河流生态修复规划方法(董哲仁)

河流生态修复规划方法董哲仁2011年8月哈尔滨新理念新领域新举措水是生命之源、生产之要、生态之基。坚持人水和谐。继续推进生态脆弱河流和地区水生态修复。-中共中央1号文件维护河湖健康生态，改善城乡人居环境。着力推进水生态保护和水环境治理，坚持保护优先和自然恢复为主。-胡锦涛总书记在中央水利工作会议的讲话提纲为什么开展河流生态修复？一二河流生态系统分析与评价三规划目标、任务和原则四规划内容和工作流程一、为什么开展河流生态修复河流生态系统过程、特征、功能人类对于河流大规模开发对河流生态系统的胁迫河流生态系统河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统。河流生态系统的结构和功能是河流生态系统的本质特征。生态系统是由植物、动物和微生物群落以及无机环境相互作用而构成的一个动态、复杂功能单元。-联合国千年生态系统评估报告2005生态系统结构与功能生态系统结构系统整体性生态系统功能营养结构空间与时间结构正负反馈层级结构物种流动物质循环自我调节信息流动能量流动生物生存过程-结构-功能河流栖息地特征1河流的连续性2水文情势的周期性和脉冲性3河流地貌的复杂性4生物群落多样性河流4维连续体模型河流连续体模型Vannote等1980年提出河流连续体概念(RiverContinuumConcept,RCC)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河流生物群落结构连续性物质流、能量流、信息流和物种流的连续性河流生态系统结构和功能的动态性河流4维连续体模型LH流态物质流信息流河床纵剖面岸边植物带(a)HL1342流态物质流信息流H/L—河流纵坡降河床纵剖面岸边植物带(b)(a)自然河流(b)筑坝河流筑坝对于河流连续性的影响示意图水文循环与生物过程水文情势的周期性和脉冲性水文循环过程始终与生物过程交织在一起。水文情势(hydrologicalregime)5个要素：流量、频率、出现时机、持续时间和水文条件变化率。水文情势对河流生态系统具有重要驱动力作用。河流系统的生物过程对于水文情势的变化呈现明显动态响应。水文情势－河流生态过程耦合模型具有生态学意义的水文情势5要素(hydrologicalregime)水文情势对河流生态系统具有重要驱动力作用。河流系统的生物过程对于水文情势的变化呈现明显动态响应。水文情势流量水文变化率持续时间出现时机频率水文过程要素输入响应流量和频率流量增加或减小侵蚀和/或淤积；敏感物种丧失；海藻和有机物受冲刷力度被改变；生命周期被改变流量稳定能量流动改变；外来物种入侵或生存风险增加，导致：本地物种灭绝、本土物种受威胁、生物群落改变；河漫滩区植物获得的水和营养物质减少，导致：幼苗脱水、无效的种子散播、植物生存所需的斑块栖息地和二级支流丧失、植被侵入河道出现时机季节性流量峰值丧失扰乱鱼类活动信号：产卵、孵卵、迁徙；鱼类无法进入湿地或回水区；水生食物网的结构改变；河岸带植物的繁衍程度降低或消失；外来河岸带物种入侵；植物生长速度减慢持续时间低流量延长有机物浓缩；植被覆盖减少；植物生物多样性降低；河岸带物种组成荒漠化；生理胁迫引起植物生长速度下降、形态改变或死亡基流“峰值部分”延长下游漂浮的卵消失洪水持续时间改变改变植被覆盖的类型洪水淹没时间延长植被功能类型改变；树木死亡；水生生物失去浅滩栖息地变化率水位迅速改变水生生物被淘汰及搁浅洪水退潮加快秧苗无法生存水文情势要素的生态响应水文情势－河流生态过程耦合模型包括两个概念：环境流量概念和洪水脉冲概念环境水流为防止经济活动对于径流减少引起河流生态退化，需要在社会经济需求和生态保护之间寻求某种平衡点洪水脉冲河流－洪水滩区系统生物生存、生产力和交互作用的主要驱动力洪水脉冲河流－洪泛滩区横断面洪水脉冲洪水脉冲的生态功能河流－滩区系统是有机物高效利用系统提高了河流－漫滩系统的动态连通性洪水脉冲的信息流功能洪水脉冲提高了生物群落多样性洪水脉冲洪水脉冲－生命节律信号长江的四大家鱼每年5~8月水温升高到18℃以上时，如逢洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的38处产卵场进行繁殖。家鱼在涨水第一天开始产卵，如江水不再继续上涨或涨幅很小，产卵活动即告终止。洪水脉冲4.305.105.205.306.106.206.30Month.date4645444342414031302928272623222120191817YiduGuangjiJianliWaterLevel(m)Spawningrecords自从1956年开始的长期观测表明，四大家鱼在水位上涨时产卵形成高峰（据水工程生态研究所常剑波资料）河流地貌复杂性（空间异质性）蜿蜒性连通性3维复杂性河滩宽度主河槽宽度上游中游下游深泓砾石砾石深泓2倍最大水深河流廊道生态系统示意河流生物群落多样性正负反馈层级结构整体性空间与时间结构营养结构河流生态系统结构对河流的大规模开发近一百多年来利用现代工程技术手段，对河流的大规模开发利用，兴建了大量工程，改变了河流的地貌学特征。数百年河流的人工变化超过了数万年的自然演进。有学者估计，至今，全世界有大约60％的河流经过了人工改造，包括筑坝、筑堤、治河工程…对河流大规模开发全世界范围内超过15米高/库容超过300万立方米的大坝有45000座,（ICOLD，2000）我国有26000座。建坝最多的国家依次为中国、美国、前苏联、日本和印度。河流近100年变化剧烈长江约300多万年的历史中华民族有5000年的文明史。（相当1年：14小时）近100年的变化，超过5000年变化的总和0200400人类历史长江历史人类历史长江历史淮河河势的演变洞庭湖的历史演变洞庭湖面积（平方公里）变化4350391531412820269126250100020003000400050001949年1954年1958年1971年1983年现在年份面积中科院南京湖泊所李世杰资料河流生态系统生物生物入侵过度捕捞狩猎生境水污染水土流失围垦毁林水利工程大气全球变化大气污染酸雨土地城市化土地污染荒漠化水利工程的生态胁迫水利工程胁迫自然河流非连续化筑堤引起河流侧向非连续化筑坝引起顺流方向非连续化水网阻隔河湖阻隔自然河流渠道化直线化裁弯取直河床断面规则化护坡材料硬质化跨流域调水工程调水区胁迫效应受水区胁迫效应运河沿线胁迫效应河流渠道化人工渠道化断面规则化直线化护坡硬质化1）河流的非连续化河流非连续化水坝堤防河湖水网阻隔治河工程对河流地貌影响围湖造田裁弯取直堤防的演变-防洪标准提高？保护生态？水库运行期引起的生态胁迫自然河流的脉冲式水文周期变化趋于均一化；下泄水流水温变化、过饱和气体；阻断洄游鱼类通道；坝下游河道冲刷，改变江湖关系；水库淤积，库区富营养化和地质灾害问题…河流脉冲驱动力效应自然水文过程的年丰枯变化，引发物种的不同行为特点，与物种的生物过程相耦合。径流调节过程线时机和预见性生态基流侧向漫溢(漫滩流量)河漫滩植被触发树种散布触发鱼类产卵洪水脉冲效应Qt自然水文情势的改变，洪水脉冲效应减弱，生物群落多样性下降城市河段-园林化园林化奇花异草假山假水亭台楼阁水榭船坞仿古建筑御码头御桥御河寺庙祠堂故居牌楼、雕塑仿洋建筑喷泉雕塑城市河段-商业化商业化河流滩区房地产开发高级住宅区高尔夫球场沿河发展餐饮服务业茶楼酒肆娱乐场所对于生物群落的损害据联合国《世界水资源开发报告》（2002）估计，地球生态系统中，与陆地水源密切相关的生物有24％的哺乳动物和12％的鸟类受到生存的威胁。目前考察过的占总数1/10的鱼类中，有1/3面临绝种。由于栖息地环境被干扰，陆地的水域生态多样性普遍下降。提纲为什么开展河流生态修复？一二河流生态系统分析与评价三规划目标、任务和原则四工具箱和工作流程二、河流生态系统分析与评价什么是河流生态修复？在充分发挥生态系统自组织功能的基础上，采取工程和非工程措施，促使河流生态系统恢复到较为自然的状态，改善其生态完整性和可持续性。河流生态修复规划内容1河流生态系统现状调查与综合评价2规划范围和年限3规划目标与总体布局4规划任务5工程措施6管理措施7监测与评估8投资估算9效果分析生态系统分析与评估工作流程1•生态现状调查、分析2•历史状况调查、分析3•现状-历史对比趋势分析，各生态因子变化率4•基于压力-响应模型，识别关键胁迫因子5•建立河流生态状况分级系统6•制定修复目标7•确定修复措施二、河流生态系统分析与评价历史上的河流生态状况和景观格局是生态修复的重要参照系统。现状生态状况和景观格局既是历史状况的延续,也是进行生态修复规划的出发点。因此，需要进行历史与现状生态状况对比分析。在此基础上，对于河流生态系统进行综合评价。河流现状描述表河流现状描述表（续）生态现状与历史对比胁迫因子的识别-多变量决策问题在相同的时间尺度内，各生态因子的变化率是多少？哪些是变化较大的生态因子？这些变化较大的生态因子对河流生态系统是否产生了重要胁迫效应？进而分析哪些外界因素导致这些生态因子产生变化，是自然因素还是人类活动因素？具体的外界因素影响是什么？如果消除或减轻这些外界因素是否就能够部分地恢复河流生态系统的结构与功能？河流生态状况分级系统河流生态系统的综合评价是对河流生态现状及演变趋势的综合评价。为开展河流生态系统综合评价，需要建立河流生态状况分级系统。（董哲仁2010）河流生态状况分级系统既可以用于河流生态现状评价，也可以用于制定河流生态修复目标，使之定量化。河流生态状况分级系统在分级系统中，生态状况划分为：优、良、中、差4个等级。评价对象是主要生态要素，包括生物质量、水文、物理化学和河流地貌4个方面。主要生态要素层次下设立11项指标。规划的特定流域或河流需要结合自身情况，给上述11项指标的4种等级赋值。河流生态状况分级系统表河流生态状况分级系统表各项指标的赋值原则主要是生态现状与大规模干扰前该项指标相比较的变化率，同时兼顾现行的环境质量标准。表5-2-3中等级准则的标号方法如下。第一位表示生态要素层编号，如“物理化学”为3。第二位表示指标层编号，如“水质”为e。第三位表示状况等级编号，如“良”等级为2。举例，3.e.2指“物理化学”层次，“水质”指标“良”等级标准。河流生态状况分级系统表赋值举例鱼类1.a.1鱼类类别构成与受到干扰前几乎一致。所有特定类别的干扰敏感性物种都存在。鱼类群体年龄结构受人类活动干扰微小，物种的繁殖发育可顺利进行。1.a.2由于人类活动对水质和水文过程影响，鱼类的构成和数量与特定的生物群落相比，发生了一定变化。鱼类群体的年龄结构受到干扰，个别物种的繁殖发育失败，某些鱼类的年龄段缺失。1.a.3由于人类活动对水质和水文过程影响，鱼类的构成和数量与特定的生物群落相比，发生了中等程度的变化。鱼类年龄结构受到干扰的迹象明显，甚至造成个别鱼类物种的消失或数量降低。1.a.4由于人类活动对水质和水文过程影响，鱼类的构成和数量与特定的生物群落相比，发生了重大变化。鱼类年龄结构受到严重干扰，一些珍稀和特有鱼类物种消失或濒危。案例：欧盟水框架指令（WFD)欧盟水框架指令的生态分级系统与参考条件间无偏差或仅存轻微偏差优秀状态与参考条件略有偏差良好状态与参考条件有中度偏差主要改动与生物群落存在大幅偏差严重改动大部分生物群落缺失中等状态不良状态很差状态参考条件等价于未受干扰的自然条件水框架指令的最小目标是到2015年达到良好状态WFD-生态状态质量要素生物质量要素：•浮游植物•其它水生动植物：–底栖植物–大型植物•大型无脊椎动物•鱼类监测参数WFD-生态状态质量要素化学和物理化学质量要素：•一般条件（温度、氧气、盐度、PH值、营养盐、透明度等）•具体的合成污染物（有机污染物，农药）•具体非合成污染物（重金属等）提纲为什么开展河流生态修复？一二河流生态系统分析与评价三修复目标、任务和原则四工具箱和工作流程三修复目标、任务和原则河流生态修复的目标确定河流生态修复目标，实质上就是定义一个期望的未来河流状况。