河流生态修复规划方法

水环境修复规划方法---以河流生态修复为例

为什么开展河流生态修复？一

二河流生态系统分析与评价

三

规划目标、任务和原则

四规划内容和工作流程为什么开展河流生态修复河流生态系统过程、特征、功能人类对于河流大规模开发对河流生态系统的胁迫

河流生态系统河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统。河流生态系统的结构和功能是河流生态系统的本质特征。生态系统是由植物、动物和微生物群落以及无机环境相互作用而构成的一个动态、复杂功能单元。-联合国千年生态系统评估报告2005生态系统结构与功能系统整体性生态系统功能营养结构空间与时间结构正负反馈层级结构物种流动物质循环自我调节信息流动能量流动生物生存过程-结构-功能河流栖息地特征1河流的连续性2水文情势的周期性和脉冲性3河流地貌的复杂性4生物群落多样性河流4维连续体模型河流连续体模型Vannote等1980年提出河

流连续体概念(RiverContinuumConcept,RCC)从河流源头到下游，河

流系统内的宽度、深度、

流速、流量、水温等物

理变量具有连续变化特征河流生物群落结构连续性物质流、能量流、信息流和物种流的连续性河流生态系统结构和功能的动态性

河流4维连续体模型LH

流态物质流信息流河床纵剖面岸边植物带

(a)HL1342

流态物质流信息流H/L—河流纵坡降河床纵剖面岸边植物带

(b)(a)自然河流(b)筑坝河流筑坝对于河流连续性的影响示意图水文循环与生物过程水文情势的周期性和脉冲性

水文循环过程始终与生物过程交织在一起。水文情势(hydrologicalregime)

5个要素：流量、频率、出现时机、持续时间和水文条件变化率。水文情势对河流生态系统具有重要驱动力作用。河流系统的生物过程对于水文情势的变化呈现明显动态响应。

水文情势－河流生态过程耦合模型具有生态学意义的水文情势5要素(hydrologicalregime)

水文情势对河流生态系统具有重要驱动力作用。河流系统的生物过程对于水文情势的变化呈现明显动态响应。水文过程要素输入响应流量和频率流量增加或减小

侵蚀和/或淤积；敏感物种丧失；海藻和有机物受冲刷力度被改变；生命周期被改变流量稳定

能量流动改变；

外来物种入侵或生存风险增加，导致：本地物种灭绝、本土物种

受威胁、生物群落改变；河漫滩区植物获得的水和营养物质减少，导致：幼苗脱水、无效

的种子散播、植物生存所需的斑块栖息地和二级支流丧失、植被

侵入河道出现时机季节性流量峰值丧失扰乱鱼类活动信号：产卵、孵卵、迁徙；鱼类无法进入湿地或回水区；水生食物网的结构改变；河岸带植物的繁衍程度降低或消失；外来河岸带物种入侵；植物生长速度减慢持续时间低流量延长有机物浓缩；植被覆盖减少；植物生物多样性降低；河岸带物种组成荒漠化；生理胁迫引起植物生长速度下降、形态改变或死亡基流“峰值部分”延长下游漂浮的卵消失洪水持续时间改变改变植被覆盖的类型洪水淹没时间延长植被功能类型改变；树木死亡；水生生物失去浅滩栖息地变化率水位迅速改变水生生物被淘汰及搁浅洪水退潮加快秧苗无法生存水文情势要素的生态响应水文情势－河流生态过程耦合模型包括两个概念：

环境流量和洪水脉冲环境流量为防止经济活动对于径流减少引起河流生态退化，需要在社会经济需求和生态保护之间寻求某种平衡点洪水脉冲河流－洪水滩区系统生物生存、生产力和交互作用的主要驱动力洪水脉冲河流－洪泛滩区横断面洪水脉冲洪水脉冲洪水脉冲－生命节律信号长江的四大家鱼每年5~8月水温升高到18℃以上时，如逢洪水，家鱼便集中在重庆至江西彭泽的38处产卵场进行繁殖。家鱼在涨水第一天开始产卵，如江水不再继续上涨或涨幅很小，产卵活动即告终止。洪水脉冲

自从1956年开始的长期观测表明，四大家鱼在水位上涨时产卵形成高峰（据水工程生态研究所常剑波资料）河流地貌复杂性（空间异质性）蜿蜒性连通性3维复杂性河滩宽度主河槽宽度上游中游下游深泓砾石砾石深泓2倍最大水深河流廊道生态系统示意

河流生物群落多样性正负反馈层级结构整体性空间与时间结构营养结构河流生态系统结构对河流的大规模开发近一百多年来利用现代工程技术手段，对河流的大规模开发利用，兴建了大量工程，改变了河流的地貌学特征。数百年河流的人工变化超过了数万年的自然演进。有学者估计，至今，全世界有大约60％的河流经过了人工改造，包括筑坝、筑堤、治河工程…对河流大规模开发全世界范围内超过15米高/库容超过300万立方米的大坝有45000座,（ICOLD，2000）我国有26000座。建坝最多的国家依次为中国、美国、前苏联、日本和印度。河流近100年变化剧烈长江约300多万年的历史中华民族有5000年的文明史。（相当1年：14小时）近100年的变化，超过5000年变化的总和淮河河势的演变洞庭湖的历史演变

中科院南京湖泊所李世杰资料水利工程的生态胁迫河流渠道化1）河流的非连续化治河工程对河流地貌影响围湖造田裁弯取直堤防的演变-防洪标准提高？保护生态？

水库运行期引起的生态胁迫

自然河流的脉冲式水文周期变化趋于均一化；下泄水流水温变化、过饱和气体；阻断洄游鱼类通道；坝下游河道冲刷，改变江湖关系；水库淤积，库区富营养化和地质灾害问题…河流脉冲驱动力效应自然水文过程的年丰枯变化，引发物种的不同行为特点，与物种的生物过程相耦合。径流调节过程线时机和预见性生态基流

侧向漫溢(漫滩流量)河漫滩植被触发树种散布触发鱼类产卵洪水脉冲效应Qt自然水文情势的改变，洪水脉冲效应减弱，生物群落多样性下降城市河段-园林化城市河段-商业化对于生物群落的损害据联合国《世界水资源开发报告》（2002）估计，地球生态系统中，与陆地水源密切相关的生物有24％的哺乳动物和12％的鸟类受到生存的威胁。目前考察过的占总数1/10的鱼类中，有1/3面临绝种。由于栖息地环境被干扰，陆地的水域生态多样性普遍下降。

为什么开展河流生态修复？一

二河流生态系统分析与评价

三

规划目标、任务和原则

四工具箱和工作流程

二、河流生态系统分析与评价

什么是河流生态修复？

在充分发挥生态系统自组织功能的基础上，采取工程和非工程措施，促使河流生态系统恢复到较为自然的状态，改善其生态完整性和可持续性。河流生态修复规划内容1河流生态系统现状调查与综合评价2规划范围和年限3规划目标与总体布局4规划任务5工程措施6管理措施7监测与评估8投资估算9效果分析生态系统分析与评估工作流程二、河流生态系统分析与评价历史上的河流生态状况和景观格局是生态修复的重要参照系统。现状生态状况和景观格局既是历史状况的延续,也是进行生态修复规划的出发点。因此，需要进行历史与现状生态状况对比分析。在此基础上，对于河流生态系统进行综合评价。河流现状描述表河流现状描述表（续）生态现状与历史对比胁迫因子的识别-多变量决策问题在相同的时间尺度内，各生态因子的变化率是多少？哪些是变化较大的生态因子？这些变化较大的生态因子对河流生态系统是否产生了重要胁迫效应？进而分析哪些外界因素导致这些生态因子产生变化，是自然因素还是人类活动因素？具体的外界因素影响是什么？如果消除或减轻这些外界因素是否就能够部分地恢复河流生态系统的结构与功能？河流生态状况分级系统河流生态系统的综合评价是对河流生态现状及演变趋势的综合评价。为开展河流生态系统综合评价，需要建立河流生态状况分级系统。河流生态状况分级系统既可以用于河流生态现状评价，也可以用于制定河流生态修复目标，使之定量化。河流生态状况分级系统在分级系统中，生态状况划分为：优、良、中、差4个等级。评价对象是主要生态要素，包括生物质量、水文、物理化学和河流地貌4个方面。主要生态要素层次下设立11项指标。规划的特定流域或河流需要结合自身情况，给上述11项指标的4种等级赋值。河流生态状况分级系统表河流生态状况分级系统表各项指标的赋值原则主要是生态现状与大规模干扰前该项指标相比较的变化率，同时兼顾现行的环境质量标准。表5-2-3中等级准则的标号方法如下。第一位表示生态要素层编号，如“物理化学”为3。第二位表示指标层编号，如“水质”为e。第三位表示状况等级编号，如“良”等级为2。举例，3.e.2指“物理化学”层次，“水质”指标“良”等级标准。河流生态状况分级系统表赋值举例鱼类1.a.1鱼类类别构成与受到干扰前几乎一致。所有特定类别的干扰敏感性物种都存在。鱼类群体年龄结构受人类活动干扰微小，物种的繁殖发育可顺利进行。1.a.2由于人类活动对水质和水文过程影响，鱼类的构成和数量与特定的生物群落相比，发生了一定变化。鱼类群体的年龄结构受到干扰，个别物种的繁殖发育失败，某些鱼类的年龄段缺失。1.a.3由于人类活动对水质和水文过程影响，鱼类的构成和数量与特定的生物群落相比，发生了中等程度的变化。鱼类年龄结构受到干扰的迹象明显，甚至造成个别鱼类物种的消失或数量降低。1.a.4由于人类活动对水质和水文过程影响，鱼类的构成和数量与特定的生物群落相比，发生了重大变化。鱼类年龄结构受到严重干扰，一些珍稀和特有鱼类物种消失或濒危。案例：欧盟水框架指令欧盟水框架指令的生态分级系统与参考条件间无偏差或仅存轻微偏差优秀状态与参考条件略有偏差良好状态与参考条件有中度偏差主要改动与生物群落存在大幅偏差严重改动大部分生物群落缺失中等状态不良状态很差状态参考条件等价于未受干扰的自然条件水框架指令的最小目标是到

2015年达到良好状态生态状态质量要素生物质量要素：浮游植物其它水生动植物： 底栖植物 大型植物大型无脊椎动物鱼类监测参数生态状态质量要素化学和物理化学质量要素：一般条件（温度、氧气、盐度、pH值、营养盐、透明度等）具体的合成污染物（有机污染物，农药）具体非合成污染物

（重金属等）

为什么开展河流生态修复？一

二河流生态系统分析与评价

三

修复目标、任务和原则

四工具箱和工作流程

三

修复目标、任务和原则

河流生态修复的目标确定河流生态修复目标，实质上就是定义一个期望的未来河流状况。生态修复目标不应是模糊、空洞的，而应该是定量的，可以监测、评估和考核的。

3-1河流生态修复的目标

河流生态修复定义：在充分发挥生态系统自我修复功能的基础上，采取工程和非工程措施，促使河流生态系统恢复到较为自然的状态，改善其生态完整性和可持续性。

利用生态状况分级系统确定修复目标

按照调查监测资料，在分级系统中各项指标“对号入座”，从而获得生态现状分项等级。继而根据资金状况和技术可行性，将规划河流的生态状况升级，从而获得修复规划目标的具体分项指标。最后，获得4大类生态要素，11项生态指标表示的河流生态修复目标。应用生态状况分级系统确定修复目标3-2河流生态修复任务一是水质改善；二是水文条件改善；三是河流地貌景观修复；四是生物群落多样性的维持与恢复总的目的是改善河流生态系统的结构、功能和过程，使之趋于自然化。

3-2-1水质改善3-2-2水文情势改善-环境水流环境流量模型水文学方法水力学参数评价方法栖息地评价方法Tennant方法Hoppe方法变化范围方法RVA湿周法流量增量法－IFIM2DFEM模型RIVER2D自然栖息地模拟PHABSIM微栖息地方法Hoppe方法微栖息地方法水文情势改善－关于生态流量“生态流量”是一个用于河流管理的工具，只要能满足管理需要并不需要过于复杂的计算方法每条河流的自然禀赋以及流域的社会经济状况千差万别，需要因地制宜地确定生态流量是各利益相关者妥协的结果，不是科学数据关键要有法规制度保证，使之制度化、常态化。流量自然径流模式兼顾生态修复的调度模式6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月保持一定的洪峰流量，冲刷河道和植被，淹没河漫滩。维系基流量和枯水期水域栖息地。保持春季基流，传递生命循环信息。汛期基流量有所变化，但忽略部分洪水过程。水文情势改善-生态调度低温水下泄径流调节泄洪

清水下泄蓄水运行

推迟鱼类的产卵时间鱼产卵量减少因气体过饱和导致的鱼类气泡病河流下游地貌和水生态系统富营养化

传统水库调度模式所存在的问题

3-2-3河流地貌特征的改善

恢复河流的纵向连续性和横向联通性；保持河流纵向蜿蜒性和横向形态的多样性；外移堤防给洪水以空间并扩大滩地，退耕还湖和退渔还湖；采用生态型护坡以防止河床材料的硬质化。

3-2-3河流地貌特征的改善

需要消除和缓解的胁迫因子包括：水坝导致的生态阻隔作用；河流渠道化、直线化；侵占河漫滩；堤防的生态阻隔作用；不透水硬质护坡护岸工程；围湖造田等。3-2-4生物物种的恢复濒危、珍稀、特有生物物种的保护；河湖水库水陆交错带植被恢复；包括鱼类在内从水生生物资源的恢复等。河流物种多样性3-3河流生态修复规划原则总则河流生态修复规划应遵循自然规律和经济规律，既重视生态环境效益，也讲求社会经济效益。体现水资源开发利用与生态环境保护相结合；人工适度干预与自然界自修复相结合；工程措施与非工程措施相结合。统筹兼顾，因地制宜，促进人与自然和谐相处。3-3河流生态修复规划原则

原则1-河流生态修复规划应与流域和区域经济社会发展规划和其他相关规划相协调与衔接。河流生态修复规划应服从流域综合规划并在综合规划的指导下编制，符合流域综合规划的基本原则和要求。与国土规划、

水功能区管理办法、防洪规划、污染防治规划、城市市政建设规划、自然保护区规划、新农村建设规划等，都需要统筹考虑，相互衔接。3-3河流生态修复规划原则原则2-生态效益与社会经济效益相统一既满足河流生态保护需求，也满足社会经济需求，兼有生态效益和社会经济效益。河流生态修复应与防洪、河道整治、水污染控制和水环境整治、城市景观建设、新农村建设、旅游资源开发等工程相结合，

原则3-投入最小化和生态效益最大化认为生态环境保护工作重要，生态工程可以不计成本的认识是片面的。因此，编制河流生态修复规划需要提出多种方案，进行比选优化，保证方案的经济合理性和技术可行性。为论证河流修复工程项目的经济合理性，需要进行效益-成本分析（benefit-costanalysis）。以最低的投入获得最大的生态效益是生态工程经济合理的理想目标。3-3河流生态修复规划原则3-3河流生态修复规划原则效益-成本分析的计算公式是

Bu=b/C

式中，Bu–单位成本效益，b–效益，C-总成本式中B-（a)可以货币化的量值，（如湿地面积、水产资源产量等）。不能货币化的生态效益（如物种多样性、生物群落多样性、生境多样性以及河流美学价值等），需要使其货币化。(b)采取效益转换方法(c)河流生态服务功能评估C-C=C1+C2C1--财务执行成本C2--机会成本综合分析、全面权衡选择相对经济合理的方案3-3河流生态修复规划原则原则4-发挥生态系统自修复功能生态系统的自组织（self-organization）是指生态系统通过反馈作用，依照耗能最小原理，使内部结构和生态过程建立、发展和进化的行为。生态系统自组织功能表现为生态系统的自修复能力和系统的可持续性3-3河流生态修复规划原则