河流生境研究綜述

郭文獻(xiàn)1,2, 王艷芳1, 徐建新1

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

摘要：河流系統(tǒng)是人類及河流生物賴以生存的大系統(tǒng).隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,人類對(duì)于河流的依賴程度越來越大,但一系列的開發(fā)利用也對(duì)河流造成了很大的傷害.河流生物棲息地的研究是河流生態(tài)修復(fù)和流域環(huán)境管理的重要基礎(chǔ).本文主要研究了河流生境的內(nèi)涵、分類,綜述了河流棲息地的評(píng)估方法、河流健康評(píng)價(jià)方法以及關(guān)于河流生態(tài)調(diào)度等的研究現(xiàn)狀.

關(guān)鍵詞：河流生境;棲息地;河流健康;生態(tài)調(diào)度中圖分類號(hào)：X171.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-5634(2015)03-0021-03

收稿日期:2015-03-13

基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAB02B04).

作者簡介：張麗(1964—),女,河南鄭州人,教授,博士,主要從事水工結(jié)構(gòu)、生態(tài)水工學(xué)、水文與水資源等方面的研究．

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.006

河流是連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)的重要介質(zhì),是人類及河流生物賴以生存的大系統(tǒng),具有生態(tài)系統(tǒng)的基本特性.自1980年后,在河流生態(tài)學(xué)范疇內(nèi),相繼提出了一系列的概念和理論,這些理論為河流生態(tài)系統(tǒng)研究以及河流生境的生態(tài)修復(fù)提供了理論基礎(chǔ).河流生物棲息地的研究是對(duì)河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的重要基礎(chǔ).筆者主要研究了河流生境的內(nèi)涵、分類、評(píng)估方法、河流健康以及關(guān)于河流生態(tài)調(diào)度等問題.

1生境內(nèi)涵及其類型

生境即棲息地,美國Grinnell(1917年)首先提出生境一詞,即habitat,他定義生境為生物的生存環(huán)境的空間范圍,一般指生物生活的生態(tài)地理環(huán)境.生境通常指某種生物或某個(gè)生態(tài)群體生存繁衍的地域或環(huán)境類型.廣義上的棲息地概念中包含了生物的生存空間以及生存空間中的全部環(huán)境因子.對(duì)魚類而言,其棲息地則包括其完成產(chǎn)卵、索餌、越冬等過程所必需的水域范圍[1].

按空間尺度分類,河流生物棲息地分為宏觀棲息地、中觀棲息地和微觀棲息地[2].宏觀棲息地主要包括流域和整體河段，中觀棲息地包括局部河段和深潭、淺灘,微觀棲息地指河流流態(tài)、河床結(jié)構(gòu)、岸邊覆蓋物等.

河流生物棲息地中包含了許多生境因子.根據(jù)生境因子分類，其大多被分為兩種類型:一類是功能性棲息地;另一類是物理?xiàng)⒌?功能性棲息地主要研究對(duì)象是河流中的介質(zhì),主要為底質(zhì)和植被類型，如巖石、砂、落葉等,適于研究未受人類干擾的河流.物理?xiàng)⒌刂饕芯繉?duì)象是水流的形態(tài),根據(jù)影響水流形態(tài)的因子對(duì)其進(jìn)行分類.常見的物理?xiàng)⒌刂饕芯徚?、急流?其適于研究任何狀態(tài)的河流[3].

2河流棲息地的評(píng)估方法

河流棲息地評(píng)估方法可以分為水文水力學(xué)方法、棲息地模擬法、河流地貌法、綜合評(píng)估法[2].

2.1　水文水力學(xué)方法

水文水力學(xué)方法主要通過水位、流量等參數(shù)反映河流棲息地的狀況.該類方法幾乎應(yīng)用到了世界上所有的地方,適合用于設(shè)定初級(jí)目標(biāo)和國家性戰(zhàn)略決策,是應(yīng)用最為廣泛的方法之一[4-5].比如濕周法、R2CROSS 法等.濕周法最初由Nelson[6]等提出,該法在淺灘區(qū)迭定具有代表性的幾個(gè)河道斷面，測(cè)量不同流量條件下的水深和流速，繪制濕周-流量非線性關(guān)系圖.濕周隨著流量的增加而增大,但當(dāng)濕周超過某臨界值后,關(guān)系曲線斜率降低，可認(rèn)為濕周-流量關(guān)系曲線中的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量為河道生態(tài)流量值[2].

2.2　河流地貌法

河流地貌法主要是通過河流地貌特征反映棲息地的狀況.在水質(zhì)與水量條件保持恒定不變時(shí),河流地貌特征與生物群落的多樣性存在線性關(guān)系,影響生物群落的結(jié)構(gòu)和功能[7].

2.3　棲息地模擬法

棲息地模擬法是河道內(nèi)環(huán)境流量研究中較為廣泛的一種計(jì)算方法.該方法通過結(jié)合水力模擬、物種棲息地的偏好特性模擬出流量和棲息地之間的定量關(guān)系.

棲息地模擬法中的關(guān)鍵是建立棲息地適宜度評(píng)價(jià)指標(biāo).用物理生境因子來量化生物群落對(duì)棲息地的敏感性與喜好程度.棲息地適宜性標(biāo)準(zhǔn)就是用數(shù)值0～1表示影響因子對(duì)魚類從不適宜到適宜的影響情況.棲息地適宜性標(biāo)準(zhǔn)有單變量格式、二元格式、多變量格式[8]3種.單變量棲息地適宜性模型最典型的是河道內(nèi)流量增加法(Instream Flow Incre-mental Methodology,IFIM).郝增超等[9]利用IFIM方法研究了河道生態(tài)需水量多目標(biāo)評(píng)價(jià).多變量棲息地適宜性模型包括回歸模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹等.

棲息地模擬法以生境適宜性曲線為評(píng)價(jià)方式,以生境與生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系為生態(tài)基礎(chǔ),理論依據(jù)充分,但是需要大量人力、物力,操作復(fù)雜.

2.4　綜合評(píng)估法

綜合評(píng)估法是從整體角度綜合研究河流棲息地與泥沙、流量等因素的關(guān)系[2].

目前河流生境的研究方法較多,每種方法都有自身的適用范圍,大多數(shù)方法主要用于小型河流的生態(tài)影響和生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià),而不太適用于大型河流魚類的生境評(píng)價(jià);其次,目前的研究方法和模型只考慮了流速、水深、底質(zhì)等生態(tài)因子，沒有考慮水溫、含沙量等因素.而我國過去水生生物監(jiān)測(cè)資料不系統(tǒng),資料收集困難,大多數(shù)研究僅在定性分析層次上,魚類生境研究的定量化還有待進(jìn)一步深入.

3河流健康評(píng)價(jià)

近年來,隨著大壩以及各種人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)的影響,不少學(xué)者提出了有關(guān)河流生境健康的概念以及河流生境健康評(píng)價(jià)等.美國《清潔水法修正》(1972年)中表示,河流生境評(píng)價(jià)以及修復(fù)的目標(biāo)是恢復(fù)和保持水和生物的完整性.Norris等[10]認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)是指生物的完整性以及可持續(xù)性.An等[11]采用生物完整性、生境狀況和化學(xué)參數(shù)來評(píng)價(jià)河流健康,認(rèn)為河流健康即為河流的完整性.劉曉燕等[12]認(rèn)為河流健康是相對(duì)意義上的健康.董哲仁[13]認(rèn)為河流健康是河流生態(tài)系統(tǒng)的一種狀態(tài),在這種狀態(tài)下，河流生態(tài)系統(tǒng)保持結(jié)構(gòu)完整性并具有恢復(fù)力,同時(shí)能滿足社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要.

河流健康評(píng)價(jià)方法根據(jù)評(píng)價(jià)內(nèi)容可分為4個(gè)方面：物理-化學(xué)評(píng)價(jià);棲息地評(píng)價(jià);水文評(píng)價(jià);生物評(píng)價(jià).根據(jù)評(píng)價(jià)原理分類,主要分為2類[14]：一類是預(yù)測(cè)模型方法或稱多元變量統(tǒng)計(jì)分析方法,如RIVPACS;另一類為多指標(biāo)方法,主要有IBI、REC、ISC、RHS等.

預(yù)測(cè)模型法是通過比較理論上河流在未受干擾條件下應(yīng)存在的生物組成與河流實(shí)際的生物物種來評(píng)價(jià)河流的健康狀況.此方法在對(duì)河流進(jìn)行健康評(píng)價(jià)時(shí)只通過單一物種進(jìn)行評(píng)價(jià),不能反映河流的真實(shí)健康情況[15].多指標(biāo)綜合評(píng)估法是從河流的整體出發(fā),綜合不同生物組織層次上多個(gè)指標(biāo)與河流狀況之間的關(guān)系.多指標(biāo)綜合評(píng)估法通過選取河流狀況具有代表性的影響因素指標(biāo)來制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),然后用等級(jí)打分的形式來評(píng)價(jià)河流狀況.多指標(biāo)綜合評(píng)估法快速,評(píng)價(jià)結(jié)果易懂,但評(píng)價(jià)過程復(fù)雜,資料不易收集.

4生態(tài)調(diào)度

目前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)生態(tài)調(diào)度還沒有給出明確的定義.董哲仁等[16]提出了水庫多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度概念,即生態(tài)調(diào)度是在強(qiáng)調(diào)水利工程的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的同時(shí)，將生態(tài)效益提高到應(yīng)有的位置;水庫生態(tài)調(diào)度要保護(hù)河流流域生態(tài)系統(tǒng)健康,對(duì)筑壩給河流帶來的生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行補(bǔ)償.水庫生態(tài)調(diào)度的目標(biāo),是以維持河流健康可持續(xù)發(fā)展為總目標(biāo),其中包括維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性、生物多樣性、生物可持續(xù)性等[8].

根據(jù)對(duì)國內(nèi)外相關(guān)概念的理解,水庫生態(tài)調(diào)度,即以河流健康的可持續(xù)性為目標(biāo),通過工程措施和非工程措施,調(diào)整水庫泄水方案,在充分發(fā)揮水庫的防洪和發(fā)電等效益的同時(shí),減緩水庫調(diào)度對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響.開展水庫的生態(tài)調(diào)度,要認(rèn)識(shí)和了解目前的河流生態(tài)問題,掌握其規(guī)律和發(fā)展的特點(diǎn),這樣才能使水庫生態(tài)調(diào)度真正地發(fā)揮效益.

水庫生態(tài)調(diào)度措施總的來說可以分為工程措施和非工程措施2種.其中工程措施包括：①可減小筑壩對(duì)洄游魚類過壩影響的設(shè)施，如設(shè)魚梯等；②可提高下游河道最小流量的設(shè)施,如選用小型機(jī)組、設(shè)再調(diào)節(jié)堰等[17]；③可提高水庫下泄水流溶解氧濃度的設(shè)施,如使渦輪機(jī)通風(fēng)、設(shè)摻氧裝置等[18].水庫生態(tài)調(diào)度的非工程措施即通過調(diào)整水庫下泄方式來減緩其不利影響，包括：①控制咸潮入侵；②保障水庫下游河流生態(tài)系統(tǒng)合理的環(huán)境流量；③控制水體富營養(yǎng)化；④針對(duì)魚類產(chǎn)卵繁殖習(xí)性采取相應(yīng)調(diào)度方式；⑤控制下泄水體氣體過飽和；⑥泥沙調(diào)控措施；⑦調(diào)控水庫“低溫”水下泄；⑧水系連通性調(diào)度.

5結(jié)語

近來年,隨著河流生態(tài)環(huán)境的破壞越來越嚴(yán)重，各國都在積極探討河流生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù).在水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理中,需要充分了解和研究河流棲息地的現(xiàn)狀及影響因素,并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而進(jìn)行生態(tài)修復(fù).目前，國外一些國家已建立系統(tǒng)的生境研究方法，而我國大量研究還處在理論探討方面,在全國開展生態(tài)調(diào)控實(shí)踐仍需要一定時(shí)間.

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Research Overview on River Habitat

GUO Wenxian1, 2, WANG Yanfang1, XU Jianxin1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract:River system is a big system for the survival of human and fluvial biont. With the development of economic and society, human more and more depends on river, but a series of development and utilization caused great damage to river. The research on the habitats of fluvial biont is the important foundation of river ecological restoration and river basin environmental management. In this article, we researched the connotation and classification of river habitat, and summarized the research situations of assessment methods on river habitat, evaluation methods on river health and river ecological dispatch, etc., which have great significance for ecological restoration of river habitat, and so on.

Keywords:river habitat; habitat; river health; ecological dispatch

(責(zé)任編輯：蔡洪濤)