閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制分析

(北京市北運(yùn)河管理處，北京 101100)

河道閘壩工程的調(diào)度運(yùn)行，對(duì)徑流過(guò)程的控制作用非常明顯，與此同時(shí)，其帶來(lái)的供水、防洪以及發(fā)電等方面效益也越來(lái)越大。尤其是城市內(nèi)河，對(duì)城鎮(zhèn)建成區(qū)的排水除澇、維持生態(tài)基流、涵養(yǎng)生態(tài)資源、構(gòu)建水體景觀和推進(jìn)城市生態(tài)文明建設(shè)意義重大[1]。在當(dāng)前全面消除黑臭和劣Ⅴ類(lèi)水體、大力建設(shè)海綿城市的關(guān)鍵階段，河道閘壩優(yōu)化運(yùn)行的作用極其重要。現(xiàn)在我國(guó)的內(nèi)河閘壩大多采用常規(guī)的方法進(jìn)行調(diào)度，缺少智慧化科學(xué)的管理方式和頂層設(shè)計(jì)，生態(tài)治河理念普及度不夠，水工建筑物的風(fēng)景綠化品質(zhì)較差，導(dǎo)致其在水環(huán)境、水生態(tài)和水安全上的弊端日趨明顯，負(fù)面脅迫效應(yīng)也接踵而至。

目前關(guān)于閘壩工程對(duì)河流水質(zhì)、水量的環(huán)境影響與優(yōu)化調(diào)控研究較多，并逐漸向生態(tài)水利方向轉(zhuǎn)變。左其亭等[2]分析了閘壩調(diào)度過(guò)程在河流水質(zhì)和水生態(tài)指標(biāo)變化中的作用；董克寶[3]模擬了閘壩聯(lián)合調(diào)控情景下水量與水源分配的變化，并提出優(yōu)化河流型濕地景觀用水的措施；姜翠玲等[4]通過(guò)綜述水文情勢(shì)與棲息地生物響應(yīng)機(jī)理、水利工程生態(tài)效應(yīng)和生態(tài)需水量的估算方法，評(píng)估了閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，并展望了我國(guó)生態(tài)水利的發(fā)展趨勢(shì)。鑒于此，本文通過(guò)分析閘壩調(diào)度對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的作用效果，探討閘壩控制型河流生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)體系和影響效應(yīng)機(jī)制，總結(jié)降低閘壩工程引發(fā)河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的管控對(duì)策，以期能夠促進(jìn)我國(guó)閘壩工程管理水平的提高。

1 閘壩工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的內(nèi)涵機(jī)制

1.1 閘壩工程影響機(jī)制的層級(jí)劃分

根據(jù)閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響效應(yīng)類(lèi)型，可以分為正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)。兩者之間的影響力此消彼長(zhǎng)。其中，正效應(yīng)主要包括增加局部流域的防洪效益、強(qiáng)化水資源的可調(diào)控性、提升水源的供給能力和鞏固水旱災(zāi)害防御的基礎(chǔ)設(shè)施；負(fù)效應(yīng)主要包括威脅流域的生態(tài)安全、破壞河流自然的水生態(tài)過(guò)程、減少河流濕地的水源補(bǔ)給量、弱化雨洪資源的生態(tài)作用和喪失原有蓄滯洪(澇)區(qū)的調(diào)節(jié)功能。

閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在非生態(tài)變量因子及生態(tài)變量因子兩個(gè)方面。其中，非生態(tài)變量是指河流濕地的基本特征，生態(tài)變量是指生物初級(jí)生產(chǎn)力及高級(jí)食物鏈組分，兩者是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。根據(jù)具體的反映過(guò)程和作用時(shí)間，可將其劃分為3個(gè)效應(yīng)層級(jí)，具體指標(biāo)類(lèi)別見(jiàn)表1。從閘壩工程建設(shè)開(kāi)始，就對(duì)河流非生物環(huán)境要素產(chǎn)生作用，第一層級(jí)影響所產(chǎn)生的變化又為第二層級(jí)影響做鋪墊，對(duì)地形地貌和初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生效應(yīng)，對(duì)更高食物鏈上的生物發(fā)生作用，即對(duì)第三層級(jí)產(chǎn)生影響。這種互饋?zhàn)饔眠^(guò)程的復(fù)雜程度，從第一層級(jí)到第三層級(jí)是逐漸增加的。最終，第三層級(jí)作為閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，將會(huì)直接反映河流環(huán)境面臨的風(fēng)險(xiǎn)水平。

表1 閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響層級(jí)劃分

1.2 閘壩工程影響機(jī)制的核心內(nèi)容

閘壩工程運(yùn)行后，徹底改變了河流的年徑流量及其年內(nèi)分配比例，毗鄰區(qū)域的地貌結(jié)構(gòu)、河流下游的水質(zhì)水量條件也會(huì)隨之變化，將直接或間接地影響河流沿岸的水生態(tài)環(huán)境，并使水生生物群落的結(jié)構(gòu)、類(lèi)型和生活力發(fā)生變化，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)中各要素的演變程度存在差異。與此同時(shí)，控水作用也會(huì)引起河道水文情勢(shì)逐漸單一化，使河流上下游之間的徑流過(guò)程更具有可控性，對(duì)河水流速、河道流量和過(guò)水?dāng)嗝娈a(chǎn)生顯著影響，最終導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的功能有效性和河流濕地的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均不斷降低。

閘壩工程帶來(lái)河岸區(qū)域經(jīng)濟(jì)質(zhì)量發(fā)展和沿岸居民高品質(zhì)生活的同時(shí)，也造成河流部分原有生態(tài)功能的喪失，主要表現(xiàn)為河岸線(xiàn)形態(tài)、水質(zhì)水量狀況、生物群落等方面的變化[5]。閘壩工程生態(tài)機(jī)制研究主要包括建設(shè)前的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)和運(yùn)行后的綜合效應(yīng)評(píng)估，主要包含以下內(nèi)容：

a.閘壩工程導(dǎo)致河流的水勢(shì)變化平緩，其對(duì)維持河流濕地生態(tài)系統(tǒng)完整性的作用機(jī)理，并提出河道生態(tài)需水量的閾值范圍。

b.以不同組分的保護(hù)與修復(fù)為目標(biāo)，制定出河流恢復(fù)可持續(xù)性徑流的技術(shù)準(zhǔn)則。

c.研究河道水工建筑物對(duì)天然河流生態(tài)景觀造成的破壞以及產(chǎn)生的環(huán)境協(xié)調(diào)性問(wèn)題，為增強(qiáng)河流廊道景觀魅力提供美學(xué)基礎(chǔ)。

d.基于河流緩沖帶的生境特點(diǎn)，有效實(shí)施相應(yīng)的水生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)策略。

1.3 閘壩工程影響機(jī)制的評(píng)估體系

閘壩工程主要通過(guò)改變自然水文特征來(lái)影響河流濕地緩沖帶和水生態(tài)管控邊界，其對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響效應(yīng)機(jī)制分析框架見(jiàn)圖1。通過(guò)以河流尺度的水文及水生態(tài)效應(yīng)評(píng)估為基礎(chǔ)，在河段尺度篩選重點(diǎn)閘壩站點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行綜合分析。其中，閘壩調(diào)度對(duì)河流生態(tài)效應(yīng)的評(píng)估體系可以分為3類(lèi)：

a.水文-水生態(tài)評(píng)估體系。主要通過(guò)采取定量或半定量方法，評(píng)估閘壩運(yùn)行對(duì)各水文指標(biāo)的影響以及水文指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo)之間的定性關(guān)系，進(jìn)而簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)閘壩對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理。

b.水文效應(yīng)評(píng)估體系。首先運(yùn)用歸一化分析方法和典型賦值模型計(jì)算閘壩對(duì)水文情勢(shì)的影響級(jí)別，再統(tǒng)計(jì)逐月水文數(shù)據(jù)，篩選過(guò)水?dāng)嗝鏄O值流速的出現(xiàn)時(shí)間和年內(nèi)徑流量變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，最終綜合評(píng)估閘壩工程的影響效應(yīng)。

c.生態(tài)水文模型評(píng)估體系。通過(guò)建立以河流水文和濕地生態(tài)指標(biāo)為基礎(chǔ)的流域本底資料數(shù)據(jù)庫(kù)，利用耦合水動(dòng)力模型進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)合樣地調(diào)查驗(yàn)證，評(píng)估閘壩調(diào)度后，河流濕地生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)物、植物和微生物等指標(biāo)的變化情景。

圖1 閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制分析框架

2 閘壩控制型河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

閘壩工程建設(shè)導(dǎo)致出現(xiàn)流域水循環(huán)短路、洪泛區(qū)生態(tài)過(guò)程中斷及河流生態(tài)系統(tǒng)孤立等問(wèn)題，使人們不斷地進(jìn)行深刻反思，促進(jìn)了河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的普及應(yīng)用，并逐步推廣包含水質(zhì)、水量、水環(huán)境、生物群落等指標(biāo)的水生態(tài)管理新理念。然而，由于不同河段在水資源緊缺程度、開(kāi)發(fā)利用率、水體污染類(lèi)型和人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)方式等方面存在差異，故需要進(jìn)行河岸線(xiàn)形態(tài)、棲息地生境、河道斷面監(jiān)測(cè)和水生生物種類(lèi)等多項(xiàng)指標(biāo)的定期野外調(diào)查和長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，致使河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)成為一項(xiàng)重要但復(fù)雜的工作。

2.1 河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的構(gòu)成

閘壩工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是一個(gè)涉及流域生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的耦合系統(tǒng)，需要客觀、全面地分析影響過(guò)程，并統(tǒng)籌水生態(tài)系統(tǒng)完整性的基本要求[6]。河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)不同于開(kāi)工建設(shè)前的環(huán)境影響評(píng)價(jià)和水工程的后期評(píng)估，它是針對(duì)已建成的閘壩工程，從人居環(huán)境、水生生物、自然規(guī)律、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水系景觀等方面，建立一套量化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和人類(lèi)干擾程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。

2.2 河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)

河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是基于具體河段而提出的指標(biāo)體系，并在其所能揭示的流域特征基礎(chǔ)上，根據(jù)綜合性、典型性和可操作性選出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，主要包括河流生境指標(biāo)、水環(huán)境指標(biāo)、生物指標(biāo)和人水和諧度指標(biāo)四大類(lèi)別[7]。其中，河流生境指標(biāo)主要包括河岸緩沖帶植被覆蓋度、河流濕地現(xiàn)存率、河流底質(zhì)結(jié)構(gòu)、堤坡滲透穩(wěn)定性、流域水系連通性和河岸線(xiàn)蜿蜒度；水環(huán)境指標(biāo)主要包括年際間徑流量變化率、八大離子濃度、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、水溫、水深、基流保證率、水體渾濁度和溶解氧；生物指標(biāo)主要包括鄉(xiāng)土水生動(dòng)物存活狀況、流域生物多樣性指數(shù)、魚(yú)類(lèi)種數(shù)、水生植物豐富度和無(wú)脊椎動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度；人水和諧度指標(biāo)主要包括流域土地利用率、景觀破碎化指數(shù)、防洪工程完善率、雨洪安全系數(shù)、供水保證率、水資源利用率和生態(tài)用水所占比例。

2.3 河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的方法

根據(jù)對(duì)河流健康概念的不同理解，在河流生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)中常用的方法主要有5種：?jiǎn)沃笜?biāo)評(píng)價(jià)法、多指標(biāo)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、健康指數(shù)法和綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法[8]。其中，單指標(biāo)評(píng)價(jià)法是指根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要、特有或敏感等物種的類(lèi)型和數(shù)量，判斷河流生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平；多指標(biāo)評(píng)價(jià)法是指通過(guò)對(duì)比觀測(cè)河段與參照河段的一系列特征因子，并對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行科學(xué)打分和加權(quán)累加，進(jìn)而對(duì)河流的受干擾情況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)；模糊評(píng)價(jià)法是指通過(guò)運(yùn)用數(shù)學(xué)中模糊關(guān)系合成的基本原理，將一些邊界不清晰且不易定量的因子定量化，然后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法；健康指數(shù)法是指通過(guò)實(shí)測(cè)、評(píng)估或問(wèn)卷調(diào)查而獲取各項(xiàng)指標(biāo)的現(xiàn)狀值，并將其按照統(tǒng)一的方法進(jìn)行量化，然后根據(jù)指數(shù)模型加權(quán)計(jì)算出河流的健康值；綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法是指依據(jù)選定的關(guān)鍵指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，進(jìn)行不同的等級(jí)排序，同時(shí)與簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)運(yùn)算相結(jié)合，進(jìn)行評(píng)估河流的健康情況。

3 閘壩控制型河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控的保障機(jī)制

3.1 河流生態(tài)系統(tǒng)的綜合管理

從生態(tài)系統(tǒng)的角度開(kāi)展流域環(huán)境管理是未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，通過(guò)基于河流生態(tài)系統(tǒng)整體性的理念，結(jié)合不同時(shí)空層次的差異性和特殊性，體現(xiàn)出組分間的不可分割特征，綜合開(kāi)展流域規(guī)劃、治理、開(kāi)發(fā)和保護(hù)工作[9]。首先，河流生態(tài)系統(tǒng)具有非對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，與其所處的行政區(qū)劃、上下游及左右岸等地域性要素具有直接關(guān)系。其次，“水”作為構(gòu)成河流生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵性要素，對(duì)于維持組分完整、水系連通和生境質(zhì)量具有決定作用。鑒于此，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)層面對(duì)河流現(xiàn)狀和風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)估，加強(qiáng)不同空間尺度拓展，并在制度設(shè)計(jì)和措施優(yōu)化中充分考慮流域綜合協(xié)調(diào)性，因地制宜地提出河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)方案，并適當(dāng)采用經(jīng)濟(jì)和法律手段來(lái)解決環(huán)境與發(fā)展之間的矛盾。

3.2 貫通河流上下游

河流上下游水系連通具有增加水量調(diào)蓄、保障生物遷徙路線(xiàn)通暢、凈化水土資源環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，目前主要從水文、生態(tài)、地貌和景觀等方面對(duì)其進(jìn)行描述。由于其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也發(fā)揮著重要作用，河流水系連通則具有自然屬性和社會(huì)屬性的雙重特性，并且其連通性機(jī)制主要表現(xiàn)為橫向、縱向、垂向和時(shí)間上的連通性[10]。其中，河流水系橫向連通性是指主河槽與灘地、河岸緩沖帶之間的相互連通，閘壩工程將會(huì)減小灘地淹沒(méi)概率，減弱水動(dòng)力條件及洪水能力，降低水土養(yǎng)分交換和生物擴(kuò)散能力，從而造成河流橫向連通性降低；水系縱向連通性是指生物、元素和能量在河流縱向上的通暢程度，閘壩工程使得河道基流量顯著減小，導(dǎo)致水沙、水熱和水量失衡，阻斷生物上下游交流路徑，打破了河流水系的生態(tài)完整性；水系垂向連通性是指地表河水、土壤水庫(kù)和沿河地下水之間的水分、物質(zhì)及生物的可運(yùn)移能力，與地表水-地下水循環(huán)條件、河流底泥類(lèi)型、水體交換強(qiáng)度等因素有直接關(guān)聯(lián)；水系時(shí)間連通性是指河流水量、流速、徑流和生物分布等指標(biāo)隨著季節(jié)性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，主要分為洪水季節(jié)和枯水季節(jié)，但是閘壩工程的調(diào)度運(yùn)行使河流水系連通的時(shí)間維度變得具有人為可控性，逐漸喪失了自然波動(dòng)性的特點(diǎn)。

3.3 河岸緩沖帶的棲息地適宜性恢復(fù)

棲息地是河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是保障水生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要條件，可以直接反映出閘壩控制型河流面臨的風(fēng)險(xiǎn)狀況。河岸緩沖帶棲息地的恢復(fù)措施主要有增加河灘地面積、推廣應(yīng)用生態(tài)護(hù)坡和構(gòu)建廊道景觀。其中，生態(tài)護(hù)坡在改善河流水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中起到重要的作用，通過(guò)減少河岸的硬化處理，并栽種適生植物，形成河流生態(tài)廊道，增加河岸緩沖帶棲息地生境多樣性，進(jìn)而改善魚(yú)類(lèi)洄游、底棲生物繁殖和植物群落生長(zhǎng)所必要的生態(tài)環(huán)境類(lèi)型[11]。另外，不同生境條件的鑲嵌排列，也有利于形成不同的生物群落，增加物種豐富度和生物多樣性指數(shù)，最終能夠提升河流生態(tài)系統(tǒng)的自?xún)裟芰涂股鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。同時(shí)，河岸帶也能夠?yàn)榫用裉峁┝己玫男蓍e娛樂(lè)場(chǎng)所，滿(mǎn)足人們親水需求，增加居民的幸福度指數(shù)，進(jìn)而促進(jìn)保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的積極性。

3.4 河流生態(tài)需水量的精確估算

生態(tài)需水量是指河流維持基本生態(tài)功能所需的水資源量，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)的基礎(chǔ)，也是保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康的有效措施，可以將其劃分為河道基流需水量、水面蒸散發(fā)需水量、深層滲漏需水量、水質(zhì)自?xún)粜杷?、水鹽平衡需水量、沖淤輸沙需水量和洪水脈沖需水量[12]。但是，河流生態(tài)需水量的精確估算并不是將各部分生態(tài)需水量進(jìn)行數(shù)學(xué)相加，因?yàn)榭赡茉谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，水量能夠部分或全部地滿(mǎn)足多項(xiàng)功能。目前采取的常用估算方法如下：

a.按照歷史水文觀測(cè)資料的數(shù)據(jù)比例，估算維持或恢復(fù)河流棲息地的生態(tài)需水量。

b.模仿自然河流的徑流模式，將徑流變化程度最小化的閘壩流量列為生態(tài)需水量。

c.建立河道斷面濕周-流量關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)斜率法或曲率法計(jì)算生態(tài)需水量。

d.在河流濕地生態(tài)學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定最適宜的需水量。

4 結(jié) 論

閘壩工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響作用具有持久性和累積效應(yīng)，必須有效運(yùn)用閘壩工程的生態(tài)調(diào)度模式，將其對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響降到最低。通過(guò)實(shí)施閘壩系統(tǒng)性的調(diào)度措施，既能提高上游的存蓄能力，又能保證下游的河流生態(tài)需水量，最大限度地恢復(fù)河流水系的連通性，為流域內(nèi)水環(huán)境-水資源-水生態(tài)的防洪、治污和景觀聯(lián)合調(diào)度提供支撐。同時(shí)，要不斷完善涉水法律法規(guī)體系、公眾參與機(jī)制和環(huán)境公益訴訟制度，加大宣傳力度和營(yíng)造良好氛圍。然而，閘壩工程對(duì)河流景觀文化和天然美學(xué)功能的負(fù)效應(yīng)，不易定量化表達(dá)，并且補(bǔ)救措施的可操作性較差。總之，提升河道空間品質(zhì)和落實(shí)沿岸韌性規(guī)劃是河流生態(tài)管控的發(fā)展趨勢(shì)，并且隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的完善性和可靠性將不斷提高，有效地促使我國(guó)進(jìn)入基于流域環(huán)境質(zhì)量和河流生態(tài)健康的水生態(tài)文明建設(shè)新階段。