（水文学及水资源专业论文）河流功能区划与河道治理模式研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 随着社会经济的快速发展 人类对自然的改造能力越来越强 同时对生态环境的需 求和期望也越来越高 河流不仅在水利方面起到防洪减灾 供水兴利的作用 而且在社 会和生态环境方面还是沿河地区人群与生物集结的场所及人文历史发展的载体 影响着 整个区域的发展和进步 传统的河流治理模式主要以 防洪兴利 为主 目前随着人们 观念的更新 建设人与自然相和谐的水边环境 在水资源开发利用与生态系统健 康之间寻找平衡 以及 河流生态建设 等成为新时期的治河理念 随着上述理念的提 出 河流生态环境保护与建设的研究急需寻找一套适当的理论体系和技术手段为工程实 践提供技术支持 本研究从河流功能区划的角度出发 兼顾河流的资源 环境及生态功能 提出了一 套河流功能评估 功能区划及典型功能区治理模式的技术和方法体系 工程实践方面 重点探讨了生态型护坡构建技术及河流生物栖息地改善措施等生态修复方法 首先 研究了现代条件下河流功能的扩展及分类体系 并建立了河流功能综合评估 方法 该评估方法采用了多指标评价法 对河流的自然功能和社会功能分别建立指标体 系 采用打分法 对每个指标进行分级并设定分级标准 从时间和空间尺度上给出每个 指标的评估尺度 经过尺度变换 计算指标得分 建立了河流功能的综合评估方法 将 该评估方法应用于沈阳市浑河河段的评估 评估成果可以为该河段下一步的生态恢复建 设提供参考 其次 较系统地研究了河流功能区划的目标 原则 分类体系 区划方法及区划程 序 从生态系统的连续性和河流功能的完整性出发 按照人类对河流开发利用的强度和 河流的功能特点将河流功能区划分为生态保护区 生境修复区 开发利用区 缓冲区和 过渡区5 类 给出了这5 种类型区的定性描述 并就如何判断功能区的类型进行了定量 研究 以河流功能综合评估方法为理论基础 依据河流社会功能评估得分和自然生态功 能评估得分两个准则建立功能分区图 建立了河流功能区划的双准则约束矩阵分区方 法 最后总结上述内容给出了河流功能区划的程序 第三 重点探讨了生境修复区的治理方法 包括生态型护坡构建技术 方案决策和 生物栖息地状况改善研究 生态型护坡构建技术包括生态型护坡的设计原则 设计流程 常用的材料和结构 另外 本文还探讨了满足生态功能 景观功能和亲水功能的生态型 护岸的结构设计方法 方案决策部分 建立了生态护坡的评价指标体系和方案优选方法 指标体系的建立 采用了德尔斐专家调查法 d e l p h i 和层次分析法 趾口 方案优选方法引入了模糊集理 河流功能区划与河道治理模式研究 论 建立了基于t o p s i s 的模糊多属性决策方法 共有1 0 位专家参加了问卷调查 其 中指标的相对重要性调查采用了两两比较法 方案的相对偏好调查采用语言评语集 应 用层次分析法求解指标权重 应用三角模糊数和模糊左右评分法将语言评语集中的语言 变量转化为实数值 然后应用t o p s i s 方法进行方案优选 将上述评价体系和决策方法 应用于沈阳市浑河生态护坡工程方案优选中 结果表明三维植被网是最优的护坡措施 为了验证方法的有效性和结果的可靠性 文中对指标权重和决策过程中的计算方法进行 了敏感性分析 包括正交化技术和距离计算方法 结果表明 指标体系中 建造成本 和维护成本对方案优选结果比较敏感 可以作为决策过程中的主导因子 其它指标对优 选结果皆不敏感 距离计算方法和正交化技术对优选结果不敏感 敏感性分析结果表明 本文提出的决策方法是有效的 可行的 可以应用于工程实践中 第四 河流生物栖息地状况改善研究部分 首先阐述了栖息地的分类和评估技术 然后建立了基于数值模拟技术的栖息地量化方法 该方法假设栖息地多样性与生物多样 性之间存在必然的关系 利用水流流态代表生境类型 然后通过水动力学模型求解水流 流态从而量化栖息地得到每种类型的栖息地面积 进而评价栖息地的多样性并发展可供 工程规划设计参考的生境分布图 实例研究表明 本文提出的量化方法简便 可行 可 以应用于河流生态修复治理中 最后 对全文进行了总结 并对有待进一步研究的问题进行了展望 关键词 河流治理 功能区划 治理模式 生态修复 大连理工大学博士学位论文 r i v e r sf u n m c t i o nz o n i n ga n dr i v e r t r a i n i n gm o d e a b s t r a o t w i t ht h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h ea b i l i t yt ot r a n s f o i t l ln a t u r eo fh u m a n b e c o m e ss t r o n g e ra n ds t r o n g e r s ot h ee c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a ln e e d sa n de x p e c t a t i o n s h a v eb e e ni n c r e a s e da c c o r d i n g l y r i v e rr e g u l a t i o n sn o to n l yp l a yt h ei m p o r t a n tr o l e si nf l o o d c o n t r o l d i s a s t e rm i t i g a t i o na n dw a t e rs u p p l y b u ta l s oi ns o c i a la n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t w h i c ha f f e c tt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fe n t i r er e g i o n s n 坨t r a d i t i o n a lr i v e rr e g u l a t i o ni s m a i n l yf o rf o r e c a s t e df l o o d n o w 淅n lt h eu p d a t eo fp e o p l e sc o n c e p t s c r e a t i n gh a r r n o m o u s r i v e r s i d ee n v i r o n m e n tb e t w e e nh u m a na n dn a t u r e a n d f i n d i n gab a l a n c eb e t w e e nr a t i o n a l u t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n de c o l o g i c a lh e a l t h h a v eb e c o m i n gn e wt h ei d e a si nr i v e r r e g u l a t i o n t h er e s u l t i n gp r o b l e mi st h a tr i v e r se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dc o n s t r u c t i o n n e e dt of i n da na p p r o p r i a t et h e o r e t i c a ls y s t e ma n dt h et e c h n i c a lm e t h o d st op r o v i d es u p p o r t f o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e i nt h i ss t u d y as e to ft e c h n i q u e sa n dm e 也o d o l o g i e so fr i v e rf u n c t i o n a la s s e s s m e n t f u n c t i o n a lz o n i n ga n dt h eg o v e r n a n c em o d e lo ft y p i c a lf u n c t i o n a la r e a sh a sb e e np r e s e n t e dt o b a l a n c et h eu t i l i z a t i o na n dp r o t e c t i o no fr i v e rr e s o u r c e s r i v e re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na r c d e t a i l e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o do fr i v e rf u n c t i o ni se s t a b l i s h e du s e dt h e m u l t i p l e i n d i c a t o r se v a l u a t i o nm e t l l o dt os u p p o r tt h ef u n c t i o n a lz o n i n g t h ei n d i c a t o rs y s t e m s o fn a t u r a la n ds o c i e t a lf u n c t i o n sa r eb u i l ts e p a r a t e l y a c c o r d i n gt os c o r i n gm e t h o d t h e i n d i c a t o rg r a d i n ga n dg r a d i n gs t a n d a r da r es e t f r o mt h et e m p o r a la n ds p a t i a ls c a l e s t h ei n d e x s c o r e sa r ec a l c u l a t e d ac a s es t u d yi so f f e r e dt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ee v a l u a t i n gm e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n d i t i o no fn a t u r a lf u n c t i o ni s m a r g i n a l a n ds o c i e t a lf u n c t i o n i s g o o d i ns t u d i e dr e g i o n s ot h er e s t o r a t i o no fr i v e r b a n kv e g e t a t i o na n dt h eh a b i t a t c o n s t r u c t i o nf o rr i v e r ss p e c i e ss h o u l db e c o m et h em a i ng o a lo fr i v e rr e g u l a t i o ni nf u t u r e 2 r i v e r sf u n c t i o nz o n i n gm e t h o di sp r o p o s e do nt h eb a s i so ft h es t a t u so fr e g u l a t e d r i v e r sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s i nw h i c ht h er e g i o n a l i z a t i o no b j e c t i v e s p r i n c i p l e s c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m d i v i s i o nm e t h o da n dz o n i n gp r o c e d u r ea r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d f o rt h ee c o s y s t e mc o n t i n u i t ya n dr i v e rf u n c t i o n si n t e g r i t ya n dc o n s i d e r i n gt h ei n t e n s i t yo f h u m a nu t i l i z a t i o na n dr i v e rf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s t h ef u n c t i o n a la r e a sa r ed i v i d e di n t of i v e t y p e s e c o l o g i c a lp r o t e c t i o na r e a h a b i t a tr e s t o r a t i o na r e a d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n a r e a s b u f f e ra r e aa n dt r a n s i t i o na r e a n 地q u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o n sa n dt h eq u a n t i t a t i v e d i s t i n g u i s h i n gm e t h o do ft h e s ef u n c t i o n a la r e a sa r eg i v e n n l el a t t e ri sb a s e do nt w oc r i t e r i at o i i i 河流功能区划与河道治理模式研究 e s t a b l i s hf u n c t i o n a lz o n i n gm a p w h i c ha r ee v a l u a t i n gs c o r e so fn a t u r a la n ds o c i e t a lf u n c t i o n s s u m m a r i z e da b o v et h em e n t i o n e d t h ez o n i n gp r o c e d u r eo fr i v e r sf u n c t i o ni so f f e r e d e v e n t u a l l y 3 a sg o v e r n a n c em o d e lo fd i f f e r e n tf u n c t i o n a la r e a s t h i ss t u d yf o c u s e so nt h eh a b i t a t r e s t o r a t i o na r e a i n c l u d i n ge c o r e v e t m e n te n g i n e e r i n ga n dt h ei m p r o v e m e n to fh a b i t a t s f o r a ne c o r e v e t m e n tp r o j e c to fu r b a nr i v e r v a r i o u sf a c t o r sm u s tb ec o n s i d e r e d s u c ha s t h e e c o n o m i c e c o l o g i c a l r e c r e a t i o n a la n ds o c i a l b a s e do nt h a t t h i sp a p e rf i r s tg a v es e v e r a l t y p i c a ls t r u c t u r ed e s i g n sm e e t i n gw i t ht h ed i f f e r e n tf u n c t i o n ss u c ha se c o l o g i c a lf u n c t i o n a e s t h e t i cf u n c t i o na n dr e c r e a t i o n a lf u n c t i o n t h e n a na s s e s s m e n ts y s t e mo fr e v e t m e n tw o r k c o n s i s t i n go fe i g h ti n d i c a t o r s i se s t a b l i s h e d a p p l i e dt h i s a s s e s s m e n ts y s t e m af u z z y m u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o db a s e do nt o p s i si s p r o p o s e dt op r i o r i t i z et h e a l t e r n a t i v e s i nt h ec a s es t u d yo ft h eh u n h er i v e r t h ed a t ab o t ht h ei n d i c a t o rr e l a t i v e i m p o r t a n c e s u r v e y e db yp a i rc o m p a r i s o n a n dt h er e l a t i v ep r e f e r e n c eo fp r o j e c t s s u r v e y e dv i a l i n g u i s t i cv a r i a b l e s a r ec o l l e c t e df r o mt e ne x p e r t st h r o u g hd e l p h im e t h o d t h ef o r m e ri s p r o c e s s e db ya h p a n dt h el a t t e ri sd e a l t 析t ht o p s i sa f t e rt h ep r e f e r e n c ed a t ai sc o n v e r t e d i n t ot h eq u a n t i t a t i v eu s e dt h ef u z z ys e tt h e o r y t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sb o t hi n d i c a t o rw e i g h t s a n dd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d si n d i c a t e st h a tc o n s t r u c t i o nc o s ta n dm a i n t e n a n c ec o s ta r e d o m i n a n ti n d i c a t o r s a n dt h ed i s t a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o da n dn o r m a l i z a t i o nt e c h n i q u ea r e i n s e n s i t i v et ot h ep r o j e c t sp r i o r i t i z a t i o n t h ep r o p o s e dm e t h o d o l o g yi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e m e t h o df o rm a n a g e r st oe v a l u a t ea n dc h o o s et h eo p t i m a le n g i n e e r i n gm e a s u r e sf o rr i v e r b a n k p r o t e c t i o n 4 i nt h es t u d yo fh a b i t a ti m p r o v e m e n t t h eh a b i t a tc l a s s i f i c a t i o na n da s s e s s m e n t m e t h o d sa r er e v i e w e df i r s t l y t h e n t h eq u a n t i t a t i v em e t h o do fh a b i t a tb a s e do nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi se s t a b l i s h e d w h i c ha s s u m e st h a tt h ed i v e r s i t yo fh a b i t a ta f f e c t s b i o d i v e r s i t y s o t h ef l o wr e g i m ei su s e dt od e n o t et h et y p e so fh a b i t a t w h i c hc a nb es o l v e d b yh y d r o d y n a m i cm o d e l f r o mt h ec o n t o u rm a p so ft h ef l o wr e g i m e s h a b i t a ta r e ac a nb e c a l c u l a t e d b yw h i c ht h eh a b i t a td i v e r s i t yc a nb ee v a l u a t e da n dt h eh a b i t a td i s t r i b u t i o nm a p c a nb ed e v e l o p e dt oh e l pt h ee n g i n e e r sf o rp l a n n i n g ac a s es t u d yi so f f e r e dt od e m o n s t r a t e t h es t u d yp r o c e s sa n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eq u a n t i t a t i v em e t h o dp r o p o s e db yt h i sp a p e r i ss i m p l ea n df e a s i b l ei nr i v e re c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n f i n a l l y as u m m a r yo ft h ep a p e rc o n t e n t si sg i v e na n ds o m ep r o b l e m sn e e d e dt ob e f u r t h e rs t u d i e da r ed i s c u s s e d k e yw o r d s r i v e rr e g u l a t i o n f u n c t i o n a lz o n i n g g o v e r n a n c em o d e l e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n i v 独创性说明 作者郑重声明 本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 日期 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连理工大学硕士 博士学位论文版权使用 规定 同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文 作者签名 乃瑞抽作者签名 力柳舢 导师签名 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着社会经济的快速发展 人类对自然的改造能力越来越强 同时对生态环境的需 求和期望也越来越高 河道治理及其环境建设就是一个突出的例子 河道不仅起到防洪 兴利的作用 通过优化河道治理模式创造丰富多样的生态环境和独具特色的区域文化目 前也受到了普遍重视 然而 在没有对整条河流进行系统研究 特别是沿河有多个行政 区参与管理的情况下 河流利用和河道治理出现了很多不够协调的问题 首先 从整条 河流来看 不管是从治理规模上还是模式上 不同行政区河段的差异很大 有的为了某 一河段的局部目标而引起了其它河段的卫生 安全 生境连续性等问题 其次 从河流 横向上来看 传统河道被道路 公园或住宅区侵占 很多河流系统空间缩小 过水能力 降低 河道的人工化使河流生物栖息地网络被分割 孤立 生物多样性减少乃至消失 河道自我修复能力降低 河流生态系统退化 类似行为使河道演化为单调的泄洪道和排 污沟 原有经济 社会 生态 环境 文化等功能被削弱或丧失 河流是在相应的地理 气候 水文条件下经过长期演变形成的完整和谐的生态系统 其上下游 左右岸及干支流之间是相互影响的 其中某一环节发生变化 都会影响甚至 破坏整个生态系统的平衡 近些年 我国的很多河道 特别是城市段河道得到了大规模 的整治 收到了较好的实现既定目标的效果 然而从总体上来看基本上还处于水质改善 和景观建设阶段 缺乏将传统水利与生物栖息地及文化景观建设的有机结合 尤其是 在河流的系统性和完整性方面考虑不够 未雨绸缪 防患未然 对于人类活动的这些无 序干扰 以及对河流实施的以区段条块为中心的治理模式 成为目前河道治理中必须注 意的大问题 此外 全国水功能区划方案实施后 河流管理需要对水功能区划目标起到 保障作用 2 0 0 7 年初 水利部也发出了 关于开展河道 湖泊 岸线利用管理规划工作 的通知 水建管 2 0 0 7 1 6 7 号 部署河道 湖泊 岸线利用管理专项规划工作 由此 可见 河流综合治理规划已经成为当前亟待解决的问题 针对上述需求 本文从保护河流生态环境的系统性与完整性出发 探讨了河流功能 区划以及与之相适应的河道治理模式问题 首先 研究现代条件下河流功能的扩展及分 类体系 继而从河流生态环境的系统性和河道利用与管理的协调性出发 研究河流功能 的区划问题 以保证不同功能的持续稳定为目标 建立了以自然功能和社会功能为准则 的双准则约束矩阵分区方法 在工程保障方面 研究推荐与河流功能区划相匹配的河道 治理模式 河流功能区划与河道治理模式研究 1 2 问题的提出 1 2 1 河流的功能 世界各地人民都把当地的主要河流称为他们的母亲河 这是因为 人类不仅傍河而 生 而且利用和开发河流 谋求社会经济的发展 河流的功能是多方面的 传统的功能 可以用 兴利 和 除害 两大内容概括 兴利是以水资源的开发和利用为主要内容 如水力发电 城市用水 农业灌溉 航运等 除害是以防洪除涝为主要内容 如修堤筑 坝 疏通河道 挖河导流等 随着社会的发展和进步 水域污染日益加重 生态环境急 剧恶化 因此社会对于改善水域环境的要求日益高涨 河流的环境功能和生态功能得到 了重视 河流的环境功能表现在水体自净 输沙 景观亲水 休闲娱乐及场所形象等方面 这些功能在河流的城市段显得尤为重要 河流的生态功能指河流为动植物繁衍提供了栖 息地 通道 屏障及食物的来源 由于人类活动的干扰以及对河流分割条块式的治理模 式 目前我国大部分的河流生态系统都遭到了严重的破坏 河流的生态功能几乎消失殆 尽 因此河流生态修复建设成为了当前的研究热点 概括起来 河流的功能主要包括水 利功能 资源功能 环境功能和生态功能等 各功能要素见表1 1 表1 1 河流的功能及功能的载体 t a b 1 1r i v e r sf u n c t i o n sa n df u n c t i o nc a r r i e r s 1 2 2 人类活动对河流功能的影响 水利工程在防洪 灌溉 供水 发电 航运和旅游等诸多方面对于保障社会安全 促进经济可持续发展发挥着巨大的作用 这是毋庸置疑的事实 但是另一方面 水坝和 堤防 河道整治工程及跨流域调水等各类水利工程 对于河流生态系统也造成了胁迫效 应 2 j 水利工程的负面影响主要表现为改变了自然水文规律和引起地貌特征变化 从而 不同程度地改变了生境条件 导致淡水生态系统结构和功能的变化 具体表现在如下几 个方面 一2 一 大连理工大学博士学位论文 1 对环境的影响 水利工程与生态环境间的相互影响 在河流开发治理上表现的最为集中 首先触动 人们的是水利建设产生的环境影响 如水质污染 饮水安全 泥沙淤积 滑坡地震 移 民环境等 2 对水文周期的影响 随着经济及城市化的发展 人类开发利用河流的活动由中下游逐步向中上游发展 水域空间被侵占 河道空间减小 水面缩窄 行洪能力降低 并且使河流天然的浅滩和 湿地消失 有的河道被水泥板覆盖 天然沟溪 坑塘 洼地及河滩地被大量填平或被圬 工化的河渠和雨 污 排水线路代替 水面面积急剧减少 流域涵养水源的能力降低 同样降雨条件下 洪水在峰和量上均大于自然洪水 致使洪灾极易发生 3 对河流生态系统的影响 人类在开发 利用水资源获得巨大经济利益的同时 对河流生态系统造成了严重的 负面影响 如河流的渠道化改变了水流自然的流路 使河流生境变得单一 不透水的堤 防和铺面割断了地面水和地下水的交换 破坏了生物的栖息环境 使生物多样性降低 河道植被的清除造成水温升高 外部能量来源消失 并使冲积物与营养物流入河中导致 水质变坏 河流的渠道化效应 都市化水文效应 水污染以及栖息地零碎化效应是造成 河流生物生态系统破坏的根源 1 2 3 国内外河流治理进程 1 国外河流治理进程 国外对河流生态环境的研究和实践已有一百多年的历史 取得了显著的效果 通常 的做法是基于河流生态系统的管理和维持生物多样性的河流流量研究 通过改善河流水 质 重建和恢复生态等内容的实践来改善生态环境 如减少枯水期引水量 大幅度减少 地下水开采 国外对河流实施单一目标管理的立场是为了避免洪水 以保证居民的安全 即以质量转移动力学为基础 通过建立河流和洪泛平原生境 建设人工大坝等工程措施 降低洪峰流量 使日流量趋于稳定 但这样的做法存在的问题是河流经长时间的运行 来自上游的沉积物不断积累 冲刷洪水流量减小 水和沉淀物的自然流动受到抑制 水 流携带的泥沙沉积在水库和下游地区 河流的生境趋于恶化 河流综合管理研究则弥补了单一目标管理的不足 采用河道内流量增量法 蒙大纳 法 流量持续时间曲线法 栖息地排水法 水力学评价法等方法 从河流的研究范围和 尺度 河流系统分类和评价 河流恢复 稀释用水及维持生物多样性的河流流量5 个方 面统筹考虑 以维持河流生态环境的自然平衡 最具代表性的是w a r d 提出的四维河流 河流功能区划与河道治理模式研究 生态系统 即河流在纵向 横向 垂向和时间分量上具有连续性 相互性 融合性 延 续性特点 在维持生物多样性的河流流量研究中 2 0 世纪9 0 年代以前对生态需水量的 研究主要集中在河道自身的物理形态 所关心的鱼类及无脊椎动物等对流量的需求方 面 对整个生态系统的完整性未能加以充分考虑 2 0 世纪9 0 年代后 p e t t s 认为在河流管理中 应从纵向的连接 洪泛平原的流量 维持河道的流量3 个方面进行考虑 并提出确定生态系统可接受流量的两个步骤 一是 制定生态目标和综合目标 提出生境和物种数量可接受的损失度 如在荷兰的自然政策 方针中 生态系统可接受的最大损失度为物种的5 二是参照基流量考虑当前可接受 的平均流量 极低或极高的流量及频率和持续时间 确定可操作的最小单元 并提出相 应的具体生态目标 2 国内河流治理进程 与国外相比 由于国内缺少对河流生态环境的正确认识 只注重经济建设 忽视对 生态环境的维持 出现了城市和工业用水挤占农业用水 农业用水挤占生态用水的现象 导致生态环境恶化 进而对经济的可持续发展构成极大威胁 具体表现如2 0 世纪9 0 年 代以来黄河频繁断流 北方地区沙尘暴肆虐 江河湖泊水体污染严重 近几年 随着人 们对河流认识的深入及工程的实施 对河流的生态环境治理从原来仅对河流水环境污染 进行治理和改善水环境质量逐步向河流生态用水 河流生态恢复及湿地 流域生态建设 等方面扩展 如成都的府南河 太原的汾河 济南的小清河等河流水环境改善工程 但 从流域及河流两侧的社会发展 产业调整 土地及规划控制 生态景观建设等方面进行 综合研究的成果甚少 基本上没有工程实践 1 2 4 开发利用与生态环境保护的协调 在最近2 0 余年 水利工程的生态影响问题在世界范围内受到广泛关注 也是国际 环境保护领域极具争议的话题 在国际资源与环境研究领域有两种对立的理论 一种称 之为 资源主义 主张最大限度持续地开发可再生资源 另一种称之为 保护主义 强调了满足人类经济发展需求的重要性 却忽视了维护健康生态系统对人类利益的长远 影响 而 保护主义 虽然高度重视维护自然生态系统 但是反对人们对自然资源的合 理开发利用 其结果往往会脱离社会经济发展的实际而成为空谈 如何全面 辩证地对待水利工程的生态影响问题呢 一方面 要解决社会 经济 人口布局与水资源时空分布不协调的矛盾 或者要开发水电这种清洁能源 都离不开水 库大坝等水利工程 历史和现实确定了水利基础设施在我国社会经济生活中不可动摇的 地位 另一方面 水利工程负面的生态影响是客观事实 不能回避 应该科学地对待并 一4 一 大连理工大学博士学位论文 给与高度重视 现代科学告诉我们 淡水生态系统的退化 生物多样性的减少 生态系 统功能的降低 会给人类当前特别是长远利益带来损害 未来的水利工程在权衡水资源 开发利用与生态环境保护这两者关系方面 应该理性地寻找资源开发与生态保护之间合 理的平衡点 实现可持续发展的目标 在工程技术层面 纵观传统意义上水利工程的目标和技术 都是以建设和运行工程 设施为手段 通过控制和改造河流 实现预期的经济效益和社会目标 这虽然满足了社 会经济需求 但是在不同程度上忽视了淡水生态系统的健康需求 面对这个复杂问题 应坚持权衡利弊 趋利避害的辩证思维方法 探索通过工程措施 生物措施和管理措施 尽量避免 缓解或补偿水利工程对于合理生态系统的负面影响 达到社会经济效益与生 态保护双赢的目标 1 3 相关研究的进展 1 3 1 河流连续体理论 v a n n o t e 等人在19 8 0 年提出了河流连续体概念 r i v e rc o n t i n u u mc o n c e p t r c c 3 1 预测沿河流长度方向物理 化学和生物特征的变化 这种理论认为由源头集水区的第一 级河流起 以下流经各级河流流域 形成一个连续的 流动的 独特而完整的系统 称 为河流连续体 它在整个流域景观上呈狭长网络 基本属于异养型系统 其能量 有机 物质主要来源于相邻陆地生态系统产生的枯枝落叶和动物残体及地表水 地下水输入过 程中所带的各种养分 河流连续体概念是以北美自然未受扰动的河流生态系统的研究结果为依据发展而 来 它是描述河流结构和功能的一个方法 它应用生态学原理 把河流网络看作是一个 连续的整体系统 强调河流生态系统的结构和功能与流域的统一性 这种由上游的诸多 小溪直至下游河口组成的河流系统的连续性 不仅指地理空间上的连续性 更重要的是 指生态系统中生物学过程及其物理环境的连续 按照河流连续体理论 从河流源头到下 游 河流系统内的宽度 深度 流速 流量 水温等物理变量具有连续变化特征 生物 体在结构和功能方面与物理体系的能量耗散模式保持一致 生物群落的结构和功能会随 着动态的能量耗散模式做出实时调整 所以 下游河流中的生态系统过程同上游河流有 直接联系 也就是说 上游生态系统过程直接影响下游生态系统的结构和功能 这一理 论还概括了沿河流纵向有机物的数量和时空分布变化 以及生物群落的结构状况 使得 又可能对河流生态系统的特征及变化进行预测 河流功能区划与河道治理模式研究 1 3 2 河流不连续体理论 河流连续体概念针对的是自然的未受干扰的河流 序列不连续体概念 s e r i a l d i s c o n t i n u i t yc o n c e p t s d c 则侧重于人为干扰 针对的是拦蓄的河流或洪泛平原河流 实际上 它们既相互重叠 又相互补充 随着人们对水坝导致的河流系统的各种生物物 理反应的重视 序列不连续体概念愈来愈受关注 甚至被作为河流管理的一个模式 在 我国 随着拦河堤坝的不断兴建 河流的自然流动将受到更多的干扰和人为调节 这有 可能带来河流生态系统的退变 相应的研究工作也日益受到关注h 序列不连续体概念的目的是解释大坝对河流生态系统结构和功能所产生的相关效 应 并作出预测 在s d c 最初的形式中 把大坝看作最典型的干扰事物 认为大坝是 造成河流连续体分裂并引起非生物和生物参数与过程在河流上游一下游之间变化的不连 续体 通过定义 不连续体距离 和 参数强度 两个变量 来预测各种生物物理的反 应 其中 不连续体距离 是指作为水坝所导致的不连续的结果 物理或生物变量的期 望值沿上游或下游方向发生变化的距离 参数强度 是指作为河流调节的结果 变量 发生的绝对变化 常用偏离自然的或参照状况的程度来表示 同河流连续体概念 r c c 相比 河流不连续体概念 s d c 在河流生态学的理解方 面既有继承又有发展 主要表现在 首先 它强调了人为干扰 如大坝等 对河流系统的 影响 比较真实地反映了客观现象 其次 它继承了r c c 概念的某些思想 同时又有 所发展 例如它也认为河流拥有从源头到海洋的纵向的源梯度 河流的生物物理属性沿 着连续体发生可预测的变化 这种变化依赖于生物群落 水坝在纵向方向上的位置以及 水坝运行的模式 第三 揭示了水坝存在的前提下河流生态系统的一些变化规律 一般 来说 水坝增加了两个不连续体之间变量的均一性嫡1 例如 在水库的滞水中 温度比 流水中的分布更一致 此外 大坝的修筑削弱了主河流和河岸带之间的生态连续性 从 大的方面来看表现在两点 首先反映在大坝修筑后大的有机质颗粒的运输将被阻塞 相 反小的颗粒则可以很容易地通过大坝 这种对来源于河岸带植被有机质颗粒的阻塞割裂 了上游外源有机质输入和下游有机质加工之间的联系 其次 大坝等水工建筑物的存在 经常使河道同它们的洪泛平原以及河岸带森林相隔离 1 3 3 河流四维模型 无论是河流连续体还是序列不连续体概念最初的形式 都着重于河流沿纵向的变 化 而忽视了与洪泛平原河流有关的横向和垂直的范围及功能 为克服这些缺陷 w a r d 等人在此基础上提出了河流四维模型6 j 的概念 即河流是具有纵向 横向 竖向和时间 尺度的生态系统 从而可以计及导致栖息地连续性中断的地貌特征和堤坝的影响 一6 一 大连理工大学博士学位论文 纵向上 河流是一个线性系统 从河源到河口均发生物理 化学和生物变化 生物 物种和群落随上中下游河道物理条件的连续变化而不断地进行调整和适应 因此 尽可 能保持河流上中下游的连续性应成为河流生态修复的一个重点 横向上 河流与河岸带区域的横向流通性也很重要 河流与河漫滩 湿地 静水区 河汉等形成了复杂的系统 河流与横向区域之间存在着能量流 物质流 信息流等多种 联系 共同构成了小尺度的生态系统 人们出于防洪的需要 沿河两岸筑堤 把河流约 束在两岸堤防范围内 使洪水不能肆虐危害人类生存 但是堤防也有其负面效应 如妨 碍汛期主流与河漫滩 湿地 静水区 河汊之间的流通 阻止水流的横向扩展 形成了 一种侧向的水流非连续性 竖向上 与河流发生相互作用的垂直范围不仅包括地下水对河流水文要素和化学成 分的影响 而且还包括生活在河床底质中的有机体与河流的相互作用 s t a n f o r d 和w a r d 在1 9 8 8 年对河流系统的竖向区域进行了观测 他们认为这个区域的生物量远远超过河 流的底栖生物量 人类活动的影响主要是不透水材料衬砌所造成的负面作用 如果对于 自然河流进行人工渠道化改造 采用不透水的混凝土或浆砌块石材料作为护坡材料或河 床底部材料 将会割断地表水与地下水间的连通 也割断了物质流 时间尺度上 要重视河流演变历史和特征 每一个河流生态系统都有它自己的历史 需要对历史资料进行收集 整理 以掌握长时间尺度的河流变化过程与生态现状的关系 河流系统的演变是一个动态过程 水域生态系统是随着降雨 水文变化及潮流等条件在 时间与空间中扩展或收缩的动态系统 水域生境的易变性 流动性和随机性表现为流量 水位和水量的水文周期变化和随机变化 也表现为河流淤积与河道形态的变化 泥沙淤 积与侵蚀的交替变化造成河势的摆动 这些变化决定了生物种群的基本生存条件 1 3 4 地貌分类模型 河流地貌学起源于对景观长期演变的阐述 主要目的是描述和分析流水作用所形成 的地貌特征 美国地貌学家d a v i s 1 8 9 9 采用地理循环 g e o g r a p h i c a lc y c l e 理论 根据河 流发展的相对阶段将河流分为三类 提出了年轻一成熟一年老的河流分类法 对河流进 行了定性的描述 但它主要是一个交流的工具 而