新時期河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計研究

蘇 偉 ，陳凱麒，彭文啟，吳佳鵬，胡寶月

(1.中國水利水電科學研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038；2.河北農業(yè)大學理工學院，河北 黃驊 061100；3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

0 引 言

河流是人類文明的起源，是人類社會、文化和經濟福祉的基礎。河流水體內生物要素(即生物群落)與非生物要素(即生境)共同構成了相互作用、相互制約的河流水生態(tài)系統(tǒng)[1]。隨著經濟的快速發(fā)展，很多河流生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的完整性遭到了破壞，人類對宜居生態(tài)環(huán)境的需求與經濟發(fā)展的矛盾越來越突出。為緩解日益突出的矛盾，必須加快推進河流水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復工作的步伐。河流生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜、開放、動態(tài)、非平衡和非線性系統(tǒng)[2]，但在修復過程中，常常由于對生態(tài)系統(tǒng)修復的復雜性估計不足，出現好心辦壞事的現象，即有好的修復理念，有完整的修復方案，修復效果卻不盡人意。

在推動我國生態(tài)文明建設邁上新臺階的新時期，在水利行業(yè)“工程補短板、行業(yè)強監(jiān)管”基調的引領下[3]，沿著“科學引導、技術支撐、社會監(jiān)管”的相融合的修復思路，搭建STS(Science-Technology-Society)模型，系統(tǒng)梳理3個要素(科學、技術、社會)運行的關鍵程序，并闡述3個要素之間的關系對河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的影響，對于進一步認識和發(fā)現河流生態(tài)系統(tǒng)存在的自然規(guī)律和生態(tài)規(guī)律，修復并促進河流生態(tài)系統(tǒng)各要素和諧共生具有重要意義。

1 河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計模型

1.1 模型內涵

新時期的河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計是建立在對河流水生態(tài)系統(tǒng)重要性的全新認識基礎上的，“先破壞、后修復”、“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的舊觀念有所改變，綠水青山就是金山銀山的發(fā)展理念正在盛行，山水林田湖草生命共同體的大局觀正在深入人心。在新觀念的引領下，以問題為導向，深入到水生態(tài)系統(tǒng)修復的各個層面，將補短板、強監(jiān)管的理念滲透進整個修復設計中，對整個修復過程進行了系統(tǒng)、全面的思考。基于以上思考，搭建了基于過程的河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計STS模型，立體模型可以簡化為2個部分，橫向是“輪”圖，縱向是螺旋發(fā)展示意。河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計STS模型見圖1。

圖1 河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計STS模型

STS模型中各符號代表含義見表1。模型運用系統(tǒng)論的方法，全方位考慮了河流水生態(tài)系統(tǒng)修復相關的科學因素、技術因素和社會因素。

表1 STS模型中各符號代表含義

“輪”圖共分3層，最內層為科學層；中層為技術層，包括修復設計環(huán)節(jié)①～⑧；最外層為社會層，包括M、L、S等3種社會監(jiān)管模式。水生態(tài)系統(tǒng)修復螺旋發(fā)展圖中環(huán)節(jié)①～⑧為1個周期。“輪”圖描述了生態(tài)修復過程中涉及的要素及各要素所處的層次，主結構由3個要素組成，分別是科學、技術和社會，1周代表1個修復周期。每1個修復周期結束后，要根據修復同步監(jiān)測數據，分析在修復過程出現的偏差，通過負反饋機制反饋，開始規(guī)劃下1個修復周期，循環(huán)往復形成了水生態(tài)系統(tǒng)修復螺旋發(fā)展圖?？傮w來看，需要的人工干預修復的周期會越來越長(示意長度10→20→30→40→50)，整個河流水生態(tài)系統(tǒng)修復過程在人工不斷干預下，應該向著自然化、自維持狀態(tài)轉變，直到脫離人工干預，真正恢復到自然狀態(tài)。

1.2 模型三要素的關系

模型中包含的科學、技術、社會3個要素，分別處在了“輪”的不同層次上，代表了在河流水生態(tài)系統(tǒng)修復過程中不同的作用和重要性?？茖W、技術與社會(STS)的關系對河流生態(tài)修復的影響見圖2。

圖2 科學、技術與社會(STS)的關系對河流生態(tài)修復的影響

科學是河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的核心層?？茖W是技術的理論基礎，多學科知識的交叉才能促進修復技術的發(fā)展，保證修復過程中水生態(tài)系統(tǒng)的綜合修復。同時，科學知識也能幫助全民提高生態(tài)保護意識，深入了解綠水青山就是金山銀山的發(fā)展理念，堅持山水林田湖草是一個生命共同體的主流思想。從長遠來看，如果公眾缺少科學的思想，修復項目獲得最終成功的機率會很低[4]。

技術是河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的中堅層。河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的復雜性和不確定性，決定了在整個修復過程中需要以科技作為支撐，強化修復工作的科技含量。技術與社會的關系主要表現為社會對技術的主動需求和技術對社會的影響都空前擴大[5]。河流生態(tài)系統(tǒng)的社會性決定生態(tài)修復工作不能脫離社會，需要建立一整套務實高效管用的監(jiān)管體系，促進修復技術的實施，進而改變修復工作效率低的被動局面。

社會是河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的最外層，起催化劑的作用。從社會角度看，社會監(jiān)管模式(法制、體制、機制)的適應性變化加速了河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的速度，使整個修復過程有法可依、有章可循，極大地強化了項目修復的可持續(xù)性。但是，社會監(jiān)管模式是否合理需要根據水生態(tài)系統(tǒng)修復的實際效果進行科學評估，然后依照自然規(guī)律、生態(tài)規(guī)律進行科學的適應性變化。

在每1個修復周期中，都需要科學引導、技術支撐、社會監(jiān)管相互配合，才能讓修復的“輪”轉得更快，使河流水生態(tài)系統(tǒng)恢復得更好。總之，科學、技術和社會3個要素互為前提、相互促進、相互滲透，牢牢把握三者之間的辯證關系，才能更好進行河流水生態(tài)系統(tǒng)修復，并保證修復項目的成功。

2 河流水生態(tài)系統(tǒng)修復設計的關鍵程序

2.1 科學(核心層)

在河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的過程中，沒有科學，技術就沒有了源頭，也就沒有了發(fā)展的動力[6]。在生態(tài)修復過程中，根據水生態(tài)系統(tǒng)調查中發(fā)現的生態(tài)系統(tǒng)退化現象，探索生態(tài)系統(tǒng)退化的原因；利用已有的知識基礎，對解決退化問題的方法進行探索，對修復理論進行創(chuàng)新；通過試驗、數值模擬等方法對創(chuàng)新知識進行驗證，確定創(chuàng)新理論的可行性；將通過驗證的新知識納入理論知識體系，并對新舊知識進行融合；結合河流水生態(tài)系統(tǒng)修復過程中的技術需求，針對性地指導創(chuàng)新修復技術；在用新技術解決問題的同時，在河流生態(tài)修復領域又會遇到新問題，繼而進入新的循環(huán)周期。科學層設計思路見圖3。

圖3 科學層設計思路

2.2 技術(中堅層)

在整個水生態(tài)系統(tǒng)修復過程中，可以將技術層分成3個階段，分別是修復前規(guī)劃階段(①、②、③、④)、修復中控制階段(⑤)、修復后監(jiān)測管理階段(⑥、⑦、⑧)。技術層設計思路見圖4。

圖4 技術層設計思路

2.2.1評價河流生態(tài)現狀

在河流生態(tài)修復規(guī)劃前，對河流的生態(tài)現狀進行評價，了解河流水生態(tài)系統(tǒng)的實際狀態(tài)非常重要。資料收集與分析在生態(tài)現狀評價甚至是在整個修復計劃中都扮演著重要角色[7]。資料收集要做好2項準備工作：確認技術層面和制度層面的數據需求、確定好合適的數據采集途徑。

收集的數據資料包括：基礎資料(水文水資源、水環(huán)境、生態(tài)狀況、河流地貌、土地空間利用等)、歷史資料、社會文化經濟層面數據。數據采集設備包括：衛(wèi)星遙感、歷史圖層、無人機航拍等。資料收集后要進行分類整合、數據庫管理、分級處理，在此基礎上，建立不同尺度(如流域尺度、河流廊道尺度)的生態(tài)系統(tǒng)評價體系，對生態(tài)現狀進行評價。

2.2.2識別關鍵退化因子

根據生態(tài)現狀評價結果，確定影響河流生態(tài)系統(tǒng)退化因子的大致范圍，分析因子對系統(tǒng)退化影響的敏感性，進而結合現場調查結果識別促使生態(tài)系統(tǒng)退化的關鍵因子，或在修復過程中最為關鍵的控制因子，以便在修復規(guī)劃和實施過程中強化關鍵因子或控制因子的監(jiān)督，保證修復項目的順利實施。

2.2.3確定生態(tài)修復基點和修復目標

河流生態(tài)修復就是在退化的生態(tài)系統(tǒng)中幫助建立改善水文、地貌和生態(tài)過程，并替換自然系統(tǒng)中丟夫、損壞或受損的元素[4]。生態(tài)修復基點是生態(tài)修復的參照點，修復目標是生態(tài)修復的期望點，確定這2個點是目標管理的關鍵環(huán)節(jié)。一般河流生態(tài)修復基點的確定是依據河流未受人類干擾或干擾較小時的健康自然狀態(tài)[8]。在不同的修復層面(水文情勢、連通性、水質、生物群落及棲息地中的某一或幾個方面)、在不同的修復空間(河流上游、中游、下游)應選擇不同的修復基點。

河流生態(tài)修復的目標主要包括水文情勢節(jié)律性及連通性加強、水質改善、河岸帶穩(wěn)定、棲息地增加、生物多樣性豐富，同時滿足人們美學和娛樂需求，還要根據不同的河流、不同的利益相關者所設定的生態(tài)修復目標應該有所側重。

2.2.4制定生態(tài)修復規(guī)劃

生態(tài)修復是一個長久的過程，不能一蹴而就。因此，生態(tài)修復應按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分階段布局、循序漸進”的原則開展生態(tài)修復工作。河流的生態(tài)修復需要將整個流域作為整體進行統(tǒng)籌考慮和戰(zhàn)略規(guī)劃，但是在實際修復過程中，有限的資金難以對全流域進行全面修復，需要有選擇、有重點地對某一河流或局部河段進行優(yōu)先修復，這就涉及到修復優(yōu)先序的問題[9]。因此，在制定生態(tài)修復規(guī)劃時，首先要從流域層面出發(fā)，基于流域生態(tài)現狀評價結果和生態(tài)退化關鍵因子的識別情況，進行適當優(yōu)先選擇模型，以確定最佳的修復策略和資源分配計劃。

河流生態(tài)修復的各個階段中，水環(huán)境質量保護與恢復階段、生態(tài)需水保障與恢復階段、棲息地保護與恢復階段以及生物多樣性保護與恢復階段之間具有依次遞進、從量變到質變的關系，每個階段都有不同的規(guī)劃要點[10]。

2.2.5實施生態(tài)修復措施

實施生態(tài)修復措施是河流生態(tài)修復規(guī)劃的重要一步，是生態(tài)修復規(guī)劃落地的重要保障。從河流具體生態(tài)修復措施層面來說，生態(tài)受損河流主要有以下幾個方面的技術措施[11]：①水質凈化改善措施，包括物理、化學、生物/生態(tài)3個方面；②生態(tài)水資源調度措施；③河岸濕地自然化改造措施；④河流結構的擬自然化措施；⑤過魚設施。

生態(tài)修復措施在實施過程中，對修復過程的控制是非常重要的。在整個修復過程中，要確保修復措施的實施不會破壞現有河流生態(tài)系統(tǒng)，所有的修復措施都要在修復規(guī)劃的指導下分階段實施，要符合河流生態(tài)系統(tǒng)自然恢復的規(guī)律，不求一時成功，但求生態(tài)系統(tǒng)能夠長久自維持運行。

2.2.6修復效果監(jiān)測

河流廊道的恢復治理具有復雜性和隨機性，復雜性在于涉及河流及其兩岸水陸交錯帶的生境和生物要素的恢復治理，隨機性在于河流廊道自身的演變以及人類影響的輸入。為及時掌握河流廊道生態(tài)系統(tǒng)的信息變化，并適用于大型河流的廊道規(guī)劃與治理，需建立相應的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測管理體系[12]。生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測分為項目實施過程同步監(jiān)測和項目后監(jiān)測。項目實施過程同步監(jiān)測主要針對修復措施實施過程中對生態(tài)系統(tǒng)的影響，項目后監(jiān)測是針對修復項目完成后生態(tài)系統(tǒng)恢復效果的監(jiān)測。主要監(jiān)測內容包括水文監(jiān)測、水質監(jiān)測、生物監(jiān)測、人類干擾監(jiān)測。

2.2.7河流適宜性管理

在河流生態(tài)系統(tǒng)中，生物與生物之間、生物與環(huán)境之間都存在著各種反饋關系，生態(tài)平衡是在不斷循環(huán)反饋的演進過程中達到的。在河流生態(tài)修復的過程中，人工修復措施很難在短時間內達到修復目標。因此，要想達到預期的修復效果，就必須遵循生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律，通過適應性管理，建立循環(huán)負反饋調節(jié)機制，逐步縮小河流生態(tài)現狀與健康自然狀態(tài)的差距，使生態(tài)系統(tǒng)達到穩(wěn)定趨好的狀態(tài)[10]。

2.2.8項目后評價及技術推廣

河流生態(tài)系統(tǒng)修復項目后評價主要是對已經完成的修復項目的執(zhí)行過程、效益、作用和影響進行系統(tǒng)、客觀的分析，通過修復項目的實際效果檢查總結，確定項目預期目標是否達到，項目或規(guī)劃是否有效，總結經驗教訓，為技術改進做準備。對于修復效果良好的先進成熟技術，應列入推廣計劃，鼓勵技術創(chuàng)新和技術推廣，推動河流生態(tài)修復工作不斷進步和發(fā)展。

2.3 社會(催化劑)

河流水生態(tài)系統(tǒng)修復是一個螺旋式的發(fā)展過程，在整個過程中需要社會的監(jiān)管，促進水生態(tài)系統(tǒng)的修復和維護。河流水生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)管要以生態(tài)修復過程中的問題為導向，以改進修復效果為目標，對違反規(guī)章制度的行為嚴格問責，從法制、體制、機制入手，建立一套高效的監(jiān)管體系。從法制上，建立完善水利監(jiān)管的法律法規(guī)、部門規(guī)章、標準規(guī)范、實施辦法等制度體系，明確水生態(tài)系統(tǒng)修復和維護過程中的監(jiān)管內容、監(jiān)管人員、監(jiān)管方式、監(jiān)管責任、處置措施等。從體制上，明確監(jiān)管的職責機構和人員編制，建立統(tǒng)一領導、全面覆蓋、分級負責、協(xié)調聯(lián)動的監(jiān)管隊伍。從機制上，建立內部運行的規(guī)章制度，確保監(jiān)管隊伍能夠認真履職盡責，順利開展工作[3]。社會層設計思路見圖5。

圖5 社會層設計思路

3 結論與展望

河流水生態(tài)系統(tǒng)修復的問題最根本的問題是人的問題，也是修復思路的問題。原來河流生態(tài)修復思路著眼于局部，“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”是很長一段時間內的修復思路，思路的偏差導致的結果是短時間內河流生態(tài)現狀改善，長時間后生態(tài)問題反彈甚至惡化，需要長期的人工干預，導致人力、物力、財力的大量浪費。在新時期的河流水生態(tài)系統(tǒng)修復思路下，將著眼于全局、從流域尺度出發(fā)、以河流整個水生態(tài)系統(tǒng)為研究對象、按照“初期人工干預，后期逐漸進入自我修復”的思路開展修復工作。

針對新時期河流水生態(tài)系統(tǒng)修復新思路搭建的模型，從科學、技術、社會三要素的相互關系出發(fā)，闡述了三要素在整個水生態(tài)系統(tǒng)修復中所發(fā)揮的作用；從河流水生態(tài)系統(tǒng)的修復進程出發(fā)，提出的螺旋式發(fā)展模式能保證修復工作科學的、系統(tǒng)的、有序的開展；從各要素的具體流程出發(fā)，指出了科技支撐、技術修復、社會監(jiān)管的具體步驟和關鍵環(huán)節(jié)，為修復工作的具體實施奠定了基礎。河流水生態(tài)系統(tǒng)修復工作思路的轉變增加了修復成功的可能性，但是要想達到更好的修復效果，在未來的發(fā)展中仍需開展以下研究：

(1)水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)修復要加強多學科多技術交叉融合，優(yōu)化配置。在整個修復項目中存在著很大的復雜性和不確定性，修復目標不同，運用的修復技術不同，但由于它們之間存在著千絲萬縷的聯(lián)系，單獨治理哪一方都不會取得最佳效果，這就需要加強學科交叉，技術融合，通過優(yōu)化配置達到最佳效果。

(2)水生態(tài)系統(tǒng)螺旋推進周期的確定。要想真正達到水生態(tài)系統(tǒng)自我維持狀態(tài)，需要多個螺旋推進周期之后才能達到。關鍵在于隨著修復進程的推進，推進周期是逐漸變化的，如何選取適當的周期要結合修復效果監(jiān)測數據以及修復經驗加以確定，對于不同區(qū)域河流應建立對應的標準，方便修復工作的推進。

(3)加強管理制度改進與生態(tài)修復工作的有機融合。生態(tài)系統(tǒng)修復工作具有長期性、可持續(xù)性，在長期的修復工作中，如果相關的法律條文、部門機構、制度條款不能做適應性改進，修復效果就會因為管理和技術不能對接大打折扣。