河流的四維特征探討

鄧建明，周 萍

（1.欽州市水文水資源局，廣西 欽州535000；2.欽州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣西 欽州 535000）

近幾十年來(lái)，河流的整體性愈發(fā)為人們所認(rèn)識(shí)［1］，水流只是河流整體系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。河流系統(tǒng)作為一個(gè)整體常被稱(chēng)作“河流廊道”（rivercorridor）。這是一個(gè)具有長(zhǎng)、寬、深（length、width、depth）的景觀系統(tǒng)，是一個(gè)具有縱向、橫向和垂向連通性特征，并在時(shí)間尺度上動(dòng)態(tài)變化的整體系統(tǒng)。水利工程專(zhuān)家和水文學(xué)家往往傾向于關(guān)注河流中的水資源本身，更準(zhǔn)確地說(shuō)是只關(guān)心水能和水量方面，而容易忽略水資源同整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的依存關(guān)系。一方面，“水是生命之源、生態(tài)之基”，水對(duì)于生命和生態(tài)系統(tǒng)起到基礎(chǔ)性關(guān)鍵作用。另一方面，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，如水土保持、水源涵養(yǎng)、蒸騰作用和水質(zhì)凈化等，對(duì)水資源的循環(huán)和更新也起到重要作用。

本文在闡述河流系統(tǒng)整體性?xún)?nèi)涵及其四維特征的基礎(chǔ)上，分析了以水利工程為代表的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流整體性和連通性的破壞及其生態(tài)影響的具體表現(xiàn)。

1 三維空間各向特性

為方便分析和研究河流的三維運(yùn)動(dòng)特征，考慮在河流廊道系統(tǒng)內(nèi)建立三維坐標(biāo)系，即河流上下游的相互作用構(gòu)成縱向（x軸）特征，在廊道平面上與縱向垂直方向的相互作用構(gòu)成橫向（y軸）特征，與廊道平面垂直方向的相互作用構(gòu)成垂向（z軸）特征。

1.1 縱向連續(xù)性連通

在縱向x方向，水流的流動(dòng)是最常見(jiàn)的連續(xù)流，流量、流速、水溫等水文要素沿河流上下游的連續(xù)性分布是其顯著特征。這種連續(xù)性連通對(duì)河流上下游的生物群落結(jié)構(gòu)和功能特征具有重要意義。

連續(xù)水流良好的溶解能力和泥沙攜帶力，使河流成為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)縱向輸送的通道，這保證了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流和能量流的沿河連續(xù)性，使得下游的生態(tài)過(guò)程與上游的生態(tài)過(guò)程直接相關(guān)。河流的水位、流速、水溫等水文要素為眾多水生生物提供遷徙、繁殖等生命周期必需階段的信號(hào)，連續(xù)流動(dòng)的水流則為魚(yú)類(lèi)等水生生物直接提供遷徙通道。上下游的物種和信息交流使得河流水體上下游間信息流的連續(xù)性得以體現(xiàn)。容易理解，基于物質(zhì)流、能量流和信息流的連續(xù)性，以及生物遷徙通道的上下連通，水生生物群落也將遵循連續(xù)性分布的規(guī)律。

Vannote曾提出一個(gè)河流連續(xù)性模型［2］，描述了從上游源頭到下游河口的水力梯度的連續(xù)性，分析了水文、環(huán)境要素的連續(xù)性分布和生物組成連續(xù)性的相關(guān)關(guān)系。研究表明，水文、環(huán)境要素的連續(xù)性連通對(duì)河流生物群落的結(jié)構(gòu)和功能的連續(xù)、健康和完整具有重要意義。

1.2 橫向脈沖性連通

河流廊道把沿岸的生態(tài)系統(tǒng)涵蓋進(jìn)來(lái)，在橫向進(jìn)行延伸，而不再單單考慮河道內(nèi)的水流本身。沿岸交錯(cuò)帶（riparian zone），甚至進(jìn)一步延伸至以流域分水嶺為邊界的整個(gè)洪泛平原（floodplain），跟主體河道間存在緊密的相互作用關(guān)系。

在水文過(guò)程上，在汛期，河水橫向漫溢，使沿岸交錯(cuò)帶和洪泛平原及包含其中的池塘、洼地、濕地等，同主體河道連成一體，形成連通的復(fù)雜水流系統(tǒng)。這種橫向連通因水文情勢(shì)年際變化規(guī)律，有時(shí)呈現(xiàn)高度連通而有時(shí)只是局部連通，在某些特定時(shí)候特定區(qū)域甚至連通中斷，時(shí)斷時(shí)續(xù)，周而復(fù)始，表現(xiàn)為脈沖性連通。這種橫向連通對(duì)生態(tài)過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義。

在汛期，洪水漫溢把河流攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和沉積物輸送到沿岸交錯(cuò)帶和洪泛平原，對(duì)沿岸植被和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，給予強(qiáng)大的支持。一些水生生物則得以到沿岸河灘及濕地避難或繁殖，完成必需的生命周期階段。當(dāng)水位回落，水體攜帶陸生生物殘?bào)w回流河流主體，魚(yú)類(lèi)等水生生物也洄游至主體河道。在漲落過(guò)程中，完成一次脈沖連通，主體河道跟沿岸生態(tài)系統(tǒng)間的物質(zhì)交換和物種交流得以完成。Junk提出的洪水脈沖模型［3］描述了橫向脈沖性連通及其生態(tài)意義，他指出，洪水脈沖是河流—洪泛平原系統(tǒng)生物生產(chǎn)、物種繁衍和相互作用的主要驅(qū)動(dòng)力。

1.3 垂向連通

河流廊道在垂向的延伸，主要是考慮地表水與地下水的聯(lián)系。將地表水與地下水的交界帶（即所謂潛流帶）甚至沿河整個(gè)地下含水層，納入河流整體系統(tǒng)考慮的做法愈發(fā)得到認(rèn)同。河水滲透進(jìn)入地下或岸坡潛水層排泄進(jìn)入河流，使得垂向z方向的水體連通得以實(shí)現(xiàn)。垂向連通對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能亦起到重要作用。

垂向連通對(duì)地下含水層的補(bǔ)給，對(duì)水體化學(xué)組分的改變，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的垂向輸移轉(zhuǎn)化等具有直接作用。光照、水溫和溶解氧的垂向連續(xù)分布，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)和穩(wěn)定起到重要作用。潛流帶則大大擴(kuò)展了水生生物的生境空間，其高豐度的動(dòng)物區(qū)系常決定著河流生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力［4］。來(lái)自潛流帶的上升流能夠傳遞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)到河流水體，這影響到主體河道的初級(jí)生產(chǎn)力。潛流帶的生物地球化學(xué)過(guò)程，在有機(jī)殘質(zhì)的分解和水質(zhì)凈化方面起到重要作用。潛流帶大面積的孔隙結(jié)構(gòu)則為潛流帶生物提供了多樣的生境，對(duì)維持水生生物多樣性具有重要意義。

2 時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化

“人不能兩次踏進(jìn)同一條河流”，此語(yǔ)深刻揭示了河流在時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化性。涵蓋進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)，在縱向、橫向和垂向方向具有高度連通性，空間相比傳統(tǒng)概念的河流得到延伸的“河流廊道”，因?yàn)樯蜕С窒到y(tǒng)的存在，具有鮮明的時(shí)間特征。

水文過(guò)程和溫度、復(fù)氧速率、二氧化碳溶解等隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，決定了河流廊道系統(tǒng)的物質(zhì)環(huán)境及以之為基礎(chǔ)的生態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性。而在億萬(wàn)年演化進(jìn)程中適應(yīng)了環(huán)境變化的生物，則具有各自特有的生命周期特征。如著名的中華鱘，秋季溯江而上至長(zhǎng)江上游急流河段產(chǎn)卵，幼魚(yú)孵化后順江而下游到海洋，生活10余年后再返回長(zhǎng)江上游。在水生生物和沿岸生物的繁殖季節(jié)，河流廊道將打上“生態(tài)敏感時(shí)段”的烙印。

3 水利工程對(duì)河流系統(tǒng)整體性的影響

河流水利工程可以概括為兩大類(lèi)：一是河流的人工改造，主要包括攔河筑壩或堤防護(hù)岸工程；二是取水、調(diào)水等水資源利用工程。

水利工程對(duì)河流生態(tài)的影響，主要表現(xiàn)在兩大方面：一是改變自然水文過(guò)程和引起地形地貌變化，從而不同程度地切割生境，隔斷廊道系統(tǒng)在縱向、橫向和垂向的連通；二是對(duì)河流廊道在時(shí)間尺度上的自然動(dòng)態(tài)造成嚴(yán)重干擾。兩方面的脅迫影響都會(huì)導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的變化。

3.1 空間連通性的隔斷

筑壩將河流“腰斬”，打斷基于水文連續(xù)性的河流縱向連通，流動(dòng)的河流變成相對(duì)靜止的湖庫(kù)［5］。這對(duì)適合急流生活的魚(yú)類(lèi)影響較大，對(duì)中華鱘等洄游性魚(yú)類(lèi)更是造成致命性影響。以防洪和發(fā)電為目標(biāo)的調(diào)度則導(dǎo)致壩后泄流不定，常出現(xiàn)不能滿(mǎn)足沿岸基本生態(tài)用水需求的情形。引水式電站壩后則出現(xiàn)較長(zhǎng)的減脫水段，對(duì)小區(qū)域生態(tài)造成毀滅性破壞。

筑壩不僅打斷縱向連通，對(duì)垂向的重要生態(tài)過(guò)程也有較大影響。湖庫(kù)靜止水體的光照、復(fù)氧與流動(dòng)河流迥異，溫度分層和底部厭氧區(qū)的形成，使得水化學(xué)環(huán)境發(fā)生重大變化，水下泄后對(duì)下游的水體生境、沿岸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成不利影響。

堤防工程則阻止水流橫向漫溢，還直接擾動(dòng)沿岸交錯(cuò)帶，使得交錯(cuò)帶及洪泛平原的生境條件發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生演替［6］。隔水護(hù)坡材料則隔斷地表水與地下水間的垂向連通。

取水、調(diào)水工程打破河流水系的自然格局，改變水文情勢(shì)，對(duì)于河流廊道的縱向、橫向和垂向連通皆有一定程度的影響。極端情況是水資源的過(guò)度取用或調(diào)用，使得原河流的生態(tài)基流得不到支持，則整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)將遭到嚴(yán)重破壞。

3.2 時(shí)間尺度上的干擾

3.2.1 對(duì)河流廊道自然動(dòng)態(tài)的干擾

最顯著的方面在于對(duì)自然水文周期動(dòng)態(tài)的干擾，使得水流流態(tài)均一化，洪水脈沖的橫向連通效應(yīng)很大程度上損失掉。

3.2.2 對(duì)生物生命周期的影響

如低溫水的下泄，將干擾水生生物的生長(zhǎng)發(fā)育，延遲其產(chǎn)卵時(shí)間。值得重視的是水利工程建設(shè)期間對(duì)生物生命周期的干擾。在繁殖季節(jié)進(jìn)行施工，影響無(wú)疑是破壞性的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）河流在三維空間的連通性特征和其在時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化，原本就是其內(nèi)在規(guī)律。河流遠(yuǎn)非水流那么簡(jiǎn)單，這一事實(shí)并不因傳統(tǒng)慣性思維的抵觸而有絲毫改變。

（2）以傳統(tǒng)河流水資源觀為基礎(chǔ)的水利工程及水資源管理方式，已經(jīng)日益暴露出嚴(yán)重的不可避免的代價(jià)。比如，大壩截?cái)嗟暮恿髦斜镜靥赜兴锓N的滅絕；又比如，因與生態(tài)割裂而導(dǎo)致河流自?xún)裟芰Φ拖拢罱K使本來(lái)充滿(mǎn)生機(jī)的河流變成臭水橫流的排污溝渠。

（3）在傳統(tǒng)水利工程領(lǐng)域做出過(guò)重要貢獻(xiàn)的董哲仁先生，經(jīng)過(guò)深刻的反思，結(jié)合國(guó)外河流生態(tài)修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)，提出了著名的“生態(tài)水利工程學(xué)”的概念［7］。他指出 “未來(lái)的水利工程不僅是滿(mǎn)足人們對(duì)水需求的工程，也是有利于改善和恢復(fù)健全的生態(tài)系統(tǒng)工程，是有利于環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展工程”。中央強(qiáng)調(diào)了水資源的生命和生態(tài)價(jià)值。水利部將實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度，確立用水總量、用水效率、水功能區(qū)限制納污?？梢灶A(yù)見(jiàn)，水資源的調(diào)配、利用和管理的理念和方式，都將進(jìn)行革命性的變遷。

［1］Ward J.V.， Riverine landscapes： biodiversity patterns， disturbance regimes， and aquatic conservation ［J］.Biological Conservation 1998（83）： 269-278.

［2］Vannote R.L.The river continuum concept［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences， 1980（37）： 130-137.

［3］Junk W.J.， Bayley P.B.， Sparks R.E.The flood pulse concept in river-floodplain systems［J］.Canadian Special Publications of Fisheries and Aquatic Sciences， 1989 （106）：110-127.

［4］袁興中，羅固源.溪流生態(tài)系統(tǒng)潛流帶生態(tài)學(xué)研究概述［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（53）：956-964.

［5］Ward J.V.， Stanford J.A.The serial discontinuity concept：extending the model to floodplain rivers［J］.Regulated Rivers：Research and Management， 1995（10）： 159-168.

［6］Tockner K.， Malard F.， Ward J.V.An extension of the flood pulse concept［J］.Hydrological Processes， 2000（14）：2861-2883.

［7］董哲仁.善待江河——紀(jì)念新中國(guó)水利60年［J］.中國(guó)水利，2009，635（17）：7-8.