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美国基西米河生态恢复工程的启示
时间:2012-09-30 浏览次数:1134次 无忧论文网
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摘要:文章介绍了美国迄今为止规模最大的河流恢复工程——基西米河生态恢复工程的概况,该工程是按照生态系统整体恢复理念设计的工程.文中分析了进行河流恢复的目的以及工程设计原则.基西莱河生态恢复工程的经验告诉我们,按照传统的水利工程设计方法造成河流渠道化,会对河流生态系统带来诸多负面影响;为减轻对于河流生态系统的压力采取的河流恢复工程措施,又会付出很高的代价.我国的水利工程建设应避免重走西方国家的弯路,改进水利工程规划设计方法,实现人与自然的和谐. 

基西米河的生态恢复工程是美国迄今为止规模最大的河流恢复工程,从规划论证阶段至今已经经历20余年。它也是按照生态系统整体恢复理念设计的工程.从20世纪70年代开始科学工作者就对基西米河渠道化工程引起生态系统的退化进行了长期的观测研究,同时组织了论证与评估,研究如何采取工程措施和管理措施对于河流生态系统进行修复.自1984年开始进行试验性建设,1998年正式开工,工程将延续到2010年结束。基西米河生态恢复工程的经验告诉我们,按照传统的水利工程设计方法造成河流渠道化,会对河流生态系统带来哪些负面影响,为减轻对于河流生态系统9压力采取的河流恢复工程措施,又会付出多高的代赞。我国正处在水利水电建设高潮,大批新建工程正在兴建,为了避免走弯路,西方国家的经验教训值得我们思考与借鉴。

1  改造前基西米河的自然状况

1.1  基本自然状况

    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;河流洪泛区长90km,宽1.5-3km,还有20个支流沼泽,流域内湿地面积18000hm2。

1.2  历史上基西米河地貌形态的多样性

    历史上的基西米河地貌形态是多样的.从纵向看,河流的纵坡降为0。00007,是一条“辫子”状的蜿蜒型的河流.从横断面形状看,无论是冲刷河段或是淤积河段,河流横断面都具有不同的形状.在蜿蜒段内侧形成沙洲或死水潭和泥沼等,这些水潭和泥沼内的大量有机淤积物成为生物良好的生境条件.原有自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是由流域水文条件和河流地貌多样性提供的.

    在20世纪50年代建设堤防堤防以前,由于平原地貌特征及没有沿河的天然的河滩阶地,河道与洪泛区(包括泥沼、死水潭和湿地)之间具有良好的水流侧向联通性.洪泛区是鱼类和无脊椎动物良好的栖息地,是产卵、觅食和幼鱼成长的场所.在汛期干流洪水漫溢到泛洪区,干流与河汊、水潭和泥沼相互联通,小鱼游到泛洪区避难.小鱼、无脊椎动物在退水时从洪泛区进于流.另外,原有河道植被茂盛,植被的遮阴对于融解氧的温度效应起缓冲作用.

1.3水文条件

    在对河流进行人工改造之前,河流的水文条件基本上是自然状态的.年内的水量丰枯变化形成了脉冲式的生境条件.据水文资料统计,平均流量从上游的33m3/s到河口的54m3/s.历史记录最大洪水为487m3/s,平均流速为0.42m/s.在流量达到40—57m3/s河流溢流漫滩时,流速不超过0.6m/s.

    在人工改造前,洪水在通过茂密的湿地植被时流速变缓,又由于纵坡缓加之蜿蜒性河道等因素,导致行洪缓慢。退水时水流归槽的时间也相应延长.在历史记录中有76%的年份中,有77%面积的洪泛区被淹没.退水时水位下降速率较慢,小于0.03m/d.每年的洪水期,各种淡水生物有足够的时间和机会进行物质交换和能量传递.洪水漫溢后,各种有机物随着泥沙沉淀在洪泛区里,为生物留下了丰富的养分.

    由于河流地貌形态的多样性和近于自然的水文条件,为河流生物群落多样性提供了基本条件.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.

2水利工程对生态系统的胁迫

2.1水利工程建设概况

    为促进佛罗里达州农业的发展,1962年到1971年期间对在基西米河流上兴建了一批水利工程.这些工程的目的:一是通过兴建泄洪新河及构筑堤防提高流域的防洪能力;二是通过排水工程开发耕地.工程包括挖掘了一条90km长的C-38号泄洪运河以代替天然河流,运河为直线型,横断面为梯形,尺寸为深9m、宽64—105m。运河设计过流能力为672m3/s.另外,建设了6座水闸以控制水流.同时,大约2/3的洪泛区湿地经排水改造.这样,直线型的人工运河取代了原来109km具有蜿蜒性的自然河道.连续的基西米河就被分割为若干非连续的阶梯水库,同时,农田面积的扩大造成湿地面积的缩小(图1).
 

2.2  水利工程对生态系统的胁迫

    从1976年到1983年,进行了历时7年的研究.在此基础上对于水利工程对基西米河生态系统的影响进行了重新评估.评估结果认为水利工程对生物栖息地造成了严重破坏.这种对于生态系统的干扰在生态学中称为“胁迫”.主要表现在以下方面.

    (1)自然河流的渠道化使生境单调化.直线型的人工运河取代了原来具有蜿蜒性的自然河道,人工运河的横断面为简单的梯形断面.原来由深潭与沙洲相间,急流与缓流交错的多样格局,可以支持多样化的生物群落.渠道化以后河流的生境变得单调,生物群落种类明显减少.新开挖的人工运河把河流变成了相对静止的具有稳定水位的水库,水库的水深加大,出现温度分层现象,深层水的光合作用微弱,生物生产力下降.

    (2)水流侧向联通性受到阻隔.建设了人工运河后,堤防又把水流完全限定在运河以内,洪水漫溢到滩区已经没有可能性.运河的兴建切断了河流与洪泛区的侧向水流联通性,隔断了干流与河汊、滩区和死水潭的联系,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。这主要表现为:一是鱼类和无脊椎动物失去了产卵、觅食和避难的环境;二是干流携带的有机物质无法淤积在洪泛区,而这些物质正是淡水生物所不可缺少的养分.新建的运河行洪能力强,减少了行洪时间,平均从ll.4d减少到1.1d.这不仅使淡水食物网中能量传递和物质交换的机会减少,而且急剧的退水速率会造成fc量鱼类因水中溶解氧缺乏而死亡.

    (3)溶解氧模式变化造成生物退化.由于运河为  宽深式渠道,其表面积与体积之比要小,曝气率低.运河水深加大,出现分层现象,水深大于1m处溶解氧明显降低.原有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.而人工运河完全暴露在阳光下,水中溶解氧含量低.另外,人工运河为直线型,水流平顺,对水流的干扰和掺混作用能力弱.这些因素都使运河的溶解氧含量下降.溶解氧含量低的水体会使水生生物“窒息而死”.

    (4)通过水闸人工调节,使流量均一化,改变了原来脉冲式的自然水文周期变化.自然状态的水文条件随年周期循环变化,河流廊道湿地也呈周期变化.在洪水季节水生植物种群占优势.水位下降后,水生植物让位给湿生植物种群,是—种脉冲式的生物群落化模式,显示出一种多样性湖特点.而流量均—化使生境条件单调.

    (5)原有河道的退化.渠化显著地改变了水位和水流特点,使得2100hm2的洪泛区湿地消失,严重影响了鱼类和野生群落.原来自然河道虽然被保存下来,但是由于主流转入人工运河,使得原有河道流量大幅度减少,引起河床退化.大量水生的植物如睡莲、莴苣、水葫芦等阻塞了这些的自然河段.

    以上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.



3  河流恢复工程

3.1  河流恢复工程概况

    基西米河被渠道化建成以后引起的河流生态系统退化的现象引起了社会的普遍关注.自1976年开始对于重建河道生物栖息地进行了规划和评估,经过7年的研究工作,提出了基西米河的被渠道化的河道的恢复工程规划报告,并经佛罗里达州议会作为法案审查批准.规划提出的工程任务是重建自然河道和恢复自然水文过程,将恢复包括宽叶林沼泽地、草地和湿地等多种生物栖息地,最终目的是恢复洪泛平原的整个生态系统.为进行工程准备1983年州政府征购了河流洪泛平原的大部分私人土地.

    在工程的预备阶段,于1984至1989年开展了科研工作,重点是研究回填人工运河的稳定性以及对于满足地方水资源的需求问题,采用一维及二维数学模型分析和模型试验相结合的研究方法.模型试验采用的模型尺寸为Ob和33m宽的水槽,垂直比尺为1:40,水平比尺为1:60,为定床试验.模拟范围为人工运河、原有保留河道和洪泛平原.模型试验结果与现场河道控制泄流试验(最大流量为280m3/s)的实测数据相对照.

3.2  河流恢复主要工程项目

    (1)试验工程.1984-1989年开展的试验工程位于水库B,为一条长195lan渠道化运河.重点工程是在人工运河中建设—座钢板桩堰,将运河拦腰截断,迫使水流重新流入原自然河道.示范工程还包括重建水流季节性波动变化,以及重建洪泛平原的排水系统.同时还布置了生物监测系统,评估恢复工程对于生物资源的影响.

    对于钢板桩堰运行情况进行了观测.观测资料表明,一方面水流重新流入原来自然河道达9km,导致了河流地貌发生了一定程度的有利变化.但是,钢板桩堰建成后,在附近的河道水力梯度比历史记录值高5倍,在大流量泄流期间,测量的流速为0.9m/s,这样的高能量水流对河床具有较强的冲蚀能力.另外,在示范工程区域内,退水时水位每天下降速率超过0.2m/d,淹没的洪泛区排水时间为2—7d.地表水和地下水急剧回流,水中的溶解氧水平很低,导致大量鱼类因缺氧而死亡.为此又进行了模型试验研究,最后的结论是:仅仅用钢板桩堰拦断人工运河还是不够的,需要连续长距离回填人工运河.最终方案是连续回填C-38号运河共38km,拆除2座水闸,重新开挖14km原有河道.回填材料用原来疏浚的材料,运河回填高度为恢复到运河建设前的地面高程.同时重新连接24km原有河流,恢复35000hm2原有洪泛区,实施新的水源放水制度,恢复季节性水流波动和重建类似自然河流的水文条件. 

    (2)第一期工程.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.重建类似于历史的水文条件,扩大蓄滞洪区,减轻洪水灾害.至2001年2月由地方管区和美国陆军工程师团已经完成了第一阶段的重建工程.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,水流在干旱季节流人弯曲的主河道,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,改善了鱼类生存条件.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.图2表示了人工运河回填前后河流含氧量和鱼类生存区域.

    (3)第二期工程.计划在21世纪前10年进行更大规模的生态工程,重新开挖14.4km的河道和恢复300多种野生生物的栖息地.恢复10 360hm2的洪泛区和沼泽地,过滤营养物质,为奥基乔比湖和下游河口及沼泽地生态系统提供优良水质。

    (4)河流走廊生态恢复监测与评估.在工程的预备阶段,就布置了完整的生物监测系统.在收集大量监测资料的基础上,对于生态恢复工程的成效进行评估,目的是判断达到期望目标的程度.该项工程制定了评估的定量标准。以60分为期望值,各个因子分别为:栖息地特性(含地貌、水文和水质)占12分,湿地植物占10分,基础食物(含浮游植物、水生附着物和无脊椎动物等)占13分,鱼类和野生动物占25分.随着自然河流的恢复,水流在干旱季节流入弯曲的主河道,在多雨季节水流漫溢进入洪泛区.恢复的河流将季节性地淹没洪泛区,恢复了基西米河湿地,许多鱼类、鸟类和两栖动物重新回到原来居住的家园.近年来的监测结果表明,原有自然河道中过度繁殖的植物得到控制,新沙洲有所发展,创造了多样的栖息地.水中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.
 
4  对我国河流生态建设工作的启示

    近年来,我国水利部门开始关注河流生态建设问题,提出了保持河流最低生态需水量的问题,开展了相关的科学研究和试点工作.同时,连续几年实施了塔里木河、黑河等调水行动,改善河流的水文条件,对于遏制这些河流生态系统退化发挥了明显作用.另外,我国东
南部一些省分结合河道整治和防洪建设开展河流环境建设.特81j是一些大中城市把河流整治与城市景观建设相结合,水利工程又被赋予了休闲、旅游等新的功能.但是河流生态建设问题,对于我国工程界毕竟还是一个新的技术领域,对于流域规模的生态建设的目标、重点、方法和关键技术,还缺乏整体的把握西方国家的河流恢复行动的起因,是从对河流人工改造工程的反思开始的,也就是分析水利水电工程对于河流生态系统的胁迫,进而提出如何通过工程措施、生物措施以及管理措施,对于河流生态系统进行补偿,逐步摸索河流生态恢
复工程的技术方法.西方国家在河流生态恢复方面已经有20多年的历史,他们的经验值得我们借鉴,特别是在河流管理的理念,河流生态建设的目标、重点和工程技术,都值得我们认真研究.但是,“借鉴”不等于照搬.原因是我国与西方国家的经济发展阶段不同,对于水资源及水能资源的开发程度也不同,另外我国用于环境建设的财力与西方国家相比差距很大.

    从水环境保护的发展阶段来看,我国目前正处于以水质改善为重点的水环境建设阶段,全国扛河水质  恶化的趋势还没有得到有效遏制,在治污方面还有很长的路要走.考察西方国家水环境建设的发展历程,发达国家的河流环境建设,从50年代开始以水质恢复为第一阶段,到80年代初期水污染问题基本缓解后转入第二阶段即河流生态恢复阶段.我国与西方国家在水环境保护方面起码有几十年的差距.尽管发展阶段不能超越,但是,我们仍然可以借鉴西方国家的经验和教训,少走弯路.我国与西方国家不同,水利水电建设正处在发展时期.对于大量的新建工程,要改进水利工程的规划、设计理念和技术,使工程设施在满足社会需求的同时,要尽量减少对于河流生态系统的破坏.在规划设计阶段就要考虑如何最大限度减少对于河流生态系统的胁迫,这样作是一种经济的技术路线.如同不能走“先污染,后治理”老路一样,对于河流生态系统也不能走“先破坏,后补偿”的老路.如果我们的规划设计仍然固守传统方法,继续摘河流直线化工程,继续搞裁弯取直工程,继续建设硬质岸坡,几年后认识到这是对生态系统的胁迫,如上述美国的工程案例那样,再进行改造工程,重新废除直线的人工运河、拆除闸坝;或像日本近些年所做的那样,拆除混凝土护坡和衬砌,代之以可以长草、鱼类可以产卵的生态型护坡,其造价将是原来造价的若干倍,不啻是一种巨大浪费.从基西米河的恢复工程可以得到以下启示。

    (1)要正视水利水电工程对于河流生态系统造成的胁迫,积极研究“趋利避害”的对策.水利水电工程是造福社会的工程,对于河流生态系统在一些方面也有积极的作用,比如防止大洪水对于生态系统的冲击等.但是一些水利水电工程建成后,对于河流生态系统造成了不同程度的压力或称胁迫,引起了生态系统不同程度的退化.我国水利建设工作者应正视这些负面影响,采取“趋利避害”的态度,对于生态系统的负面影响要采取工程措施、生物措施和管理措施予以积极补偿.当然,我们不赞成西方国家一些学派要全面拆除大坝,完全恢复河流的自然面貌主张.这是一种“因噎废食”的片面论点.而且需要特别指出,反对建
  坝及主张全面拆坝的观点,仅仅是生态工程界中的一种学派,更多的观点是主张对于河流生态系统进行“改善”,“修复”和“自然化”.欧洲和日本的工程界多倾向于河流整治的自然化方法.

    形成对河流生态系统胁迫的主要原因有两个方面:一是自然水文条件的改变;二是河流自然地貌特征的改变.自然水文条件的改变指水量的减少,水质的恶化以及自然水文脉冲式周期被人为平均化的调度方式所代替.河流自然地貌的改变主要指闸坝引起河流的非连续化,堤防妨害了河流的侧向联通性,河流的直线化改造和硬质护坡等,这些因素都使生物栖息地多样性受到不同程度的影响,其后果是生物群落多样性的下降,河流生态系统的退化.近年来我国水利部门已经开始关注河流生态建设问题,主要着眼点是改善河流水文条件,如实施调水行动拯救生态系统严重退化的河流生态系统.对于水利水电工程引起的生物栖息地退化,尚未引起足够重视.对于新建工程,至今仍然延续传统设计方法,河道的直线化改造设计以及硬质护坡还作为常规技术普遍采用,在设计中也少有考虑生态补偿问题.对于大型水利水电工程的流域范围的生物监测还没有提到议事日程.枢纽工程的调度工作兼顾鱼类和其它生物生存问题还没有引起重视.

    (2)河流生态建设的目标和重点.河流生态建设的目标是恢复生态系统的健康和可持续性.健康是指现状,可持续性是指生态演替过程朝不断完善的方向发展.河流生态恢复的着眼点是恢复生物群落多样性,主要指群落的组成,结构和功能的多样性.我国一些地方开展的河流生态建设工程着眼于河流岸坡绿化,还没有认识到河流生态系统是一个由鱼类、鸟类、哺乳动物、无脊椎动物和昆虫等等动物和水中及岸边植物共同组成的食物网的复杂结构.

    河流生态建设的重点有两项:一是生物栖息地建设;二是河流自然水文条件的改善.对于水文条件改善问题,近年来我国水利界开展了不少讨论和开展若干示范项目,比如最小生态需水量问题、河湖治污、改善生态调水行动等.其中,对于改善水库调度方式适应珍稀鱼类生存等,尚未见有研究报道.河流生物栖息地建设问题,无论是对河流管理者或是研究者来说,都是一个新课题.所谓栖息地建设主要是恢复河流形态的多样性,保持河流的婉蜒,在河流纵向和横向都保持多样性,防止渠道化.另外要保持河流的纵向连续性和侧向联通,创造生态系统的物种流、能量流、营养物质循环以及生物竞争的条件.在这些方面需要开展示范工程研究,结合我国的实际情况,积累经验,逐步推广.在规程规范的修编中要逐步加入生态工程技术内容,比如在河流及渠道护坡设计规范中增加生态型护坡这种类型.

    生态系统是否是健康的,需要建立完善的评估体系,评估工作的基础是长期、完整的水文和生物监测资料.因此生态建设的基础工作是建立生物监测系统网络.

    (3)发挥生态系统自组织功能,进行适应性管理.生态工程的设计理念与传统工程设计方法不同,传统设计方法是确定性设计,比如大坝设计.但是生态工程要充分发挥生态系统的自组织功能,靠自然力恢复生物群落.可以说,生态工程能否成功一半在人力,一半在自然力.人的作用在于为生物群落繁衍栖息创造必要的条件.基西米河的恢复工程的实施即安照溯,j一示范—试验—主体工程施工这样的程序.从试验阶段的钢板桩堰截流方案实施后,进行了跟踪式的生物监测和水文监测,根据监测数据评估项目执行中生物群落多样性与河势变化,调整了原规划设计,决定采取长距离填死人工运河设计方案.

    (4)河流生态系统的美学价值也是一种生态资源.近年来,我国沿海城市结合河道整治开展城市园林景观建设,注重河流的美化绿化,为居民的休闲创造了新环境.但是,当前的倾向,一是注重园林景观效果较多,重点放在河流岸边的绿化,而对河流生态整体恢复考虑较少;二是发掘历史人文景观较多,建设了大量楼台亭阁和仿古的建筑物,而对于发掘河流自然美学价值较少涉足.特别是继续采用浆砌条石护岸和几何规则断面,使河流的渠道化进一步加剧。实际上,河流生态系统的一项重要的服务功能是其自然美学价值.假日里,生活在喧嚣城市的人们到自然状态河流中去休闲,用身心去体会河流的美学价值,反映了人类在长朋进化过程中对于大自然的一种心理眷恋.河流的生态建设应尽可能恢复河流的自然状态,恢复生物群落的多样性,发掘自然河流内在的美学价值,使人们在自然状态的河流享受与自然和谐的乐趣.

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