河流生态系统服务功能（共8篇）
河流生态系统服务功能 篇1
摘要：根据西方经济学的供给-需求理论,结合自然资源经济价值的评价方法,建立了水利工程对河流生态系统服务功能影响经济价值评价的理论与方法,并运用市场价值法、机会成本法、影子工程法、防护费用法和恢复费用法分析评价了三峡工程对河流生态系统服务功能的影响。结果表明,防洪和发电是三峡工程对河流生态系统服务功能的主要正面影响,三峡库区水污染、三峡水库泥沙淤积和三峡水库淹没是三峡工程对河流生态系统服务功能的主要负面影响。
关键词：水利工程,河流生态系统服务功能,经济价值,影响评价
河流生态系统服务功能是指河流生态系统与河流生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。在河流上修建水坝已经对河流生态系统服务功能产生了显著的影响,这种影响既包括正面影响,也包括负面影响。关注这些影响将有利于减少在修建水利工程和水利工程运行过程中产生的不利影响,对保护河流生态系统服务功能的正常发挥具有重要意义[2]。本文在借鉴国内外相关研究成果的基础上,对水利工程对河流生态系统服务功能影响评价的经济理论、评价的方法等问题进行了探讨,并以三峡工程为例进行了案例分析,以期为水利工程建设与河流生态系统的和谐发展提供参考。
1 经济价值评价理论
1.1 自然生态系统服务功能的供给-需求曲线
1997年,Costanza等[3]假设自然生态系统服务功能的供给-需求曲线如图1所示,当某种服务的供应趋近于零(或某一必需的最低限度)时,需求接近无限大,消费者剩余(以及服务的总价值)也趋近于无穷大。同时,由于自然生态系统提供的服务功能缺乏弹性,所以,自然生态系统服务功能的供给曲线接近于垂线,自然成本在国民生产总值GNP中未得到反映。
1.2 修建水利工程引起河流生态系统服务功能供给曲线的移动
在这里假设河流生态系统服务功能的供给-需求曲线与文献[3]提出的自然生态系统服务功能的供给-需求曲线形状一样。河流生态系统服务功能包括河流生态系统产品和河流生态系统服务2个方面及15项服务功能;其中河流生态系统产品包括供水、水产品生产、内陆航运、水力发电、休闲娱乐和文化美学等6项服务功能,河流生态系统服务包括调蓄洪水、河流输送、蓄积水分、土壤持留、净化环境固定CO2、养分循环、提供生境和维持生物多样性等9项服务功能。在河流上修建水利工程对河流生态系统的服务功能产生正面影响和负面影响。
图2中,供给曲线bq为未受影响的供给曲线,apb为消费者剩余,pbqc为生产者剩余,总剩余为abqc。修建水利工程影响了河流生态系统服务功能的发挥,进而引起了河流生态系统服务功能供给曲线的移动(因1年内人们对河流生态系统服务功能的需求变化不大,所以,这里假设需求曲线没有发生移动)。当修建水利工程对河流生态系统服务功能产生负面影响时,供给曲线bq向左移至供给曲线dq1的位置,这时,消费者剩余变为adp1,生产者剩余变为p1dq1c,总剩余变为adq1c,比未移动前减小了dbqq1;当修建水利工程对河流生态系统服务功能产生正面影响时,供给曲线bq向右移至供给曲线eq2的位置,这时,消费者剩余变为aep2,生产者剩余变为p2eq2c,总剩余变为aeq2c,比未移动前增加了beq2q。评价修建水利工程对河流生态系统服务功能的正负面影响,就是计算面积beq2q(正面影响)和面积dbqq1(负面影响)的大小。
2 经济价值评价方法
水利工程对生态系统服务功能影响经济价值评价方法有:①直接市场法,包括市场价值法;②替代市场法,包括机会成本法、影子价格法、影子工程法、防护费用法、恢复费用法、人力资本法、旅行费用法等;③模拟市场法,包括条件价值法。本研究归纳了各种经济价值评价方法适合评价的内容,见表1。
2.1 市场价值法
市场价值法也称生产率法,该方法将河流生态系统作为生产中的一个要素,河流生态系统质量的变化将导致生产率和生产成本的变化,进而影响价格和产出水平的变化,或者将导致产量或预期收益的损失。
在核算水库供水、水库养鱼、水库航运、水力发电等的经济价值时,可用市场价值法。直接用上述各项能提供的物质量乘以其各自的单位价值(市场价格),来计算其经济价值。
式中:Vtm为各项经济价值;Qtm为各项物质量;Ptm为各项单位价值。
2.2 机会成本法
机会成本法通常用来衡量决策的后果。所谓机会成本,就是做出某一决策而不做出另一种决策时所放弃的利益。任何一种自然资源的使用,都存在许多相互排斥的备选方案,为了做出最有效的选择,必须找出社会经济效益最大的方案。资源是有限的且具有多种用途,选择了一种方案就意味着放弃了使用其他方案的机会,也就失去了获得相应利益的机会,把其他方案中最大经济效益称为该资源选择方案的机会成本。机会成本法是费用-效益分析法的重要组成部分。
在核算水库泥沙淤积、调蓄洪水、水库淹没、水坝占据等的经济价值(或经济损失)时,可用机会成本法。
式中:Vtc为各项的经济价值(或经济损失值);Stc为各项通过间接方法折算的物质量;Ptc为各项通过间接方法核算的单位价值。
各项核算的基本思路如下:
a. 因水库淤积泥沙而使其失去下游造地的功能,将水库淤积泥沙所能折算耕地的收益作为水库泥沙淤积的机会成本。
b. 因修建水坝,获得了调蓄洪水的功能,避免或减少了受灾(或淹没)人口和耕地的数量(使其有机会继续为人类提供服务功能)。将避免或减少受灾(或淹没)的收益作为调蓄洪水的机会成本(其实质为收益,为了统一起见,在本文中也将之称为机会成本)。
c. 因水库淹没了森林生态系统、草原生态系统、湿地及沼泽生态系统和耕地等,而使它们失去了为人类提供服务功能的机会,将其未被淹没所能提供的经济价值作为水库淹没的机会成本。
d. 因水坝占据河流生态系统,而使其失去了为人类提供服务功能的机会,将未被占据的河流生态系统所能提供的经济价值作为水坝占据的机会成本。
2.3 影子价格法
人们通常用市场价格来表达商品的经济价值,但是河流生态系统给人类提供的产品或服务属于“公共商品”,没有市场交换和市场价格。经济学家利用替代市场技术,先寻找“公共商品”的替代市场,再以市场上与其相同的产品价格来估算该“公共商品”的价值,这种相同产品的价格被称为“公共商品”的“影子价格”。
在核算水力发电减少CO2排放的价值时,可用影子价格法。用每年减少排放的CO2的量乘以碳税的影子价格而得出净化环境的价值。
式中:Vtp为水力发电减少CO2排放的经济价值(影子价格法);Qtp为用水力发电代替火力发电而减少CO2的排放量;Ptp为碳税的影子价格。
2.4 影子工程法
影子工程法又称替代工程法,是恢复费用法的一种特殊形式。影子工程法是在河流生态系统遭受破坏后人工建造一个工程来代替原来的河流生态系统服务功能,用建造新工程的费用来估计河流生态系统破坏所造成经济损失的一种方法。如在核算水库泥沙淤积的损失时,可用再建造一座库容为泥沙淤积量的水库的成本作为泥沙淤积的损失。
在核算水力发电减少CO2排放(或水库泥沙淤积的损失时)的经济价值时,可用影子工程法。用水力发电代替火力发电而减少的C排放量(物质量)乘以我国的造林成本,来评估水力发电减少CO2排放的经济价值。
式中:Vts为水力发电减少CO2排放的经济价值;Qts为用水力发电代替火力发电而减少C的排放量;Pts为我国的造林成本。
2.5 防护费用法
防护费用法是指人们为了消除或减少水利工程对河流生态系统服务功能的影响而愿意承担的费用。例如,为了保护库区水质,增加建造污水处理厂等。由于库区水流速度减慢,河流的自净能力减弱,因此需增加建造污水处理厂等来加大污水处理力度,保护水质;为了保护水库淹没区的物种,需要建立自然保护区等。因为直接评估水利工程对河流生态系统的水质、物种等的影响非常困难,而运用防护费用法就可以将不知的问题转化为可知的问题。
式中:Vtd为库区水污染或水利工程对生物影响的经济价值(经济损失值);Etdi为保护库区水质或保护库区生物的各项费用。
2.6 恢复费用法
水利工程对河流生态系统的破坏,会给人们的生产、生活和健康造成损害。为了消除这种损害,其最直接的办法就是采取措施将破坏了的河流生态系统恢复到原来的状况,恢复措施所需的费用即为水利工程对河流生态系统的影响价值,这种方法称为恢复费用法。
在核算水力发电减少SO2排放的经济价值时,用的是恢复费用法。可用水力发电代替火力发电而减少SO2的排放量(物质量)乘以治理SO2的单位成本,来评估水力发电代替火力发电而减少有害气体SO2排放的经济价值。
式中:Vtr为水力发电减少SO2排放的经济价值;Qtr为用水力发电代替火力发电而减少SO2的排放量;Ptr为治理SO2的单位成本。
2.7 人力资本法
人力资本法也叫工资损失法,它通过市场价格和工资多少来确定个人对社会的潜在贡献,并以此来估算因修建水利工程而引起的河流生态系统服务功能的变化对人体健康影响的损益。
在核算水库修建对库区周围人群的健康影响时,可用人力资本法。通过调查水库修建前和修建后典型疾病发病率的变化、医药费用的变化等来评估。
2.8 旅行费用法
旅行费用法又称为费用支出法或游憩费用法,起源于如何评价消费者从所利用的生态系统服务功能中得到的效益。它通过交通费、门票费(有时含有时间成本)、餐饮费、住宿费、购买纪念品和特产及其他与旅行有关的费用等资料来确定某项生态系统服务的消费者剩余,并以此来估算该项生态系统服务功能的价值。
在核算修建水利工程对旅游的影响时,可用旅行费用法。通过调查水利工程修建前和修建后游客数量和游客上述费用的变化来评估。
2.9 条件价值法
条件价值法属于模拟市场技术方法,它的核心是直接调查咨询人们对生态环境改善的支付意愿(WTP),或生态环境受到损害的补偿意愿(WTA),并以支付意愿或补偿意愿来表达生态环境的经济价值。条件价值法特别适宜于对那些非使用价值(存在价值、遗赠价值和选择价值)占有较大比重的独特景观、文物古迹、珍稀濒危生物资源等价值的评估。
在核算建设水利工程对珍稀濒危生物、文物古迹等的影响时,可用条件价值法。通过调查人们保护水利工程影响的珍稀濒危生物、重要文物古迹等的支付意愿,或因部分负面影响不能恢复到水利工程修建前的水平而愿意接受的补偿意愿来评估。
3 三峡工程对长江中下游河流生态系统服务功能影响经济价值评价
3.1 评价方法
根据评价理论、评价方法的适用性和数据资料的可收集性,选用市场价值法、机会成本法、影子工程法、防护费用法和恢复费用法评价修建三峡工程对长江中下游河流生态系统不同服务功能影响的经济价值。
3.1.1 三峡水库养殖的经济价值
运用市场价值法计算三峡水库养殖的经济价值。由式(1)可得
式中:Vc为三峡水库养殖的经济价值,元/a;Qc为三峡水库正常运行后每年渔业的产量(物质量),t/a;Pc为渔业产品的市场价格,元/t;Sc为三峡水库有可养殖的水面面积,hm2;qc为长江中下游6省市大中型水库渔业的平均产量,kg/(hm2·a)。
3.1.2 三峡工程改善川江航道的经济价值
运用市场价值法计算三峡工程改善川江航道的经济价值。由式(1)可得
式中:Vn为三峡工程改善川江航道的经济价值,元/a;Qn为提高川江航道单向货物周转量,t·km/a;Pn为货物航运的市场价格,元/(t·km);Ln为改善川江航道的里程,km;Nn为提高川江航道单向航运能力,t/a。
3.1.3 三峡工程发电的经济价值
运用市场价值法计算三峡工程发电的经济价值。具体计算公式如下:
式中:Ve为三峡工程发电的经济价值,元/a;Qe为三峡工程的年均发电量,kW·h/a;Pe为三峡电力进入电力营销市场的价格,元/(kW·h)。
3.1.4 三峡旅游的经济价值
运用市场价值法计算三峡旅游的经济价值。具体计算公式如下:
式中:Vtm为三峡旅游的经济价值;Itm为三峡旅游直接获得的收入。
3.1.5 三峡工程调蓄洪水的经济价值
本文将三峡工程调蓄洪水的功能价值分为减少淹没的经济价值和避免受灾的经济价值两部分。
a. 经济价值1。运用机会成本法计算因三峡工程调蓄洪水而减少淹没农田(或减少受灾人口)的经济价值。具体计算公式如下:
式中:Vf为三峡工程调蓄洪水减少淹没的经济价值,元/a;V
b. 经济价值2。运用机会成本法计算因三峡工程调蓄洪水而保护耕地避免受灾的经济价值。具体计算公式如下:
式中:Vf′为三峡工程调蓄洪水避免受灾的经济价值,元/a;Sf3为保护耕地避免受损的面积,hm2/a;Pf3为单位平均综合农业受灾损失值,元/hm2。
3.1.6 三峡水库泥沙淤积的经济价值
运用机会成本法计算因三峡水库泥沙淤积而使其失去造地功能的经济价值(结果为负值,即泥沙淤积的损失值)。由式(2)可得
式中:Vs为三峡水库泥沙淤积的经济价值,元/a;Ss为因三峡水库泥沙淤积而损失的造地面积,hm2/a;Ps为因泥沙淤积使土地失去造地功能的单位损失值,元/hm2;Qs为三峡水库年均泥沙淤积量,m3/a;ds为土壤表土平均厚度,m。
3.1.7 三峡大坝对河流生态系统占据的经济价值
运用机会成本法计算因三峡大坝对河流生态系统的占据而使其失去为人类提供服务功能的经济价值(结果为负值,即为经济损失)。具体计算公式如下:
式中:Vh为三峡大坝对河流生态系统占据的经济价值,元/a;Sh为三峡大坝的占据面积,hm2;Ph为因三峡大坝占据河流生态系统提供服务而产生的单位损失值(取负值),取Ph=-70 337.95元/(hm2·a)。
3.1.8 三峡水库淹没损失
运用机会成本法计算因三峡水库淹没森林生态系统、草原生态系统、湿地及沼泽生态系统和耕地等,而使它们失去向人类提供服务功能的损失。具体计算公式如下:
式中:Vi为三峡水库淹没损失值,元/a;Sij为三峡水库淹没森林、草原、湿地及沼泽和耕地的面积(物质量),hm2;Pijt为三峡水库淹没森林、草原、湿地和耕地所对应的服务功能的单位价值,元/(hm2·a)。
3.1.9 三峡工程发电减少有害气体排放的经济价值
三峡工程发电减少有害气体排放的经济价值包括减少CO2排放的经济价值和减少SO2的经济价值。
a. 经济价值1。运用影子工程法计算三峡工程发电减少有害气体CO2排放的经济价值。由式(4)可得
式中:Vcd为三峡工程发电减少有害气体CO2排放的经济价值,元/a;Qcd为减少C的排放量,t/a;Pcd为造林成本,元/t。
b. 经济价值2。运用恢复费用法计算三峡工程发电减少有害气体SO2排放的经济价值。由式(6)可得
式中:Vsd为三峡工程发电减少有害气体SO2排放的经济价值,元/a;Qsd为减少SO2的排放量,t/a;Psd为治理SO2的单位价值(单位成本),元/t。
3.1.10 三峡库区水污染和三峡工程对生物影响的经济价值
运用防护费用法计算可得三峡库区水污染和三峡工程对生物影响的经济价值(结果为负值,即为经济损失值)。
3.2 评价结果与讨论
三峡工程对长江中下游河流生态系统服务功能影响经济价值的评价结果见表2,基础数据资料来源于文献[4,5]。
由表2可知,在三峡工程的正面影响中,防洪和发电是三峡工程的主要功能,两者分别占其正面影响的21.82%和43.23%;同时,三峡旅游收入、三峡工程的环境效益(减少有害气体排放)、三峡工程航运效益和水库养殖效益等也比较突出。这些正面影响增强了长江中下游河流生态系统服务功能的供给能力,使长江中下游河流生态系统服务功能的供给曲线向右移动。在三峡工程的负面影响中,三峡库区水污染的负面影响最大;其次是三峡水库泥沙淤积和三峡水库淹没;三峡工程对生物的影响和三峡工程对河流生态系统的占据也是不容忽视的负面影响。这些负面影响削弱了长江中下游河流生态系统服务功能的供给能力,使长江中下游河流生态系统服务功能的供给曲线向左移动。
在《长江三峡水利枢纽初步设计报告(1 13)》[4]和《长江三峡水利枢纽环境影响报告书》[6]中,提出三峡工程的主要效益是防洪、发电和航运,同时兼有旅游、环境效益、水产养殖等;三峡工程对生态环境的主要不利影响是水库淹没、水库泥沙淤积、对水质的影响、对生物的影响等。本文的评价结果很好地反映了这些内容。
由于受研究方法、指标体系或数据资料的限制,对诸如三峡工程对生物阻隔(或分隔)的影响、三峡水库局部富营养化的影响、三峡水库对文化古迹淹没的影响等一些主要内容,目前还未能进行核算;同时,国内有关这一领域研究才刚刚起步,适合本国的单位价值和考虑时间价值的单位价值的研究较少;所以,本文中选取了一些国外相关研究的单位价值来近似,同时部分单位价值也未能考虑时间的因素。考虑到修建三峡工程对河流生态系统服务功能的影响具有巨大的不确定性,笔者只是做了一些探索性的工作,在评价内容的选取、定量化方面还有待进一步深入、完善;研究的结果还比较粗糙。本文是从三峡工程对河流生态系统服务功能影响的视角进行研究的,而对诸如其引起的移民、地质等问题本文未予以考虑。
参考文献
[1]肖建红,施国庆,毛春梅,等.河流生态系统服务功能及水坝对其影响[J].生态学杂志,2006,25(8):969-973.
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[3]COSTANZAR,D’ARGE R,de GROOTR,et al.The value of the world’s ecosystemservices and natural capital[J].Nature,1997,387:253-260.
[4]水利部长江水利委员会.长江三峡水利枢纽初步设计报告(1-13)[R].武汉:水利部长江水利委员会,1992.
[5]肖建红,施国庆,毛春梅,等.三峡工程对河流生态系统服务功能影响预评价[J].自然资源学报,2006,21(3):424-431.
[6]中国科学院环境评价部,长江水资源保护科学研究所.长江三峡水利枢纽环境影响报告书(简写本)[M].北京:科学出版社,1996.
河流生态系统服务功能 篇2
水电开发对河流生态系统服务功能影响的价值评估方法与案例研究
水电开发对河流生态系统服务功能的影响是复杂的、多方面的`,提出计算“流量”,即计算受水电开发影响的河流生态系统服务功能的价值变化量的评估思路和方法,并以广东省紫金县某水利枢纽工程为案例,对项目实施后河流生态系统服务功能价值的变化进行了定量分析评价.
作 者：莫创荣 李霞 陈新庚 王树功 MO Chuang-rong LI Xia CHEN Xin-geng WANG Shu-gong 作者单位：莫创荣,MO Chuang-rong(中山大学环境科学与工程学院,广东,广州,510275;广西大学化学化工学院,广西,南宁,530004)李霞,陈新庚,王树功,LI Xia,CHEN Xin-geng,WANG Shu-gong(中山大学环境科学与工程学院,广东,广州,510275)
刊 名：中山大学学报（自然科学版） ISTIC PKU英文刊名：ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI 年，卷(期)： 44(z2) 分类号：X196 关键词：水电开发 生态系统服务功能 价值评估 河流河流生态系统服务功能 篇3
河流生态系统是人类重要的自然资源, 具有多种生态服务功能 (包括水分涵养、水体净化、洪水控制、生物多样性保护、美化环境等) 。实现河流生态系统的生态服务功能不仅能够为人类社会的可持续发展提供基础条件, 还能促进社会主义物质文明和精神文明的建设。河道治理是保护和实现河流生态系统的生态服务价值的重要手段。近年来, 我国城市河道的治理得到了各方面的关注, 并且开始重视河流的生态、亲水、景观等功能, 而农村河道的治理大多还停留在传统的防洪、排涝、灌溉等基础功能上。在社会主义新农村建设的新形势下, 发挥农村河流在生态、景观等方面的功能, 是保障社会主义新农村建设的必要内容。
探讨长三角地区农村河道 (以下简称农村河道) 的生态治理方案、实现农村河道的生态服务功能有着重要的意义。首先, 社会主义新农村建设中“乡风文明、村容整洁”的实现, 有赖于农村河道景观的改善;其次, 长三角地区 (包括上海和隶属于江苏、浙江的16个地级以上城市) 是典型的水乡, 其河流生态系统的生态服务价值占总生态服务价值的47.54%;再次, 长三角地区是长江流域经济发展的核心区, 是我国目前经济增长最快、发展最好的地区之一, 其农村河道的治理方案将成为其他地区的学习对象。因此, 长三角新农村河道的治理一定要在满足防洪、排涝等功能的基础上, 充分发挥河道的生态、亲水、娱乐、景观等多方面的功能, 走可持续发展的治理之路。
二、农村河道生态功能的实现
农村河道的生态功能主要体现在生物多样性的保护和水体自净能力等方面。河流的特殊环境给鱼、虾等水生动植物和微生物提供了生存和繁衍的场所, 水生动植物和微生物的存在又使水体具有了一定的自净能力, 他们之间互惠互利, 相互依存。传统的河道治理由于只注重河流的灌溉、防洪等功能, 将河道截弯取直, 采用矩形或梯形的河道断面, 加以混凝土衬砌;这样破坏了水流流态的多样性, 阻碍了水体和土壤间物质和能量的流通, 使许多水生动植物和微生物失去了生存和繁衍的适宜环境, 造成多种生物的灭绝, 大大影响了河道生态功能的实现。因此, 农村河道的生态治理必须以保护水生生物的生存环境为前提, 充分发挥河道的生态功能。
(一) 护岸的布置
河流护岸的布置主要考虑其断面的形式和护岸的材料。为保护河流内生物的多样性, 维护河道的生态功能, 其纵横断面应尽量维持原有的形态, 在需要进行衬砌的地段采用生态型材料, 以免破环水生和湿生动植物的生存环境。
1. 河道断面形状
河道断面形状主要有矩形、梯形、复式和双层四种类型。双层河道一般只用于城镇区域内河, 而矩形河道的水流条件和亲水性都较差, 农村河道的治理应尽量采用复式断面 (河岸滩地较小的河流段可采用梯形断面) 。复式断面一般包括挡土墙、亲水平台、斜坡几部分, 可以根据河道的特点和具体的布置要求采用不同的组合形式。在正常水位下, 水面低于亲水平台, 人们可以通过亲水平台接近水, 达到亲水的效果;在洪水期, 水可以漫过亲水平台, 加大了河流的过水断面, 降低了洪水位, 达到了防洪排洪的目的。同时, 亲水平台干、湿交替的环境给两栖类动物和湿生植物提供了很好的生存环境, 保护了生物的多样性。
2. 护岸的材料
河道护岸应尽量采用天然材料, 以保护和创造生物良好的生存环境。软式护岸既具一定的防洪抗灾强度, 又接近自然, 统一于周围的环境当中。其形式主要有三种, 可根据不同地区的水文和地貌特征进行具体选择:
(1) 原型驳岸在坡度较缓或滩地较大的河道, 保持自然状态, 主要采用植被保护河堤, 如种植柳树、芦苇等喜水性的植物, 利用他们发达的根系来达到稳定河岸的目的。
(2) 自然型驳岸在较陡的坡岸或冲蚀较严重的地段, 除种植植被外, 还可以采用天然石材、木板或竹料等护堤, 加强堤岸的抗冲刷能力。如在坡脚采用石笼、木桩等进行护底, 上面筑有一定坡度的土堤, 斜坡种植植被, 固堤护岸。
(3) 台阶型混合式驳岸在滩地较小, 设计洪水标准频率较高的滨水区域, 在自然型护堤的基础上, 依据当地水位变化的实际情况建设梯级驳岸, 使用钢筋混凝土等高强度材料, 制成箱形框架, 并在其中投入石块、泥土, 种植水杨等, 形成较好的植被景观。
(二) 植物的选择
河道生态功能的保护还可以通过种植适宜的水生、湿生和陆生植物来实现。植物是自然界中天然的生产者, 对于河流来说植物更有着重要的作用, 适量的水生植物可以净化水体, 为鱼类提供食物, 给微生物提供栖息地, 美化水源环境。选择植物应遵循本土、适量的原则, 兼顾景观效果。
1. 水生植物
合适的水生植物不仅可以净化水体, 给鱼类等水生动物和微生物提供栖息的场所, 还可以美化水面景观。水生植物又分:挺水型, 浮叶型, 漂浮型和沉水型。在河道的景观设计中可以适当运用挺水型和浮叶型, 常见的如荷花、睡莲等。但是布置的面积不宜太大, 一方面影响通航和倒影的形成, 另一方面可能引起水中的养分不足。
2. 湿生植物
湿生植物即种植于水面与陆地交接处的植物。这类植物的选择要考虑其短时间耐淹性, 即在洪水期可以在水中生长一段时间。可成排种植单一的树种, 也可交叉种植体现韵律美, 如杭州瘦西湖苏堤两旁的桃树和柳树就是相间种植的。
3. 陆生植物
布置于岸上的植物, 主要考虑其景观效应, 也宜选择本土植物, 可适当移入环境适应能力较强的品种。采用高低错落布置, 种类不宜单一也不宜过多, 以达到自然美感的视觉效果为佳。另外还可以在河岸种植一些观赏性较强的蔬菜和果树, 既能达到景观的效果, 又体现了农村的自然特色。
三、农村河道亲水功能的实现
河道的亲水功能是指河道能满足人们亲近水、进入水等亲水活动的要求。人类天生就有亲水的渴求, 这种渴求可以追溯到生命的起源阶段。人类文明因水而生, 古代四大文明无不发源于水边, 可以说水是生命力的象征。建设社会主义新农村, 可以把亲水建设作为农村精神文明建设的一部分, 以丰富农民的娱乐生活。农村河道的治理要将亲水性作为设计的重要因素, 并将其贯彻始终。
(一) 亲水活动的分类
亲水活动可以大致分为以下几种类型:
1. 接近水
指在眺望各种流水形态和沿河景观及在水边休闲活动时, 能够感觉与水充分接近而不产生与水流可望而不可及的感觉。
2进入水在河滩上戏水、钓鱼以及在水中游泳等都可看作是进入水中的亲水活动, 但是这样的活动需要有良好的水质和充分的水量作前提。
3. 利用水面
划船等活动是典型的利用水面进行的亲水活动, 划船的同时能充分接近水体并且享受水上和水岸的风景, 但要求水的流速小, 水面也应足够清澈才能让人产生愉悦的心情。
4. 水边的应用
在河边开展野餐等休闲活动, 这是以团体为单位的亲水活动, 在休闲的同时可以感受到水体的存在, 并且在心理上感觉与水足够亲近。
(二) 亲水活动的实现
亲水活动实现的主要场所是各种形式的亲水平台。因此, 亲水平台的设计布置就显得极为重要, 既要注意同水面的接近程度, 又要掌握好安全尺度, 保证亲水活动的安全性;既要考虑人们的视觉感受, 又要注重同周围环境的协调一致。亲水平台的形式有多种多样, 可以布置在水边 (如河流复式断面中的亲水平台) , 也可以伸入水面 (如桥) 。
1. 亲水步道
亲水步道是河道治理中普遍采用的亲水平台, 一般都紧贴河岸由多级台阶组成, 有些台阶淹没于水面以下, 有些则高出水面, 这样可以使人们的亲水活动不受河道内水面高度变化的影响。沿着石阶在水边漫步时, 只需弯下身子就可接触到水, 人与水的亲近程度非常密切。亲水步道尽量不要布置得太直, 应该曲折一些, 以免显得呆板。
2. 桥
桥作为一种特殊的亲水平台对于河流来说有不可替代的作用, 一方面人在桥上可以真切体验到潺潺流水, 可以俯瞰水中的植物和游鱼, 可以从纵向和横向对整个水景观进行观望。另一方面, 它是连通河流两岸的交叉建筑物, 给人们的交通提供了方便。因此, 在对桥进行设计时, 一要选择合适的位置, 这个位置既要有利于人们对河流全景的眺望又要方便交通;二要采用与整个河流景观甚至村落景观相协调的桥体形态和材料。
四、农村河道景观功能的实现
农村河道的景观功能主要是通过河道滨水区的景物布置来实现的。滨水区笼统地说就是指水域与陆地相接的一定范围内的区域, 其特点是水与陆地共同构成环境的主导要素, 相互辉映, 成为一体, 是独特的建设用地。对于滨水区的开发利用, 西方发达国家在十九世纪就有较典型的实例 (在1853～1870年间由奥斯曼主持的名为“完美塞纳河”的巴黎改建方案中, 塞纳河被提升到城市结构轴线的高度加以建设, 充分肯定了其在城市建设中的重要作用) 。我国对滨水区的大规模开发始于20世纪90年代初, 并且发展迅速, 国内大中型城市在城市规划时都十分重视滨水地带的开发和利用。农村河道滨水区景观的布置可以借鉴国内外城市河道滨水区的景观设置, 并结合农村自身环境加以应用。
(一) 滨水区景观进行功能分区规划
为满足不同亲水主体及其在不同时候的亲水要求, 可将滨水区的景观进行分区规划。大体可分为休闲区、集会区、娱乐区、码头运输区等部分。
1. 集会区
社会主义新农村的建设不仅要使农村居民的物质生活得到改善, 更应注重提高人们的精神生活水平。农村人热情淳朴的性格决定了他们对集体活动的偏爱, 除了在节日里走家串户以外, 平日里人们之间的交流也相当频繁。因此设置集会区可以给他们提供开阔而舒适的场地, 促进人们之间的交流。
2. 休闲区
休闲区是供人们放松心情, 享受自然美景的区域, 其服务的对象侧重于老年人, 清静、舒适的水边环境与他们淡泊、祥和的心境相一致。在休闲区应当适量布置质地柔和、舒适的长椅供人们休息。
3. 码头运输区
农业是新农村建设支柱产业, 因此建设码头对于方便农作物的水上运输有十分重要的作用。另一方面随着人们接近自然, 回归自然的愿望日益加深, 更多的城市人会涌入农村感受自然的淳朴, 水上交通的发展也给城市人提供了便利, 并能为农民带来收入。
4. 娱乐区
娱乐区是提供水边娱乐活动的区域。划船、游泳、垂钓都是既能使身心得到舒展又能充分接近水体的亲水活动。在不破坏整体美景的前提下可以布置些轻型的运动器材。
对滨水区景观进行分区布置, 应在整体统一规划布置的前提下, 有目的、有重点地进行各功能区的布置, 在满足各功能区功能的同时, 注意各功能区的协调规划。
(二) 沿河景物的安排手法
为了在各个景观功能区营造出良好的滨水景观, 通常可运用下列手法。
1. 借景
借景是我国古代园林造景中极为重要的手段。根据建景需要, 有选择地将本空间以外的景色组织进来, 突破区域空间范围, 扩大景区空间, 使画面美丽, 构图生动, 层次丰富, 内外相互呼应, 浑然一体。在滨水区进行亲水环境和景观布置时也可以运用“借景”的手法, 将滨水区以外的景物引入滨水环境中, 更增强其景观效果。
根据观赏的位置、角度和环境的不同, 借景又可分为远借、邻借、仰借、俯借、应时而借等。在具体运用时可以结合当地的自然条件, 尽可能从多方位、多角度来实现借景的效果。对于丘陵地区, 尽量借远处的山和近处的植物, 形成开阔的视觉效果。沿河的植物应选用低矮的灌木, 并且种植密度要相对小些, 使人在河上或河岸都能看到远处的山及其他景物。而对于平原地带, 应尽量借用动植物的景色, 应时而借。春天的柳树、油菜花、粉蝶;夏天的荷花、紫薇、蜻蜓;秋天的落叶、红枫;冬天的松柏、香樟等, 都能很好地反映季节特征, 并且给人以美好的视觉享受。
2. 倒影
水中的倒影不仅给水面带来光辉与动感, 还能使水面产生开阔、深远之感。光和水的互相作用是水景景观的精华所在, 利用景物在水面形成倒影, 扩大视觉空间, 丰富了景物的空间层次, 增加了景观的美感。
形成倒影需要满足的条件是:有构成倒影的景物, 有合理的观赏地点, 水面相对平静。长三角地区农村的河道水流都相对缓慢, 水面平静, 适合采用倒影手法。在低丘陵地区, 由于水面和山体有相当的落差, 易形成倒影, 合理地设置观赏点可以达到极好的景观效果。对于平原地区则可以利用近水边植物和桥等水上建筑物, 巧妙设计其形态, 形成有特色的倒影。
3. 分景
为了使景观具有层次感和富有变化, 值得玩赏, 空间景物的视觉效果和意境构设要含蓄有致, 不能一览无余。尤其是在平原地区, 可能会因为视觉的开阔使得视野内的景物都大同小异, 使人产生单调的感觉, 应巧妙利用天然河道的弯曲段来使视觉产生变化, 比如在河道的弯曲段种植相对高大和密集的植物来阻挡视线, 使其后的景物若隐若现, 让人产生观赏的欲望, 达到“引人入胜”的效果。
农村河流系统生态服务功能的维护和实现, 除了注意生态型河道的治理外, 还要社会各方面共同努力。首先要加大对环保知识的宣传力度, 使农村居民认识到保护好河流资源的重要性和紧迫性;其次鼓励人们参与生态型河道的治理、恢复与完善;第三还要加强管理, 使生态型河道能够持续、有效地发挥功用。
参考文献
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[2].伟林松 彭璐, 城市滨水景观建设初探.农村与科技.2005
[3].林艺, 云南少数民族水文化与生态旅游.经济问题探索.2006/4
[4].陈菁等, 长三角经济发展中的水利发展模式研究与应用.2006
水利工程与河流生态系统的关系 篇4
1.1 生态系统与河流生态系统
生态系统是指一定空间中的生物群落 (动物、植物、微生物) 与其环境组成的系统, 其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个有组织的功能复合体。在生态学中, 具体的生物个体和群体生活地区内的生态环境称为“生境”。在生境各个要素中, 水又具有特殊的不可替代的重要作用。
淡水生态系统可以分为两类, 一类是动水生态系统, 即河流生态系统, 另一类是静水生态系统, 主要指湖泊、水库生态系统。两者都应包括周边的淡水湿地。河流生态系统是指河流水体的生态系统, 是陆地和海洋联系的纽带, 在生物圈的物质循环中起着主要的作用。
1.2 河流生态系统的特点
(1) 生物群落与生境的统一性, 这也是生态系统的基本特征。有什么样的生境就造就什么样的生物群落, 二者是不可分割的。
(2) 河流生态系统结构的整体性。生物群落一旦形成系统, 其内部各要素不能被分割而孤立存在;如果硬性分开, 那么分解的要素就不具备整体性的特点和功能。在一个淡水域中, 各类生物互为依存, 互相制约, 互相作用, 形成了食物链结构。
(3) 自我调控净化与自我修复功能。在长期的进化过程中, 形成了同种生物种群间、异种生物种群间在数量上的调控, 保持着一种协调关系。水体自我修复能力, 也是淡水生态系统自我调控能力的一种。在外界干扰条件下, 通过自我修复, 保持水体的洁净。由于具有这种自我修复功能和自我净化功能, 才使淡水生态系统具有相对的稳定性。
2 河流形态多样性与生物群落多样性之间的关系
河流形态多样性是生物群落多样性的基础。在流域生态系统的各种生境因素中, 河流形态多样性是流域生态系统最重要的生态因子之一。河流形态多样性与生物群落多样性间的关系具体表现在:
(1) 河流的蜿蜒性, 形成了急流与缓流相间。自然界的河流都是蜿蜒曲折的, 显然不存在直线或折线形态的天然河流。在自然界长期的演变过程中, 河流的河势也处于演变之中, 使得弯曲与自然裁弯两种作用交替发生。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境, 由此形成了丰富的河滨植被、河流植物。
(2) 上中下游的生境异质性, 造就了丰富的流域生境多样化条件。我国的大江大河多发源于高原, 上中下游所流经地区的气象、水文、地貌和地质条件有很大差异, 在水平和垂直方向上形成了极为丰富的流域生境多样化条件, 这种条件对于生物群落的性质、优势种和种群密度以及微生物的作用都产生了重大影响。
(3) 河流断面形状的多样性, 表现为深潭与浅滩交错。自然河流的横断面也多有变化。河流的横断面形状多样性, 表现为非规则断面, 也常有深潭与浅滩交错的布局出现。显然, 不存在提醒或矩形等规则断面的自然河流。
(4) 河床材料的透水性与多孔性, 为生物提供了栖息所。河床的冲淤特性取决于水流流速、流态、水流的含砂率、颗粒级配以及河床的地质条件等。由悬移质和推移质的长期运动形成了河流动态的河床。具有偷税性能的河床材料, 适于水生和湿生植物以及微生物生存。
3 水利工程与河流生态系统的关系
一方面, 水利工程对河流生态系统有积极作用, 即通过兴建大量的水利工程, 保护了生态系统, 使其免受侵害。如通过调节水量丰枯, 可以抵御洪涝灾害对生态系统的冲击, 同时也改善了干旱与半干旱地区生态状况以及调节生态用水。
但另一方面, 水利工程对河流生态系统也产生了许多不利影响, 主要是一些水利工程建设造成河流形态的均一化和不连续化, 其后果是生物群落多样性水平下降。具体表现在:
水利工程造成的河流形态的均一化和不连续化使生境多样性发生了改变。所谓河流形态的均一化主要是指自然河流的渠道化或人工河网化;所谓河流形态的不连续化是指在河流筑坝形成水库后, 造成水流的不连续性。有的河流进行梯级开发, 更形成河流多级非连续化的格局。水库蓄水后, 淹没了原有的河流两岸的陆生植被, 使得丘陵和平地岛屿化和片断化, 陆生动物被迫迁徙;被搬迁的城镇及废弃的农田沉入库底, 为清除的垃圾、工业废料及化肥农药残留统统进入水库。这样就改变了生境多样性。
水利工程造成河流形态多样性的降低, 进而使生物群落的多样性降低。水利工程入河流的渠道化和裁弯取直工程彻底改变了河流蜿蜒型的基本形态, 急流、缓流、弯道及浅滩相间的格局消失, 而横断面上的几何规则化, 也改变了什坦、浅滩交错的形式, 生境的异质性降低, 水域生态系统的结构与功能随之发生变化, 特别是生物群落多样性将随之降低, 可能引起淡水生态系统退化。具体表现为河滨植被、河流植物的面积减少, 微生物的生物多样性降低, 鱼类产卵条件发生变化, 鸟类、两栖动物和昆虫的栖息地改变或避难所消失, 可能造成物种的数量减少和某些物种的消亡。河床材料的硬质化, 切断或减少了地表水与地下水的有机联系通道, 本来在沙土、砾石或粘土中辛勤工作的数目巨大的微生物再也找不到生存环境, 水生植物和湿生植物无法生长, 使得植食两栖动物、鸟类及昆虫失去生存条件。本来复杂的食物链在某些关键种和重要环节上断裂, 这对于生物群落多样性的影响是全局性的。
人们容易看到水利工程在供水、灌溉、发电等方面给人们带来的直接、有形的利益, 却往往忽视水域生态系统为人类带来的利益, 更难于看到因水利工程改变河流形态的多样性, 对人类的利益造成的长远的隐形的损害。一旦生态系统遭到破坏, 大自然无偿提供给我们的服务功能将下降, 但破坏到某种程度时, 这种服务功能甚至会丧失。
4 针对水利工程的不利影响所应采取的技术对策
对于水利工程对生态系统的不利影响, 我们应该正视这些不利影响, 对水利工程的工程理念进行反思, 以“趋利避害”的态度, 改进和完善水利工程的规划和设计技术。未来的水利工程既要具有直接功效的供水、防洪、发电、航运工程, 还要有利于生态系统健康与稳定的生态工程。因此, 我们可以采取下列技术对策:
加强库区生物群落调查, 开展已建水库的生态系统健康评估与预测;合理调度水库及其它水利设施, 提高水枯水体的自净能力和自我修复能力;保持河流的蜿蜒性来保护河流形态多样性。即在河道整治工程中, 应尊重天然河道形态, 避免直线和折线型的河道设计;保持河流断面形状的多样性, 尊重河流原有的自然断面;河道防护工程的岸坡采用有利于植物生长的透水材料, 特别注意采用当地天然材料;水利工程设计应为植物生长和动物栖息创造条件, 提供鱼类产卵条件以及鸟类和水禽栖息地和避难所;利用生态系统自我净化和自我修复功能, 开发与推广生态系统治污技术。
河流生态系统服务功能 篇5
河流防护设施在洪水的冲击下若遭到破坏, 往往会威胁到河岸居民的安全。因此, 在考虑居民安全的条件下, 以往均以混凝土作为护岸、固床工、丁坝等构造物, 虽然达到了防洪安全的目标, 但却破坏了生态环境及影响生态。近年来因生活质量及环保意识提高, 促使世界各国逐渐开始重视周围生态环境及稀有生物的保育, 于是运用生态工法的工程设计渐趋普及。
根据生态工法的精神, 各个工程的生态工法选用与施工, 需考虑当地的生态环境、地形、地质、水文及材料取得等多种因素, 且因地点不同而因素也有所不同。因此各个工程在做生态工法规划设计时, 必须以多方面的考虑及评估后, 因地制宜, 研拟适合当地的工法加以施工, 以期能恢复其原始生态且兼顾安全的工程方法为目标。如果对生态系统不够了解或规划不够周详, 则可能导致复育计划无法达到预期效果甚至失败, 因此有必要发展一决策系统以辅助生态复育。
2 河流生态工程辅助系统基本构成与设计原则
2.1 基本构成
开发河流生态工程辅助设计系统可整合的部分有:生态资料库、生态信息系统、工法成本估算、工法辅助决策、稳定性评估等。然而, 想要整合各项功能, 则须有一完整规划设计流程。因此, 应需先确定生态工程规划与设计的流程, 这一流程通常要根据赋予计划生命周期来考虑。整个复育计划的完整生命周期有规划、设计、施工、管理维护与监测等。在这些阶段中, 从一开始的复育地点选择、生态环境调查与分析, 到复育计划分析探讨与方案的建立等为规划与设计的阶段。其中, 河流工程的开始阶段, 就没有准确的定位其规划目标, 这将会影响往后的设计、施工、管理维护与监测等, 进而影响到整个复育计划的成效。
2.2 设计原则
工程技术方法的选定, 须符合防洪安全目标, 并维护或营造水域环境的生态需求, 以及是否提供市民亲山、亲水游戏机能与营造休闲空间等功能。为此, 整体溪沟整治工程则需仔细考量, 如生态基流量、水流、生物庇护空间及栖地环境的营造等等功能。然而要达到因地制宜, 顺应自然条件设计及配置, 则是工程规划中最困难的部分, 在规划中最重要的是, 能否顺应自然条件作妥善的设计及配置, 该部分是无法模仿引用的, 仅能依据立地条件运用经验及规划设计时投入更多心力, 才能达成目标。具体来看, 如下标准应当加以重视。
一是符合法规要求。任何工程施工均应在相关法令与规范要求下进行规划与设计, 如河流管理办法、河流区域种植规定等。在符合法规的条件下, 应满足两种需求: (1) 满足防洪需求, 工程构造物应满足防洪需求, 不得影响防洪功能, 如计划洪水位、计划河宽及参考河床高等。 (2) 满足安全需求, 工程构造物施设除应满足防洪需求外, 本体的安全性也应考虑, 以确保工程永续性。安全需求依工程破坏原因可分为水理与安定两大因素, 其中, 水理是指流速、剪力等水流产生外力的分析;安全性是指构造物受到水压、土压及冲刷所产生安定性分析。
二是维持河相稳定。构造物施设应避免影响河道的通水面积, 尤其是具有深槽的低水护岸, 避免因束缩断面而造成河床下切。固床工与丁坝施工则需避免水流经构造物产生对河岸的破坏、过度淤积或冲刷及产生侧向侵蚀。施工过程中, 应注意配合生态需求, 应就生态搜集资料, 邀请生态专家协助分析工程施设后对生态生活史的影响, 并将其他设施施工对生态环境冲击降至最低。
三是创造多样化环境。基于对生态系统复杂与动态结构的不了解, 工程施工时应尽量创造多样化的生态环境, 如护岸的多孔隙、植生等, 并利用简易设施进行营造潭、濑、回流区等栖息环境的复育或创造, 而整体生态之繁衍应由生态自我组构的机制进行重组。
四是工程经济最佳化。该部分为水利工程施工最难达成的目标, 因工程设施具有保护人民生命财产与安定社会民心的目标, 为政策性导向的工程, 若单纯以工程及后续维护管理经费而言, 一般工程经济效益均不高。此处所提工程经济最佳化系指工程施工时应考量其他非工程措施的配合 (如洪泛区划设) 将工程规模降至最低 (工程减量) 及利用科学化的工具, 以增加工程成功机率, 降低后续维管费用。
五是营运维护成本最小化。生态工法的水利工程, 因工料上的自然限制, 如不连续性或植物生长期等, 失败的风险常比混凝土化的水泥工程大。然而, 生态治河却是世界潮流, 所以工程后续营运维护成本于设计阶段即需考量。
3 河流生态工程辅助设计系统流程构架
系统最主要的功能为规划与设计试算, 借着规划与设计流程, 将系统以阶段性的步骤切割, 并在各阶段适时提供工程人员相关资料的参考;如选择计划河段、工址流况的分析、适用工法建议与选用、决定断面形式及安全性分析等。在工址流况分析时, 有航照影像图辅助加以分析判别;初步工法布置选用时, 以输入流速及选择规划之目标等, 系统将提供符合条件的工法选项;安全性分析时, 经验公式的分析计算则需输入各项工法所需的设计条件, 系统计算完后显示是否符合安全条件。
第二项功能为案例资料库, 借助规划与设计试算的操作, 并执行完成工程的规划与设计案例;系统会在完成时, 储存规划与设计的结果, 并记录其完成的时间。主要为累积历年的工程规划与设计资料, 可以提供工程人员在规划设计时, 可有相关设计参考, 并更了解当地发生灾害的原因, 案例资料库的执行流程。其中, 重新计算功能, 可以在该案例中的任何阶段, 重新进行分析计算, 并且在完成时, 自动存成一个新案例档。
第三项是生态资料库, 在工法资料库中可以输入限定的条件做查询, 或是选择浏览全部资料以列出全部资料, 或是选择规划目标以判定适合的生态工法;生态资料库中, 也可查询该河系断面编号的水理因数条件。
第四项为计划河段管理, 为了避免其他使用者误编辑计划河段, 故应立登入账号及密码, 以防止其他使用者随意新增计划河段。
第五项为河流管理系统资料库, 可查询研究区域性的基本资料, 由地理空间与信息的方式, 展示查询对象的地理位置与其相关属性资料, 如河流断面、水系、交通等基本资料。
摘要：为遏制日益加剧的水环境恶化和水生态系统退化, 现代水利工程应该克服传统水利工程对河流形态的多样化重视不足和忽视生态环境的缺陷, 遵循河流演变的客观规律, 妥善处理好人与自然相互协调的关系, 这就要求进行河流生态工程辅助系统的开发。文章对系统开发中的相关问题进行了探讨。
关键词：河流,生态工程,辅助设计,系统开发
参考文献
[1]魏梓兴, 蔡恭杰, 吴阿娜, 等.河流管理中引入河流健康状况评价的意义与思考[J].中国水利, 2004 (17) .
河流生态系统服务功能 篇6
目前,河流生态系统健康评价的方法大体可分为生物监测法和综合指标法。生物监测法通过监测一些生物或其类群的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及其一些生理生态状况的动态变化来描述河流生态系统的健康状况。生物监测法的缺点是选择不同的研究对象及监测参数会导致不同的评价结果,对不同生物类群进行评价时,难于确定其取样尺度与频度,无法综合评价河流生态系统状况问题等,而且,一个指标只能反映干扰传播过程中造成的某方面影响,在流域范围内对所有干扰都敏感的单一河流健康指标是不可能存在的[4]。基于以上的原因,产生了综合指标法,综合指标法能够综合物理、化学、生物,甚至社会经济指标。这种能够反映不同尺度信息的综合指标法成为未来生态系统健康评价的重要手段[5]。目前国内关于城市河流的健康评价多采用综合指标法。
本文在前人研究的基础上,综合分析城市河流生态系统的特点,构建城市河流生态系统健康状况评价指标体系,评价模型采用模糊模式识别模型,并以浑河沈阳段为例进行研究,为河流生态系统修复提供科学依据和技术支持。
1 城市河流生态系统健康评价指标体系的建立
关于河流生态系统健康的概念,目前普遍认可是Meyer[6]提出的,认为健康的河流生态系统不但要维持生态系统的结构和功能,而且应包括人类与社会价值。人类与社会价值主要指工农业用水供应、洁净饮用水、环境娱乐、精神享受、鱼类生产、保持水供应、物质储存与再生、美学价值和净化能力等。
目前,有关河流健康状况的研究多集中于评价体系。杨馥等[7]分析确立了城市河流生态系统健康评价指标中不确定性因素存在的原因和种类,构建了包含生态特征指标、整体功能性指标和社会环境影响指标3大要素的城市河流生态系统健康评价指标体系。张亮等[8]建立了以河道形态、河岸带状况及河床形态为一级指标,9个二级指标的河流形态学评价指标体系。耿雷华等[9]从河流的服务功能、环境功能、防洪功能、开发利用功能和生态功能方面,初步尝试构建了河流健康状况评价体系。还有学者从水量、水质、水生生物、物理结构与河岸带等方面剖析河流系统健康状况的内涵,探讨国外先进的河流健康状况评价方法,指出我国迫切需要构建一套河流健康状况评价指标体系[10,11,12]。
本文在Meyer[6]提出的河流生态系统健康概念的基础上,并借鉴前人研究的成果,建立了包括水量、水质、河岸带、水生生物与物理结构5个一级指标的指标体系。河流来水量能够反映流域的气候、地形地貌特征以及受人工设施干扰的程度,而河流来水量同时又受这些因素影响。河流的生态需水量充分考虑到了河流的防洪、兴利功能用水量,生态环境功能用水量,生态廊道功能用水,生活环境功能用水,本文认为用生态需水量来表达水量更加能够真实的反应城市河流的健康状况,有利于保护水资源和水环境,遏制水环境的进一步恶化,实现水资源的可持续利用。因此,本文在具体指标选择时,没有用河流径流量而是采用城市河流生态需水量来表达河流水量,此外还选择了开发利用率表达河流水量。水质标志着水体的物理(如色度、浊度、臭味等)、化学(无机物和有机物的含量)和生物(细菌、微生物、浮游生物、底栖生物)的特性及其组成的状况。良好的水质是水生物健康生长与繁殖的必备条件。
河岸带是处于水陆交界处的生态脆弱带,是异质性最强、最复杂的生态系统之一[13],在维持区域生物多样性、促进物质与能量交换、抵抗水流侵蚀与渗透、营养物过滤及吸收等方面发挥重要的作用[14,15,16],表现为廊道、缓冲与护岸等3方面的生态功能[17],考虑到城市河流不仅具有净化、输送物质、提供栖息地等功能,而且具有休憩、娱乐、文化功能,城市河流在一定程度上反应了地域文化特征,丰富了城市居民生活,也为城市的稳定性、舒适性、可持续性奠定了一定的基础。亲水景观建设面积能够反应城市河流的休闲娱乐文化功能,因此本文选取河岸带植被覆盖、效果和可达性、防洪标准的同时选取了亲水景观建设面积来表达河岸带[18]。
河流的生物群落主要受河流系统水文情势、地貌、流态、水质和人类活动等因素的影响。着眼于水域生物群落结构和功能,处于河流食物链营养顶级的鱼类能反映整个水生态系统的健康状况,是河流健康评价的重要指示生物,采用鱼类生物完整性指数表达河流生物指标状况[18]。物理结构反映河道的几何形态,直接影响到水体同河岸河道交换的能力、水生物栖息地、河道物理稳固及连通程度等方面,可以用河岸与河道固化强度、河床与河岸稳固性、河流廊道连续性、栖息地、鱼道状况来表达[10]。
本文从城市河流的水量、水质、河岸带、水生生物与物理结构5个方面考虑建立评价指标体系。河流水量和水质是水资源的两大重要属性,水量能综合反映河流的自然特征与人类干扰程度,是河流变更的重要表现载体;水质状况直接反映河流污染状况,是评价河流健康状况的重要因素,直接反映河流物理、化学指标状况,是生物与人群健康的根本保障。水量与水质两者的有机组合是水生生物生存、水体各种物理过程与生物化学反应得以完成的基本要求。水质方面在具体指标选取时考虑了多种污染物,包括pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、硫化物等,在具体级别确定上运用模糊综合评判法进行综合评价,综合考虑多种因素。水量方面在具体指标选择时将城市河流生态需水这一指标引入到评价体系中,河流生态需水是指维持河流生态系统生态平衡和正常发展、保障河流系统水文功能及相关环境功能正常发挥所需要的水量,对河流生态系统能否维持健康具有重要的意义,具体计算方法可以采用Tennant法。此外,作为城市河流在指标选取时,还充分注意了其休闲、娱乐、文化等功能。
2 模糊模式识别评价模型的建立
模糊模式识别最中心的思想是依据模糊数学提出的相对隶属度理论,并以参考连续系统上的两级及中介的线性变化作为相对统一的参照系,用样本与级别之间的加权广义距离求解样本对模糊概念的最优相对隶属度,作为模糊模式识别模型。这样可以避免由于使用绝对隶属度构造隶属函数的不准确性而使识别结果不合理,而且还能克服最大隶属度原则的不适用性,全面反映各指标对评价结果的综合作用,更客观地反映事物的真实状态[19,20]。
2.1 推求指标隶属度矩阵
设有n个河流健康指标值样本,每个样本有m项健康评价指标的实测值x,则有河流健康评价实测值矩阵X=(xij)。xij为样本j指标i的特征值;i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。河流健康程度的状态或分级数c,评价指标的标准值为y。m项指标c级健康标准值矩阵为Y=(yih)。yih为级别h指标i的标准特征值;h=1,2,…,c。
通常有两种类型的指标类型:(1)指标标准特征值yih随级别h的增大而减小;(2)指标标准特征值yih随级别h的增大而增大。对于(1)类指标按式(1)计算样本值xij对模糊子集的相对隶属度,按式(2)计算指标标准值yih对模糊子集的相对隶属度。对于(2)类指标按式(3)计算样本值xij对模糊子集的相对隶属度,按式(4)计算指标标准值yih对模糊子集的相对隶属度。
式中:rij为样本j指标i的特征值对模糊子集的相对隶属度;yi1、yic分别为指标i的1级、c级标准值;sih为级别h指标i的标准值对模糊子集的相对隶属度。
利用式(1)、(2)或(3)、(4)可将矩阵X与Y变换为对应的相对隶属度矩阵R和S。
2.2 指标权重的确定
在综合模糊评价中应考虑到各指标高低有所不同,在总的评价中所起的作用亦有所差别。因此有必要对各参评指标赋予权重,目前确定指标权重的常用方法有层次分析法,熵值赋权法和灰色统计法等。层次分析法的主要特点是定性与定量分析相结合,将人的主观判断用数量形式表达出来并进行科学处理,本文运用这一方法。
本文在确定权重时采用的是定权重,即样本集中的每个样本指标的权重相等,则权重矩阵可用式(7)表示,且应满足式(8)。
2.3 模糊模式识别模型
根据河流生态系统健康评价的特点,利用文献[21]建立的模糊模式识别模型,如式(9)。
式中:uhj为样本j对模糊子集级别h的相对隶属度,j=1,2,…,n;h=1,2,…,c;aj、bj为样本j的m项指标的级别下限值与上限值;p为距离参数,取p=2,为欧式距离。
2.4 河流健康级别的确定
为了解决最大隶属度原则的不适用性,这里采用陈守煜[21]提出的级别提特征值作为判定标准。设左极点状态记以序数1,自左向右的中介状态记为2,3,…,直至右极点状态记以序数c。1,2,…,c称为状态点,以状态变量h表示,h=1,2,…,c。则级别特征值利用式(10)进行计算。
3 实例研究
本文以浑河沈阳段为研究对象,对其城市河流生态系统健康状况进行评价。
3.1 评价指标的选取与评价标准
3.1.1 评价指标的选取
上述指标体系是广义的,比较全面,对于不同的城市河流还应考虑其特点,确定具体的指标,并将指标个数控制在一定范围内。根据评价的科学性和可操作性,即要保证城市河流生态系统健康评价指标体系的完整性,又要去除具有相关性的指标,同时要考虑数据的可获得性。水量指标选取水资源开发利用率和生态需水量;水质指标根据评价年的各污染物实测浓度,以国家规定的《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)为评价标准,进行综合评价,得出污染状况所处的级别;水生生物指标选取鱼类生物完整性指数(IBI);河岸带指标选取防洪标准、河岸带植被覆盖和亲水景观面积等3个指标;物理结构指标选取河岸与河道固化强度。共8个指标。
3.1.2 评价标准
评价标准通过以下几种方法确定:(1)历史资料法;(2)实地考察;(3)借鉴国家标准与相关研究成果。分级采用通用的5级分级标准:病态、不健康、亚健康、健康和很健康。其中,生态需水量等级是指生态需水量占河道天然年径流量的百分比,根据Tennant法确定。防洪标准、河岸与河道固化强度和亲水景观面积3个指标以分值阈“1、2、3、4、5”代表5个级别的标准。各个指标的分级标准值见表1。
3.2 评价结果与分析
3.2.1 数据来源
浑河沈阳段径流量数据来自1967-2009年的中华人民共和国水文年鉴;河岸带植被覆盖率来自实地调查及遥感影像解译成果;水质数据来源于2009年《辽宁省重点水功能区水量水质通报》;防洪标准、河道固化强度和亲水景观面积的相关数据根据实际调查得出。根据以上资料对2009年浑河沈阳段河流生态系统健康状况进行评价。
3.2.2 评价结果与分析
确定隶属度矩阵:利用式(1)-(4)对原始数据进行处理,得到样本指标与标准指标相对隶属度矩阵:
确定指标权重:根据层次分析法原理,建立递阶层次结构模型,各层权重计算结果见表2。
确定样本集对各级别的相对隶属度矩阵:将S、R及表2中的权值代入式(9),计算得到:U=(uhj)=0.162 0.785 0.034 0.012 0.006 T。
计算级别特征值:利用式(10)进行计算,计算结果为H=1.912。因此浑河沈阳段河流生态系统健康状况为2级,属于不健康状态。由计算结果可以看出,浑河沈阳段对于不健康级别的隶属度远远大于其对亚健康、健康和很健康级别的隶属度。通过对2009年浑河沈阳段生态系统健康状况进行实际调查研究,评价结果与实际状况相符。沈阳市水资源过高的开发利用率以及大量的污水排放,导致浑河水量的减少和水质的下降,这是导致浑河沈阳段处于不健康状态的主要原因。因此,今后应合理开发水资源,加强污水排放的监管治理,使河流处于较健康状态,为水生物提供一个良好的生境。
4 结语
本文在Meyer提出的城市河流生态系统健康概念的基础上,并借鉴前人研究的成果,建立了包括水量、水质、河岸带、水生生物与物理结构5个一级指标的指标体系;分级采用通用的5级分级标准,分为病态、不健康、亚健康、健康和很健康;分级标准值通过历史资料、实地考察、借鉴国家标准和相关研究成果确定;评价模型采用模糊模式识别模型对浑河沈阳段进行了评价。评价结果表明:2009年浑河沈阳段处于不健康状态。这主要是由于人类长期对浑河的过度开发利用和污染造成的,今后应合理开发水资源,加强污水排放的监管治理,使河流处于较健康状态,为水生物提供一个良好的生境。
河流生态系统服务功能 篇7
1 对水文情势的影响
水文情势指河流、湖泊、水库等水体各水文要素随时间、空间的变化情况,其中水文要素主要包括水位、径流、输沙和河流形态等。20世纪70年代以来,很多国家都对保护河流的健康开展了研究和实践,提出了很多评价河流状态的方法,比如澳大利亚的溪流状态指数(Index of Stream Condition,ISC)、英国的河流保护评价系统(System for Evaluating Rives for Conservation,SERCON)和南非的溪流地貌指数法(Index of Stream Geomorphology,ISG)等。但应用最为广泛的还是1997年Ritchter提出的IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系,该指标体系建立了33个可以量化的水文参数,这些参数比较贴近水文情势的概念,为大多数学者所认同。Richter随后在IHA指标体系的基础上提出了RVA(Range of Variability Approach)方法来评价河流的变化程度。许多学者利用IHA指标体系和RVA方法对水库闸坝工程建设运行前后河流的水文情势变化进行研究,研究结果都表明工程建设运行后河流水文情势变化明显[5,6],而且梯级水库联合运行比无梯级水库联合运行对河流水文情势产生的影响更大[7,8]。除此之外,梯级开发对下游水文情势的影响会随着距离的延伸而减弱[9]。
1.1 对径流的影响
现行水库的运行调度规则,使得枯水期出库流量比天然流量有所增加,而汛期出库流量有所减少。马聪等研究安康水库建设前后下游径流量变化发现,水库建设后,4-11月平均月径流量减少6.9亿m3/月,12-3月平均月径流量增加1.0亿m3/月,并且水库建设是造成此结果最直接的因素[10]。顾颖等以澜沧江为例,研究发现梯级电站运行后,雨季多年平均径流量降低10.64%,旱季升高45.94%,而年平均流量几乎没有变化[11]。这样调节后的河流年水位~时间过程趋于平缓,年内径流变化不大,对大洪水有削峰和错峰作用,有利于减少洪水所带来的危害。河流的流速也发生明显变化,有研究显示,梯级开发后,从库尾到坝前,流速逐渐减慢,水库库容越大,对天然河道径流的流速改变越大[12]。王洁以横江为例研究发现,横江干流梯级电站建设后,库尾及坝前的流速较天然状况下有不同程度降低,其中库尾流速降低较小,而坝前流速降低巨大[13]。流速减缓后,对河流的影响是很大的,比如河流的自净能力会下降,本来波澜壮阔的大自然风光也会随之消失等,整个河流显得没有活力。有研究显示,河流景观多样性与梯级开发呈负相关性[14]。河流的生态系统是与河流径流息息相关的,梯级开发使得河流径流发生剧烈变化,而这些剧烈变化对河流的生态系统势必也会造成巨大的冲击。
1.2 对输沙的影响
水库在截留水的同时也截留了水中所带的泥沙,并且由于流速的减慢,库区的泥沙快速大量的沉积,造成水库泥沙淤积。泥沙淤积会侵占水库调节库容、增加水库淹没损失、影响航运等。淤积还会因回水而上延,影响上游河道形态。与此同时,水库下游的水则泥沙含量很小。Matti等研究发现,漫湾大坝建设后初期,湄公河下游含沙量平均降低约20.3%[15]。翁文林等研究发现,长江上游水库群兴建后,下游含沙量大大降低,降幅为26.5%~84.2%[16]。一方面清澈的水流有利于水资源利用,但另一方面在水库下泄洪水时,会造成下游河道的局部冲刷,造成河床冲刷变形,并引起水体中含沙量的上升,且影响河岸稳定。面对水库泥沙淤积的不断累积和人类对水资源需求量不断的加大,水库淤积问题越来越受到关注,如何对水库淤积进行管理,保持和恢复水库的功能,是当前亟待研究的内容。
1.3 对水位的影响
水库的建设对上游来水的拦截引起水库库区的水位上升,水深从库尾到坝前逐渐增加[12],水库下游河段的水位变化则有些复杂,根据刘扬扬等人的研究结果,对于调节性能较强的水库,水库下游汛期水位较天然情况下降显著,非汛期水位较天然情况上升明显,水位在年内变化较大;而对于调节能力较弱的水库,由于水库建设后下泄流量变化不明显,而且可能会受到来自下游梯级的反调节作用,以致水库下游水位较天然情况变化不大。除此之外,由于河道冲刷的影响,在径流相同的情况下,水位也会有所下降。水库的修建和运行必然会对当地的地质造成影响,比如水库中水的大量渗漏,造成地下水位的上升。有研究显示,水库水位的变化与地震活动有着明显的相关性[17,18,19],如何应对这些影响也是当前研究的方向。梯级开发对河流水位的影响,会使得河流在沿水深方向上的生态组成结构发生改变。
1.4 对河流形态的影响
河流梯级开发使得天然河道变成由多个规模和调节性能不一的水库、减水河段和未开发河段组成的水体,纵向连续性发生改变。梯级水库蓄水后,库区河段水域面积明显增加,对于深切峡谷型流域,这种对水域形态和面积的改变相对于平原性的河流较为突出。如澜沧江梯级水电站建成后,8个梯级水库面积共62 112km2,其水域面积比天然河流增加约53 211km2,是天然水面面积的7倍[20]。下泄清水对河道的冲刷还可能使得河道会发生侧移,河流被裁弯取直。而与直河道相比,蜿蜒的河道降低了坡降,减小了河流流速和水沙输送能力,有利于形成多样的水生环境来保护水生生物的物种多样性。所以,河流形态的改变,也会对河流生态系统产生不利影响。
1.5 小结
从目前这些研究成果来看,梯级开发从不同的角度都对河流水文情势产生了不小的影响,而这些影响都会紧接着对河流生态系统发生冲击,但是大多学者仅仅只是研究梯级开发对河流水文情势的各个方面产生了何种影响以及影响的程度,对不同规模的梯级开发在不同尺度的河流上所造成的影响研究甚少,而且也没有继续深入研究如何通过工程措施或非工程措施来避免或减小这些影响,笔者认为今后应该更注重这方面的研究。
2 对生态系统的影响
河流生态系统的结构和功能由水文、生物、地形、水质和连通性等5个部分组成,各个部分相互影响,而其中,水文是对河流生态系统起着主动性、决定性的作用,包括河流的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等,水文情势的改变在不同时空尺度上改变栖息地条件,从而影响物种的分部和丰度,进而影响生物群落的组成和多样性[21,22,23]。近年来,许多评价河流生态系统的方法和模型被相继提出,如Jinpeng等提出一个综合指标———浮游生物完整性指数来评估水生生态系统[24];Ruonan等以漓江的河坚鱼为研究对象,开发了一个综合模型,可以应用于水库运行以改善河坚鱼的栖息地质量,并且认为该模型经过改编后能应用到其他河流[25];还有美国环保署的生境适宜性指数(Habitat Suitability Index,HIS)和南非的河口健康指数(Estuarine Health Index,EHI)等。
在河流上修建梯级水库后,可能会使得河流生态系统产生高度的变化,使其稳定性降低,容易受到外来物种的入侵,导致生态系统失衡。Maria等对巴西圣保罗州河流梯级水库的研究发现,河流中物种多样性持续下降,而且有可能随着水库的老化,本地物种持续被外来物种所侵蚀[26]。Yuankun等研究丹江口水库对汉江的生态影响发现水生生物多样性大大降低,提出为了尽量减少负面生态影响,有必要优化水库的运行规则以保护河流生态系统[27]。
2.1 对库区生态系统的影响
大型水库尤其是调节性能好的水库,由于水体的大量蓄积,水位升高较大,在垂直方向上会形成有规律的水温分层现象[28]。水库上层温水由于与空气交换,溶氧量较高,在此状态下,如果库区内氮、磷含量较高,而且库区水流速度较低,透明度大,有利于藻类的光合作用,很有可能会造成水体富营养化。而下层水由于比较平稳,氧气的补充很少,且上层水生生物死亡而沉降到下层后,其分解也会消耗氧,并产生硫化氢等气体,影响水质,并使水体发出难闻的气味。长此以往,下层水体成为了厌氧生物环境,水生生物结构发生改变。Ming等研究发现三峡水库蓄水初期,大型底栖生物密度显著降低;然而经过一定的时间适应后,从2005年起,大型底栖生物的总密度显著增加,而且显示出明显的季节性,在冬季最低,秋季最高[29]。发展到后期时,水库会老化,此时大型底栖生物群落多样性和密度都会降低,形成以耐污种为优势类群的单一结构[30]。
梯级开发库区由于水域面积增加,水体的热效应使得当地的环境质量和陆地性气候得以改善,比如降雨增加、湿度增加、年平均气温升高和温差降低,影响程度与水域面积增加的程度也有着正相关性。刘红年等[31]研究发现,高山峡谷地区的水库由于水域面积增加程度较大,将导致附近地区在冬季增温0.4~0.85℃,使春、夏、秋季降温可达2℃,但影响范围不大,主要在水平2.5km、高度0.5km左右范围内。而如果水库水域面积较天然状况增加不大,则对当地的气候影响较小。王洁研究发现横江各梯级水库库容较小,水域面积增加较小,对当地的气候基本无影响[16]。
2.2 对下游河道生态系统的影响
水库的形成以及水库在枯水期时的下泄水量使得河道下游水位上升,淹没损失漫滩、湿地和岸边植物带[32],梯级水库的建设将会叠加扩大这些影响。河岸带无法在沉积物、营养物和污染物流入河流之前将它们滤出或吸收,水质会产生变化。Fan Yang等以长江三峡工程为例研究发现河岸植被大比例消失,受到的影响主要来自于洪水的逆转、洪水持续时间延长和新消落带的产生[33]。Ouyang等以黄河上游为例,研究开发了一种用于识别和预测梯级开发对河岸植被影响的分析技术,可以为减少梯级开发对河岸的影响提供基础指导[34]。河岸带是部分陆生植物及候鸟的栖息地,其淹没减少也会对这部分生物造成影响。流速的降低也增加适应平静水流的物种,如水葫芦等,破坏原有的生态系统;流速的降低还会改变河流中污染物的扩散速度,降低河流的自净能力,部分流域回水区出现水体富营养化甚至“水华”现象[35]。
水库在拦截水量的同时还拦截了大量的鹅卵石和砂石,这使得上游河床底部的无脊椎动物如贝壳类动物等的生存环境减少。在下游河段,水电站大流量下泄使得不能承受巨大的流速的小型昆虫若虫和无脊椎动物数量显著降低;流量的陡增引发的漂流,造成底栖生物存量大大减少;受调控的河段水流模式不稳定,也会造成大型无脊椎动物群落物种稀少[36]。
水库的形成还使得河流的纵向连续性、横向连通性以及垂向渗透性发生改变,进而引起水生生物栖息地发生变化。大坝的阻隔将河流生态系统分割成不连续的片段,这使洄游鱼类、半洄游鱼类的生境发生巨大改变。这类生物将无法更换各生活时期的生活水域来满足不同时期的对生活条件的需要,产卵等各种重要生命活动无法维持,继而数量大大减少。
水库排沙和下泄洪水会造成下游河道水体含沙量上升,在下游河道形成高含沙水流。含沙量的增加会降低水体溶解氧浓度,细颗粒泥沙会堵塞鱼鳃结构,影响摄入氧气功能,造成鱼类的死亡[37]。水中含沙量的改变还与鱼类繁殖有着密切的联系。彭秀华在研究中发现,中华鲟会在江水含沙量明显下降之后才开始产卵,产卵过程中江水的含沙量必须要较为稳定[38],水库的泄洪和排沙将极大的影响中华鲟的繁殖过程。
水量的改变也会影响到鱼类的繁殖。例如,4大家鱼(鲢鱼、草鱼、青鱼、鳙鱼)在一定时间的持续涨水过程后,才会开始产卵。而目前的水库调度规则运行时,河道流量过程趋于均一化,使4大家鱼第1次产卵的信号减弱或消失;同时洪水过程单一化,持续时间变短,连续日流量上涨率减小,洪峰最高流量降低,影响了4大家鱼的繁殖过程[39]。
大型水库会造成水温分层,冬季下层水温偏高,春夏秋季下层水温偏低;下层水下泄后,会使得下游河道水温在冬季偏高,春夏秋季偏低,干扰鱼类的繁殖过程。有研究发现[40],三峡水库蓄水后,下游宜昌江段中华鲟和4大家鱼产卵时间推迟,且产卵规模大幅度降低。
2.3 小结
河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统,研究河流生态系统特别需要关注河流生命系统和生命支持系统的相互作用和耦合关系[41]。梯级开发对河流水文情势和生态系统的影响并不是独立的,而是首先通过改变河流的水文情势,继而对河流的生态系统产生影响,河流生态系统的改变还会反作用于河流水文情势。目前的研究表明,梯级开发使得河流水文情势发生改变并作用于河流生态系统,但是河流生态系统的改变并不只是因为水文情势的改变,也存在其他的原因,人类的活动例如捕捞和对河流的污染等也会影响河流生态系统,所以笔者认为,需要进一步研究并阐明河流水文情势及其各个方面与河流生态系统的相关性,为如何避免或减小这些影响以及如何恢复河流的水文生态提供理论基础。
3 结语与展望
河流生态恢复研究 篇8
1 国内外研究
1.1 国外研究
很多国家已经对河流生态恢复引起足够重视。早在20世纪60年代, 德国和瑞士等已经开始意识到硬质混泥土护岸是导致河流污染的根本原因, 并且着手于生态学在工程中的应用;20世纪90年代, 美国也认识到这一点, 如洛杉矶河流就开始拆除混泥土河道。1986年, 日本通过对欧洲河流治理的学习, 拆掉了许多混泥土河道, 注重河道生态恢复。20世纪90年代, 德、美、法等国家开始大规模对混泥土河道拆除整治, 进行生态恢复。国外的河道生态恢复过程中, 水利工程学与生态学的结合, 使得河流生态恢复更具科学性[2]。
1.2 国内研究
我国各个专业学者 (生态学者、景观学着、水利专业学者等) 已经意识水利工程对河流污染会造成的严重影响, 从不同专业角度角度诠释河流生态修复研究的重要性。2002-2003年, 蔡庆华等对河流生态学研究中的热点问题进行研究, 唐涛等对河流生态系统健康评价等问题开始探讨。2003年, 董哲仁提出了“生态水工学”, 开始革新传统水利工程的设计, 基于水工学、水利工程学的知识, 融合、汲取生态学理论, 开展“生态水工学”研究, 并初探河流生态修复技术和基础研究的问题[3]。2005年1月19日, 中国科学院成立了水工程生态研究所, 其主要目的是寻求水利工程生态系统调控和水环境保护的生态对策。
2004 年, 夏继红、严忠民分析了国内外生态河岸带研究发展趋势, 认为近年来我国已经开始研究河流的“生态型护岸技术”, 提出了多种生态型护岸结构形式, 但是这些技术没有考虑其对生态环境的影响, 并非真正意义上的河道生态护岸。2004年, 杨海军等开展了对城市受损河岸近自然修复过程的自组织机理研究, 但只取得了初步成果, 还有许多问题有待深入细致地研究。
2 河流生态系统恢复的目标
2.1 河流生态恢复是多目标的河流治理过程
以前, 人们对城市河流的治理是针对某种功利价值的功能进行工程设计—防洪、排水等, 河道只是作为工程实体而非城市公共空间而存在, 对城市的整个生态系统、人的心理需求和生理方面需求的考虑欠佳。这种传统的河道治理方法相对安全, 但理念太过僵硬、效果单一, 快速但违反生态原则, 最终导致产生更多的生态问题[4]。建设生态河堤在21世纪已成为国际大趋势, 人们对生物生存环境的重视中, 却忽略了河流的自我存在和自我实现。河流的自我存在包括河流的自然生态、环境、植物、景观、历史和文化等特征。
2.2 将河流治理纳入城市规划
一方面, 自古以来, 城市的存在就与河流息息相关, 所以会有很多河流贯穿于城市之中, 这样就能更好地融入城市居民的生活中, 河流才能得到可持续的、稳定的发展;另一方面, 城市的发展离不开河流, 河流在改造和恢复中保持和延续生命力, 也是对城市发展的要求。
3 我国河流开发过程中存在的问题
3.1 水利工程部“一家独大”的现象突出
早在20世纪, 河流的管理就是水利工程部门的“一言堂”, 国内缺乏对于河流生态的认识。直到21 世纪, 才提出了“生态水工学”的概念, 生态学开始溶于河流的规划。但是, 水利工程部门“一家独大”的现象依然存在[5]。我国在开发河流的过程中, 最大的因素便是规划者对于其他学科知识的认识不足。
3.2 硬质材料的过度使用和软质植物的保护不利
20 世纪60 年代, 人们提出生态的概念正是基于对硬质景观混泥土护坡的批判。但是, 这个问题却是现在我国河流开发中一个最大的问题, 现今我国护坡手法中绝大部分是用混泥土, 长沙的沿江风光带、橘子洲头等, 不胜枚举。而且, 这种方式已成为设计师和规划师设计的一种潮流, 形成了一种不良风气。更让人匪夷所思的是, 有些河段甚至在河床用混泥土打实。然而, 河岸旁边长得茂盛、优美的植物却得不到保护。植物的根部是固土的最有效的手段, 看起来坚韧无比的混泥土反而容易被水流冲垮。
3.3 水土流失
我国水土流失面积大约360 万km2, 占据总国土面积的1/3以上。每年因水土流失损失的土壤达到50亿t, 而这大部分都是由于河流水土流失造成的。河流水土流失造成河道、湖泊泥沙淤积, 也加剧了江河下游地区的洪涝灾害。
3.4 水污染
2003年, 统计的全国废污水排放总量达到了680亿t, 其中生活污水和城镇污水各占1/3 和2/3。在对我国七大江河水系的重点监测断面中, 只有40%符合三类以上水质标准。从某种程度上讲, 生物入侵也造成了水污染, 同时影响河内生物的生存。
3.5 洪涝灾害
因大雨、暴雨或持续降雨, 导致地表径流的增大, 最终排入到河水中, 造成河水中积水过多, 形成洪涝灾害。近年来, 洪涝灾害越来越多, 频率也越来越快。
4 河流生态恢复的原则
对河流生态恢复的分析, 必须明确河流的生态恢复要求基于遵循自然规律, 通过人类的作用和技术的进步, 经济上允许, 社会的可接受性, 使退化的河流生态系统, 重新焕发出其应有的生机, 造福于人类的生态系统重构或再生过程。而对河流生态系统的恢复主要应遵循以下原则。
4.1 河流生态系统的完整性
对河流生态恢复的研究, 首要原则是其完整性。河流生态系统的完整性是保证河流能够正常运行的首要前提, 只有保证了其完整性, 才能获得连通性、稳定性等前提原则。河流生态系统的完整性主要包括以下3 个方面:河流流域的完整性、河流横断面的完整性以及河流系统的整体性。在河流横剖面完整性中, 尤其在于重点恢复河流水系、堤岸、河岸带、河畔湿地及林地水体等的完整性, 不能使河流渠道化, 把河流生态系统只是当成一条巨型的“排水管”。
4.2 河流生态系统的稳定性
河流生态系统的稳定性主要体现在以下3 个方面:河流景观构成的稳定, 河流生态系统结构与功能的稳定, 河流流量的稳定[6]。河流景观构成的稳定, 不是说把景观都做成混泥土护坡的这种稳定, 而是多利用绿色植物, 配合适当的硬质材料, 达到河流、河岸及河岸边的农田的和谐共生。河流流量的稳定, 指的是河流流量在其本身可以容纳的一个流量值, 在旱季的时候, 河水不能太少, 在捞季的时候, 河水不能太多而影响河岸。
4.3 河流生态恢复的连通性
在系统、整体和可持续发展的前提下, 以河流整体生态系统的功能和结构为基础, 从生态整体性及水土资源开发为出发点, 结合城市规划、景观设计和水利工程, 为人民创造一个安全、有生气、舒服且富含情趣的环境。
4.4 河流功能的多样性与主导支配性
河流具有重要的生态功能, 宜人的风景格局, 多种多样的景观结构, 变化多端的水体, 使得其功能不仅仅是排洪蓄水, 而根据具体环境具有多样化的特点。这也就造成了不同环境下的河流, 其主导支配性存在差异。因此, 在进行具体河流的规划设计时, 针对特定的地段及其特殊过程、特殊问题, 制定独特的恢复生态途径。河流的主导支配性, 指向了河流规划设计的方向和目标。
5 河流生态恢复的内容
从河流生态系统的组成可知, 河流生态恢复的主要内容包括以下几个方面:河流自然生存环境恢复、河道的整治恢复、河口地区恢复、河漫滩恢复和河畔湿地恢复等。必须遵循自然规律同河流生态系统的要求, 同时结合人类需求进行具有内在联系的规划设计, 而不能仅仅靠规划者不合理的设计进行强行修复。而且河流生态恢复的内容会随着环境和现状的变化而变化。
5.1 河流水体的稳定和流量恢复
维护稳定的河流水体是河流生态系统恢复的核心。河流水体流量常年不足, 就会打破河流生态系统的平衡, 从而退化形成新的平衡, 造成生态系统严重退化, 河道也会被进一步缩小到极为窄小的范围, 陆地生态系统会占据河流生态系统的面积。而河流水量不足的主要原因有:1) 气候环境变干, 使得大范围降雨得不到满足, 地表径流量明显减少, 最终导致河流水流变小;2) 水库、水坝等汇水措施在上游的建立, 直接影响下游地区的河流河水流量。
5.2 河道整治恢复
中小河流的整治一般采取以下措施提高防洪安全度, 即顺直河道、加大河流宽度以及修建护岸工程。与此同时, 项目建设区内珍稀植物的消失, 潭水规模的缩小等造成流速的单一化。还有, 河床坡降改变泥沙的输送量, 影响着生物的栖息。针对此, 主要采取以下应对方法缓解河流整治方面的不足:1) 在整治地的选择上, 考虑生物栖息地的因素, 保留大型深潭的弯道, 对濒临灭绝的物种进行重点保护;2) 对河流两边滩地、湿地进行保护, 维持生物多样性和保护绿色植物的正常生长。
5.3 河口区生态恢复
人类对河口生态的影响主要有以下方式:河床的疏挖造成的盐水上朔, 造成鱼的产卵地减少, 同时对盐沼产生影响甚至是消失。日本九州在经历特大洪灾后, 对北川河道进行改造, 影响到河口地区生态环境、外来植物的入侵以及人工河堤造成的景观质量下降等生态问题[7]。针对这些问题, 通过控制河床疏挖, 合理植入滨河植物, 移植芦苇防止外来树种入侵, 减少湿地面积的破坏, 人工堤坝的景观设计等与现有景观的和谐, 来形成自然和生态良好的河口区。
5.4 河漫滩与河岸带恢复
河漫滩和河岸带是河流很重要的组成部分, 人类对河流过度的、不合理的开发, 造成了河漫滩和河岸带的严重损坏。主要的破坏方式有:农民为追求自己的经济利益, 对河漫滩和河岸带进行非法开挖、开垦和农耕;在河漫滩不合理的取沙搬石, 破坏其水文、地貌及斑块镶嵌体;人工的岸堤缩短了河道;河漫滩和河岸带的建设, 破坏了其生态系统;5) 将弯曲的河道顺直, 人工改变河道原有的形态, 破坏了其原有的生态环境。
6 河流生态恢复的措施
河流的生态功能、安全功能、游憩功能以及其与人文发展的相适应性, 河流生态恢复无论是在国内还是国外都是景观生态规划的一个重要类型。对于河流生态恢复, 不仅仅是对河流内部进行整治, 而要着手于大自然和人类。显然, 河流中产生的各种问题并非其本身造成的, 只有找到这些问题的原因并采取针对性的措施, 才能够使河流生态真正得以恢复。
6.1 建立一个“水利工程-生态-景观规划”管理规划设计系统
“水利工程-生态-景观规划”管理规划设计系统的建立, 可以避免一言堂现象的出现。3个行业站从不同角度去理解河流建设, 各自相互监督, 这样就不会在决策、规划和管理上犯一些很明显的错误, 这是河流生态得以恢复的一个有力保障。
6.2 对河流各个源头的保护
河流的源头有以下几个方面:自然降水、地下水、冰雪融水。对水源的保护主要是对自然降水和地下水的保护。自然降水的污染主要是大气中在形成雨点的时候融入了有害气体的元素, 如硫、磷等。所以, 种植绿色植物, 对净化空气质量是一个很好的方法。
6.3 流域景观生态系统的恢复
流域景观生态是河流生态的背景和大环境, 只有在流域生态做好的情况下, 才有可能对河流生态进行恢复。流域生态为河流生态提供稳定的水源、清洁的水质、生物多样性和丰富的通道, 有利于稳定河流生态系统。基于这种依存关系, 河流生态系统的恢复重点和起点是维护和恢复流域景观生态系统的稳定性、多样性、连通性和整体性。
6.4 河道生态系统的恢复
河道生态系统的恢复主要包括清除河道所受到的干扰和河道水文条件基础上的恢复。
6.4.1 清除所受干扰
清除河道所受到的干扰主要包括:1) 取消河漫滩旁边的各种耕种活动, 重新恢复其河漫滩地生态;2) 阻止不合理的人工取沙和取石活动;3) 拆除不合理的水坝;4) 一律清除任何在河漫滩地的建设行为。
6.4.2 河道水文条件基础上的恢复
河道水文条件基础上的恢复主要包括:对河道生态系统结构与功能的恢复, 河道景观生态空间结构多样性的恢复。主要措施有以下几点:1) 河流缓冲带的恢复, 河流缓冲带位于河流两岸的林地、草地和山坡地的自然生态环境当中, 是河岸带的重要景观类型;2) 河流沿线的原生植被的重建, 保证其生态系统恢复的植物因素, 是河道景观生态恢复的重要步骤;3) 河道边坡的降低, 边坡太高不利于植被的正常生长, 植物分布产生脱节现象, 而且不能给动物足够的栖息空间, 所以要降低边坡, 改造成自然的边坡;4) 恢复河漫滩或者河流泄洪地区的自然湿地和修建部分重要的人工湿地, 这是构成河道景观生态的重要组成部分;5) 重新塑造弯曲河谷, 小河床由于地转偏向力的作用下形成的曲流现象, 形成弯弯曲曲的河谷, 这种形式的河谷更有利于动植物的生存;6) 浅滩和深潭的修复, 它们是在水文动力在地形的作用下形成的, 为不同类型的生物提供了生境和栖息地;7) 对水边湿地和沼泽地森林的修复, 使之成为河流伴生的景观生态系统;8) 修复零星分散的池塘, 河道中的洼地、沙洲和池塘的镶嵌格局, 在高水位期间会被水流冲坏, 低水位时又会形成格局, 但每次过水后的格局都会不同。
7 小结
河流生态系统的自我恢复能力往往比较缓慢, 但是人为重建可些许改善并改变生态系统演替的速度, 从而缩短其恢复周期。河流生态系统的自我恢复能力的耗时具有明显的地域差异。一般温湿气候环境下, 自然恢复速度相对较快;在寒冷干燥的环境下, 自然恢复速度相对比较慢。基于这种情况, 各地区达到各自生态系统的有效恢复与重建, 就必须因地适宜, 遵循恢复生态学的基本规律, 以及水利工程的基本技术和景观行业的专业知识, 结合各自的实际情况, 合理地规划、管理和恢复。
参考文献
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