基西米河生態恢復工程啟示論文

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摘要摘要：文章介紹了美國迄今為止規模最大的河流恢復工程——基西米河生態恢復工程的概況，該工程是按照生態系統整體恢復理念設計的工程．文中分析了進行河流恢復的目的以及工程設計原則．基西萊河生態恢復工程的經驗告訴我們，按照傳統的水利工程設計方法造成河流渠道化，會對河流生態系統帶來諸多負面影響；為減輕對于河流生態系統的壓力采取的河流恢復工程辦法，又會付出很高的代價．我國的水利工程建設應避免重走西方國家的彎路，改進水利工程規劃設計方法，實現人和自然的和諧．

摘要：生態系統河流恢復工程生態系統整體恢復基西米河美國

基西米河的生態恢復工程是美國迄今為止規模最大的河流恢復工程，從規劃論證階段至今已經經歷20余年。它也是按照生態系統整體恢復理念設計的工程．從20世紀70年代開始科學工作者就對基西米河渠道化工程引起生態系統的退化進行了長期的觀測探究，同時組織了論證和評估，探究如何采取工程辦法和管理辦法對于河流生態系統進行修復．自1984年開始進行試驗性建設，1998年正式開工，工程將延續到2010年結束?；髅缀由鷳B恢復工程的經驗告訴我們，按照傳統的水利工程設計方法造成河流渠道化，會對河流生態系統帶來哪些負面影響，為減輕對于河流生態系統9壓力采取的河流恢復工程辦法，又會付出多高的代贊。我國正處在水利水電建設高潮，大批新建工程正在興建，為了避免走彎路，西方國家的經驗教訓值得我們思索和借鑒。

1改造前基西米河的自然狀況

1．1基本自然狀況

美國基西米河(Kissimmee)位于佛羅里達州中部，由基西米湖流出，向南注入美國第二大淡水湖——奧基喬比湖，全長166km，流域面積7800km2．流域內包括有26個湖泊；河流洪泛區長90km，寬1．5-3km，還有20個支流沼澤，流域內濕地面積18000hm2。

1．2歷史上基西米河地貌形態的多樣性

歷史上的基西米河地貌形態是多樣的．從縱向看，河流的縱坡降為0。00007，是一條“辮子”狀的蜿蜒型的河流．從橫斷面外形看，無論是沖刷河段或是淤積河段，河流橫斷面都具有不同的外形．在蜿蜒段內側形成沙洲或死水潭和泥沼等，這些水潭和泥沼內的大量有機淤積物成為生物良好的生境條件．原有自自然河流提供的濕地生境，其能力可支持300多種魚類和野生動物種群棲息．這些生物資源的多樣性是由流域水文條件和河流地貌多樣性提供的．

在20世紀50年代建設堤防堤防以前，由于平原地貌特征及沒有沿河的天然的河灘階地，河道和洪泛區（包括泥沼、死水潭和濕地)之間具有良好的水流側向聯通性．洪泛區是魚類和無脊椎動物良好的棲息地，是產卵、覓食和幼魚成長的場所．在汛期干流洪水漫溢到泛洪區，干流和河汊、水潭和泥沼相互聯通，小魚游到泛洪區避難．小魚、無脊椎動物在退水時從洪泛區進于流．另外，原有河道植被繁茂，植被的遮陰對于融解氧的溫度效應起緩沖功能．

1．3水文條件

在對河流進行人工改造之前，河流的水文條件基本上是自然狀態的．年內的水量豐枯變化形成了脈沖式的生境條件．據水文資料統計，平均流量從上游的33m3/s到河口的54m3/s．歷史記錄最大洪水為487m3/s，平均流速為0.42m/s．在流量達到40—57m3/s河流溢流漫灘時，流速不超過0.6m/s．

在人工改造前，洪水在通過茂密的濕地植被時流速變緩，又由于縱坡緩加之蜿蜒性河道等因素，導致行洪緩慢。退水時水流歸槽的時間也相應延長．在歷史記錄中有76％的年份中，有77％面積的洪泛區被沉沒．退水時水位下降速率較慢，小于0.03m/d．每年的洪水期，各種淡水生物有足夠的時間和機會進行物質交換和能量傳遞．洪水漫溢后，各種有機物隨著泥沙沉淀在洪泛區里，為生物留下了豐富的養分．

由于河流地貌形態的多樣性和近于自然的水文條件，為河流生物群落多樣性提供了基本條件．原有自然河流提供的濕地生境，其能力可支持300多種魚類和野生動物種群棲息．

2水利工程對生態系統的脅迫

2．1水利工程建設概況

為促進佛羅里達州農業的發展，1962年到1971年期間對在基西米河流上興建了一批水利工程．這些工程的目的摘要：一是通過興建泄洪新河及構筑堤防提高流域的防洪能力；二是通過排水工程開發耕地．工程包括挖掘了一條90km長的C-38號泄洪運河以代替天然河流，運河為直線型，橫斷面為梯形，尺寸為深9m、寬64—105m。運河設計過流能力為672m3/s．另外，建設了6座水閘以控制水流．同時，大約2/3的洪泛區濕地經排水改造．這樣，直線型的人工運河取代了原來109km具有蜿蜒性的自然河道．連續的基西米河就被分割為若干非連續的階梯水庫，同時，農田面積的擴大造成濕地面積的縮小(圖1)．

2．2水利工程對生態系統的脅迫

從1976年到1983年，進行了歷時7年的探究．在此基礎上對于水利工程對基西米河生態系統的影響進行了重新評估．評估結果認為水利工程對生物棲息地造成了嚴重破壞．這種對于生態系統的干擾在生態學中稱為“脅迫”．主要表現在以下方面．

(1)自然河流的渠道化使生境單調化．直線型的人工運河取代了原來具有蜿蜒性的自然河道，人工運河的橫斷面為簡單的梯形斷面．原來由深潭和沙洲相間，急流和緩流交錯的多樣格局，可以支持多樣化的生物群落．渠道化以后河流的生境變得單調，生物群落種類明顯減少．新開挖的人工運河把河流變成了相對靜止的具有穩定水位的水庫，水庫的水深加大，出現溫度分層現象，深層水的光合功能微弱，生物生產力下降．

(2)水流側向聯通性受到阻隔．建設了人工運河后，堤防又把水流完全限定在運河以內，洪水漫溢到灘區已經沒有可能性．運河的興建切斷了河流和洪泛區的側向水流聯通性，隔斷了干流和河汊、灘區和死水潭的聯系，使得河流四周水流旁路濕地的營養物質過濾和吸收過程受到阻礙。這主要表現為摘要：一是魚類和無脊椎動物失去了產卵、覓食和避難的環境；二是干流攜帶的有機物質無法淤積在洪泛區，而這些物質正是淡水生物所不可缺少的養分．新建的運河行洪能力強，減少了行洪時間，平均從ll.4d減少到1．1d．這不僅使淡水食物網中能量傳遞和物質交換的機會減少，而且急劇的退水速率會造成fc量魚類因水中溶解氧缺乏而死亡．

(3)溶解氧模式變化造成生物退化．由于運河為寬深式渠道，其表面積和體積之比要小，曝氣率低．運河水深加大，出現分層現象，水深大于1m處溶解氧明顯降低．原有河道植被茂密具有遮陰功能，對于溶解氧的溫度效應起緩沖功能．而人工運河完全暴露在陽光下，水中溶解氧含量低．另外，人工運河為直線型，水流平順，對水流的干擾和摻混功能能力弱．這些因素都使運河的溶解氧含量下降．溶解氧含量低的水心得使水生生物“窒息而死”．

(4)通過水閘人工調節，使流量均一化，改變了原來脈沖式的自然水文周期變化．自然狀態的水文條件隨年周期循環變化，河流廊道濕地也呈周期變化．在洪水季節水生植物種群占優勢．水位下降后，水生植物讓位給濕生植物種群，是—種脈沖式的生物群落化模式，顯示出一種多樣性湖特征．而流量均—化使生境條件單調．

(5)原有河道的退化．渠化顯著地改變了水位和水流特征，使得2100hm2的洪泛區濕地消失，嚴重影響了魚類和野生群落．原來自然河道雖然被保存下來，但是由于主流轉入人工運河，使得原有河道流量大幅度減少，引起河床退化．大量水生的植物如睡蓮、萵苣、水葫蘆等阻塞了這些的自然河段．

以上這些綜合結果是生境質量的大幅度降低．據統計，保存下來的天然河道的魚類和野生動物棲息地數量減少了40％．人工開挖的C-38運河，其棲息地數量比歷史自然河道減少了67％．其結果是生物群落多樣性的大幅度下降．據調查，導致減少了92％的過冬水鳥，魚類種群數量也大幅度下降．

3河流恢復工程

3．1河流恢復工程概況

基西米河被渠道化建成以后引起的河流生態系統退化的現象引起了社會的普遍關注．自1976年開始對于重建河道生物棲息地進行了規劃和評估，經過7年的探究工作，提出了基西米河的被渠道化的河道的恢復工程規劃報告，并經佛羅里達州議會作為法案審查批準．規劃提出的工程任務是重建自然河道和恢復自然水文過程，將恢復包括寬葉林沼澤地、草地和濕地等多種生物棲息地，最終目的是恢復洪泛平原的整個生態系統．為進行工程預備1983年州政府征購了河流洪泛平原的大部分私人土地．

在工程的預備階段，于1984至1989年開展了科研工作，重點是探究回填人工運河的穩定性以及對于滿足地方水資源的需求新問題，采用一維及二維數學模型分析和模型試驗相結合的探究方法．模型試驗采用的模型尺寸為Ob和33m寬的水槽，垂直比尺為1摘要：40，水平比尺為1摘要：60，為定床試驗．模擬范圍為人工運河、原有保留河道和洪泛平原．模型試驗結果和現場河道控制泄流試驗(最大流量為280m3／s)的實測數據相對照．

3．2河流恢復主要工程項目

(1)試驗工程．1984-1989年開展的試驗工程位于水庫B，為一條長195lan渠道化運河．重點工程是在人工運河中建設—座鋼板樁堰，將運河攔腰截斷，迫使水流重新流入原自然河道．示范工程還包括重建水流季節性波動變化，以及重建洪泛平原的排水系統．同時還布置了生物監測系統，評估恢復工程對于生物資源的影響．

對于鋼板樁堰運行情況進行了觀測．觀測資料表明，一方面水流重新流入原來自然河道達9km,導致了河流地貌發生了一定程度的有利變化．但是，鋼板樁堰建成后，在四周的河道水力梯度比歷史記錄值高5倍，在大流量泄流期間，測量的流速為0.9m/s，這樣的高能量水流對河床具有較強的沖蝕能力．另外，在示范工程區域內，退水時水位天天下降速率超過0.2m/d，沉沒的洪泛區排水時間為2—7d．地表水和地下水急劇回流，水中的溶解氧水平很低，導致大量魚類因缺氧而死亡．為此又進行了模型試驗探究，最后的結論是摘要：僅僅用鋼板樁堰攔斷人工運河還是不夠的，需要連續長距離回填人工運河．最終方案是連續回填C-38號運河共38km，拆除2座水閘，重新開挖14km原有河道．回填材料用原來疏浚的材料，運河回填高度為恢復到運河建設前的地面高程．同時重新連接24km原有河流，恢復35000hm2原有洪泛區，實施新的水源放水制度，恢復季節性水流波動和重建類似自然河流的水文條件.

(2)第一期工程．從1998年開始第一期主體工程，包括連續回填C-38號運河共38km．重建類似于歷史的水文條件，擴大蓄滯洪區，減輕洪水災難．至2001年2月由地方管區和美國陸軍工程師團已經完成了第一階段的重建工程．在運河回填后，開挖了新的河道以重新聯結原有自然河道。這些新開挖的河道完全復制原有河道的形態，包括長度、斷面面積、斷面外形、縱坡降、河灣數目、河灣半徑、自然坡度控制以及河岸外形．建設中又加強了干流和洪泛區的聯通性．為魚類和野生動物提供了豐富的棲息地．2001年6月恢復了河流的聯通性，隨著自然河流的恢復，水流在干旱季節流人彎曲的主河道，在多雨季節則溢流進入洪泛區．恢復的河流將季節性地沉沒洪泛區，恢復了基西米河濕地．這些辦法已引起河道洪泛區棲息地物理、化學和生物的重大變化，提高了溶解氧水平，改善了魚類生存條件．重建寬葉林沼澤棲息地，使涉水禽和水鳥可以充分利用洪泛區濕地．圖2表示了人工運河回填前后河流含氧量和魚類生存區域．

(3)第二期工程．計劃在21世紀前10年進行更大規模的生態工程，重新開挖14．4km的河道和恢復300多種野生生物的棲息地．恢復10360hm2的洪泛區和沼澤地，過濾營養物質，為奧基喬比湖和下游河口及沼澤地生態系統提供優良水質。

(4)河流走廊生態恢復監測和評估．在工程的預備階段，就布置了完整的生物監測系統．在收集大量監測資料的基礎上，對于生態恢復工程的成效進行評估，目的是判定達到期望目標的程度．該項工程制定了評估的定量標準。以60分為期望值，各個因子分別為摘要：棲息地特性(含地貌、水文和水質)占12分，濕地植物占10分，基礎食物(含浮游植物、水生附著物和無脊椎動物等)占13分，魚類和野生動物占25分．隨著自然河流的恢復，水流在干旱季節流入彎曲的主河道，在多雨季節水流漫溢進入洪泛區．恢復的河流將季節性地沉沒洪泛區，恢復了基西米河濕地，許多魚類、鳥類和兩棲動物重新回到原來居住的家園．近年來的監測結果表明，原有自然河道中過度繁殖的植物得到控制，新沙洲有所發展，創造了多樣的棲息地．水中溶解氧水平得到提高，恢復了洪泛區闊葉林沼澤地，擴大了死水區．許多已經匿跡的鳥類又重新返回基西米河．科學家已證實該地區鳥類數量增長了三倍，水質得到了明顯改善．

4對我國河流生態建設工作的啟示

近年來，我國水利部門開始關注河流生態建設新問題，提出了保持河流最低生態需水量的新問題，開展了相關的科學探究和試點工作．同時，連續幾年實施了塔里木河、黑河等調水行動，改善河流的水文條件，對于遏制這些河流生態系統退化發揮了明顯功能．另外，我國東

南部一些省分結合河道整治和防洪建設開展河流環境建設．特81j是一些大中城市把河流整治和城市景觀建設相結合，水利工程又被賦予了休閑、旅游等新的功能．但是河流生態建設新問題，對于我國工程界究竟還是一個新的技術領域，對于流域規模的生態建設的目標、重點、方法和關鍵技術，還缺乏整體的把握西方國家的河流恢復行動的起因，是從對河流人工改造工程的反思開始的，也就是分析水利水電工程對于河流生態系統的脅迫，進而提出如何通過工程辦法、生物辦法以及管理辦法，對于河流生態系統進行補償，逐步摸索河流生態恢

復工程的技術方法．西方國家在河流生態恢復方面已經有20多年的歷史，他們的經驗值得我們借鑒，非凡是在河流管理的理念，河流生態建設的目標、重點和工程技術，都值得我們認真探究．但是，“借鑒”不等于照搬．原因是我國和西方國家的經濟發展階段不同，對于水資源及水能資源的開發程度也不同，另外我國用于環境建設的財力和西方國家相比差距很大．

從水環境保護的發展階段來看，我國目前正處于以水質改善為重點的水環境建設階段，全國扛河水質惡化的趨向還沒有得到有效遏制，在治污方面還有很長的路要走．考察西方國家水環境建設的發展歷程，發達國家的河流環境建設，從50年代開始以水質恢復為第一階段，到80年代初期水污染新問題基本緩解后轉入第二階段即河流生態恢復階段．我國和西方國家在水環境保護方面起碼有幾十年的差距．盡管發展階段不能超越，但是，我們仍然可以借鑒西方國家的經驗和教訓，少走彎路．我國和西方國家不同，水利水電建設正處在發展時期．對于大量的新建工程，要改進水利工程的規劃、設計理念和技術，使工程設施在滿足社會需求的同時，要盡量減少對于河流生態系統的破壞．在規劃設計階段就要考慮如何最大限度減少對于河流生態系統的脅迫，這樣作是一種經濟的技術路線．如同不能走“先污染，后治理”老路一樣，對于河流生態系統也不能走“先破壞，后補償”的老路．假如我們的規劃設計仍然固守傳統方法，繼續摘河流直線化工程，繼續搞裁彎取直工程，繼續建設硬質岸坡，幾年后熟悉到這是對生態系統的脅迫，如上述美國的工程案例那樣，再進行改造工程，重新廢除直線的人工運河、拆除閘壩；或像日本近些年所做的那樣，拆除混凝土護坡和襯砌，代之以可以長草、魚類可以產卵的生態型護坡，其造價將是原來造價的若干倍，不啻是一種巨大浪費．從基西米河的恢復工程可以得到以下啟示。

(1)要正視水利水電工程對于河流生態系統造成的脅迫，積極探究“趨利避害”的策略．水利水電工程是造福社會的工程，對于河流生態系統在一些方面也有積極的功能，比如防止大洪水對于生態系統的沖擊等．但是一些水利水電工程建成后，對于河流生態系統造成了不同程度的壓力或稱脅迫，引起了生態系統不同程度的退化．我國水利建設工作者應正視這些負面影響，采取“趨利避害”的態度，對于生態系統的負面影響要采取工程辦法、生物辦法和管理辦法予以積極補償．當然，我們不贊成西方國家一些學派要全面拆除大壩，完全恢復河流的自然面貌主張．這是一種“因噎廢食”的片面論點．而且需要非凡指出，反對建

壩及主張全面拆壩的觀點，僅僅是生態工程界中的一種學派，更多的觀點是主張對于河流生態系統進行“改善”，“修復”和“自然化”．歐洲和日本的工程界多傾向于河流整治的自然化方法．

形成對河流生態系統脅迫的主要原因有兩個方面摘要：一是自然水文條件的改變；二是河流自然地貌特征的改變．自然水文條件的改變指水量的減少，水質的惡化以及自然水文脈沖式周期被人為平均化的調度方式所代替．河流自然地貌的改變主要指閘壩引起河流的非連續化，堤防妨害了河流的側向聯通性，河流的直線化改造和硬質護坡等，這些因素都使生物棲息地多樣性受到不同程度的影響，其后果是生物群落多樣性的下降，河流生態系統的退化．近年來我國水利部門已經開始關注河流生態建設新問題，主要著眼點是改善河流水文條件，如實施調水行動拯救生態系統嚴重退化的河流生態系統．對于水利水電工程引起的生物棲息地退化，尚未引起足夠重視．對于新建工程，至今仍然延續傳統設計方法，河道的直線化改造設計以及硬質護坡還作為常規技術普遍采用，在設計中也少有考慮生態補償新問題．對于大型水利水電工程的流域范圍的生物監測還沒有提到議事日程．樞紐工程的調度工作兼顧魚類和其它生物生存新問題還沒有引起重視．

(2)河流生態建設的目標和重點．河流生態建設的目標是恢復生態系統的健康和可持續性．健康是指目前狀況，可持續性是指生態演替過程朝不斷完善的方向發展．河流生態恢復的著眼點是恢復生物群落多樣性，主要指群落的組成，結構和功能的多樣性．我國一些地方開展的河流生態建設工程著眼于河流岸坡綠化，還沒有熟悉到河流生態系統是一個由魚類、鳥類、哺乳動物、無脊椎動物和昆蟲等等動物和水中及岸邊植物共同組成的食物網的復雜結構．

河流生態建設的重點有兩項摘要：一是生物棲息地建設；二是河流自然水文條件的改善．對于水文條件改善新問題，近年來我國水利界開展了不少討論和開展若干示范項目，比如最小生態需水量新問題、河湖治污、改善生態調水行動等．其中，對于改善水庫調度方式適應珍稀魚類生存等，尚未見有探究報道．河流生物棲息地建設新問題，無論是對河流管理者或是探究者來說，都是一個新課題．所謂棲息地建設主要是恢復河流形態的多樣性，保持河流的婉蜒，在河流縱向和橫向都保持多樣性，防止渠道化．另外要保持河流的縱向連續性和側向聯通，創造生態系統的物種流、能量流、營養物質循環以及生物競爭的條件．在這些方面需要開展示范工程探究，結合我國的實際情況，積累經驗，逐步推廣．在規程規范的修編中要逐步加入生態工程技術內容，比如在河流及渠道護坡設計規范中增加生態型護坡這種類型．

生態系統是否是健康的，需要建立完善的評估體系，評估工作的基礎是長期、完整的水文和生物監測資料．因此生態建設的基礎工作是建立生物監測系統網絡．

(3)發揮生態系統自組織功能，進行適應性管理．生態工程的設計理念和傳統工程設計方法不同，傳統設計方法是確定性設計，比如大壩設計．但是生態工程要充分發揮生態系統的自組織功能，靠自然力恢復生物群落．可以說，生態工程能否成功一半在人力，一半在自然力．人的功能在于為生物群落繁衍棲息創造必要的條件．基西米河的恢復工程的實施即安照溯，j一示范—試驗—主體工程施工這樣的程序．從試驗階段的鋼板樁堰截流方案實施后，進行了跟蹤式的生物監測和水文監測，根據監測數據評估項目執行中生物群落多樣性和河勢變化，調整了原規劃設計，決定采取長距離填死人工運河設計方案．

(4)河流生態系統的美學價值也是一種生態資源．近年來，我國沿海城市結合河道整治開展城市園林景觀建設，注重河流的美化綠化，為居民的休閑創造了新環境．但是，當前的傾向，一是注重園林景觀效果較多，重點放在河流岸邊的綠化，而對河流生態整體恢復考慮較少；二是發掘歷史人文景觀較多，建設了大量樓臺亭閣和仿古的建筑物，而對于發掘河流自然美學價值較少涉足．非凡是繼續采用漿砌條石護岸和幾何規則斷面，使河流的渠道化進一步加劇。實際上，河流生態系統的一項重要的服務功能是其自然美學價值．假日里，生活在喧囂城市的人們到自然狀態河流中去休閑，用身心去心得河流的美學價值，反映了人類在長朋進化過程中對于大自然的一種心理眷戀．河流的生態建設應盡可能恢復河流的自然狀態，恢復生物群落的多樣性，發掘自然河流內在的美學價值，使人們在自然狀態的河流享受和自然和諧的樂趣．

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