閘壩工程對河流生態系統影響機制分析

(北京市北運河管理處，北京 101100)

河道閘壩工程的調度運行，對徑流過程的控制作用非常明顯，與此同時，其帶來的供水、防洪以及發電等方面效益也越來越大。尤其是城市內河，對城鎮建成區的排水除澇、維持生態基流、涵養生態資源、構建水體景觀和推進城市生態文明建設意義重大[1]。在當前全面消除黑臭和劣Ⅴ類水體、大力建設海綿城市的關鍵階段，河道閘壩優化運行的作用極其重要。現在我國的內河閘壩大多采用常規的方法進行調度，缺少智慧化科學的管理方式和頂層設計，生態治河理念普及度不夠，水工建筑物的風景綠化品質較差，導致其在水環境、水生態和水安全上的弊端日趨明顯，負面脅迫效應也接踵而至。

目前關于閘壩工程對河流水質、水量的環境影響與優化調控研究較多，并逐漸向生態水利方向轉變。左其亭等[2]分析了閘壩調度過程在河流水質和水生態指標變化中的作用；董克寶[3]模擬了閘壩聯合調控情景下水量與水源分配的變化，并提出優化河流型濕地景觀用水的措施；姜翠玲等[4]通過綜述水文情勢與棲息地生物響應機理、水利工程生態效應和生態需水量的估算方法，評估了閘壩工程對河流生態系統的影響程度，并展望了我國生態水利的發展趨勢。鑒于此，本文通過分析閘壩調度對河流生態系統的作用效果，探討閘壩控制型河流生態系統的綜合評價體系和影響效應機制，總結降低閘壩工程引發河流生態風險的管控對策，以期能夠促進我國閘壩工程管理水平的提高。

1 閘壩工程生態環境效應的內涵機制

1.1 閘壩工程影響機制的層級劃分

根據閘壩工程對河流生態系統的影響效應類型，可以分為正效應和負效應。兩者之間的影響力此消彼長。其中，正效應主要包括增加局部流域的防洪效益、強化水資源的可調控性、提升水源的供給能力和鞏固水旱災害防御的基礎設施；負效應主要包括威脅流域的生態安全、破壞河流自然的水生態過程、減少河流濕地的水源補給量、弱化雨洪資源的生態作用和喪失原有蓄滯洪(澇)區的調節功能。

閘壩工程對河流生態系統的影響主要體現在非生態變量因子及生態變量因子兩個方面。其中，非生態變量是指河流濕地的基本特征，生態變量是指生物初級生產力及高級食物鏈組分，兩者是相互關聯、相互影響的。根據具體的反映過程和作用時間，可將其劃分為3個效應層級，具體指標類別見表1。從閘壩工程建設開始，就對河流非生物環境要素產生作用，第一層級影響所產生的變化又為第二層級影響做鋪墊，對地形地貌和初級生產力產生效應，對更高食物鏈上的生物發生作用，即對第三層級產生影響。這種互饋作用過程的復雜程度，從第一層級到第三層級是逐漸增加的。最終，第三層級作為閘壩工程對河流生態系統綜合作用的結果，將會直接反映河流環境面臨的風險水平。

表1 閘壩工程對河流生態系統的影響層級劃分

1.2 閘壩工程影響機制的核心內容

閘壩工程運行后，徹底改變了河流的年徑流量及其年內分配比例，毗鄰區域的地貌結構、河流下游的水質水量條件也會隨之變化，將直接或間接地影響河流沿岸的水生態環境，并使水生生物群落的結構、類型和生活力發生變化，導致河流生態系統中各要素的演變程度存在差異。與此同時，控水作用也會引起河道水文情勢逐漸單一化，使河流上下游之間的徑流過程更具有可控性，對河水流速、河道流量和過水斷面產生顯著影響，最終導致河流生態系統的功能有效性和河流濕地的結構穩定性均不斷降低。

閘壩工程帶來河岸區域經濟質量發展和沿岸居民高品質生活的同時，也造成河流部分原有生態功能的喪失，主要表現為河岸線形態、水質水量狀況、生物群落等方面的變化[5]。閘壩工程生態機制研究主要包括建設前的生態環境影響評價和運行后的綜合效應評估，主要包含以下內容：

a.閘壩工程導致河流的水勢變化平緩，其對維持河流濕地生態系統完整性的作用機理，并提出河道生態需水量的閾值范圍。

b.以不同組分的保護與修復為目標，制定出河流恢復可持續性徑流的技術準則。

c.研究河道水工建筑物對天然河流生態景觀造成的破壞以及產生的環境協調性問題，為增強河流廊道景觀魅力提供美學基礎。

d.基于河流緩沖帶的生境特點，有效實施相應的水生態系統重構策略。

1.3 閘壩工程影響機制的評估體系

閘壩工程主要通過改變自然水文特征來影響河流濕地緩沖帶和水生態管控邊界，其對河流生態系統的影響效應機制分析框架見圖1。通過以河流尺度的水文及水生態效應評估為基礎，在河段尺度篩選重點閘壩站點對其進行綜合分析。其中，閘壩調度對河流生態效應的評估體系可以分為3類：

a.水文-水生態評估體系。主要通過采取定量或半定量方法，評估閘壩運行對各水文指標的影響以及水文指標與生態指標之間的定性關系，進而簡化評價閘壩對河流生態環境的影響機理。

b.水文效應評估體系。首先運用歸一化分析方法和典型賦值模型計算閘壩對水文情勢的影響級別，再統計逐月水文數據，篩選過水斷面極值流速的出現時間和年內徑流量變化的關鍵節點，最終綜合評估閘壩工程的影響效應。

c.生態水文模型評估體系。通過建立以河流水文和濕地生態指標為基礎的流域本底資料數據庫，利用耦合水動力模型進行數值分析，結合樣地調查驗證，評估閘壩調度后，河流濕地生態系統中動物、植物和微生物等指標的變化情景。

圖1 閘壩工程對河流生態系統影響機制分析框架

2 閘壩控制型河流生態系統綜合評價

閘壩工程建設導致出現流域水循環短路、洪泛區生態過程中斷及河流生態系統孤立等問題，使人們不斷地進行深刻反思，促進了河流生態系統綜合評價的普及應用，并逐步推廣包含水質、水量、水環境、生物群落等指標的水生態管理新理念。然而，由于不同河段在水資源緊缺程度、開發利用率、水體污染類型和人類活動擾動方式等方面存在差異，故需要進行河岸線形態、棲息地生境、河道斷面監測和水生生物種類等多項指標的定期野外調查和長期連續監測，致使河流生態系統綜合評價成為一項重要但復雜的工作。

2.1 河流生態系統綜合評價的構成

閘壩工程的生態環境效應是一個涉及流域生態安全和社會經濟等領域的耦合系統，需要客觀、全面地分析影響過程，并統籌水生態系統完整性的基本要求[6]。河流生態系統綜合評價不同于開工建設前的環境影響評價和水工程的后期評估，它是針對已建成的閘壩工程，從人居環境、水生生物、自然規律、經濟發展、水系景觀等方面，建立一套量化生態環境質量和人類干擾程度的評價標準，主要包括評價指標和評價方法。

2.2 河流生態系統綜合評價的指標

河流生態系統綜合評價指標主要是基于具體河段而提出的指標體系，并在其所能揭示的流域特征基礎上，根據綜合性、典型性和可操作性選出評價指標體系，主要包括河流生境指標、水環境指標、生物指標和人水和諧度指標四大類別[7]。其中，河流生境指標主要包括河岸緩沖帶植被覆蓋度、河流濕地現存率、河流底質結構、堤坡滲透穩定性、流域水系連通性和河岸線蜿蜒度；水環境指標主要包括年際間徑流量變化率、八大離子濃度、水質達標率、水溫、水深、基流保證率、水體渾濁度和溶解氧；生物指標主要包括鄉土水生動物存活狀況、流域生物多樣性指數、魚類種數、水生植物豐富度和無脊椎動物優勢度；人水和諧度指標主要包括流域土地利用率、景觀破碎化指數、防洪工程完善率、雨洪安全系數、供水保證率、水資源利用率和生態用水所占比例。

2.3 河流生態系統綜合評價的方法

根據對河流健康概念的不同理解，在河流生態系統綜合評價中常用的方法主要有5種：單指標評價法、多指標評價法、模糊評價法、健康指數法和綜合指標評價法[8]。其中，單指標評價法是指根據河流生態系統中的重要、特有或敏感等物種的類型和數量，判斷河流生態系統的風險水平；多指標評價法是指通過對比觀測河段與參照河段的一系列特征因子，并對其單獨進行科學打分和加權累加，進而對河流的受干擾情況進行系統評價；模糊評價法是指通過運用數學中模糊關系合成的基本原理，將一些邊界不清晰且不易定量的因子定量化，然后進行綜合評價的方法；健康指數法是指通過實測、評估或問卷調查而獲取各項指標的現狀值，并將其按照統一的方法進行量化，然后根據指數模型加權計算出河流的健康值；綜合指標評價法是指依據選定的關鍵指標是否達標，進行不同的等級排序，同時與簡單數學運算相結合，進行評估河流的健康情況。

3 閘壩控制型河流生態風險管控的保障機制

3.1 河流生態系統的綜合管理

從生態系統的角度開展流域環境管理是未來可持續發展的主要趨勢，通過基于河流生態系統整體性的理念，結合不同時空層次的差異性和特殊性，體現出組分間的不可分割特征，綜合開展流域規劃、治理、開發和保護工作[9]。首先，河流生態系統具有非對稱性特點，與其所處的行政區劃、上下游及左右岸等地域性要素具有直接關系。其次，“水”作為構成河流生態系統的關鍵性要素，對于維持組分完整、水系連通和生境質量具有決定作用。鑒于此，應當從系統層面對河流現狀和風險因素進行評估，加強不同空間尺度拓展，并在制度設計和措施優化中充分考慮流域綜合協調性，因地制宜地提出河流生態保護和修復方案，并適當采用經濟和法律手段來解決環境與發展之間的矛盾。

3.2 貫通河流上下游

河流上下游水系連通具有增加水量調蓄、保障生物遷徙路線通暢、凈化水土資源環境的優點，目前主要從水文、生態、地貌和景觀等方面對其進行描述。由于其對社會經濟發展也發揮著重要作用，河流水系連通則具有自然屬性和社會屬性的雙重特性，并且其連通性機制主要表現為橫向、縱向、垂向和時間上的連通性[10]。其中，河流水系橫向連通性是指主河槽與灘地、河岸緩沖帶之間的相互連通，閘壩工程將會減小灘地淹沒概率，減弱水動力條件及洪水能力，降低水土養分交換和生物擴散能力，從而造成河流橫向連通性降低；水系縱向連通性是指生物、元素和能量在河流縱向上的通暢程度，閘壩工程使得河道基流量顯著減小，導致水沙、水熱和水量失衡，阻斷生物上下游交流路徑，打破了河流水系的生態完整性；水系垂向連通性是指地表河水、土壤水庫和沿河地下水之間的水分、物質及生物的可運移能力，與地表水-地下水循環條件、河流底泥類型、水體交換強度等因素有直接關聯；水系時間連通性是指河流水量、流速、徑流和生物分布等指標隨著季節性的動態變化過程，主要分為洪水季節和枯水季節，但是閘壩工程的調度運行使河流水系連通的時間維度變得具有人為可控性，逐漸喪失了自然波動性的特點。

3.3 河岸緩沖帶的棲息地適宜性恢復

棲息地是河流濕地生態系統的重要組成部分，是保障水生態系統完整性的重要條件，可以直接反映出閘壩控制型河流面臨的風險狀況。河岸緩沖帶棲息地的恢復措施主要有增加河灘地面積、推廣應用生態護坡和構建廊道景觀。其中，生態護坡在改善河流水生態系統穩定中起到重要的作用，通過減少河岸的硬化處理，并栽種適生植物，形成河流生態廊道，增加河岸緩沖帶棲息地生境多樣性，進而改善魚類洄游、底棲生物繁殖和植物群落生長所必要的生態環境類型[11]。另外，不同生境條件的鑲嵌排列，也有利于形成不同的生物群落，增加物種豐富度和生物多樣性指數，最終能夠提升河流生態系統的自凈能力和抗生態風險水平。同時，河岸帶也能夠為居民提供良好的休閑娛樂場所，滿足人們親水需求，增加居民的幸福度指數，進而促進保護河流生態系統的積極性。

3.4 河流生態需水量的精確估算

生態需水量是指河流維持基本生態功能所需的水資源量，是實現生態調度目標的基礎，也是保障河流生態系統健康的有效措施，可以將其劃分為河道基流需水量、水面蒸散發需水量、深層滲漏需水量、水質自凈需水量、水鹽平衡需水量、沖淤輸沙需水量和洪水脈沖需水量[12]。但是，河流生態需水量的精確估算并不是將各部分生態需水量進行數學相加，因為可能在一定的范圍內，水量能夠部分或全部地滿足多項功能。目前采取的常用估算方法如下：

a.按照歷史水文觀測資料的數據比例，估算維持或恢復河流棲息地的生態需水量。

b.模仿自然河流的徑流模式，將徑流變化程度最小化的閘壩流量列為生態需水量。

c.建立河道斷面濕周-流量關系曲線，根據斜率法或曲率法計算生態需水量。

d.在河流濕地生態學監測數據的基礎上，根據經驗值確定最適宜的需水量。

4 結 論

閘壩工程對河流生態系統的影響作用具有持久性和累積效應，必須有效運用閘壩工程的生態調度模式，將其對生態環境的不利影響降到最低。通過實施閘壩系統性的調度措施，既能提高上游的存蓄能力，又能保證下游的河流生態需水量，最大限度地恢復河流水系的連通性，為流域內水環境-水資源-水生態的防洪、治污和景觀聯合調度提供支撐。同時，要不斷完善涉水法律法規體系、公眾參與機制和環境公益訴訟制度，加大宣傳力度和營造良好氛圍。然而，閘壩工程對河流景觀文化和天然美學功能的負效應，不易定量化表達，并且補救措施的可操作性較差。總之，提升河道空間品質和落實沿岸韌性規劃是河流生態管控的發展趨勢，并且隨著監測數據的積累，河流生態系統評價的完善性和可靠性將不斷提高，有效地促使我國進入基于流域環境質量和河流生態健康的水生態文明建設新階段。