试论生态水利工程的基本设计原则(2)

　　4.景观尺度及整体性原则　河流生态修复规划和管理应该在大景观尺度、长期的和保持可持续性的基础上进行, 而不是在小尺度、短时期和零星局部的范围内进行。在大景观尺度上开展的河流生态修复效率要高。小范围的生态修复不但效率低, 而且成功率也低。

　　所谓“整体性”是指从生态系统的结构和功能出发, 掌握生态系统各个要素间的交互作用, 提出修复河流生态系统的整体、综合的系统方法, 而不是仅仅考虑河道水文系统的修复问题, 也不仅仅是恢复单一物种或修复河岸植被。

　　这里说的“景观”(landscape)是指生态学中的景观尺度。关于生态学的尺度问题,O' Neill , 认为:“生态学不可能建立在单一的时空尺度上, 它应该适应所有尺度的调查研究[ 8] ” 。按照这种观点, 尺度和层次成为生态学发展的关键。目前生态学理论把生物圈划分为11 个层次, 依次是生物圈、生物群系、景观、生态系统、群落、种群、个体、组织、细胞、基因和分子。景观尺度包括空间尺度和时间尺度。

　　为什么在景观的大尺度上进行河流修复规划,(1)水域生态系统是一个大系统, 其子系统包括生物系统、广义水文系统和人造工程设施系统。一条河流的广义水文系统包括从发源地直到河口的上中下游地带的地表水与地下水系统, 流域中由河流串联起来的湖泊、湿地、水塘、沼泽和洪泛区。广义水文系统又与生物系统交织在一起, 形成自然河流生态系统。而人类活动和工程设施作为生境的组成部分, 形成对于水域生态系统的正负影响。水域生态系统受到胁迫时, 需要对于各种胁迫因素之间的相互关系进行综合、整体研究。如果仅仅考虑河道本身的生态修复问题, 显然是把复杂系统简单割裂开了。

　　必须重视水域生境的易变性、流动性和随机性的特点, 表现为流量、水位和水量的水文周期变化和随机变化, 也表现为河流淤积与侵蚀的交替变化造成河势的摆动。这些变化决定了生物种群的基本生存条件。水域生态系统是随着降雨、水文变化及潮流等条件在时间与空间中扩展或收缩的动态系统。生态系统的变化范围从生境受到限制时期的高度临界状态到生境扩张时期的冗余状态。(3)要考虑生境边界的动态护展问题。由于动物迁徙和植物的随机扩散, 生境边界也随之发生动态变动。Gosselink 在研究水域生态系统物种管理的尺度问题时认为, 对于给定需要修复的物种, 考虑的范围应是这个物种的分布区[ 9] 。为便于理解, 可以借用“流域”这个概念, 比如一个地区野鸭的种群也有一个“鸭域” 。所谓“鸭域”的范围应该包括物种个体在恶劣的条件下迁徙到的任何地方以及支持此物种的生态系统。这个范围的边界, 应划定在某特定物种经常利用的一个很大的空间内。如果进一步扩展, 还应该包括所谓“临时生境” , 指在自然界对于物种产生胁迫的时期, 成为该物种的避难所的地区。如果这个地区有若干种标志性动物, 那么物种管理的范围边界将是这些物种“域”的包络图。另外, 还要考虑流域之间的协调问题。考虑到河流生态系统是一个开放的系统, 与周围生态系统随时进行能量传递和物质循环, 一条河流的生态修复活动不可能是孤立的, 还需要与相邻的流域的生态修复活动进行协调, (4)河流生态修复的时间尺度也十分重要。河流系统的演进是一个动态过程。每一个河流生态系统都有它自己的历史。需要对历史资料进行收集、整理, 以掌握长时间尺度的河流变化过程与生态现状的关系。河流生态修复是靠时间作工作的。有研究指出, 湿地重建或修复需要大约15 ～ 20 年的时间。因此对于河流生态修复项目要有长期准备, 同时进行长期的监测和管理。

　　需要说明的是, 对于规划、评估、监测这些不同的任务, 工作对象的空间尺度可能是不同的。监测工作应该在尽可能大的尺度内进行。比如修复一块湿地以吸引鸟类, 经过一年或者更长的时间均告失败。

　　这就需要考虑是否有质量更好的生境吸引了候鸟而改变了它们的迁徙路线, 监测工作可能在大陆的范围内开展。而评估工作可能在跨流域的尺度上进行。规划工作的尺度可能是流域或河流廊道。所谓“河流廊道”(River corridor)泛指河流及其两岸与生物栖息地相关的土地, 也有定义其范围为河流与对应某一洪水频率的洪泛区。至于河流修复工程项目的实施, 一般在关键的重点河段内进行。

　　5.反馈调整式设计原则　生态系统的成长是一个过程, 河流修复工程需要时间。从长时间尺度看, 自然生态系统的进化需要数百万年时间。进化的趋势是结构复杂性、生物群落多样性、系统有序性及内部稳定性都有所增加和提高, 同时对外界干扰的抵抗力有所增强。从较短的时间尺度看, 生态系统的演替, 即一种类型的生态系统被另一种生态系统所代替也需要若干年的时间, 期望河流修复能够短期奏效往往是不现实的。

　　生态水利工程设计主要是模仿成熟的河流生态系统的结构, 力求最终形成一个健康、可持续的河流生态系统[ 10 ,11] 。在河流工程项目执行以后, 就开始了一个自然生态演替的动态过程。这个过程并不一定按照设计预期的目标发展, 可能出现多种可能性。最顶层的理想状态应是没有外界胁迫的自然生态演进状态。在河流生态修复工程中, 恢复到未受人类干扰的河流原始状态往往是不可能的, 可以理解这种原始状态是自然生态演进的极限状态上限。如果没有生态修复工程, 在人类活动的胁迫下生态系统会进一步恶化, 这种状态则是极限状态的下限。在这两种极限状态之间, 生态修复存在着多种可能性。

　　针对具体一项生态修复工程实施以后, 一种理想的可能是:监测到的各生态变量是现有科学水平可能达到的最优值, 表示生态演进的趋势是理想的。另一种差的情况是, 监测到的各生态变量是人们可接受的最低值。在这两种极端状态之间, 形成了一个包络图。一项生态修复工程实施后的实际状态都落在这个包络图中间。

　　意识到生态系统和社会系统都不是静止的, 在时间与空间上常具有不确定性。除了自然系统的演替以外, 人类系统的变化及干扰也导致了生态系统的调整。这种不确定性使生态水利工程设计不同于传统工程的确定性设计方法, 而是一种反馈调整式的设计方法。是按照“设计-执行(包括管理)-监测-评估-调整”这样一种流程以反复循环的方式进行的。在这个流程中, 监测工作是基础。监测工作包括生物监测和水文观测。这就需要在项目初期建立完善的监测系统, 进行长期观测。依靠完整的历史资料和监测数据, 进行阶段性的评估。评估的内容是河流生态系统的结构与功能的状况及发展趋势。

　　常用的方法是参照比较方法, 一种是与自身河流系统的历史及项目初期状况比较, 一种是与自然条件类似但未进行生态修复的河流比较。评估的结果不外乎有几种可能:(1)生态系统大体按照预定目标演进, 不需要设计变更;(2)需要局部调整设计, 适应新的状况;(3)原来制定的目标需要重大调整, 相应进行设计。

　　在反馈调整式设计过程中, 提倡科学家、管理者和当地居民及社会各界的广泛参与, 通过对话、协商, 以寻求共同利益。提倡多学科的交流和融合, 提高设计的科学性。

　　参　考　文　献

[ 1] 董哲仁.水利工程对生态系统的胁迫[ J] .水利水电技术, 2003, (7):1-5.

[ 2] ASCE River Restoration Subcommittee on Urban Stream Restoration, Urban stream Restoration [ J] .Journal of Hydraulic Engineering ASCE, July 2003, 491-493.

[ 3] 董哲仁.生态水工学的理论框架[ J] .水利学报, 2003, (1):1-6.

[ 4] 董哲仁.河流形态多样性与生物群落多样性[ J] .水利学报, 2003, (11):1-7 .

[ 5] Odum H T.Ecological engineering and self-organization [ D] .In :W.J.Mitsch and S .E.Jorgensen, eds., Ecological Engineering :An Introduction to Ecotechnology .Wiley , New York, 1989.79 -101.

[ 6] Mitsch W J , Jorgensen S E.Ecological Engineering and Ecosystem Restoration [ M] .Published by John Wiley &Sons ,Inc ., Hoboken, New Jersey , 2004 .

[ 7] 董哲仁.荷兰围垦区生态重建的启示[ J] .中国水利, 2003, (11A):45-47.

[ 8] O' Neill, R V, DeAngelis D L, Waide J B , Allen T F H .A Hierarchical Concept of Ecosystems [M] .Princeton University Press, Princeton, NJ .1986.

[ 9] Gosselink J G, Landscape Conservation in a forested Wetland Watershed [ J] .Bioscience 1990 , 40:588-600.

[ 10] Mitsch W J , Gosselink J G.Wetland [ M] .3rded.Wiley , New York.2000 .

[ 11] 董哲仁.河流生态恢复的目标[ J] .中国水利, 2004, (10):1 -5 .

[ 12] 董哲仁.河流保护的发展阶段及思考[ J] .中国水利, 2004 ,(1):16 -17 .