响。在长期反复淹水—出露和干湿交替作用下，消落带原有生境将发生剧烈改变，许多植物不适应新生境而难以生存，原有植被逐渐消亡，植被与生物的多样性丧失，生态系统结构简单化，生态功能衰退。消落带生态系统受周期性反季节水淹影响，植物主要受水淹、土壤水分变化和干旱胁迫，很多植被因不能适应这种环境变化而消亡，导致植被群落结构发生剧烈变化。以三峡库区为例，三峡工程建成后，消落带植被群落组成发生了变化，逐渐由原来的乔灌群落转变为草本群落，并且草本群落所占比例不断提高。反季节性水淹对于乔灌木和多年生草本植物的冲击十分剧烈，长期水淹环境对于三峡地区原有的很多多年生草本和灌木有着致命影响。另外，环境的改变可能导致本地物种相对于侵入种的竞争能力下降。自然状态下，本地种更具竞争力，且具有较快的生长速率，但侵入种对盐分胁迫、干旱胁迫、水淹胁迫具有较强耐受能力。环境改变将导致本地种被侵入种所替代，并逐渐发展为优势种。乡土物种不能正常更新是导致其衰减的主要原因。相关的修复方法包括消落带植被修复、消落带立地条件构建、消落带植被配置等。

（3）滨水区

滨水区的修复目标是通过管理措施和工程措施，恢复其规模和功能，首先保障行洪安全，同时恢复生态系统的结构、功能和过程。管理措施是指通过严格执行《中华人民共和国防洪法》《中华人民共和国环境保护法》等，划定水域岸线生态保护红线，明确滨水区河滨带的所有权和管理权，建立健全管理机构和管理办法。在生态保护方面，通过滨水区河滨带植被重建，恢复滨水区河滨带植被固岸、遮阴、缓冲等生态功能。设计滨水区缓冲带时应充分考虑缓冲带位置、植物种类、结构布局及宽度等因素，以充分发挥其功能，而这些要素又取决于缓冲带的立地条件，包括污染类型和负荷、缓冲带截留和转化污染物的能力、降低污染的程度等。

2.水工程生态调度

我国现有闸坝的调度运行，在汛期以防洪调度为主，非汛期以供水调度为主，对上下游河道水环境与水生态保护要求的考虑较少。在闸坝调度运行中，应考虑河道内生态环境需水量。对于节制闸，要考虑生态环境下泄水量，对支流沟口挡洪闸，按照设计功能运行，在非汛期尽可能敞开闸门。因此，需研究在已建水库中，通过调整部分兴利库容为生态库容，从而完善生态功能；结合水库除险加固工程，对水库原有功能进行调整，增加生态用水功能，确定生态用水库容。

闸坝群的生态调度从生态需水及水环境质量两方面统筹考虑。水生态方面，闸坝调度时，为维护河流健康，考虑下游的生态需水，特别要在枯水期保证一定的下泄水量；对于有多级闸坝的河流，必须实行上下游闸坝联合调度，补充闸坝区间的河道水量，维持河道内生态用水，为生态系统自我修复创造条件。水环境方面，在闸坝水质水量联合调度、保证小流量下泄的基础上，考虑根据闸坝间的蓄水情况和部分闸坝区域联合调度，提高河段的水环境容量。

3、过鱼设施种类及结构形式比选

闸坝截断河道后，阻断了鱼类的天然洄游通道，建造过鱼设施以便于鱼类在克服水流落差情况下过坝，是保护和发展江河鱼类资源的措施之一。按鱼类洄游特性，可分为溯河洄游过鱼设施和降河洄游过鱼设施两类。洄游过鱼设施包括仿自然鱼道、旁路水道、竖缝式鱼道、鱼闸、升鱼机等。

溯河洄游过鱼设施和降河洄游过鱼设施设计有多种技术和结构可选择，应根据主要洄游鱼类种类及其行为习性、洄游季节、洄游特性和路线、游泳能力以及枢纽下游聚集区域状况等生物学特性，结合筑坝河流河段形态、场地空间、水文特性、地质条件、工程布置、工程特征水位及调度运行方式，综合开展多种方案设计，并通过经济技术论证，因地制宜确定。

4.水生生物保护区布局优化

制定恢复鱼类洄游通道规划需在流域范围内进行，合理制定鱼类洄游目标，选择目标鱼类物种，量化生物、水文、栖息地等生态目标，并通过监测、调查和评价，识别主要洄游通道，特别要识别溯河/降河洄游鱼类通道，对于干流、支流、湖泊、水库实行优先排序，选择重点河段和重点水利工程，以解决关键洄游通道问题，并制定分期实施计划。

需研发形成重点水生生物产卵场、索饵场和越冬场的变迁图景、预测方法以及修复技术。三场修复技术包括多种类型、构件和材料，比如人工鱼巢技术，包括浮动式人工鱼巢、鱼礁式人工鱼巢和护岸式人工鱼巢等。

5.长江中游主要鱼类洄游路线刻画

鱼类洄游特性的研究内容主要包括其洄游的规律、特点、路线、时间等。鱼类洄游行为的研究方法有很多种，基于是否进行捕捞可将其分为两类：依靠捕捞和不依靠捕捞的洄游行为研究。前者包括标志回捕、密度变化分析和单位捕捞努力量渔获量（CPUE）等手段，结合其时空尺度的变化进而获得鱼类的空间迁移和洄游行为；后者包括视频观察电阻率技术法和水声学技术。标志回捕技术是研究鱼类洄游行为的重要方法，目前已被证明是鱼类洄游行为研究中最重要的方法之一，能够快速、长期和大范围识别和定位鱼类，具有高时空分辨率，并可以在一些人迹无法到达的地方使用。密度变化分析和单位捕捞努力量渔获量是基于在相同区域出现出生、死亡、迁入和迁出的原理采用的分析方法。

五、结语

基于强干扰河流生态学基础理论，结合三峡工程特点，形成三峡库区生态研究理论框架；强化三峡工程自身安全以及防洪、供水、生态等功能安全，从本质和全局上把握三峡库区的生态保护修复方向和战略，进一步提出优化三峡工程运行管理的有关政策建议。

识别三峡库区水生态系统的演变特征与趋势，分别针对三峡库区水库、支流、消落带、滨水区4种不同区域的特点，开展相应的生态修复技术研究与应用。

在开展强干扰河流生态学基本问题研究时，需明晰强干扰河流的定义、分类、生态学特征，揭示强干扰河流生态系统的演变规律，进而确定生态修复的目标，并研发相应的修复技术。以三峡工程为例，可为着眼“大时空、大系统、大担当、大安全”，强化三峡工程等水利工程自身安全以及防洪、供水、生态等功能安全管理的战略总要求提供坚实理论基础和技术指导，推动水利行业基础学科创新，为江河永续利用提供基础科学依据，为建设、管理运行好生态水利工程、推动新阶段水利高质量发展提供技术支撑。

 

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