河流保护行动的发展阶段

(1)河流保护行动的阶段。发达国家对于河流保护行动往往是从河流的水质恢复开始的,大体始于20世纪50年代。为恢复河流水质,政府投入了巨额资金。通过加强管理,强化污水处理和控制排放,推行清洁生产,到80年代初,河流污染问题得到一定程度的缓解。河流管理者和科学家把目光转向河流生态系统的健康和可持续问题,特别强调恢复河流的生物群落多样性问题。河流恢复的目标不仅是达到水质指标,更重要的是以恢复河流生态系统的结构和功能为目标。河流生态恢复行动从山区溪流和小型河流开始,首先在北欧和西欧,后在美国和日本等国家全面展开,代表性的方法是“近自然方法治理”技术,目标多是以单一物种的恢复为标志。在此期间,专门开展了一批科学示范工程,由科学家们进行长期监测与评估,深入总结摸索规律和技术方法。大量研究结果表明,这些项目取得了包括水质进一步改善在内的整个河流生态系统功能恢复的明显生态效益。科学家们由此受到鼓舞,从80年代后期,开始在大型河流上展开河流恢复行动,恢复行动的几何尺度大体是“河流廊道”。代表性的项目是莱茵河“鲑鱼—2000计划”。到90年代,科学家们提出要在更大的尺度比如景观尺度上进行整体、综合的河流生态恢复行动,认为只有这样的尺度才有高效率、低风险。以流域尺度进行河流恢复,在西方正处于规划和研究阶段。但是有些工程已经大规模开展起来。如美国上密西西比河等。

以下简要介绍河流生态恢复经历的主要发展阶段。

1)河流水质恢复。从20世纪50年代起,西方国家把河流治理的重点放在污水处理和河流水质保护上。著名的案例是美国俄亥俄河、英国泰晤士河等的水质恢复工程。河流水质恢复的努力一直持续至今。

2)小型河流以单个物种恢复为标志的生态恢复。自20世纪80年代初期开始,西方国家的河流生态恢复活动主要集中在小型溪流,恢复目标多为单个物种恢复。典型的案例是阿尔卑斯山区相关国家,诸如德国、瑞士、奥地利等国开展的“近自然河流治理”工程,20多年取得的成效斐然,积累了丰富的经验。这些国家制定的河川治理方案,注重发挥河流生态系统的整体功能;注重河流在三维空间内植物分布、动物迁徙和生态过程中相互制约与相互影响的作用;注重河流作为生态景观和基因库的作用。同一时期开展的美国威斯康星州的溪流生态恢复项目,也积累了经验。

河川的生态工程在德国称为“河川生态自然工程”,日本称“近自然工事”,或“多自然型建设工法”。美国称为“自然河道设计技术”。一些国家已经颁布了相关的技术规范和标准。

在这同一时期,一些国家的科学家和工程师对河流生态恢复工程开展了一些科学示范工程研究,较为著名的有英国的戈尔河(Gole)和思凯姆河(Skeme)的科学示范工程等。

3)大型河流生态恢复工程。大型河流生态恢复工程大约始于20世纪80年代后期。具有典型性的项目是莱茵河的“鲑鱼-2000计划”。从恢复目标来看,大体是按照“自然化”的思路进行规划设计。从20世纪90年代开始,欧盟已经把注意力集中在河流及流域的恢复上,“生命计划和框架计划Ⅳ、Ⅴ”计划已经通过。(Life Programme and Framework ProgrammesⅣandⅤ)。其目的是增进人类活动对于生物多样性冲击的认识,恢复生物多样性的功能。从1993年开始,欧盟生命计划开始在丹麦和英国的主要河流上实施,主要是开展示范工程建设。

4)流域尺度的整体生态恢复。如上述,河流生态系统是一个包括广义水文系统,生物系统和人工设施系统这3个子系统组成的大系统。广义水文系统包括从发源地直到河口的上中下游地带,流域中由河流串联起来的湖泊、湿地、水塘、沼泽和洪泛区,以及作为整体存在的地下水与地表水系统。水文系统又与生物系统交织在一起,形成水域生态系统。而人类活动和工程设施作为生境的一部分,形成对于水域生态系统的正负影响。因此,河流生态恢复不能只限于某些河段的恢复,或河道本身的恢复,而是要着眼于景观尺度的整体恢复。以流域为尺度的整体生态恢复,是20世纪90年代提出的命题(Gore,J.A.1995)。由于大河、洪泛平原和流域恢复的复杂性,按照流域尺度进行整体、综合的河流生态恢复,目前还处于研究和规划阶段。美国已经按照这种思路进行了部分河流恢复规划,未来20年美国将有600000km 的河流或溪流被恢复。需要说明的是,这个数字在总体上所占比例是很低的,仅是需要处理的河流总长的1.3%。已经开展的大型河流按流域整体生态恢复工程的实例可以举出上密西西比河、伊利诺伊河和凯斯米河(Kissimmee River)。

(2)典型工程案例分析。

1)莱茵河“鲑鱼—2000计划”。1987年开始的莱茵河“鲑鱼—2000计划”为大型河流生态恢复工程提供了新的经验。莱茵河是欧洲的大河,流域面积18.5万km2,河流总长1320km。流域内有瑞士、德国、法国、比利时和荷兰等9国。二次大战以后莱茵河沿岸国家工业急剧发展,造成污染不断蔓延,生物物种减少,标志生物—鲑鱼开始死亡。莱茵河保护国际委员(ICPR)于1987年提出了莱茵河行动计划。这个计划的鲜明特点是以生态系统恢复作为莱茵河重建的主要指标。主攻目标是:到2000年鲑鱼重返莱茵河,所以将这个河流治理的长远规划命名为:“鲑鱼—2000计划”。这个规划详细提出了要使生物群落重返莱茵河及其支流所需要提供的条件,治理总目标是“莱茵河要成为一个完整的生态系统的骨干”。投资数百亿美元用于治污和生物栖息地建设。到2000年莱茵河全面实现了预定目标。莱茵河治理的经验是,水环境改善的目标不是简单用若干水质指标来衡量,而是将目标确定为恢复一个完整的流域生态系统。

2)美国佛罗里达南部的大沼泽恢复工程。工程始于1993年,计划历时20年,投资80亿美元,是一项大型河流生态恢复工程。该地区在历史上的河流是季节性的,由奥基乔比湖溢出,通过大沼泽地带,向南注入佛罗里达湾。但是在20世纪中建设了大量渠道和泵站,将水流分别引向东、西两个方向注入大西洋和墨西哥湾,这样就极大地改变了水域的生态状况。现在的工程计划要恢复历史水文状况,使水流向南通过大沼泽进入佛罗里达湾。工程还包括在农业区建造和恢复湿地,控制引起富营养化的流域内非点源污染,以保护墨西哥湾。其组成部分——凯斯米河的恢复工程已经完成。凯斯米河从佛罗里达中部流向奥基乔比湖。20世纪60年代对于河流的改造主要是河道的直线化和渠道化。现在,该项工程已经完成,恢复了旧时河道的蜿蜒性,建造了低坝,联通了河道滩区的岔河及死水带。河流已经恢复到接近30年前的状况。工程投资巨大,其数目相当30多年前工程费的10倍。

3)美国密苏里河的自然化工程。密苏里河起源于美国西北部的怀俄明州。河流流向东方和东南方,沿途经过7个州,在圣路易斯附近汇入密西西比河,全长2341km。其流域面积137.3km2,覆盖了大约1/7的美国国土面积。(www.xing528.com)

在20世纪初,密苏里河还保留许多自然河流的特点,到了20世纪末,密苏里河生态系统发生了重大变化。与百年前的自然河流大相径庭,甚至可以说已经变成了另外一条河流。引起变化的原因包括:1800年后期河道周围树木的砍伐,外来鱼种的引进;1900年初期为航运目的对河道的整治;自1930年开始在干流建设大坝,至今共75座;土地利用方式的改变,包括城市化、农业、交通等基础设施的建设;人口增长。由于大坝对于水流的调整,原来水文周期变化特征在大部分流域已经消失。由于裁弯取直、筑坝、渠道化等工程,使河流的蜿蜒性降低。密苏里河在1895年全长为2546km,到2001年为2341km。目前已经有735km 的河道进行了渠道化,约占为全长的1/3。河流横断面趋于单一化,大部分是梯形断面。原始河流的深潭、沙洲和滩区支岔都已消失。河流被束缚在统一的渠道化的河道中。大部分泥沙在上游水库淤积,河道泥沙输送量大为降低。由于堤防的修建,使水流无法溢出到边滩和洪泛区,堤防隔断了河道与洪泛区的联系。大约121万hm2 的天然河边和洪泛区栖息地发生改变。生态群落多样性明显下降。植被方面,由于农田的扩张和水库蓄水,洪泛区曾经茂密的白杨大部分消失,洪泛区的植被面积进一步缩小。原来生活在干流的67种本土鱼类,51种已经列为稀有鱼类,目前还在进一步减少。在未渠道化的河段,水底无脊椎动物的生物量已经降低了70%,外来鱼类其种类已经超过乡土种鱼类。河流生态系统的改变也降低了系统的服务功能。如水质净化功能,空气净化功能,减少了自然产品如木材、药材的供给等。

1997年美国地理调查署的报告中对于密苏里河的自然植被、鱼类、水质等进行广泛的调查。制定了包括上中下游、干流与支流、洪泛区在内的河流恢复行动规划,而实施计划则选择在重点河段内进行。由于河流上中下游生境的异质性,密苏里河的生态恢复规划进行了河流分段,按照4种类型共划分了19个单元。这4种类型包括水库段、未渠化段、渠化段及水库之间段。从1970年起由美国陆军工程师团开展生物栖息地的监测,并采取措施对于濒危鱼类进行保护。1986年开始的水资源发展行动(WRDA 86),授权陆军工程师团在密苏里河实施生物栖息地建设,计划在2006年完成,耗资8000万美元。至今已经有8处栖息地得到恢复和保护。另外正进行9处。1999年美国国会授权在35年内征地48000hm2,构建生物栖息地,耗资大约7.5亿美元。主要工程是恢复河流的蜿蜒性,加大滩地岔流的流量和发展死水区域,安装泵站和控制性结构物构建栖息地。

4)美国基西米河恢复工程。美国基西米河(Kissimmee)位于佛罗里达州中部,由基西米湖流出,向南注入美国第二大淡水湖——奥基乔比湖,全长166km,流域面积7800km2。流域内包括有26个湖泊;90km 长,1.5～3km 宽的洪泛区以及20个支流沼泽。流域内湿地面积18000hm2。历史上的基西米河纵坡降为0.00007,是一条麻花状的蜿蜒性的河流。在不同的淤积或冲刷区域以及不同河段,河流横断面形状都有许多变化,形成蜿蜒段内侧的沙洲、死水区和泥沼等,这些区域内的大量有机淤积物成为生物生境条件。原有自然河流提供的湿地生境,其能力可支持300多种鱼类和野生动物种群栖息。这些生物资源的多样性都是由流域水文条件和河流地貌多样性提供的。

20世纪50年代还没有建设堤防,河道与洪泛区之间具有良好的水流侧向联通性。小鱼、无脊椎动物在退水时从洪泛区进入河道。根据历史记录,大约有35%～50%时间河流漫溢到两岸,为水生动植物留下了丰富的有机养分。平时鱼类种群把洪泛区栖息地作为繁殖、觅食和幼鱼成长的场所。

1962年到1971年期间对基西米河流进行了渠道化改造。通过建设排水工程开发土地和构筑堤防以防御洪水,目的是促进佛罗里达州的农业发展。为此,在洪泛区上挖掘了一条90km 长的直线型的C—38号运河。运河为梯形断面,9m 深、64～105m 宽,设计过流能力为672m3/s。另外,建设了6座水闸,从而把河道划分成若干阶梯式的水库。这样,上游的基西米湖就由运河直接联结到各个梯级水库,取代了原来109km 蜿蜒性的自然河道。同时,大约2/3的洪泛区湿地经排水改造。建设水闸后,按照人为的调度方案进行控制,改变了原来的自然水文周期。防洪工程把河流附近区域变成了相对静止的具有稳定水位的水库,堤防又把泄流完全限定在C-38号运河以内,河流漫溢已经没有可能,从而切断了河流与洪泛区的水流联通性。使得河流附近水流旁路湿地的营养物质过滤和吸收过程受到阻碍。由于流量减少、泥沙淤积和横断面多样性的下降,使河流栖息地结构发生变化。加之水闸蓄水调节,流量均一化,改变了原来脉冲式的自然水文周期变化。原来自然河道植被茂密具有遮阴功能,对于溶解氧的温度效应起缓冲作用。而人工运河则完全暴露在阳光下。而且人工运河为直线型,水流平顺,缺乏对水流的干扰和掺混作用能力。这些都导致运河的曝气率低,使生物生产量降低。

这些综合结果是生境质量的大幅度降低。据统计,保存下来的天然河道的鱼类和野生动物栖息地数量减少了40%。人工开挖的C—38运河,其栖息地数量比历史自然河道减少了67%。其结果是生物群落多样性的大幅度下降。据调查,导致减少了92%的过冬水鸟,鱼类种群数量也大幅度下降。

在20世纪70年代,对于重建河道生物栖息地进行了规划和评估。在1983年经过7年的研究,佛罗里达州议会立法,批准了恢复基西米河的“改造渠道化的河道规划报告”。预算为5亿美元。工程任务是重建自然河道和恢复自然水文过程,目的是恢复洪泛平原系统的整个生态系统。基西米河恢复工程被认为是美国历史上最大的河流恢复工程,将恢复包括宽叶林沼泽地、潮湿草地和湿地等多种生物栖息地。

基西米河恢复工程的任务有两项:一是河流地貌特征重建,二是水文周期重建。在1984～1989年期间开展了试验研究和第一期示范工程。在C—38运河建设钢板桩堰。钢板桩堰的作用是将运河拦截,让水流重新流入原自然河道。另外一项示范项目是重建水流季节性波动变化,以及重建洪泛区的排水系统。还设计、布置了监测系统,以评估工程对于生物资源的影响。从1998年开始第一期主体工程,包括连续回填C—38号运河共38km 等项。2001年2月已完成了第一阶段的重建工程,作为第一阶段的部分,地方管区和美国工程师团回填了C—38工程12km 渠道,移除了两座水闸,重新连接了24km 原有河流,重建了4047hm2 洪泛区。在运河回填后,开挖了新的河道。以重新联结原有自然河道。这些新开挖的河道完全复制原有河道的形态,包括长度、断面面积、断面形状、纵坡降、河湾数目、河湾半径、自然坡度控制以及河岸形状。建设中又加强了干流与洪泛区的联通性。为鱼类和野生动物提供了丰富的栖息地。

2001年6月恢复了河流的联通性,随着自然河流的恢复,水流在干旱季节流入弯曲的主河道,在多雨季节则溢流进入洪泛区。恢复的河流将季节性地淹没洪泛区,恢复了基西米河湿地。这些措施已引起河道洪泛区栖息地物理、化学和生物的重大变化,提高了溶解氧水平,重建宽叶林沼泽栖息地,使涉水禽和水鸟可以充分利用洪泛区湿地。

近年来的监测结果表明,新沙洲得到发展,水流溶解氧水平得到提高,恢复了洪泛区阔叶林沼泽地,扩大了死水区。许多已经匿迹的鸟类又重新返回基西米河。科学家已证实该地区鸟类数量增长了三倍,水质得到了明显改善。按照规划,2010年前还将进行更大规模的生态恢复建设。