河流生態(tài)水文學(xué)研究進(jìn)展-

1、河流生態(tài)水文學(xué)研究進(jìn)展作者:劉君王思嘉戚浩強(qiáng)徐輝孫瑞茹來源:科技創(chuàng)新導(dǎo)報2011年第15期摘要:生態(tài)水文學(xué)是20世紀(jì)90年代興起的一門新興邊緣學(xué)科,主要從流域尺度上研究水文與生態(tài)之間的相互關(guān)系,探索實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)平衡與水資源可持續(xù)利用的新途徑。通過對生態(tài)學(xué)與水文學(xué)相關(guān)關(guān)系的分析,提出了河流生態(tài)水文學(xué)的概念與內(nèi)涵,綜述了河流生態(tài)水文學(xué)的研究進(jìn)展,著重介紹了水文與生態(tài)的相互關(guān)系、水利工程的生態(tài)效應(yīng)、河流生態(tài)需水量,以及河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合中國實(shí)際情況,指出了河流生態(tài)水文學(xué)的研究重點(diǎn),提出了未來的研究方向。關(guān)鍵詞:生態(tài)水文學(xué)河流生態(tài)系統(tǒng)水文過程生態(tài)修復(fù)中圖分類號:X171 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

2、:A 文章編號:1674-098X(201105(c-0004-02生態(tài)水文學(xué)是20世紀(jì)90年代興起的一門研究生態(tài)過程和生態(tài)格局水文機(jī)制的邊緣科學(xué),于1992年在都柏林國際水與環(huán)境大會上作為一門獨(dú)立的學(xué)科提出來,目的是尋求對水文因子與生態(tài)系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)與功能的理解,是水資源可持續(xù)管理的方法1。生態(tài)水文學(xué)源于濕地生態(tài)系統(tǒng)管理和恢復(fù)的研究,1996年Wassen2等第一次提出了生態(tài)水文學(xué)的定義,他們認(rèn)為:生態(tài)水文學(xué)是為了更好地理解濕地生態(tài)系統(tǒng)自然發(fā)育以及評價濕地系統(tǒng)價值、保護(hù)和恢復(fù)的一門應(yīng)用科學(xué)。2000年Zalewski3提出的定義受到了較為廣泛的認(rèn)同,他認(rèn)為:生態(tài)水文學(xué)是在流域尺度上研究水文學(xué)與生

3、物區(qū)功能上的相互作用,是水資源可持續(xù)管理的一種新方法。目前,生態(tài)水文學(xué)的研究已得到迅速的發(fā)展和廣泛的重視,成為熱點(diǎn)問題。越來越多的研究人員將理論生態(tài)學(xué)應(yīng)用于河流管理以便保護(hù)沿河生物群棲息場所的研究,營養(yǎng)物在河道、洪泛平原和河岸區(qū)內(nèi)的遷移規(guī)律的研究,以及河流廊道對生物種群結(jié)構(gòu)和空間生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響方面的研究。由于人為干擾日益嚴(yán)重,河流生態(tài)系統(tǒng)退化已是全球性的生態(tài)環(huán)境問題,河流生態(tài)水文學(xué)研究被寄予厚望,成為生態(tài)水文學(xué)研究的中心問題。1 河流生態(tài)水文學(xué)概念與內(nèi)涵河流生態(tài)系統(tǒng)指河流水體的生態(tài)系統(tǒng),屬流水生態(tài)系統(tǒng)的一種,是陸地與海洋聯(lián)系的紐帶,在生物圈的物質(zhì)循環(huán)中起著主要作用,具有棲息地功能、過濾作用、屏

4、蔽作用、通道作用以及源匯功能。河流生態(tài)水文學(xué)主要研究的是各種水生動植物的生態(tài)學(xué)特征以及河流水文水質(zhì)變化與水生生物的關(guān)系。其內(nèi)涵可歸納如下:(1流域或區(qū)域水文循環(huán)過程中生態(tài)與水文相互作用與影響問題,研究生態(tài)過程如何影響流域或區(qū)域的水文循環(huán)過程,包括河道內(nèi)水生生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)的生態(tài)系統(tǒng),即流域水文過程或水文情勢變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響;(3生態(tài)水資源問題,研究流域內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)的水資源需求和水消耗規(guī)律4。2 河流生態(tài)水文學(xué)研究方向與進(jìn)展2.1 水文與生態(tài)的相互作用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(huán)境的變化,動、植物種

5、類必須不斷改變它們的形態(tài)、繁衍傳播方式以及生理?xiàng)l件來與之相適應(yīng)。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(fā)展。水流速度越慢,其中生長在岸邊和底部的生物群落結(jié)構(gòu)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(qiáng)沉積,為無脊椎動物、魚類和藻類提供生存環(huán)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(qiáng)度的影響;(3對水流的行洪特性影響。其影響主要體現(xiàn)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(huán),哈爾

6、比等通過小型河道實(shí)驗(yàn),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(diǎn)。(2來水時間的變化對生物的影響,季節(jié)性洪峰流量的喪失可導(dǎo)致魚類產(chǎn)卵、孵化和遷徙激發(fā)因素中斷,使魚類無法返回濕地或水域,另水生生物食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(fā)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(tài)效應(yīng)重點(diǎn)是大壩的生態(tài)效應(yīng),為了滿足人類社會經(jīng)

7、濟(jì)發(fā)展要求而修建的水利工程,其主要功能包括蓄水發(fā)電、防洪排澇、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航養(yǎng)殖等方面,其發(fā)揮作用的同時不可避免地對生態(tài)環(huán)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(yán)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(jìn)行保護(hù)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(shù)量都不斷下降,成為該河流區(qū)域立法保護(hù)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

8、,Poff等研究了美國186條建壩河流的水文變化,發(fā)現(xiàn)由于大壩的干擾,河流水文情勢發(fā)生明顯均質(zhì)化現(xiàn)象,魚類生境顯示出強(qiáng)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(dǎo)致河道復(fù)雜性下降,進(jìn)而降低生境多樣性。2.3 河流生態(tài)需水量國際上對生態(tài)水資源的研究主要集中在生態(tài)需水及其相關(guān)問題上,河流生態(tài)需水是生態(tài)需水的研究中心。20世紀(jì)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(huán)境流量”的概念。隨后至20世紀(jì)90年代,Covich和Gleick提出基于生態(tài)建設(shè)用水的基本生態(tài)需水量的概念。2003年南非發(fā)展中國家流域水資源需求與利用報告中

9、,認(rèn)為流域環(huán)境需水量就是河流生態(tài)系統(tǒng)維持一定狀態(tài)所需的河道內(nèi)徑流量。Baron等認(rèn)為科學(xué)上雖明確了維護(hù)淡水生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)之間水資源合理分配的理論體系還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。我國對生態(tài)需水量的研究雖然起步較晚,但發(fā)展較快,早在20世紀(jì)70年代,蘭州水文地質(zhì)與工程地質(zhì)中心針對地下水盆地水量平衡中提出生態(tài)用水的水量消耗項(xiàng)。80年代后期,施雅風(fēng)等提出生態(tài)用水問題,認(rèn)為“為了保護(hù)各綠洲的生態(tài)環(huán)境,而生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也離不開水,這部分水可統(tǒng)稱為生態(tài)用水”。2007年,陳浩等利用Montana法計算了河道維護(hù)水生生境最小需水量和最適宜需水量。2008年,黃強(qiáng)等深

10、入探討了河流生態(tài)用水的質(zhì)與量綜合評價,完善了河流生態(tài)用水質(zhì)與量綜合評價模型,并以此模型對黃河進(jìn)行了適當(dāng)分析。河流生態(tài)需水量是指滿足維持河流系統(tǒng)特定的生態(tài)與環(huán)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(huán)境質(zhì)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(tài)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(fā)、流量歷史曲線法、產(chǎn)水常數(shù)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

11、效寬度(UW法、加權(quán)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(nèi),系統(tǒng)研究河流生態(tài)需水的工作尚處于起步階段,對生態(tài)環(huán)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(jìn)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(tài)環(huán)境需水量。這兩種河流生態(tài)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(yōu)點(diǎn)和不足。2.4 河流的生態(tài)修復(fù)過度的河流開發(fā)導(dǎo)致生物多樣性下降、生態(tài)系統(tǒng)退化、河岸侵蝕等問題,產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。如何保護(hù)和修復(fù)河流生態(tài),使生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。河流生態(tài)修復(fù)作為一種環(huán)境保

12、護(hù)行動,旨在促使河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然的狀態(tài),提高生態(tài)系統(tǒng)的價值和生物多樣性。(1河道清淤、人工渠回填和自然河道恢復(fù)。美國Kissimmee河生態(tài)修復(fù)過程中總計回填了12Km長的人工渠,恢復(fù)2.3Km的自然河流,示范區(qū)河水的SS,TP均顯著下降,DO明顯上升。修復(fù)完成后,重金屬Fe,Mn,As和Hg在5種魚肉、魚肝的含量減少750%。(2河堤去除、河道加寬與河漫灘濕地恢復(fù)。英國實(shí)施河堤去除后;增加了洪泛平原(濕地的面積,不僅對生態(tài)恢復(fù)有利;而且可減少洪峰10%15%。(3河道生境結(jié)構(gòu)與河流水文動態(tài)恢復(fù)。法國在Seine河實(shí)施了類似的工程,并強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)的統(tǒng)一,以及發(fā)揮最佳效果的所

13、需尺度;多樣的生境結(jié)構(gòu)與多變的水文動態(tài)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(wǎng)絡(luò)的生態(tài)修復(fù)。基于生境考慮的修復(fù)不如基于過程驅(qū)動的修復(fù)更有效。恢復(fù)河道的原貌幾乎不可能,但選擇參照河相當(dāng)重要,需要在流量、基質(zhì)、河岸植被、河谷形態(tài)方面相同或相近。(5修復(fù)與重建工程效果的合理評價和適應(yīng)性管理。Downs & Kondolf采用地貌、水文、泥沙、生態(tài)等指標(biāo),分別以四條河流為例,對其恢復(fù)目標(biāo)、短期行為、長期匹配性進(jìn)行了評價,并提出適應(yīng)性管理政策。安樹青等利用廉價的材料設(shè)計適用于農(nóng)村中小型河流的生態(tài)河床,該河床主要由表面流濕地和沉水植物共同構(gòu)成。既具有較高的凈污控

14、污能力,又有較高的過水效率,為重建和恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)提供了有效的技術(shù)手段。鄭天柱等應(yīng)用生態(tài)工程學(xué)理論,探討河道生態(tài)恢復(fù)機(jī)理,指出滿足河流生態(tài)需水量是缺水地區(qū)恢復(fù)河流生態(tài)的關(guān)鍵。楊海軍等也提出退化水岸帶生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的主要內(nèi)容應(yīng)包括適于生物生存的環(huán)境綴塊構(gòu)建研究、適于生物生存的生態(tài)修復(fù)材料研究以及水岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中自組織機(jī)理研究。河流生態(tài)修復(fù)是一個多目標(biāo)、多層次、多措施、多約束條件的復(fù)雜問題。目前的生態(tài)河道建設(shè)處于因現(xiàn)實(shí)需要而進(jìn)行的工程修復(fù)階段,對背后的生態(tài)學(xué)過程了解有限。整體上,國內(nèi)對河道生態(tài)修復(fù)與功能重建的工作處于起步階段,還處于對國外技術(shù)部分吸收、消化與適應(yīng)性轉(zhuǎn)化階段;為此,需要大量的工

15、程規(guī)模的實(shí)踐檢驗(yàn),以便篩選出適宜的技術(shù)及其技術(shù)體系,當(dāng)然,一定的技術(shù)創(chuàng)新也是必不可少的。3結(jié)語目前,我國水環(huán)境問題相當(dāng)嚴(yán)峻,大壩的建設(shè)與河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的矛盾日益突出;西部生態(tài)環(huán)境脆弱,土地荒漠化以及水土流失十分嚴(yán)重。作為一門新興的邊緣科學(xué),生態(tài)水文學(xué)是目前水資源管理的一個重要理論基礎(chǔ),為水資源開發(fā)利用、水利工程的生態(tài)調(diào)度以及河流適應(yīng)性管理提供不可或缺的科技支撐。國外的水文生態(tài)學(xué)研究已經(jīng)有了較好的基礎(chǔ),發(fā)展很快,國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,因而有更多的問題需要關(guān)注。(1加強(qiáng)河流的水文生態(tài)學(xué)研究,創(chuàng)建水利工程學(xué)和生態(tài)學(xué)有機(jī)結(jié)合的理論、技術(shù)和評價體系。(2建立全面的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò), 加強(qiáng)野外生態(tài)系統(tǒng)和水文因子的監(jiān)測,尤其要注重監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期積累。(3追蹤土地利用與覆被變化等的水文生態(tài)學(xué)效應(yīng),為我國水土防治、環(huán)境保護(hù)等提供理論依據(jù)。(4利用國外的先進(jìn)建模理論,結(jié)合我國水文資料、注重新技術(shù)、新方法在水文生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用,建立符合我國水文實(shí)際的研究模型6。(5政府應(yīng)給予政策上的傾斜,給河流生態(tài)水文學(xué)的研究已政策和法規(guī)上的支持,最終實(shí)現(xiàn)我國水資源的可持續(xù)利用。參考文獻(xiàn)1 趙文智,