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1．引言

自然界或人類對于生態系統造成的不利影響，生態學中稱為脅迫（stress）。人類活動對于河流生態系統的脅迫主要來自以下5個方面：

（1）工農業及生活污染物質對河流造成污染；

（2）從河流、水庫中超量引水，使得河流流量無法滿足生態用水的最低需要；

（3）通過對湖泊、河流灘地的圍墾擠占水域面積以及上游毀林造成水土流失，導致湖泊、河流的退化；

（4）在湖泊、河流或水庫中，不適當地引入外來物種造成生物入侵，使鄉土種受到威脅或消失；

（5）水利工程對于生態系統的脅迫。本文重點討論水利工程的負面影響問題。

眾所周知，興建的大量水利工程滿足了人們對于供水、防洪、灌溉、發電、航運、漁業及旅游等需求，水利工程對于經濟發展、社會進步的作用巨大。水利工程在生態建設方面也同樣具有積極作用。通過調節水量豐枯，抵御洪澇災害對生態系統的沖擊，改善干旱與半干旱地區生態狀況以及調節生態用水等方面，水利工程同樣貢獻巨大。

那么，“水利工程對生態系統造成脅迫”這個命題又從何談起呢？

事物無不具有兩重性。從人類幼年時代開始至今在地球上進行的大規模生產和經濟活動，首推大片土地的農業墾殖及城市利用，其次是森林大規模砍伐，自工業化社會以來的溫室氣體排放等，都是引起全球生態系統變化的重要因素。而自遠古至今興建的水利工程是一種在流域和區域水平上對生態系統產生重大影響的事件。人類為自身的安全和經濟利益，在疏導河流、整治河道，筑壩壅水等方面，不僅明顯地改變著地地形地貌，影響著局部氣候，同時也大幅度地改變著河流自身的形態，在不同程度上降低了河流形態多樣性。其結果將導致水域生物群落多樣性的降低，使生態系統的健康和穩定性都受到不同程度的影響。

一般認為，生態系統是指一定空間中的生物群落（動物、植物、微生物）與其環境組成的系統，其中各成員借助能量交換和物質循環形成一個有組織的功能復合體。

在生態學中，具體的生物個體和群體生活地區內的生態環境稱為“生境”（habitat）。在生境各個要素中，水又具有特殊的不可替代的重要作用。水是生物群落生命的載體，又是能量流動和物質循環的介質。生境中的主要因素稱為生態因子（ecologicalfactors）。在水域生態系統中，河流的流速、流量、水溫、水深、水質以及水文周期等，都是重要的生境因子。

2.淡水生態系統的特點

2.1生物群落與生境的統一性

有什么樣的生境就造就了什么樣的生物群落，二者是不可分割的。如果說生物群落是生態系統的主體，那么，生境就是生物群落的生存條件。一個地區豐富的生境能造就豐富的生物群落，生境多樣性是生物群落多樣性的基礎。如果生境多樣性受到破壞，生物群落的性質、密度和比例等都會發生變化，生物群落多樣性必然會受到影響。在生境各個要素中，水又具有特殊的不可替代的重要作用。

2.2生態系統結構的整體性

從生物群落內部看，整體性是生態系統結構的重要特征。一旦形成系統，其內部各要素不能被分割而孤立存在。如果硬性分開，那么分解的要素就不具備整體性的特點和功能。在一個淡水水域中，各類生物互為依存，互相制約，互相作用，形成了食物鏈結構。研究表明，一個生態系統的生物群落多樣性越豐富，或者說食物鏈越復雜，形成三維的網狀結構稱為“食物網”，這種復雜的食物網組成的生態系統穩定性要高。另外，一個健康的淡水生態系統，不但生物物種的種類多，而且數量比較均衡，沒有哪一種物種占有優勢，這就使得各物種間既能互為依存，也能互相制衡，使生態系統達到某種平衡態即穩態，這樣的生態系統功能肯定是完善的。反之，如果一個淡水生態系統的生物群落內比例失調，會造成整個系統惡化。

2.3自我修復功能與自我凈化功能

淡水生態系統結構的另一個重要特征是具有自我修復功能和自我凈化功能。在長期的進化過程中，形成了同種生物種群間、異種生物種群間在數量上的調控，保持著一種協調關系。水體自我修復能力，也是淡水生態系統自我調控能力的一種。在外界干擾條件下，通過自我修復，保持水體的潔凈。由于具有這種自我修復功能和自我凈化功能，才使淡水生態系統具有相對的穩定性。

所謂穩定性具有兩層含意，一是指對于外界干擾的適應力或稱為彈性，二是在受到干擾后回到原平衡態的恢復能力。需要指出的是，生態系統的穩定性是相對的，其適應性也是有限的。所謂彈性限度也就是淡水生態系統對外界干擾的承載力。當超過某一個彈性限度，生態系統將出現一種不斷遠離平衡點的正反饋，加快系統失穩，常以爆發的方式導致系統的全面惡化。

綜上所述，什么是一個健康的淡水生態系統呢？它是一個生物群落多樣性豐富的系統，是一個食物鏈（網）結構復雜而完善的系統，是一個物質循環、能量流動及物種流動通暢的系統。

3.河流形態多樣性是生物群落多樣性的基礎

生物群落與生境的統一性是生態系統的基本特征。在流域生態系統的各種生境因素中，河流形態多樣性是流域生態系統最重要生態因子之一。河流形態多樣性及與生物群落多樣性的關系可以歸納為以下5個方面。

3.1水－陸兩相和水－氣兩相的聯系緊密性

與湖泊相對照，河流是一個流動的生態系統。河流與周圍的陸地有更多的聯系，水－陸兩相（two-phase）聯系緊密，是相對開放的生態系統。水域與陸地間過渡帶是兩種生境交匯的地方，由于異質性高，使得生物群落多樣性的水平高，適于多種生物生長，優于陸地或單純水域。在水陸聯結處的濕地，聚集著水禽、魚類、兩棲動物和鳥類等大量動物。植物有沉水植物、挺水植物和陸生植物，并以層狀結構分布。另外，河流又是聯結陸地與海洋的紐帶，河口三角洲是濱海鹽生沼澤濕地。

由于河流中水體流動，水深又往往比湖水淺，與大氣接觸面積大，所以河流水體含有較豐富的氧氣，是一種聯系緊密的水－氣兩相結構。特別在急流、跌水和瀑布河段，曝氣作用更為明顯。

3.2上中下游的生境異質性

我國的大江大河多發源于高原，流經高山峽谷和丘陵盆地，穿過沖積平原到達寬闊的河口。上中下游所流經地區的氣象、水文、地貌和地質條件有很大差異，在水平和垂直方向上形成了極為豐富的流域生境多樣化條件，這種條件對于生物群落的性質、優勢種和種群密度以及微生物的作用都產生重大影響。在生態系統長期的發展過程中，形成了河流沿線各具特色的生物群落，形成了豐富的河流生態系統。

3.3河流的蜿蜒性

自然界的河流都是蜿蜒曲折的，顯然不存在直線或折線形態的天然河流。在自然界長期的演變過程中，河流的河勢也處于演變之中，使得彎曲與自然裁彎兩種作用交替發生。但是彎曲或微彎是河流的趨向形態。另外，也有一些流經丘陵、平原的河流在自然狀態下處于分岔散亂狀態。一些分岔散亂狀態的河流歸入主槽形成明顯的干流，往往是由于人類治河工程的結果。需要強調指出，蜿蜒性是自然河流的重要特征。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河灣、沼澤、急流和淺灘等豐富多樣的生境。由此形成了豐富的河濱植被、河流植物，為魚類的產卵創造條件，成為鳥類、兩棲動物和昆蟲的棲息地和避難所。

3.4河流斷面形狀的多樣性

自然河流的橫斷面也多有變化。河流的橫斷面形狀多樣性，表現為非規則斷面，也常有深潭與淺灘交錯的布局出現。顯然，不存在梯形或矩形等幾何規則斷面的自然河流。河流淺灘的生境，光熱條件優越，適于形成濕地，供鳥類、兩棲動物和昆蟲棲息。積水洼地中，魚類和各類軟體動物豐富，它們是肉食候鳥的食物來源，鳥糞和魚類肥土又促進水生植物生長，水生植物又是植食鳥類的食物，形成了有利于珍禽生長的食物鏈。由于水文條件隨年周期循環變化，河灣濕地也呈周期變化。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，是一種脈沖式的生物群落變化模式。由于水溫、陽光輻射、食物和含氧量沿水深變化，在深潭中存在著生物群落的分層現象。

3.5河床材料的透水性與多孔性

河床的沖淤特性取決于水流流速、流態、水流的含沙率、顆粒級配以及河床的地質條件等。由懸移質和推移質的長期運動形成了河流動態的河床。在高山峽谷湍急的河段，河床由沖刷作用形成，其河床材料是透水性較差的巖石，除此之外，大部分河流的河床覆蓋有沖積層，河床材料都是透水的，即由卵石、礫石、沙土、黏土等材料構成的。具有透水性能的河床材料，適于水生和濕生植物以及微生物生存。不同粒徑卵石的自然組合，又為魚類產卵提供了場所。同時，透水的河床又是聯結地表水和地下水的通道，使淡水系統形成整體。

綜上所述，水－陸兩相和水－氣兩相的緊密關系，形成了較為開放的生境條件；上中下游的生境異質性，造就了豐富的流域生境多樣化條件；河流形態的蜿蜒性形成了急流與緩流相間；河流的橫斷面形狀多樣性，表現為深潭與淺灘交錯；河床材料的透水性為生物提供了棲息所。由于河流形態多樣性形成的在流速、流量、水深、水溫、水質、河床材料構成等多種生態因子的異質性，造就了豐富的生境多樣性，形成了豐富的河流生物群落多樣性。所以說，河流形態多樣性是維持河流生物群落多樣性的基礎。

4.水利工程如何對河流生態系統造成脅迫

水利工程對河流生態系統造成某種脅迫，具體表現是一些水利工程建設造成河流形態的均一化和非連續化，其后果是生物群落多樣性水平下降。

4.1河流形態的均一化和非連續化改變了生境多樣性

所謂河流形態的均一化主要是指自然河流的渠道化或人工河網化。具體表現為:（1）平面布置上，河流形態直線化。即將蜿蜒曲折的天然河流改造成直線或折線型的人工河流或人工河網。采用這種規劃設計方法的理由是：直線型的渠道工程量小，同時節省耕地，減少移民搬遷。（2）渠道橫斷面幾何規則化。把自然河流的復雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規則幾何斷面。規則的渠道斷面輸水能力強，也可減少占地。設計時易于計算，建設時易于施工。（3）河床材料的硬質化。渠道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質材料。防洪工程的河流堤防和邊坡護岸的迎水面也采用這些硬質材料。原因是渠道工程中可減少渠水的滲漏，以利節水。光滑的渠坡減少表面糙率，提高輸水效率。在岸坡防護方面，采用硬質材料的原因是其抗沖、抗侵蝕性及耐久性好。（4）河流的裁彎取直工程。

所謂河流形態的非連續化是指在河流筑壩形成水庫，造成水流的非連續性。有的河流進行梯級開發，更形成河流多級非連續化的格局。水庫蓄水后，淹沒了原有的河流兩岸的陸生植被，使得丘陵和平地島嶼化和片斷化，陸生動物被迫遷徙。被搬遷的城鎮及廢棄的農田沉入庫底，未清除的垃圾、工業廢料及化肥農藥殘留統統進入水庫。

4.2河流形態多樣性的降低對于生物群落多樣性的影響

河流的渠道化和裁彎取直工程徹底改變了河流蜿蜒型的基本形態，急流、緩流、彎道及淺灘相間的格局消失，而橫斷面上的幾何規則化，也改變了深潭、淺灘交錯的形勢，生境的異質性降低，水域生態系統的結構與功能隨之發生變化，特別是生物群落多樣性將隨之降低，可能引起淡水生態系統退化。具體表現為河濱植被、河流植物的面積減少，微生境的生物多樣性降低，魚類的產卵條件發生變化，鳥類、兩棲動物和昆蟲的棲息地改變或避難所消失，可能造成物種的數量減少和某些物種的消亡。河床材料的硬質化，切斷或減少了地表水與地下水的有機聯系通道，本來在沙土、礫石或黏土中辛勤工作的數目巨大的微生物再也找不到生存環境，水生植物和濕生植物無法生長，使得植食兩棲動物、鳥類及昆蟲失去生存條件。本來復雜的食物鏈（網）在某些關鍵種和重要環節上斷裂，這對于生物群落多樣性的影響將不是局部的，而是全局性的。

水，是河流生態系統的重要要素，是河流生態系統的動脈。當人們開發和利用水資源時，如果硬要把水與生物群落分割開來，放到一個直線線路、規則斷面并由人工材料建設的人工河道中，很顯然，這種新的河流生態系統將不再具備原來河流生態系統的整體功能和特點。

自然河流的非連續化，造成的影響是將動水生境改變成了靜水生境，二者分別對應著動水生物群落和靜水生物群落。由于水庫水深遠大于河流水深，太陽光輻射作用隨水深加大而減弱，在深水條件下，光合作用較為微弱，所以水庫生境的生態系統生產力（productivity）較低，物質循環和能量流動都不如河流生態系統那樣通暢。水庫的淡水生態系統是一個相對封閉的系統，與河流生態系統相比較為脆弱，表現為抗逆性較弱，自我恢復能力也弱。退化的水庫一般難于自我恢復，需要人類干預才有可能。水庫形成以后，原來河流上中下游蜿蜒曲折的形態在庫區消失了，主流、支流、河灣、沼澤、急流和淺灘等豐富多樣的生境代之以較為單一的水庫生境，生物群落多樣性在不同程度上受到影響。另外，筑壩以后給洄游魚類造成了不可逾越的障礙。如果沒有建設適合魚類習性的魚道，將對某些洄游魚類造成致命的打擊。

4.3生物群落多樣性下降的后果

在生態學中，把由生態系統為人類提供的物質和生活環境的功能稱為生態系統服務功能（Ecosystemservices）。研究生態系統服務功能可以清晰地了解人類對于生態系統的高度依賴性，可以更深刻地理解人類對生態系統非理智的破壞行為，反過來會給人類自身造成的重大損害。

淡水生態系統對于人類的生態系統服務是多方面的。水域、濕地為人類提供食品及其它生活物資；對氣溫、云量和降雨進行調節，在全球、流域、地區和小生境等不同的尺度上影響著氣候；對水文循環起調節作用，具有緩解旱澇災害的功能；植物能涵養水分，有利水土保持；優美的水域景觀具有休閑旅游功能，雄偉秀麗的高山大川本身就是一種文明財富。特別要強調的是，淡水生態系統具有的凈化環境的功能，對于人類的生存環境具有關鍵意義。水生植物可以吸收、分解和利用水域中氮、磷等營養物質以及細菌、病毒，并可富集金屬及有毒物質。生物凈化過程，是在淡水生態系統的食物鏈（網）中進行的復雜的生物代謝和物理化學過程。通過這個過程，水體中的各種有機物和無機物溶解物和懸浮物被截留，有毒物質被轉化，可以防止物質的過分積累所形成的污染，從而清潔了水體。水體的自我凈化、自我修復功能，是水域生態系統極為寶貴的服務功能。

人們容易看到水利工程在供水、灌溉、發電等方面給人們帶來的直接、有形的效益，卻往往忽視水域生態系統為人類帶來的利益，更難于看到因水利工程改變河流形態多樣性，對人的利益造成的長遠的隱形的損害。一旦生態系統遭到外界因素的破壞，大自然無償提供給我們的服務功能將下降，當破壞程度達到某臨界值時，這種服務功能甚至會喪失。

5．新的工程理念與技術對策

對于水利工程對于生態系統的脅迫，存在著兩種認識及兩種對策。一種是片面強調水利工程對生態系統的負面影響，全盤否定水利工程建設的積極作用，不分青紅皂白對新建大壩和水利工程一律反對。在西方國家一些極端環保主義組織和人士就持這種態度。由于出現這樣一股思潮和社會力量，使得一些國家特別是發展中國家政府籌劃的解決供水、防洪或具有發電、灌溉效益的水利工程項目被封殺在圖紙中。除了某些政治因素外，從思想方法角度看，用“因噎廢食”來描述這種認識恐不夸張。對于水利工程對生態系統的負面影響，正確的認識應該是正視這些負面影響，對水利工程的工程理念進行反思，以“趨利弊害”的態度，改進和完善水利工程的規劃和設計技術。從建設目標看，水利工程在滿足人們對水的種種需求的同時，還能兼顧維持生態系統健康性的需求，促進人與自然的和諧共存。換言之，未來的水利工程應具有雙重功能，即不但是有具有直接功效的供水、防洪、發電、航運工程，而且還應該是有利于生態系統健康與穩定的生態工程。

為消除水利工程對于生態系統的負面影響，從技術層面上看，似有以下問題值得重視和研究。

1．研究生態水工學。所謂“生態水工學”（Eco-HydraulicEngineering）是水利工程學的一個新的分支，是研究水利工程在滿足人的需求的同時，兼顧水域生態系統健康性與穩定性需求的原理與技術方法的工程學。

2．水利工程要盡最大可能保護和恢復河流形態的多樣性。新建水庫工程要充分論證由于水庫建設改變河流生態系統為靜水生態系統的利弊得失，采取必要的補償工程措施和生物措施。

3．開展已建水庫的生態系統健康評估與預測，加強庫區生物群落調查。重視水庫生態系統退化的恢復及富營養化控制問題。

4．合理調度水庫及其它水利設施。水庫調度在滿足人的需求的同時，兼顧生態系統的健康性的需求，克服靜水、深水對于生物群落的不利影響。通過水庫庫區生態建設及水生生物的合理結構設計，提高水庫水體自凈能力和自我修復能力。充分利用鄉土種生物，慎重引進外來種，注意防止生物入侵。

5．保持河流的蜿蜒性是保護河流形態多樣性的重點之一。在河道整治工程中，尊重天然河道形態，避免直線和折線型的河道設計。灌溉渠道設計也要注意模仿河流自然形態的特點。對于河流的裁彎取直工程要充分論證，取慎重態度。

6．保持河流斷面形狀的多樣性，尊重河流原有的自然斷面形態。河道整治工程中應盡可能避免采用幾何規則斷面，疏浚工程施工中避免河道斷面的均一化。

7．河道防護工程的岸坡采用有利植物生長的透水材料，特別注意采用當地天然材料。注意整理、發掘和發展我國各地的傳統治河工法和材料。開發和推廣輸水渠道新型襯砌材料，可供植物生長并具有一定防滲性能。

8．水利工程設計應為植物生長和動物棲息創造條件。提供魚類產卵條件以及鳥類和水禽棲息地和避難所。建設符合生態學原理的過壩魚道。

9.利用生態系統自我修復和自我凈化功能，開發與推廣生態系統治污技術，開發人工濕地、生物廊道、生態浮島等經濟實用技術。

參考文獻

1．Mitsch,W.J.1989Ecologicalengineering,JohnWiley&SonsLtd.

2.董哲仁，生態水工學的理論框架，《水利學報》，2003年第1期

3.董哲仁，水利工程對生態系統的脅迫,《水利水電技術》2003年第7期

4.董哲仁，保護與恢復河流形態的多樣性，《中國水利》2003年第6期