河流生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)方法研究.doc

河流生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)方法研究董哲仁，孫東亞，趙進(jìn)勇（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）摘 要：本文闡述了河流生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)、任務(wù)以及時(shí)空尺度等基本問(wèn)題，并對(duì)河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃原則、設(shè)計(jì)方法和規(guī)劃技術(shù)工具進(jìn)行了總結(jié)和發(fā)展，同時(shí)提出了河流結(jié)構(gòu)功能整體模型作為河流生態(tài)修復(fù)的科學(xué)基礎(chǔ)，最后介紹了河流生態(tài)修復(fù)工程案例。關(guān)鍵詞：河流生態(tài)修復(fù)，規(guī)劃，設(shè)計(jì)1 概述人們對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應(yīng)反思和總結(jié)以后，認(rèn)為應(yīng)試圖緩解對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的壓力，對(duì)于各種脅迫因素給予補(bǔ)償，恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)原有面貌，于是出現(xiàn)了“河流恢復(fù)（river restoration）”的概念和相應(yīng)工程技術(shù)。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì) (ASCE) 對(duì)于“河流恢復(fù)”有以下定義：“河流恢復(fù)是這樣一種環(huán)境保護(hù)行動(dòng)，其目的是促使河流系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，河流系統(tǒng)具有可持續(xù)特征，并可提高生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值和生物多樣性?！保ˋSCE，2003）。西方發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)歷一百多年對(duì)于河流大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的工程建設(shè)以后，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，逐步把重點(diǎn)從開(kāi)發(fā)利用轉(zhuǎn)向?qū)恿鞯谋Ｗo(hù)。從50年代開(kāi)始以水質(zhì)恢復(fù)為第一階段，到80年代初期轉(zhuǎn)入第二階段即河流生態(tài)恢復(fù)階段。80年代初期的特點(diǎn)是建設(shè)小型河流的生態(tài)恢復(fù)工程，到80年代末進(jìn)入以單一物種恢復(fù)為標(biāo)志的大型河流恢復(fù)行動(dòng)。90年代開(kāi)始規(guī)劃流域尺度的河流生態(tài)整體恢復(fù)工程并開(kāi)始若干示范工程建設(shè)。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的河流生態(tài)恢復(fù)建設(shè)正處于方興未艾的形勢(shì)中。我國(guó)的河流生態(tài)修復(fù)工作起步較晚。90年代末我國(guó)水利部門(mén)開(kāi)始探索通過(guò)應(yīng)急調(diào)水的方法恢復(fù)急劇退化的河流生態(tài)系統(tǒng)并取得初步成功，這些試點(diǎn)包括塔里木河、黑河和扎龍濕地等。應(yīng)急輸水緩解生態(tài)系統(tǒng)急劇退化是修復(fù)河流生態(tài)的一次有益的嘗試。到21世紀(jì)初水利部門(mén)開(kāi)展了水域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制的試點(diǎn)，這些試點(diǎn)包括海河流域生態(tài)環(huán)境修復(fù)水資源保障規(guī)劃、桂林漓江、武漢、無(wú)錫的水生態(tài)修復(fù)規(guī)劃。與此同時(shí)，一些中小型河流的生態(tài)修復(fù)試點(diǎn)工程陸續(xù)開(kāi)展，包括北京市、浙江省、重慶市等。2 河流生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)、任務(wù)以及時(shí)空尺度2.1 河流生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)按照國(guó)際生態(tài)恢復(fù)學(xué)會(huì)（Society of Ecological Restoration）的定義，生態(tài)修復(fù)是幫助研究和管理原生生態(tài)系統(tǒng)的完整性的過(guò)程，這種完整性包括生物多樣性的臨界變化范圍、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程、區(qū)域和歷史狀況以及可持續(xù)的社會(huì)實(shí)踐等。在“河流生態(tài)恢復(fù)”的目標(biāo)方面，學(xué)術(shù)界存在著不同的表述，這些表述也反映了不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，從過(guò)程、目標(biāo)到相關(guān)措施都有很大的差異。對(duì)于河流生態(tài)恢復(fù)定義有以下主要表述：“完全復(fù)原” (Full restoration)，定義為“使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能完全恢復(fù)到干擾前的狀態(tài)”（Cairns,1991)。完全復(fù)原首先是河流地貌學(xué)意義上的恢復(fù)，這就意味著拆除大壩和大部分人工設(shè)施以及恢復(fù)原有的河流蜿蜒性形態(tài)。然后，在物理系統(tǒng)恢復(fù)的基礎(chǔ)上促進(jìn)生物系統(tǒng)的恢復(fù)?！靶迯?fù)”（Rehabilitation），定義為“部分地返回到生態(tài)系統(tǒng)受到干擾前的結(jié)構(gòu)和功能”。通過(guò)生態(tài)修復(fù)方案的實(shí)施，在大多數(shù)情況下，具有重要功能的可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)和棲息地仍可以被重建。 “增強(qiáng)”，（Enhancement），定義為“環(huán)境質(zhì)量有一定程度的改善” （National Research Council 1992）。典型的增強(qiáng)措施包括改變具體的水域、河道和河漫灘特征以補(bǔ)償人類(lèi)活動(dòng)影響。比如改變河流內(nèi)魚(yú)類(lèi)棲息地結(jié)構(gòu)等。但有的學(xué)者認(rèn)為，這些增強(qiáng)措施雖能提供改善棲息地條件的機(jī)遇，但缺乏生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，其有效性受到置疑（Beschta et al. 1994）。“創(chuàng)造”，（Creation），定義為“開(kāi)發(fā)一個(gè)原來(lái)不存在的新的河流生態(tài)系統(tǒng)，形成新的河流地貌和河流生物群落”（National Research Council，1992）。創(chuàng)建新的棲息地的做法是一種管理手段，試圖把喪失棲息地的影響降到最低或彌補(bǔ)這種影響。“自然化”（Naturalization），由于人類(lèi)對(duì)于水資源的長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)利用，已經(jīng)形成了一個(gè)新的河流生態(tài)系統(tǒng)，而這個(gè)系統(tǒng)與原始的自然動(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng)是不一致的。在承認(rèn)人類(lèi)對(duì)于水資源利用的必要性同時(shí)，強(qiáng)調(diào)要保護(hù)自然環(huán)境質(zhì)量。通過(guò)河流地貌及生態(tài)多樣性的恢復(fù)，達(dá)到建設(shè)一個(gè)具有河流地貌多樣性和生物群落多樣性的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的、可以自我調(diào)節(jié)的河流系統(tǒng)（Rhoads and Herricks，1990）。2.2 河流生態(tài)修復(fù)的任務(wù)河流水系生態(tài)恢復(fù)的任務(wù)有三大項(xiàng)：一是水質(zhì)條件、水文條件的改善，二是河流地貌特征的改善，三是生物物種的恢復(fù)?？偰康氖歉纳坪恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，主要標(biāo)志是生物群落多樣性的提高。水質(zhì)條件、水文條件的改善包括：水量、水質(zhì)條件的改善，水文情勢(shì)的改善，水力學(xué)條件的改善。通過(guò)水資源的合理配置以維持河流河道最小生態(tài)需水量。通過(guò)污水處理、控制污水排放、生態(tài)技術(shù)治污、提倡源頭清潔生產(chǎn)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)以改善河流水系的水質(zhì)。提倡多目標(biāo)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度，即在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求的基礎(chǔ)上，模擬自然河流的豐枯變化的水文模式，以恢復(fù)下游的生境。河流湖泊地貌學(xué)特征的改善包括：恢復(fù)河流的縱向連續(xù)性和橫向聯(lián)通性；保持河流縱向蜿蜒性和橫向形態(tài)的多樣性；外移堤防給洪水以空間并擴(kuò)大灘地；退耕還湖和退漁還湖；采用生態(tài)型護(hù)坡以防止河床材料的硬質(zhì)化。生物物種的恢復(fù)包括：瀕危、珍稀、特有生物物種的保護(hù)；河湖水庫(kù)水陸交錯(cuò)帶植被恢復(fù)；包括魚(yú)類(lèi)在內(nèi)從水生生物資源的恢復(fù)等。2.3 河流生態(tài)修復(fù)的時(shí)空尺度景觀生態(tài)學(xué)中的所謂“尺度”（scale）是指在研究某一生態(tài)現(xiàn)象時(shí)所采用的空間和時(shí)間單位，同時(shí)又可以指某一生態(tài)現(xiàn)象或生態(tài)過(guò)程在空間和時(shí)間上所涉及的范圍和發(fā)生的頻率。前者是從研究者的角度定義的單元，帶有很強(qiáng)的主觀性。而后者是自然現(xiàn)象的客觀存在。人們認(rèn)識(shí)客觀世界的過(guò)程，應(yīng)努力使主觀認(rèn)識(shí)與客觀的自然現(xiàn)象相符合，盡可能使研究尺度與客觀時(shí)空尺度相一致。2.3.1 時(shí)間尺度與空間尺度河流生態(tài)系統(tǒng)的演進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，確定合理的時(shí)間尺度就是為正確反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。對(duì)河流產(chǎn)生重要影響的地貌和氣候變化，其時(shí)間尺度往往在數(shù)千年到數(shù)百萬(wàn)年，因此如果要追溯河流的演進(jìn)歷史，其時(shí)間尺度起碼要跨越數(shù)千年?？咳斯みm度干預(yù)的河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的時(shí)間尺度往往需要數(shù)十年，比如濕地的恢復(fù)和重建就需要15至20年。另外，同一種過(guò)程也會(huì)有不同的時(shí)間尺度，比如對(duì)于河流變化產(chǎn)生重要影響的土地利用方式改變的時(shí)間尺度就有多種：農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化的尺度要幾年、城市化進(jìn)程要數(shù)十年、森林植被變化數(shù)百年，如此等等。總之，要基于不同的研究目標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間尺度2.3.2 河流生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度設(shè)定河流生態(tài)系統(tǒng)空間尺度的目的是為了體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的整體性原則，不可能孤立地研究單一尺度的生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的完整性包括生命支持系統(tǒng)的完整性和生物完整性。不同尺度的河流生態(tài)系統(tǒng)之間是相互作用的，生態(tài)系統(tǒng)的諸多功能比如物質(zhì)運(yùn)動(dòng)（徑流、泥沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等）、能量運(yùn)動(dòng)（食物網(wǎng)）、生物遷徙等都是在不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)之間進(jìn)行的。這可以解釋為某一尺度的生態(tài)系統(tǒng)的外部環(huán)境是一個(gè)尺度更大的生態(tài)系統(tǒng)。一方面，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能是更大尺度系統(tǒng)的一部分（當(dāng)然不可線性疊加），另一方面，該系統(tǒng)與較大尺度的系統(tǒng)存在著輸入/輸出關(guān)系。比如河流廊道尺度被流域尺度所環(huán)繞，在流域尺度發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量運(yùn)動(dòng)、物種遷徙等，對(duì)于河流廊道來(lái)說(shuō)是一種外部環(huán)境。同時(shí)物質(zhì)、能量是在河流廊道與流域之間進(jìn)行交換和相互作用，生物體也在二者間進(jìn)行遷徙運(yùn)動(dòng)。在景觀生態(tài)學(xué)中用3種基本元素定義特定尺度下的空間結(jié)構(gòu)，這3種基本元素是：基底（matrix）、斑塊(patch)和廊道( corridor)。每一級(jí)尺度在其層次內(nèi)都具有自身的空間格局。不同尺度對(duì)應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)要素具有不同定義和不同的空間格局，因此需要考察尺度與空間結(jié)構(gòu)元素之間的相關(guān)關(guān)系。河流生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度有多種劃分，筆者認(rèn)為可以大致劃分為景觀、流域、河流廊道和河段等4種。(1) 景觀生態(tài)學(xué)把生物圈劃分為11個(gè)層次，依次是生物圈、生物群系、景觀、生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個(gè)體、組織、細(xì)胞、基因和分子。這里所說(shuō)的“景觀”（landscape）是指第3層次上的尺度，可見(jiàn)景觀是相當(dāng)大的一種尺度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以定義為自然地理區(qū)域（region），也可以定義為特大型河流流域，如長(zhǎng)江、黃河、珠江流域等，或者定義為跨流域的空間尺度。景觀可以定義為土地覆蓋（land cover）的陸地格局，這種覆蓋包括兩類(lèi)：即自然覆蓋（森林、灌叢、沼澤、荒漠等）和人工構(gòu)筑物（城市、道路、村鎮(zhèn)等），反映自然地域和人類(lèi)活動(dòng)地域。景觀的空間結(jié)構(gòu)中的基底，通常是占支配地位的自然植被群落（如草原型、森林型、濕地型、沙漠型等）或者是以耕地、牧場(chǎng)為主的生態(tài)系統(tǒng)。斑塊有兩類(lèi)：具有自然屬性的斑塊包括森林、湖泊、濕地等，具有社會(huì)屬性的斑塊包括耕地、城市帶、開(kāi)發(fā)區(qū)、村莊等。廊道包括河流、峽谷、道路等。(2) 流域嚴(yán)格說(shuō)，采用流域作為一種尺度不很確切，因?yàn)椴煌牧饔虺叨仍趲缀我饬x上相距甚遠(yuǎn)。但是大小不同的流域卻有類(lèi)似的生態(tài)結(jié)構(gòu)特征，所以流域尺度常被采用。在本文中，流域尺度主要指中小型河流流域和特大型河流的支流流域。流域的自然地理、氣候、地質(zhì)和土地利用等要素決定著河流的徑流、河道、基底類(lèi)型、水沙特性等物理及水化學(xué)特征，這些因素對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)影響。在流域內(nèi)進(jìn)行著水文循環(huán)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括植被截留、積雪融化、地表產(chǎn)流、河道匯流、地表水與地下水交換、蒸散發(fā)等。河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、景觀異質(zhì)性、斑塊性、植被、生物量等因子與水文過(guò)程密切相關(guān)，生態(tài)過(guò)程所發(fā)生及涉及的范圍，與水文過(guò)程的范圍往往在流域尺度中重合。換言之，水文過(guò)程與生態(tài)過(guò)程在流域這種空間單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定程度的耦合。流域集水區(qū)的土壤水滋潤(rùn)著大部分陸生植被，無(wú)數(shù)溪流和支流成為陸生生物與水生生物匯集的紐帶，從而形成完善的食物網(wǎng)。在流域尺度上，更關(guān)注水系、上中下游、河口三角洲、洪泛灘地、河床結(jié)構(gòu)等這些空間基本元素。(3) 河流廊道河流廊道（river corridor）包括河道、兩岸植物群落、洪泛灘區(qū)和支流等，也有學(xué)者建議按照某一頻率下洪水的淹沒(méi)范圍劃定河流廊道寬度。河流廊道具有很高的生態(tài)功能。一方面，河流廊道是河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、信息流的重要通道，又是連接流域的上中下游以及洪泛平原的紐帶。另一方面，河流本身又是大量水生動(dòng)植物、鳥(niǎo)類(lèi)、水禽和無(wú)脊椎動(dòng)物的棲息地，有其自身的空間結(jié)構(gòu)元素組合。兩岸森林和灌叢是河流廊道的主要基底。空間格局中的斑塊包括自然部分如濕地、草灌、牛軛湖、江心島等；人工部分包括居民區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、游覽休閑區(qū)等。(4) 河段可以理解河段(reach)是相對(duì)較小的棲息地與生物群落的組合，起關(guān)鍵作用的是河流地貌形態(tài)及其對(duì)應(yīng)的水流流態(tài)。比如河流縱坡、蜿蜒性、河流斷面材質(zhì)和幾何形狀等所相應(yīng)的流速、水深、脈動(dòng)壓力等水力學(xué)條件，由此產(chǎn)生不同的棲息地空間異質(zhì)性。而生物群落多樣性則與空間異質(zhì)性條件具有正相關(guān)關(guān)系。所以河段的特征往往用急流、緩流、靜水區(qū)等描述。結(jié)構(gòu)元素中斑塊包括深潭、淺灘、池塘、河灘水生植物區(qū)等。從河流利用角度，也常按照物理、化學(xué)、生物等屬性劃分河段，如水功能區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等。需要說(shuō)明的是，對(duì)于規(guī)劃、評(píng)估、監(jiān)測(cè)這些不同的任務(wù)，工作對(duì)象的空間尺度可能是不同的。監(jiān)測(cè)工作應(yīng)該在盡可能大的尺度內(nèi)進(jìn)行。比如修復(fù)一塊濕地以吸引鳥(niǎo)類(lèi)，經(jīng)過(guò)一年或者更長(zhǎng)的時(shí)間均告失敗。這就需要考慮是否有質(zhì)量更好的生境吸引了候鳥(niǎo)而改變了它們的遷徙路線，監(jiān)測(cè)工作可能在大陸的范圍內(nèi)開(kāi)展。評(píng)估工作可能在流域或跨流域的尺度上進(jìn)行。河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃工作的尺度應(yīng)該是流域。河流生態(tài)修復(fù)工程規(guī)劃可以在河流廊道范圍內(nèi)進(jìn)行。所謂“河流廊道”（River corridor）泛指河流及其兩岸與生物棲息地相關(guān)的土地，也有定義其范圍為河流與對(duì)應(yīng)某一洪水頻率的洪泛區(qū)。至于河流修復(fù)工程項(xiàng)目的實(shí)施，一般在關(guān)鍵的重點(diǎn)河段內(nèi)進(jìn)行。3 河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃原則、設(shè)計(jì)方法和規(guī)劃技術(shù)工具3.1 規(guī)劃原則河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的指導(dǎo)思想是：以可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo)，評(píng)估河流的生態(tài)狀況，確定河流開(kāi)發(fā)與保護(hù)的適宜程度，提出改善河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的工程措施和管理對(duì)策，促進(jìn)人與自然和諧相處。河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的原則包括：河流修復(fù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展原則；社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益相結(jié)合原則；增強(qiáng)空間異質(zhì)性的景觀格局原則；流域尺度規(guī)劃原則；生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)、自我恢復(fù)原則；提高水系聯(lián)通性原則；負(fù)反饋調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)原則；生態(tài)工程與資源環(huán)境管理相結(jié)合原則。3.2 設(shè)計(jì)方法3.2.1 設(shè)計(jì)流程及方案選擇任何修復(fù)工程的設(shè)計(jì)首先應(yīng)確定工程的目標(biāo)，并按照生態(tài)修復(fù)工程評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行整個(gè)工程建設(shè)過(guò)程及效果的評(píng)估。一旦明確了工程目標(biāo)，也就確定了資料調(diào)查的內(nèi)容與范圍、分析和設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)條件。通過(guò)資料分析，提出初步設(shè)計(jì)構(gòu)想，明確所采用的方案。根據(jù)河道、岸坡、堤防和防洪墻等不同修復(fù)重點(diǎn)，采取不同方案，見(jiàn)表3-1、3-2、3-3。方案確定后進(jìn)行初步設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè)計(jì)，并進(jìn)行水力分析、安全分析、生態(tài)分析及經(jīng)濟(jì)分析等。設(shè)計(jì)流程如圖3-2-1所示。 表3-1 修復(fù)河道環(huán)境特征的措施修復(fù)工程的目的可能采用的方案控制河床和河岸侵蝕恢復(fù)河流蜿蜒性，控制河道坡降，進(jìn)行岸坡防護(hù)或河道襯砌（混凝土或塊石），種植植被，建設(shè)植被緩沖帶。避免河床淤積修建枯水和常規(guī)河道，攔截泥沙，恢復(fù)受干擾區(qū)域的植被，有選擇性地清淤，建設(shè)植被緩沖帶。防止地下水位下降修建水位控導(dǎo)工程，植樹(shù)造林，發(fā)揮牛軛湖的功能。維持枯水期水流深度和速度修建枯水和常規(guī)河道，建設(shè)分洪道，建設(shè)深潭和淺灘，加強(qiáng)河流內(nèi)棲息地結(jié)構(gòu)，修建水位控導(dǎo)工程，攔截泥沙。保護(hù)水質(zhì)單側(cè)施工，建設(shè)植被緩沖帶，建設(shè)分洪道，修建枯水和常規(guī)河道，采取導(dǎo)流措施排水后進(jìn)行開(kāi)挖，有選擇性地疏浚清淤保護(hù)水域棲息地加強(qiáng)河流內(nèi)棲息地結(jié)構(gòu)，僅改變河道單側(cè)的岸坡結(jié)構(gòu)，恢復(fù)河流蜿蜒性，建設(shè)深潭和淺灘，改善河道底質(zhì)，設(shè)置魚(yú)道，修建水位控導(dǎo)工程，發(fā)揮牛軛湖功能，有選擇性地疏浚清淤避免減少河岸帶植被改變河道單側(cè)的岸坡結(jié)構(gòu)，植樹(shù)造林，種植植被，恢復(fù)受干擾區(qū)域的植被，保護(hù)裁彎取直后形成的森林區(qū) 創(chuàng)建或維持坡地的多樣性河流廊道管理，種植植被，合理堆放疏浚和開(kāi)挖的土料創(chuàng)建濕地植樹(shù)造林，發(fā)揮牛軛湖功能，合理堆放疏浚和開(kāi)挖的土料提高或保護(hù)河流內(nèi)區(qū)域的美學(xué)價(jià)值恢復(fù)河流蜿蜒性，建設(shè)深槽和淺灘，改變河道單側(cè)的岸坡結(jié)構(gòu)，修建水位控導(dǎo)工程，建設(shè)水面景觀，河岸應(yīng)用特殊材料并進(jìn)行修整提高或保護(hù)河邊區(qū)域的美學(xué)價(jià)值僅改變河道單側(cè)的岸坡結(jié)構(gòu)，種植植被，對(duì)疏浚開(kāi)挖土料堆積體進(jìn)行修正以形成一定的造型，保護(hù)植被緩沖帶，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整，建設(shè)水面景觀，有選擇性地疏浚清淤提高或保護(hù)河流內(nèi)的娛樂(lè)價(jià)值修建枯水和常規(guī)河道，修建水位控導(dǎo)工程，保持牛軛湖和彎道，表3-2 修復(fù)河道岸坡環(huán)境特征的措施修復(fù)工程的目的可能采用的方案維持或提高河岸帶陸地環(huán)境的棲息地價(jià)值應(yīng)用加筋護(hù)坡結(jié)構(gòu)，護(hù)腳措施，削坡后植被，種植樹(shù)木和灌木等植物，進(jìn)行河流廊道管理，修建隔離和緩沖帶，浮水植物為水底大型無(wú)脊椎動(dòng)物提供穩(wěn)定的底質(zhì)拋石或毛石，石籠，或其它特殊結(jié)構(gòu)提供或維持魚(yú)類(lèi)棲息地植被保護(hù)，植被護(hù)坡，特殊結(jié)構(gòu)，土質(zhì)堤防增加或維持審美資源綠化，植被與其它結(jié)構(gòu)措施的組合（復(fù)合護(hù)坡，開(kāi)挖的臺(tái)地，土質(zhì)堤防以及拋石區(qū)再植被），建設(shè)隔離或緩沖帶，進(jìn)行河流廊道管理，有選擇性地清障，建設(shè)土質(zhì)堤防為人類(lèi)和野生動(dòng)物提供親水設(shè)施復(fù)合護(hù)坡，近岸平臺(tái)的建設(shè)和保護(hù)，削坡后再植被，河道重新布置，拋石區(qū)再植被，河流廊道管理表3-3 修復(fù)堤防和防洪墻環(huán)境特征的措施修復(fù)工程的目的可能采用的方案提供魚(yú)類(lèi)棲息地對(duì)取土坑塘進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，控水結(jié)構(gòu)，取土坑內(nèi)建魚(yú)類(lèi)庇護(hù)所。保護(hù)或創(chuàng)建濕地避免對(duì)濕地的破壞，堤防布置中保留或增加河漫灘區(qū)，盡量不砍伐植被，超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)排水溝，在取土坑塘內(nèi)修建人工島，植樹(shù)保護(hù)或創(chuàng)建坡地棲息地避免對(duì)濕地的破壞，保護(hù)樹(shù)木，盡量不砍伐植被，建設(shè)“超級(jí)堤防”，植樹(shù)，通過(guò)插枝加速灌木生長(zhǎng)，布置隔離網(wǎng)，有選擇地進(jìn)行植被維護(hù)和管理。提供娛樂(lè)休閑場(chǎng)所對(duì)取土坑塘進(jìn)行特殊化設(shè)計(jì)，道路和小徑，設(shè)置宣傳欄、觀察區(qū)等，舟船碼頭，釣魚(yú)設(shè)施，游泳池，沙灘場(chǎng)增加或維持審美資源種植觀賞植物，對(duì)取土坑塘和池塘進(jìn)行特殊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用可拆裝防洪墻，對(duì)防洪墻、泵站和其它建筑物進(jìn)行建筑藝術(shù)處理。圖3-2-1 河流生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)流程3.2.2 修復(fù)措施一般來(lái)說(shuō)，河流生態(tài)修復(fù)工程措施可以歸納為三類(lèi)：水文恢復(fù)措施、地貌多樣性修復(fù)措施及棲息地恢復(fù)措施。水文措施的實(shí)施主要是為了調(diào)節(jié)徑流模式，如改變水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方案、調(diào)整河流取水方式、調(diào)水工程等。地貌多樣性修復(fù)措施包括多項(xiàng)技術(shù)，其目的在于使河道具有一定的自然地貌特征，主要措施包括：河岸帶廊道的修復(fù)；河流蜿蜒性特征的修復(fù)；河流斷面多樣化特征的修復(fù)；創(chuàng)建深潭-淺灘序列；河道內(nèi)局部地貌特征的改善；生態(tài)型岸坡防護(hù)技術(shù)。棲息地措施包括在河床、河岸、河岸帶上設(shè)置一些結(jié)構(gòu)物，改善河流的生態(tài)功能，以及在河流內(nèi)設(shè)置遮蔽物、開(kāi)挖枯水河道、進(jìn)行岸邊帶植被和改善河床底質(zhì)等。在確定利用某種修復(fù)措施后，應(yīng)在理解其結(jié)構(gòu)、功能及特征的基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，比如，深潭-淺灘序列的修復(fù)和重建必須建立在對(duì)河道歷史情況進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，并應(yīng)根據(jù)河流地貌學(xué)分類(lèi)，與同一流域內(nèi)其它具有同類(lèi)地貌特征的未受干擾河段進(jìn)行類(lèi)比分析。除此之外，也可以按照水力學(xué)和泥沙輸移理論的一些經(jīng)驗(yàn)公式確定相關(guān)特征參數(shù)。表3-4為深潭-淺灘序列結(jié)構(gòu)、功能和特征的一些要點(diǎn)。表3-4 深潭-淺灘序列的結(jié)構(gòu)、功能和特征（National Rivers Authority (1994b)）深潭占到河流棲息地的50%以上；斷面流速不對(duì)稱(chēng)，即使在順直河段也是如此；河床底質(zhì)為松散混合砂礫石；在水深大于0.3m的所有流量條件下，比相關(guān)聯(lián)的淺灘斷面窄25%；位于彎曲段的頂點(diǎn)；在枯水流量條件下，與出露的砂礫石沙洲/邊灘相關(guān)聯(lián)；對(duì)于水域內(nèi)的大型植物和魚(yú)類(lèi)具有重要生態(tài)功能；具有重要的休閑娛樂(lè)價(jià)值，如垂釣、劃船等；可能有周期性的泥沙淤積，特別是在上游有大量泥沙供給的情況下（如河岸侵蝕崩塌）。洪水過(guò)后和深潭調(diào)整以后，泥沙可能會(huì)被沖走。淺灘占到河流棲息地的30-40%；局部較陡，河流縱剖面較淺，一般情況下，橫斷面基本對(duì)稱(chēng)；在枯水流量條件下，水流湍急；在各種流量條件下，比相關(guān)聯(lián)的深槽斷面寬25%；位于兩個(gè)彎曲段之間的過(guò)渡段，間距為3到10倍的河寬（河床越陡，間距越短）。混合砂礫底質(zhì)，具有一個(gè)密實(shí)的礫石面層。應(yīng)在淺灘表面放置一些大塊石，以打破低流速模式，形成湍流，營(yíng)造多樣性的棲息地環(huán)境；洪水過(guò)后，可能會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積問(wèn)題，上游深槽會(huì)產(chǎn)生淘刷。過(guò)度淤積的泥沙將在后期的枯水流量條件下被沖刷至下游深槽；與深槽相一致，一般位于河流的蜿蜒段。在順直河段，可能會(huì)出現(xiàn)交替的淺灘；淺灘高出河床的高度不應(yīng)大于0.30.5 m，頂高程的連線坡度應(yīng)與河道坡降一致；為鮭魚(yú)和多種無(wú)脊椎動(dòng)物群落提供產(chǎn)卵棲息地。通過(guò)過(guò)濾、曝氣和生物膜作用，對(duì)水質(zhì)具有凈化作用。3.2.3 河道穩(wěn)定分析河道的穩(wěn)定實(shí)質(zhì)上是指河流處于相對(duì)不變的準(zhǔn)平衡狀態(tài)，或者是處于動(dòng)平衡狀態(tài)，穩(wěn)定的河流也就具有較穩(wěn)定的外貌特征，即河相。在設(shè)計(jì)步驟中的初步構(gòu)想階段，應(yīng)對(duì)河道穩(wěn)定狀況進(jìn)行分析，可采用指標(biāo)法、河流分類(lèi)方法或河道演變模型進(jìn)行分析，以確定修復(fù)措施實(shí)施前的河道穩(wěn)定狀況及修復(fù)措施對(duì)河道穩(wěn)定狀況的影響。（1） 指標(biāo)法可用以下幾個(gè)指標(biāo)判別：河床縱向穩(wěn)定性指標(biāo)；橫向穩(wěn)定指標(biāo)；綜合穩(wěn)定指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)可采用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行河道穩(wěn)定性的判別，這方面的公式相對(duì)較多，所涉及的因素也不盡相同。 （2）河流分類(lèi)法河流分類(lèi)法的用途是對(duì)河流和流域之間的復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化?？捎糜诮涣髌脚_(tái)、前期規(guī)劃的一部分，但不建議用于具體的評(píng)估、分析和設(shè)計(jì)。河流分類(lèi)理論的優(yōu)點(diǎn)包括：1）不同專(zhuān)業(yè)人士的交流平臺(tái)；2）可將調(diào)查數(shù)據(jù)外推到同類(lèi)型的其它河流；3）可幫助修復(fù)人員對(duì)河道尺寸、外形等參數(shù)變化范圍進(jìn)行預(yù)期，并幫助確定河床、岸坡材料的組成；4）幫助修復(fù)人員對(duì)河道的形成和占優(yōu)勢(shì)的河道過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，為修復(fù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；5）可將分類(lèi)的參考河段作為修復(fù)河段的穩(wěn)定狀態(tài)模板；6）可幫助進(jìn)行對(duì)照分析，以確定寬深比、彎曲率等設(shè)計(jì)值是否在合理的范圍內(nèi)。缺點(diǎn)包括：1）平灘水位難以確定或不準(zhǔn)確；2）沒(méi)有反映河流的動(dòng)態(tài)特征；3）河道響應(yīng)不能通過(guò)分類(lèi)系統(tǒng)單獨(dú)判別；4）生物的健康狀況不能通過(guò)分類(lèi)系統(tǒng)得到體現(xiàn)；5）不能單獨(dú)通過(guò)分類(lèi)系統(tǒng)確定修復(fù)行為的類(lèi)型、位置和目的。在河流分類(lèi)法中，Rosgen分類(lèi)方法應(yīng)用比較廣泛，尤其在美國(guó)的河流生態(tài)修復(fù)工作中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，由于上述的種種缺點(diǎn)，其廣受批評(píng)，但其也因易操作性而得到從業(yè)者的關(guān)注。目前Rosgen分類(lèi)方法被美國(guó)森林、土地管理等機(jī)構(gòu)所廣泛采用，特別是在河流規(guī)劃設(shè)計(jì)中具有重要作用。它主要針對(duì)具體河型和狀態(tài)建立水流條件與泥沙的關(guān)系，把某一河段的數(shù)據(jù)外插到具有類(lèi)似特征的河段，如水流阻力分析，水力幾何關(guān)系，臨界剪應(yīng)力估算，泥沙沖淤變化等。這些方法有助于設(shè)計(jì)人員從河流的外在表征預(yù)測(cè)它的性態(tài)，如河流類(lèi)型的演變，魚(yú)類(lèi)棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)等。此外還有助于不同專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員就一些問(wèn)題進(jìn)行交流。Rosgen河流分類(lèi)法是幾個(gè)不同分類(lèi)方法的綜合，它綜合了河流地貌特征與其它河流特征，所涉及的一些主要特征參數(shù)包括寬窄率（entrenchment ratio），寬深比（Width/Depth Ratio），汊道數(shù)（Number of Channels），蜿蜒度（sinuosity），河道坡降（slope）和河床材料（bed material）。這些數(shù)據(jù)是具體河段的測(cè)量結(jié)果，而不是整個(gè)河流不同河段的均值。Rosgen分類(lèi)方法從1973年開(kāi)始研究，并于1985年形成目前分類(lèi)方法的雛形。它分為四個(gè)層次，即主要地貌特征、地貌描述（河流類(lèi)型）、河流狀態(tài)和驗(yàn)證。圖3-2-2為Rosgen分類(lèi)體系概述框架。（3）河道演變模型河道演變模型是通過(guò)考慮河道演變過(guò)程來(lái)確定河道目前所處的河道演變階段，從而判斷河道穩(wěn)定性狀況，其中Simon模型應(yīng)用廣泛。SIMON河道演變模型的優(yōu)點(diǎn)在于：1）河床演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)；比如，如果河段位于第四階段，則其上游河段河段不穩(wěn)定，下游河段比較穩(wěn)定。如果河段發(fā)生第三階段的下切侵蝕，則溯源侵蝕將向上游發(fā)展。2）可以幫助對(duì)河流生態(tài)修復(fù)措施的實(shí)施進(jìn)行排序，比如，如果河段處于第三階段早期，可采取級(jí)配控制措施防止此河段及以上河段發(fā)生進(jìn)一步刷深現(xiàn)象。處于第五或第六階段的河段比處于第三或第四階段的河段更容易進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。3）對(duì)于處于不同階段的河段采取不同的修復(fù)措施。處于第三階段，則主要采用級(jí)配控制減小下切侵蝕，處于第四或第五階段，則主要采取岸坡防護(hù)措施解決側(cè)向侵蝕問(wèn)題，處于第一或第六階段，主要是進(jìn)行維護(hù)。4）利用處于第一或第六階段的河段作為模板，從而確定生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)，并利用其作為修復(fù)模型。SIMON模型的缺點(diǎn)在于：1）沒(méi)有考慮到基準(zhǔn)面高度和流域產(chǎn)水產(chǎn)沙的將來(lái)變化情況。2）河流在同一時(shí)間進(jìn)行的多維調(diào)整難以預(yù)測(cè)。圖3-2-3為SIMON河道演變模型的示意圖。圖3-2-2 Rosgen分類(lèi)體系概述框架（Rosgen，1996）(* 蜿蜒帶寬度與平灘流量下水面寬度的比值)3.3 規(guī)劃技術(shù)工具3.3.1 GIS、RS及GPS技術(shù)地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）及全球定位系統(tǒng)（GPS）三者相結(jié)合，即所謂“3S技術(shù)”。對(duì)于生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境信息管理和景觀格局動(dòng)態(tài)評(píng)估等，3S技術(shù)都是十分有效的技術(shù)工具。地理信息系統(tǒng)、遙感和全球定位系統(tǒng)本來(lái)是相互獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的技術(shù)體系，它們是在應(yīng)用領(lǐng)域拓展和自身技術(shù)的發(fā)展的基礎(chǔ)上，促使了三者的密切結(jié)合。特別是在各種相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，需求質(zhì)量要求不斷提高，即由定性到定量，由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，由現(xiàn)狀分析到未來(lái)預(yù)測(cè)，更進(jìn)一步促使三者的結(jié)合從初級(jí)到高級(jí)階段發(fā)展。最早的結(jié)合工作是航空遙感照片用目視判讀，然后處理后編制成專(zhuān)業(yè)地圖，然后進(jìn)行數(shù)字化并輸入到地理信息系統(tǒng)。隨著影像分析系統(tǒng)的發(fā)展，大量遙感數(shù)據(jù)以及各種圖象分析系統(tǒng)所形成的各類(lèi)專(zhuān)業(yè)信息可以直接輸入GIS。 在3S技術(shù)的技術(shù)整合中，遙感作為一種獲取和更新空間數(shù)據(jù)的有力工具，成為GIS的主要信息源。全球定位系統(tǒng)（GPS）可以快速、廉價(jià)地獲得地表特征的位置信息，成為GIS精確定位的控制系統(tǒng)。在遙感和GPS的支持下，GIS作為空間數(shù)據(jù)處理、操作和分析的有力工具，可以對(duì)于環(huán)境空間數(shù)據(jù)的進(jìn)行采集、管理和分析，用于環(huán)境管理、監(jiān)測(cè)以及環(huán)境預(yù)測(cè)等諸多方面。在河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制的各個(gè)階段，即河流生態(tài)狀況調(diào)查分析、規(guī)劃生態(tài)修復(fù)對(duì)策和預(yù)測(cè)規(guī)劃效果、規(guī)劃實(shí)施后生態(tài)監(jiān)測(cè)等三方面，在遙感與GPS支持下的GIS系統(tǒng)（以下僅稱(chēng)GIS）都是極有用的技術(shù)工具。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：圖3-2-3 SIMON河道演變模型的示意圖（FISRWG，2001）（1）在河流生態(tài)現(xiàn)狀與歷史調(diào)查分析方面，利用GIS將零散的數(shù)據(jù)和圖象資料，無(wú)論是文字、表格和數(shù)字還是圖形、圖象等各種形式的信息加以綜合并存儲(chǔ)在一起。這些資料包括自然方面的數(shù)據(jù)資料諸如河流水系、水文、水質(zhì)、氣象、土壤、植被、標(biāo)志性物種等和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的數(shù)據(jù)資料諸如經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況、市鎮(zhèn)、人口分布、土地利用方式、水資源利用和水利工程設(shè)施等。GIS具有空間數(shù)據(jù)更新的功能，進(jìn)行長(zhǎng)期的信息積累，這就為河流環(huán)境管理工作提供了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）將各類(lèi)地圖（空間位置信息）與相關(guān)的文字、數(shù)字信息（非位置信息）通過(guò)計(jì)算機(jī)高效、有機(jī)地融合在一起。規(guī)劃人員可以在GIS系統(tǒng)支持下提取系統(tǒng)的不同側(cè)面、不同層次的空間和時(shí)間特征，對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)狀況的歷史、現(xiàn)狀進(jìn)行分析，識(shí)別生態(tài)脅迫的主要因子，掌握河流生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢(shì)，進(jìn)一步分析河流生態(tài)系統(tǒng)退化的背景和原因。具體任務(wù)可以是：分析空間景觀格局及其變化；確定不同生境和生物學(xué)特征在空間上的相關(guān)性；確定綴塊大小、形狀、毗鄰性和連接度；分析景觀中能量、物質(zhì)和生物流的方向和通量。（3）以GIS系統(tǒng)為技術(shù)平臺(tái)編制河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃。具體方法可以將各類(lèi)專(zhuān)題地圖諸如水系、水文、氣候、水利工程設(shè)施、標(biāo)志性物種地圖、植被地圖、地貌、河流生態(tài)修復(fù)工程等按照不同圖層制作，也可以疊加在一起顯示。這樣就可以把河流修復(fù)項(xiàng)目與自然狀況和現(xiàn)有各種工程設(shè)施進(jìn)行綜合規(guī)劃。特別是生態(tài)修復(fù)涉及水利、環(huán)境、林業(yè)、城建等多個(gè)部門(mén)，相關(guān)信息分屬各個(gè)部門(mén)管理，在這種情況下，需要一種信息共享的技術(shù)工具，才能協(xié)調(diào)關(guān)系，避免規(guī)劃中出現(xiàn)矛盾和技術(shù)失誤。圖2表示了一個(gè)利用GIS系統(tǒng)將標(biāo)志性物種地圖、植被地圖、水利工程設(shè)施分布、地貌、河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃等專(zhuān)題地圖分層制作，然后進(jìn)行整合而形成河流生態(tài)環(huán)境總圖。另外，還可以利用GIS系統(tǒng)進(jìn)行河流生態(tài)修復(fù)各種方案比較。GIS系統(tǒng)利用分形幾何原理描述地圖中水系、河網(wǎng)以及河汊、溝叉等多層嵌套的自相似結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，GIS系統(tǒng)具有色彩鮮明、形象等可視化的功能，可以直觀地為規(guī)劃的管理和決策服務(wù)。指示種植被地圖河流修復(fù)計(jì)劃景觀河流環(huán)境地圖河流利用信息圖3-3-1 利用GIS系統(tǒng)進(jìn)行生態(tài)信息的整合（引自ITO Kazumasa）3.3.2 景觀格局生態(tài)過(guò)程模型生態(tài)過(guò)程是一種在大尺度空間內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜的演進(jìn)過(guò)程，表現(xiàn)為較為隱含的形式，包括物種多樣性、種群動(dòng)態(tài)及動(dòng)物行為等。如果在較小尺度的河段或區(qū)域內(nèi)，僅僅靠地面調(diào)查、測(cè)量工作，難以掌握流域尺度的生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)規(guī)律。因此需要流域尺度的景觀格局信息，然后通過(guò)建立景觀格局與生態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步識(shí)別和分析生態(tài)過(guò)程，為河流生態(tài)系統(tǒng)狀況評(píng)估和預(yù)測(cè)服務(wù)。之所以重視景觀格局問(wèn)題，就是試圖通過(guò)對(duì)于景觀格局的識(shí)別來(lái)分析生態(tài)過(guò)程?，F(xiàn)代科技的發(fā)展特別是3S技術(shù)的應(yīng)用，使得人們可以通過(guò)遙感等技術(shù)獲得大尺度的生態(tài)空間信息，對(duì)這些信息數(shù)字化以后，通過(guò)景觀格局與生態(tài)過(guò)程之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而識(shí)別河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程并進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外，也可以利用這種模型進(jìn)行河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃，通過(guò)適度改變景觀格局某些因子，通過(guò)演算，模擬河流生態(tài)過(guò)程的變化，取得優(yōu)化的規(guī)劃方案。景觀格局與生態(tài)過(guò)程之間的關(guān)系是十分復(fù)雜的，往往是非線性的、復(fù)雜的、耦合與反饋關(guān)系。建立格局過(guò)程模型是景觀生態(tài)學(xué)的重要研究領(lǐng)域。景觀格局涉及系統(tǒng)的生物、生境諸多因子，建立數(shù)學(xué)模型不可能包括全部因子，只能選擇對(duì)于生態(tài)過(guò)程具有重要影響的關(guān)鍵因子以及對(duì)于人類(lèi)社會(huì)影響巨大的部分因子。一個(gè)合理的模型為處理浩繁的生態(tài)空間數(shù)據(jù)提出一種合理的模型結(jié)構(gòu)和方法，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立空間異質(zhì)性與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于景觀格局生態(tài)過(guò)程模型有不同的分類(lèi)（Goodchild and Steyaert，1996）。如果按照模型涉及的內(nèi)容分類(lèi)，可以區(qū)分為干擾傳播模型、復(fù)合種群模型、植被動(dòng)態(tài)模型、土地利用模型等。按照數(shù)學(xué)方法分類(lèi)，可以分為解析模型和數(shù)值分析模型。傳統(tǒng)的解析模型，大多為線性模型，盡管具有精確解，但是僅有少數(shù)幾個(gè)變量，難以模擬生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜過(guò)程，所以有很大的局限性。景觀模型的發(fā)展趨勢(shì)是利用信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬復(fù)雜生態(tài)演進(jìn)過(guò)程，處理大量數(shù)據(jù)并且演算求解，即采用數(shù)值分析模型。求解過(guò)程中對(duì)于現(xiàn)實(shí)的生態(tài)空間信息的數(shù)學(xué)處理方法，可以采用連續(xù)型模型，也可以采取離散型模型。一般認(rèn)為，離散型模型在處理數(shù)學(xué)的場(chǎng)問(wèn)題方面更具優(yōu)勢(shì)，比如位移場(chǎng)、流場(chǎng)、污染場(chǎng)等。離散型模型是把連續(xù)問(wèn)題離散化，即劃分為若干細(xì)小單元，在地理信息系統(tǒng)中稱(chēng)為“柵格”，每個(gè)柵格都包含有若干生態(tài)信息（水文、氣象、土壤、植被類(lèi)型、生物量、種群密度、養(yǎng)分含量等），每個(gè)柵格又具有精確的空間定位，成為所謂空間生態(tài)數(shù)據(jù)。由全部柵格組成了對(duì)象流域或區(qū)域的柵格網(wǎng)。這種柵格網(wǎng)可以反映生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性，也可以反映各個(gè)柵格之間的相互耦合及反饋關(guān)系。有了這種離散型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立基本方程，進(jìn)而可以模擬生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程。所謂離散型模型都存在著場(chǎng)問(wèn)題的離散整合的過(guò)程，最終求得全局的解。求解基本方程可以采用微分方程、差分方程的數(shù)值解法。與GIS相對(duì)應(yīng)，空間景觀模型，按照處理空間信息的方式可以分為柵格型景觀模型（grid-based landscape modle）和矢量型景觀模型（vector-based landscape modle）(Burrough and McDonnell，1998) 。4 河流結(jié)構(gòu)功能整體模型河流結(jié)構(gòu)功能整體模型抽象概括了河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的主要特征，既包括河流生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)組分之間以及與環(huán)境之間相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的結(jié)構(gòu)關(guān)系，也包括與結(jié)構(gòu)關(guān)系相對(duì)應(yīng)的生物生產(chǎn)、物質(zhì)循環(huán)、信息流動(dòng)等生態(tài)系統(tǒng)功能特征。所謂“整體模型”(Integrated model) 意在發(fā)展和整合業(yè)已存在的若干模型，建立河流流態(tài)、水文情勢(shì)和地貌景觀這3大類(lèi)生境因子與河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能相關(guān)關(guān)系，以期涵蓋河流生態(tài)系統(tǒng)的主要特征。河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型由以下3種模型構(gòu)成：河流流態(tài)生態(tài)結(jié)構(gòu)功能4維連續(xù)體模型；水文情勢(shì)河流生態(tài)過(guò)程耦合模型；地貌景觀空間異質(zhì)性生物群落多樣性耦合模型。構(gòu)建河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型的目的，一是探索河流生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，二是提供流域可持續(xù)管理等實(shí)踐活動(dòng)的科學(xué)基礎(chǔ)。所謂“河流流態(tài)生態(tài)結(jié)構(gòu)功能4維連續(xù)體模型”是基于對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能特征的認(rèn)識(shí)。這個(gè)模型強(qiáng)調(diào)了生物群落與河流流態(tài)的依存關(guān)系，描述了河流流態(tài)沿河流3維方向存在著連續(xù)性，由此產(chǎn)生了生物群落沿河流3維連續(xù)分布特征以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的3維連續(xù)性特征。河流流態(tài)生態(tài)結(jié)構(gòu)功能4維連續(xù)體模型是由以下四種連續(xù)性概念組成的：河流流態(tài)的3維連續(xù)性；生物群落結(jié)構(gòu)3維連續(xù)性；物質(zhì)流、能量流和信息流的3維連續(xù)性；河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)性。在河流廊道尺度上討論的“水文情勢(shì)”（hydrological regime）的內(nèi)涵，既包括流量、水量，也包括水文過(guò)程。水文情勢(shì)是河流生物群落重要的生境條件之一，特定的河流生物群落的生物過(guò)程與特定的水文情勢(shì)具有明顯的一致性，河流系統(tǒng)的生物過(guò)程對(duì)于水文情勢(shì)的變化呈現(xiàn)明顯動(dòng)態(tài)響應(yīng)，反之，生物過(guò)程對(duì)水文循環(huán)要素也產(chǎn)生重要的影響，包括涵養(yǎng)水份、局地氣候等，二者形成了一種耦合關(guān)系。由于人類(lèi)社會(huì)對(duì)水資源的需求增加，社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求與生態(tài)需求的矛盾日趨尖銳，導(dǎo)致對(duì)河流徑流人工控制的加強(qiáng)，改變了河流自然徑流條件。為防止徑流減少引起河流生態(tài)退化，需要在社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求和生態(tài)保護(hù)之間尋求某種平衡點(diǎn)，因此環(huán)境流量(environmental flow)和河道內(nèi)流量（instream flow）等概念應(yīng)運(yùn)而生。另一方面，水文過(guò)程特別是年內(nèi)水文情勢(shì)的豐枯變化以及洪水脈沖作用，對(duì)于河流生物過(guò)程產(chǎn)生了重大影響。因人工徑流調(diào)節(jié)引起水文情勢(shì)的變化，不可避免地引起生物過(guò)程的變化。水文情勢(shì)河流生態(tài)過(guò)程耦合模型包括兩個(gè)概念：環(huán)境流量概念和洪水脈沖概念。景觀格局（landscape pattern）指空間結(jié)構(gòu)特征包括景觀組成的多樣性和空間配置。空間異質(zhì)性（spatial heterogeneity）是指系統(tǒng)特征在空間分布上的復(fù)雜性和變異性。在景觀生態(tài)學(xué)中景觀格局是用綴塊、廊道和基底的組合描述的。廣義的景觀格局包括生境格局和生物格局。河流生態(tài)系統(tǒng)生境格局因子包括水文、氣象、地貌等。大量資料表明，生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性存在著正相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系反映了生命系統(tǒng)與非生命系統(tǒng)之間的依存與耦合關(guān)系。實(shí)際上，一個(gè)區(qū)域的生境空間異質(zhì)性越高，就意味著創(chuàng)造了多樣的小生境，允許更多的物種共存。對(duì)于河流結(jié)構(gòu)功能整體模型，有以下幾點(diǎn)需要明確：（1）河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型是對(duì)現(xiàn)存的相關(guān)模型的發(fā)展和整合，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一是明確河流流態(tài)、水文情勢(shì)和地貌景觀是河流生境的三大要素，并且強(qiáng)調(diào)了三者對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能作用的綜合性和整體性；二是突出生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的重要地位；三是克服原有模型以自然河流為對(duì)象的局限性，綜合考慮了人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和工程設(shè)施的干擾因素。 （2）河流流態(tài)、水文情勢(shì)和地貌景觀三者相互作用，互為因果。1）河流地貌景觀既是生物棲息地條件也是河流水力學(xué)過(guò)程的約束條件。2）河流的動(dòng)力學(xué)作用，包括泥沙輸移、淤積以及侵蝕作用，改變著河流地貌景觀。 3）水文情勢(shì)的年周期變化，一方面使河流流態(tài)出現(xiàn)時(shí)間異質(zhì)性特征，另一方面也使河流地貌景觀呈現(xiàn)淹沒(méi)干燥，動(dòng)水靜水的空間異質(zhì)性特征。總之，三類(lèi)因子是相互關(guān)聯(lián)的，不可割裂。三類(lèi)生境因子引起的生態(tài)響也是綜合的，不可進(jìn)行線性迭加。正因?yàn)槿绱?，在進(jìn)行生態(tài)評(píng)估、分析和規(guī)劃時(shí)，三種模型應(yīng)該作為一個(gè)整體綜合應(yīng)用。除了這三類(lèi)生境因子以外，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因子還有因環(huán)境污染引起的水質(zhì)變化以及生物入侵，這些屬于系統(tǒng)外部影響因素。（3）河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型屬于概念性模型，進(jìn)一步的研究工作似聚焦于模型的定量化或半定量化方面。生態(tài)水力學(xué)、生態(tài)水文學(xué)和景觀格局分析等可能作為技術(shù)工具對(duì)于模型的完善和發(fā)展發(fā)揮作用。（4） 對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的理解是流域可持續(xù)管理的基礎(chǔ)。圖4-1 表示了整體模型在河流生態(tài)修復(fù)方面的應(yīng)用。在我國(guó)當(dāng)前有關(guān)水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)布局生態(tài)影響論證，河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃評(píng)估以及水庫(kù)生態(tài)調(diào)度等方面，河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體模型都將具有廣闊的應(yīng)用前景。圖4-1 整體模型在河流生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用5 示范工程5.1 浙江省海寧市河道生態(tài)整治示范5.1.1 概況辛江塘河道位于浙江省海寧市，河道全長(zhǎng)22.5 km，是海寧市“六橫九縱”河道網(wǎng)絡(luò)框架中西引東泄的主干河道，亦是橫貫東西的一條水上運(yùn)輸通道。辛江塘常水位時(shí)水面寬27.0 m，河道總寬度42.5m。辛江塘河道為平原河網(wǎng)水系，平時(shí)水流流速較緩，平均流速0.3 m/s，且河道通航功能在逐漸消退。因此，辛江塘河道岸坡侵蝕主要原因是水位變動(dòng)區(qū)以上部分雨水沖刷引起表層土流失和水位變動(dòng)區(qū)處波浪淘刷造成邊坡坍塌。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，河道淤積中約60%為邊坡崩塌，約30%為表層土流失、約10%為動(dòng)植物腐爛物。在辛江塘的河道治理規(guī)劃設(shè)計(jì)，遵循了以下幾個(gè)要點(diǎn)：（1）自然平面形態(tài)在辛江塘建設(shè)中，本著尊重歷史、尊重自然的原則，基本保持現(xiàn)有河道平面形態(tài)。拆除阻水建筑物，以滿足河道排澇泄洪過(guò)水和抗旱引水要求。河道宜彎則彎，宜寬則寬，并增設(shè)河灘和岸邊濕地等。（2）斷面多樣性在滿足河道功能的前提下，盡可能保持辛江塘天然斷面，在保持天然河道斷面有困難時(shí)，按復(fù)式斷面、梯形斷面、矩形斷面的順序選擇。辛江塘大部分河段可用天然河道斷面，在通過(guò)主要集鎮(zhèn)時(shí)采用梯形、矩形斷面。原有老護(hù)岸通過(guò)頂部種植植物進(jìn)行覆蓋，為水域提供遮蔭，調(diào)節(jié)河流局部水溫。圖5-1-1 保留靜水區(qū)和濕地枯水河道行洪河道（3）水域棲息地多樣性在治理規(guī)劃中，保留了一些河邊靜水區(qū)和濕地，營(yíng)造多樣性水域棲息地環(huán)境，使之具有不同的水深、流場(chǎng)和流速，適于不同生物發(fā)育和生長(zhǎng)需求，如圖5-1-1所示。（4）岸坡防護(hù)通過(guò)引入植被，應(yīng)用生態(tài)工程技術(shù)措施進(jìn)行岸坡侵蝕防護(hù)是辛江塘河道整治的中心環(huán)節(jié)之一。河岸帶植被雖對(duì)行洪具有一定影響，但它有很多其它功能，這些功能源自于發(fā)生在河岸帶生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境過(guò)程。如正常發(fā)育的河岸帶植被對(duì)河道岸坡有一定的加固作用，可以提供遮蔭從而降低河流水溫，在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和水質(zhì)改善方面也具有重大作用，為野生動(dòng)物提供多種棲息地環(huán)境，并可以增加河道兩岸的美學(xué)價(jià)值。5.1.2 生態(tài)修復(fù)效果生態(tài)修復(fù)效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）提高抗洪、護(hù)堤能力，緩解邊坡水土流失1）流水處（常水位以下）利用蘆葦、野茭白、香蒲、千屈菜、水蔥等水生植物，以其柔韌的枝葉，緩沖水流，減緩船行波的沖刷。2）淺水處（常水位）利用水杉、池杉、落羽杉、水紫樹(shù)等耐水性好、短期耐淹植物，通過(guò)其生長(zhǎng)舒展的發(fā)達(dá)根系，固土護(hù)坡，防止河道兩岸土方的坍塌；3）岸坡上（常水位以上）利用喬、大灌、低矮灌木以及野生地被植物組成的復(fù)式植物群落，減弱雨水對(duì)堤防的沖刷，減少表層土的流失，同時(shí)，穩(wěn)固從堤頂沖刷下來(lái)的外來(lái)土壤。（2）水質(zhì)得到改善，水生動(dòng)物生長(zhǎng)良好1）河道整治之前，未發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物，采取生態(tài)修復(fù)治理后，出現(xiàn)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖。2）該河道沿線水產(chǎn)養(yǎng)殖戶以往的養(yǎng)殖水，從河里取水之后，需要通過(guò)過(guò)濾、凈化處理，現(xiàn)在直接從河中取用作為養(yǎng)殖水。圖5-1-2 辛江塘整治2年后的岸坡植被工程治理后的監(jiān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明，辛江塘水質(zhì)大為改善，水葫蘆減少。青蛙、魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物數(shù)量明顯豐富。野兔、鳥(niǎo)類(lèi)等進(jìn)出頻繁，河道邊的林帶更是成了諸多白鷺的棲息地。另外，水生植物基本沿河道兩側(cè)均衡生長(zhǎng)，灌木、樹(shù)根等降低了暴雨對(duì)土層的沖蝕，野草對(duì)坡面流水也有過(guò)濾作用，提高了排入河道內(nèi)水的質(zhì)量，辛江塘整治2年后的岸坡植被狀況如圖5-1-2所示。通過(guò)對(duì)歷史治河成果的觀察、分析及比較，只進(jìn)行清淤措施的河道的使用周期大約為1020年，而清淤與利用生態(tài)工程技術(shù)進(jìn)行岸坡防護(hù)相結(jié)合，能有效穩(wěn)定河道形態(tài)，其生命周期預(yù)計(jì)約為3540年，延長(zhǎng)近一倍。而且，今后的治理工作重點(diǎn)是清淤，從而可以節(jié)約工程投資，使河道的治理走上一條良性循環(huán)之路。從辛江塘建設(shè)的一次性投入來(lái)看，節(jié)省投資效益明顯。在三個(gè)相當(dāng)規(guī)模（麻涇港、綿長(zhǎng)港、辛江塘）的工程中，傳統(tǒng)景觀河道的兩個(gè)項(xiàng)目工程投資分別是104.46萬(wàn)元/公里和163.51萬(wàn)元/公里，而按照生態(tài)修復(fù)理念建設(shè)的河道工程投資為81.21萬(wàn)元/公里。對(duì)于辛江塘整治工程，如按原傳統(tǒng)模式，河道整治費(fèi)用將超過(guò)7000萬(wàn)元，而采用目前整治方案后，費(fèi)用僅為4300萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，生態(tài)河道建設(shè)節(jié)約投資的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。5.2 重慶市苦溪河生態(tài)治理5.2.1 概況重慶市苦溪河生態(tài)治理工程的總體定位為人水和諧，生態(tài)健康。目標(biāo)是運(yùn)用生態(tài)水工學(xué)的相關(guān)理念，通過(guò)合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在防洪保安的前提下恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，提高河流生境及生物群落的多樣性，確保流域內(nèi)完善的水循環(huán)系統(tǒng)，建設(shè)一條生態(tài)健康的河流。同時(shí)，河流景觀設(shè)計(jì)應(yīng)注意保留河流天然的美學(xué)價(jià)值，更多地從建設(shè)一個(gè)健全的生態(tài)系統(tǒng)著眼，營(yíng)造一個(gè)取悅于生物群落的環(huán)境。生物群落與生境的統(tǒng)一性是生態(tài)系統(tǒng)的基本特征，在流域生態(tài)系統(tǒng)的各種生境因素中，河流形態(tài)多樣性是流域生態(tài)系統(tǒng)最重要的生態(tài)因子之一。在苦溪河生態(tài)治理工程中，通過(guò)各種增加河流形態(tài)多樣性的措施來(lái)改善河流生境多樣性，從而進(jìn)一步改善河流生物群落的多樣性狀況。在河道縱向形態(tài)方面，遵循河流的自然地貌特征，盡力保持河流的自然蜿蜒形態(tài)，并避免傳統(tǒng)的直線化設(shè)計(jì)，通過(guò)一系列工程措施提高河