河流生態水文學研究進展

摘 要:生態水文學是20世紀90年代興起的一門新興邊緣學科，主要從流域尺度上研究水文與生態之間的相互關系，探索實現流域生態平衡與水資源可持續利用的新途徑。通過對生態學與水文學相關關系的分析，提出了河流生態水文學的概念與內涵，綜述了河流生態水文學的研究進展，著重介紹了水文與生態的相互關系、水利工程的生態效應、河流生態需水量，以及河流生態系統的恢復，并在此基礎上，結合中國實際情況，指出了河流生態水文學的研究重點，提出了未來的研究方向。

關鍵詞:生態水文學河流生態系統水文過程生態修復

中圖分類號:X171文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0004-02

生態水文學是20世紀90年代興起的一門研究生態過程和生態格局水文機制的邊緣科學，于1992年在都柏林國際水與環境大會上作為一門獨立的學科提出來，目的是尋求對水文因子與生態系統間結構與功能的理解，是水資源可持續管理的方法[1]。生態水文學源于濕地生態系統管理和恢復的研究，1996年Wassen[2]等第一次提出了生態水文學的定義，他們認為:生態水文學是為了更好地理解濕地生態系統自然發育以及評價濕地系統價值、保護和恢復的一門應用科學。2000年Zalewski[3]提出的定義受到了較為廣泛的認同，他認為:生態水文學是在流域尺度上研究水文學與生物區功能上的相互作用，是水資源可持續管理的一種新方法。

目前，生態水文學的研究已得到迅速的發展和廣泛的重視，成為熱點問題。越來越多的研究人員將理論生態學應用于河流管理以便保護沿河生物群棲息場所的研究，營養物在河道、洪泛平原和河岸區內的遷移規律的研究，以及河流廊道對生物種群結構和空間生態結構的影響方面的研究。由于人為干擾日益嚴重，河流生態系統退化已是全球性的生態環境問題，河流生態水文學研究被寄予厚望，成為生態水文學研究的中心問題。

1 河流生態水文學概念與內涵

河流生態系統指河流水體的生態系統，屬流水生態系統的一種，是陸地與海洋聯系的紐帶，在生物圈的物質循環中起著主要作用，具有棲息地功能、過濾作用、屏蔽作用、通道作用以及源匯功能。河流生態水文學主要研究的是各種水生動植物的生態學特征以及河流水文水質變化與水生生物的關系。其內涵可歸納如下:(1)流域或區域水文循環過程中生態與水文相互作用與影響問題，研究生態過程如何影響流域或區域的水文循環過程，包括河道內水生生態系統對河流水文過程的作用;(2)流域水利工程措施如何作用和影響流域內的生態系統，即流域水文過程或水文情勢變化對生態系統的影響;(3)生態水資源問題，研究流域內各種生態系統的水資源需求和水消耗規律[4]。

2 河流生態水文學研究方向與進展

2.1 水文與生態的相互作用

2.1.1 水流動態與水生生物的關系

水流是河流生境的主要決定因素，也是生物組成的決定因素。為滿足水流環境的變化，動、植物種類必須不斷改變它們的形態、繁衍傳播方式以及生理條件來與之相適應。植物群落沿水流方向呈帶狀分布:上游斷為藻類，中游段為大型植物，下游為藻類和浮游植物。另外，水流速率決定了浮游生物是否能夠生長并且維持自身的發展。水流速度越慢，其中生長在岸邊和底部的生物群落結構和外形就會越接近靜水中的模式。

水生植物生長能降低水流流速，增強沉積，為無脊椎動物、魚類和藻類提供生存環境。植物對水流影響主要有:(1)對水流流速分布的影響;(2)對水流紊動強度的影響;(3)對水流的行洪特性影響。

2.1.2 現狀水文特征的生態效應

其影響主要體現在對生物的行為和生理的影響。(1)流量與頻率變化對生物的影響，流量的頻繁變化將加劇沖刷、使敏感物種滅絕和破壞生物生命循環，哈爾比等通過小型河道實驗，表明大流量期間幼鱒魚被沖至下游后，小流量期間還可游至原來位置，但是一些較小的魚卻不能游回原點。(2)來水時間的變化對生物的影響，季節性洪峰流量的喪失可導致魚類產卵、孵化和遷徙激發因素中斷，使魚類無法返回濕地或水域，另水生生物食物網結構改變，降低植被生長速度等。(3)來水時間對生物的影響，長時間的小流量將導致水生生物聚集、植被減少或消失，或植被多樣性消失，植物生理脅迫使植物生長較慢，導致河道地形變化。淹沒時間長短將會影響植被的覆蓋類型，如長時間淹沒，會使植被功能發生變化，對樹木有致命影響，水生生物的淺灘生境喪失。

2.2 水利工程的生態效應

重點是大壩的生態效應，為了滿足人類社會經濟發展要求而修建的水利工程，其主要功能包括蓄水發電、防洪排澇、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航養殖等方面，其發揮作用的同時不可避免地對生態環境造成了巨大影響。

大壩對魚類最直觀的影響是阻斷了其自由遷移的通道。嚴重影響了魚類的生殖，尤其是對洄游性魚類。國外投入了大量的人力、物力進行保護性研究，在重要的洄游通道上修建魚道，挽救那些受到威脅的物種。大鱗大麻哈魚作為哥倫比亞河流域重要的捕撈魚類，自該流域修建大壩后，其成魚和仔魚難以洄游，失去了45%的棲息地，種類和數量都不斷下降，成為該河流區域立法保護的瀕危魚類[5]。

大壩通過減少洪峰流量和增加枯水流量，減小河流徑流變動幅度，造成多種河流魚類生境的同一化。2007年，Poff等研究了美國186條建壩河流的水文變化，發現由于大壩的干擾，河流水文情勢發生明顯均質化現象，魚類生境顯示出強烈的同一化趨勢。河流水文情勢可變性的降低對魚類多樣性的影響很大，流量的變動性降低導致河道復雜性下降，進而降低生境多樣性。

2.3 河流生態需水量

2.3.1 生態需水量研究歷程

國際上對生態水資源的研究主要集中在生態需水及其相關問題上，河流生態需水是生態需水的研究中心。20世紀40年代到60年代，美國、加拿大、澳大利亞、南非以及法國等國家提出了“河流最小環境流量”的概念。隨后至20世紀90年代，Covich和Gleick提出基于生態建設用水的基本生態需水量的概念。2003年南非發展中國家流域水資源需求與利用報告中，認為流域環境需水量就是河流生態系統維持一定狀態所需的河道內徑流量。Baron等認為科學上雖明確了維護淡水生態系統對水資源需求及人類必須予以保障的理論闡述，但建立人類社會與生態系統之間水資源合理分配的理論體系還遠遠不足。

我國對生態需水量的研究雖然起步較晚，但發展較快，早在20世紀70年代，蘭州水文地質與工程地質中心針對地下水盆地水量平衡中提出生態用水的水量消耗項。80年代后期，施雅風等提出生態用水問題，認為“為了保護各綠洲的生態環境，而生態環境的保護也離不開水，這部分水可統稱為生態用水”。2007年，陳浩等利用Montana法計算了河道維護水生生境最小需水量和最適宜需水量。2008年，黃強等深入探討了河流生態用水的質與量綜合評價，完善了河流生態用水質與量綜合評價模型，并以此模型對黃河進行了適當分析。

2.3.2 河流生態需水量理論與量化方法

河流生態需水量是指滿足維持河流系統特定的生態與環境功能(如輸沙、防污、防止海水入侵、景觀娛樂等)而消耗的水量，主要包括防止河道斷流、湖庫萎縮所需要的河道基流量;維持河流輸沙平衡的最小流動水量;改善江河水環境質量的最小稀釋凈化水量;防止海水入侵所需的河口最小流量等。

國外河流生態需水量計算方法歸納起來有四種:(1)歷史流量法，包括蒙大拿發、流量歷史曲線法、產水常數法;(2)水力定額法包括濕周法、簡化水尺分析法、R2CROSS 法、WSP水力模擬法等;(3)棲息地定額法，包括河道流量增加法(IFM)、有效寬度(UW)法、加權有效寬度(WUW)法、偏好面積法等;(4)整體分析法，包括BBM 法，澳大利亞的整體法等。國內，系統研究河流生態需水的工作尚處于起步階段，對生態環境需水計算方法的研究也不夠深入。方法主要包括:枯水年天然徑流估算法(以最枯年天然徑流進行估算)和將河流年最小月均流量的多年平均值作為河流的基本生態環境需水量。這兩種河流生態需水量計算的方法屬于歷史流量法的范圍，具有與歷史流量法相同的優點和不足。

2.4 河流的生態修復

過度的河流開發導致生物多樣性下降、生態系統退化、河岸侵蝕等問題，產生深遠的影響。如何保護和修復河流生態，使生態系統實現可持續發展成為全球關注的熱點。河流生態修復作為一種環境保護行動，旨在促使河流生態系統恢復到較為自然的狀態，提高生態系統的價值和生物多樣性。

2.4.1 國外河流生態修復

(1)河道清淤、人工渠回填和自然河道恢復。美國Kissimmee河生態修復過程中總計回填了12Km長的人工渠，恢復2.3Km的自然河流，示范區河水的SS，TP均顯著下降，DO明顯上升。修復完成后，重金屬Fe，Mn，As和Hg在5種魚肉、魚肝的含量減少7～50%。

(2)河堤去除、河道加寬與河漫灘濕地恢復。英國實施河堤去除后;增加了洪泛平原(濕地)的面積，不僅對生態恢復有利;而且可減少洪峰10％～15％。

(3)河道生境結構與河流水文動態恢復。法國在Seine河實施了類似的工程，并強調了結構、功能與動態的統一，以及發揮最佳效果的所需尺度;多樣的生境結構與多變的水文動態可為更多的凈化污染的植物、小型動物與微生物提供適宜的生境。

(4)河道及其河系網絡的生態修復。基于生境考慮的修復不如基于過程驅動的修復更有效。恢復河道的原貌幾乎不可能，但選擇參照河相當重要，需要在流量、基質、河岸植被、河谷形態方面相同或相近。

(5)修復與重建工程效果的合理評價和適應性管理。Downs Kondolf采用地貌、水文、泥沙、生態等指標，分別以四條河流為例，對其恢復目標、短期行為、長期匹配性進行了評價，并提出適應性管理政策。

2.4.2 國內河道生態修復

安樹青等利用廉價的材料設計適用于農村中小型河流的生態河床，該河床主要由表面流濕地和沉水植物共同構成。既具有較高的凈污控污能力，又有較高的過水效率，為重建和恢復河流生態系統提供了有效的技術手段。鄭天柱等應用生態工程學理論，探討河道生態恢復機理，指出滿足河流生態需水量是缺水地區恢復河流生態的關鍵。楊海軍等也提出退化水岸帶生態系統修復的主要內容應包括適于生物生存的環境綴塊構建研究、適于生物生存的生態修復材料研究以及水岸生態系統恢復過程中自組織機理研究。

河流生態修復是一個多目標、多層次、多措施、多約束條件的復雜問題。目前的生態河道建設處于因現實需要而進行的工程修復階段，對背后的生態學過程了解有限。整體上，國內對河道生態修復與功能重建的工作處于起步階段，還處于對國外技術部分吸收、消化與適應性轉化階段;為此，需要大量的工程規模的實踐檢驗，以便篩選出適宜的技術及其技術體系，當然，一定的技術創新也是必不可少的。

3結語

目前，我國水環境問題相當嚴峻，大壩的建設與河流生態系統保護之間的矛盾日益突出;西部生態環境脆弱，土地荒漠化以及水土流失十分嚴重。作為一門新興的邊緣科學，生態水文學是目前水資源管理的一個重要理論基礎，為水資源開發利用、水利工程的生態調度以及河流適應性管理提供不可或缺的科技支撐。

國外的水文生態學研究已經有了較好的基礎，發展很快，國內相關研究起步較晚，因而有更多的問題需要關注。

(1)加強河流的水文生態學研究，創建水利工程學和生態學有機結合的理論、技術和評價體系。

(2)建立全面的生態系統監測網絡， 加強野外生態系統和水文因子的監測，尤其要注重監測數據的長期積累。

(3)追蹤土地利用與覆被變化等的水文生態學效應，為我國水土防治、環境保護等提供理論依據。

(4)利用國外的先進建模理論，結合我國水文資料、注重新技術、新方法在水文生態學研究中的應用，建立符合我國水文實際的研究模型[6]。

(5)政府應給予政策上的傾斜，給河流生態水文學的研究已政策和法規上的支持，最終實現我國水資源的可持續利用。

參考文獻

[1]趙文智，王根緒.生態水文學[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]王根緒，劉桂民，常娟.流域尺度生態水文研究評述[J].生態學報，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]程飛，吳清江，謝松光.水文生態學研究進展及應用前景[J].長江流域資源與環境，2010，19(1):98～106.