基于復(fù)雜系統(tǒng)演化理論的河流生態(tài)修復(fù)概念與思路研究

趙鐘楠，李原園，鄭超蕙，黃火鍵，于麗麗 ，曹建廷，王 鼎

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，100120，北京；2.交通運輸部規(guī)劃研究院，100028，北京）

我國是一個河流大國，根據(jù)第一次全國水利普查結(jié)果，我國共有流域面積50 km2及以上的河流45203條。其中，長江流域的河流密度與美國的密西西比河流域、南美洲的亞馬遜河流域以及歐洲的多瑙河流域相近，但由于我國與這些國家或地區(qū)的人口密度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及發(fā)展方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同，我國河流的經(jīng)濟(jì)社會承載負(fù)荷遠(yuǎn)超其他國家和地區(qū)，導(dǎo)致我國大部分河流均存在不同程度的生態(tài)環(huán)境問題。加快推進(jìn)河流生態(tài)修復(fù)，已經(jīng)成為維護(hù)河流健康、實現(xiàn)人水和諧的緊迫任務(wù)之一。近年，各類河流生態(tài)修復(fù)實踐不斷出現(xiàn)，在改善河流生態(tài)狀況等方面取得了積極進(jìn)展，但河流自身的系統(tǒng)性加上長期累積性開發(fā)導(dǎo)致的生態(tài)問題的復(fù)雜性，使得河流生態(tài)修復(fù)成為一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，針對具體問題或單一措施的生態(tài)修復(fù)往往難以取得預(yù)期效果，從系統(tǒng)視角開展河流生態(tài)修復(fù)逐漸成為一種共識。本文基于復(fù)雜系統(tǒng)演化的相關(guān)理論，分析了河流生態(tài)修復(fù)的概念內(nèi)涵與特征，闡述了復(fù)雜系統(tǒng)理論指導(dǎo)下的河流生態(tài)修復(fù)的思路，為今后科學(xué)系統(tǒng)開展河流生態(tài)修復(fù)提供了理論和方法借鑒。

一、河流生態(tài)系統(tǒng)概化與演化特征

1.河流生態(tài)系統(tǒng)的概化

復(fù)雜系統(tǒng)指一定數(shù)量的組分通過相互關(guān)系連接形成的具有一定功能的系統(tǒng)。構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)的基本要素包括組分、關(guān)系和功能。組分是組成復(fù)雜系統(tǒng)的基本單元，是構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)的基石；關(guān)系是組分間相互聯(lián)系、相互影響進(jìn)而構(gòu)成有機(jī)整體的核心要素，是復(fù)雜系統(tǒng)區(qū)別于簡單系統(tǒng)的關(guān)鍵；功能是系統(tǒng)存在和演化的目的，一定的復(fù)雜系統(tǒng)，必然對應(yīng)著一定的功能。

照此定義，河流是由水、沙等無機(jī)物和生物體等有機(jī)物通過內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)形成的淡水生態(tài)系統(tǒng)，屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)。從組分上看，河流包括生物組分和非生物組分，前者指存在于該生態(tài)系統(tǒng)空間內(nèi)的有機(jī)體，后者指構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境要素的各種物理因子、化學(xué)因子等非生物因子。不同組分可以通過不同指標(biāo)來表征，如生物組分可以用特定生物的數(shù)量表示，非生物組分可以用相應(yīng)的物理指標(biāo)如溫度表示。從關(guān)系上看，河流組分之間的關(guān)系，即河流生態(tài)系統(tǒng)的“生態(tài)過程”，主要表現(xiàn)為各種物質(zhì)、能量和信息的遷移轉(zhuǎn)化，如水循環(huán)等。從功能上看，河流的功能可以劃分為廊道功能、屏障功能、源匯功能、棲息地功能。廊道功能主要表現(xiàn)為河流為各種物質(zhì)能量遷移提供路徑；屏障功能主要表現(xiàn)為河流可以有選擇性地過濾物質(zhì)、能量，例如通過阻隔或降解，為生物遷移帶來障礙和減少污染物轉(zhuǎn)移等；源匯功能主要表現(xiàn)為河流為周邊環(huán)境提供各種“源”，如水源，也為周邊相關(guān)物質(zhì)提供“匯”的場所，如納污；棲息地功能主要表現(xiàn)為河流為各種水生生物提供生存、繁殖、覓食和遷移的自然環(huán)境。在這些功能的基礎(chǔ)上，河流還派生出了很多“經(jīng)濟(jì)社會功能”，例如航運功能（主要來源于廊道功能）、供水功能（主要來源于源匯功能）等。河流系統(tǒng)的概化模型如圖1所示。

2.河流生態(tài)系統(tǒng)的演化

作為復(fù)雜系統(tǒng)，河流具有動態(tài)演化的特點，即在外界各種物質(zhì)、能量和信息的輸入以及系統(tǒng)內(nèi)部各種組分的相互影響下，系統(tǒng)內(nèi)部組分的數(shù)量及組分之間的關(guān)系時刻處于變化的狀態(tài)。由于復(fù)雜系統(tǒng)的自組織性，河流系統(tǒng)具有顯著的 “彈性”（resilience），在外界影響程度不超過系統(tǒng)彈性閾值的情況下，河流系統(tǒng)可以維持相對穩(wěn)定。這種狀態(tài)下的河流演化呈現(xiàn)出漸進(jìn)式的特點，大部分處于自然狀態(tài)的河流演化過程都遵循這一規(guī)律。然而當(dāng)外界影響程度超過了系統(tǒng)彈性閾值時，河流系統(tǒng)的關(guān)鍵組分或者主要關(guān)系遭到破壞，將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆過程，從相對穩(wěn)定狀態(tài)不斷退化，最終喪失原有功能。這種非常態(tài)的演化，會造成各種生態(tài)環(huán)境問題，即是河流生態(tài)修復(fù)需要面對和解決的主要問題。

二、河流生態(tài)修復(fù)的概念內(nèi)涵

根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)理論，河流生態(tài)修復(fù)需要厘清以下幾個問題：

一是河流生態(tài)修復(fù)的目的不是“修復(fù)如初”。按照復(fù)雜系統(tǒng)理論，任何復(fù)雜系統(tǒng)都在動態(tài)變化之中，將其修復(fù)到“原始狀態(tài)”既無可能也無必要。河流生態(tài)修復(fù)的目的，不是要把河流恢復(fù)到所謂的“原始狀態(tài)”，而是調(diào)整造成河流生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆變化的各種外界壓力，并且通過適當(dāng)手段重構(gòu)河流生態(tài)系統(tǒng)的組分及其關(guān)系，使得河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到相對穩(wěn)定的自組織狀態(tài)。因此，河流生態(tài)修復(fù)的最終狀態(tài)并不唯一，要根據(jù)各種情況綜合決定，只要河流生態(tài)系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)定的自組織狀態(tài)，都可以說河流生態(tài)修復(fù)取得了預(yù)期效果。

二是河流生態(tài)修復(fù)是減少系統(tǒng)外部壓力和恢復(fù)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相結(jié)合的過程。根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)理論，復(fù)雜系統(tǒng)出現(xiàn)問題的原因是維持自組織狀態(tài)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，而其根源在于系統(tǒng)外部壓力超過了系統(tǒng)的彈性閾值，進(jìn)而造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆變化。因此，河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)必須從兩方面入手：一方面是“減荷”，即管控各種外部壓力，通過降低資源開發(fā)強(qiáng)度以及形態(tài)改變程度等手段，從根本上減少外部壓力，為河流生態(tài)系統(tǒng)重新恢復(fù)并保持穩(wěn)態(tài)提供基礎(chǔ)；另一方面是“重構(gòu)”，即對于已經(jīng)由破壞導(dǎo)致了不可逆影響的河流生態(tài)系統(tǒng)，通過恢復(fù)必要的組分，構(gòu)建組分間必要的關(guān)系，“重啟”河流生態(tài)系統(tǒng)自組織能力。只有這兩方面同時入手，才能實現(xiàn)河流生態(tài)修復(fù)的可持續(xù)性效果。

圖1 河流系統(tǒng)的概化模型

圖2 河流生態(tài)修復(fù)的有關(guān)概念

可以認(rèn)為，河流生態(tài)修復(fù)實際上是一種以減少河流生態(tài)系統(tǒng)外部壓力、恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主要手段，以恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)自組織能力為目標(biāo)的系統(tǒng)措施。按照這一定義，河流生態(tài)修復(fù)具有以下內(nèi)涵：一是系統(tǒng)性，河流生態(tài)修復(fù)以恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)為最終目的，修復(fù)的理念、措施、手段都要從系統(tǒng)角度綜合統(tǒng)籌；二是多樣性，一個穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)可以具有不同的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部關(guān)系，河流生態(tài)修復(fù)試圖達(dá)到的狀態(tài)也可以多樣化，只要將河流生態(tài)修復(fù)到其具備一定的自組織能力，使其可以自我演進(jìn)，便在一定程度上實現(xiàn)了修復(fù)目標(biāo)，從這一內(nèi)涵出發(fā)，可以認(rèn)為生態(tài)修復(fù)并沒有所謂的“最佳狀態(tài)”，生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)和任務(wù)與面對的問題、認(rèn)識的深度、資金的情況等密切相關(guān)；三是動態(tài)性，無論是修復(fù)過程，還是修復(fù)后的后續(xù)措施，都是隨著河流生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)的特點而變化的，這就需要采取適應(yīng)性（adaptive）管理的手段，根據(jù)監(jiān)測和評估成果，對修復(fù)措施進(jìn)行靈活調(diào)整，以適應(yīng)河流生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化的特點；四是有限性，復(fù)雜系統(tǒng)的演進(jìn)沒有窮盡，因此以復(fù)雜系統(tǒng)理論為指導(dǎo)的河流生態(tài)修復(fù)也沒有最終目標(biāo)，任何修復(fù)目標(biāo)和措施都是有限的，要以問題為導(dǎo)向，根據(jù)緊迫性和可行性來開展修復(fù)工作。

三、河流生態(tài)修復(fù)的總體思路

按照復(fù)雜系統(tǒng)理論的指導(dǎo)，河流生態(tài)修復(fù)應(yīng)堅持系統(tǒng)、協(xié)調(diào)、動態(tài)的總體思路來開展。

首先，河流生態(tài)修復(fù)必須采用系統(tǒng)的方法，要從河流水文情勢等物理屬性、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等現(xiàn)實需求、政策制度文化等上層建筑等不同層面，對河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，一方面要考慮到河流生態(tài)系統(tǒng)以及多種流域生態(tài)過程的動態(tài)屬性——這些過程推動了河流系統(tǒng)功能的形成和演變，另一方面，修復(fù)措施必須針對導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)退化的驅(qū)動因素，同時要考慮到各種河流系統(tǒng)退化驅(qū)動因素對修復(fù)措施的響應(yīng)。

其次，河流生態(tài)修復(fù)必須堅持平衡協(xié)調(diào)的思路。要實現(xiàn)河流生態(tài)修復(fù)的預(yù)期效果，就必須尋求經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和河流生態(tài)系統(tǒng)健康之間的合理平衡。一是平衡經(jīng)濟(jì)社會需求與生態(tài)環(huán)境需求。根據(jù)這種平衡，確定修復(fù)的優(yōu)先級別，例如確定應(yīng)維護(hù)哪些自然功能和過程，應(yīng)保護(hù)或修復(fù)哪些區(qū)域，應(yīng)優(yōu)先考慮哪些區(qū)域的開發(fā)活動。二是平衡經(jīng)濟(jì)社會對河流的不同需求。灌溉、防洪和發(fā)電等對河流功能的需求各不相同，有時甚至彼此存在沖突。河流生態(tài)修復(fù)需要平衡這些不同的需求，明確優(yōu)先保障的需求，并將其納入到河流生態(tài)修復(fù)體系中。三是平衡河流自身的不同功能。河流生態(tài)修復(fù)必須深入了解河流所具有的不同功能，識別必須優(yōu)先修復(fù)的河流功能。

第三，河流生態(tài)修復(fù)必須采取靈活動態(tài)的思路。目前大部分河流生態(tài)修復(fù)方案都是在各種信息相對匱乏的情況下制定的，雖然每個河流生態(tài)修復(fù)方案都會根據(jù)已有的知識假定實施效果，但是這些效果都是不確定的。導(dǎo)致這種不確定的原因來源于復(fù)雜系統(tǒng)自身動態(tài)變化的不確定性，同時也來源于現(xiàn)有知識的不完整性。這種不確定性要求我們必須采取靈活的適應(yīng)性管理措施進(jìn)行河流生態(tài)修復(fù)。適應(yīng)性管理措施中一個至關(guān)重要的方面，是將規(guī)劃、實施、監(jiān)測和調(diào)整的“線性模式”變成“環(huán)狀模式”，這有利于驗證支撐河流生態(tài)修復(fù)方案的各種假定條件，并在有更優(yōu)化的措施時，對相應(yīng)的河流生態(tài)修復(fù)方案進(jìn)行調(diào)整。 ■