当代水利科技:生态恢复的缘起

从20世纪70年代开始,水利水电工程与河流生态系统的关系问题,就引起了西方国家科技界广泛的关注,成为可持续发展领域中的一个热门话题。人们从不同的角度分析了水利工程对于河流生态系统产生的负面影响,进而提出如何进行补偿的问题。在此基础上产生了河流生态恢复的理论与工程实践。

(1)历史简要回顾。在数百万年长期进化过程中,自然河流与周围的生物种群交织在一起,形成了复杂、有序、动态稳定的河流生态系统,依据其自身规律良性运行。人类历史与自然河流历史相比要短暂得多。比如,据科学家估计长江形成的历史,应追溯到约300万年前喜马拉雅山强烈运动时期。而人类有文字记载的历史不过几千年,与河流自然年代相比实在微不足道。但是这几千年人类为了自身的安全与发展,对于河流的进行了大量的人工改造。特别是在近一二百年利用现代工程技术手段,对河流的大规模开发利用,兴建了大量工程设施,改变了河流的地貌学特征。河流数百年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、自然河道渠道化、裁弯取直等(Brookes,2001)。据统计,全世界坝高超过15m 或库容超过300 万m3 的大坝有45000 座。其中大约40000 座大坝是在1950 年以后建设的。坝高超过150m 或库容超过250亿m3 的大坝有305座。(ICOLD,2000)。建坝最多的国家依次为中国、美国、原苏联、日本和印度。

这些工程为人类带来了巨大的经济和社会利益,而另一方面却极大改变了河流自然演进的方向。人们始料未及的是对于河流大规模的改造,造成了对于河流生态系统的胁迫,导致河流生态系统的不同程度的退化。这种退化也降低了河流生态系统的服务功能,本来大自然对于人类的恩赐因此而减少,这样反过来又损害了人类自身的利益。

人们开始反思水利工程的功过得失,特别是讨论水利水电工程对于生态系统的负面影响问题。20世纪70年代在西方国家就出现了反对建设大坝的观点和思潮,称大坝为“河流杀手”。到20世纪80年代以后,西方国家一些拟建的水利水电工程受到社会舆论特别是环保界的猛烈批评,致使计划终止。一些学者还进一步主张要拆除现存的大坝,还自然河流以本来面目。在90年代,发达国家开始小规模地拆除大坝,比如美国拆除了180座坝,计划在2001年再拆除30座坝。

大规模的调水工程在原苏联也受到致命性的打击(杨立信等,2003)。苏联自20世纪30年代开始建设大规模调水工程。至苏联解体为止,相继完成费尔干纳大灌渠(1939)、北克里木运河(1971)、卡霍夫主干渠(1979)和列宁-卡拉库姆运河(1980)等近百项规模不等的调水工程,主要分布在乌克兰、俄罗斯欧洲部分南部和中亚地区部分。调水线路总长6000多km,年调水总量高达861亿m3。到80年代中期,全国调水工程建设形成高潮,更大的调水工程正在规划中。但是形势却发生了急剧逆转。1985年官方准许在媒体上公开批评调水工程,于是全国范围开展了一场关于调水工程合理性的大辩论。反对派的主要观点是调水工程存在着潜在的严重生态危机,而决策者和设计者对此问题评估不足。另外,反对派认为在经济上调水工程的是一种挥霍浪费。对于南方干旱地区可以靠工业节水和改造灌溉系统等多种途径解决缺水问题。反对派中许多作家和知名学者反对调水工程的另外理由是工程给俄罗斯北部的中世纪城市、教堂、寺庙等历史文化遗产带来损害。在这种形势下,戈尔巴乔夫领导下的苏共中央和和部长会议于1986年8月通过一项决议,要求暂停调水工程的设计工作,授权国家科委等单位组织对于开展水资源再分配的科学问题研究,进行全面经济和生态研究论证。随后几年,前苏联局势急转直下,到苏联解体后,大规模调水工程计划也就从此束之高阁。

(2)水利工程对河流生态系统的胁迫。自然与人类活动对于生态系统造成的压力,生态学中称为胁迫(stress)。人类活动对于河流生态系统的胁迫主要来自以下几个方面:①工农业及生活污染物质对河流造成污染;②从河流、水库中超量引水,使得河流本身流量无法满足生态用水的最低需要;③通过对湖泊、河流滩地的围垦挤占水域面积以及上游毁林造成水土流失,导致湖泊、河流的退化;④在河流的水库中,不适当地引入外来物种造成生物入侵,使乡土种消失和生态系统水平的退化;⑤水利工程对于生态系统的胁迫。这是一种物理类的胁迫。

水利工程对于河流生态系统的胁迫主要表现在两方面:一是自然河流的渠道化;二是自然河流的非连续化(董哲仁,2003)。(www.xing528.com)

所谓“河流渠道化”是指:①平面布置上的河流形态直线化。即将蜿蜒曲折的天然河流改造成直线或折线型的人工河流或人工河网。②河道横断面几何规则化。把自然河流的复杂形状变成梯形、矩形及弧形等规则几何断面。③河床材料的硬质化。渠道的边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料。防洪工程的河流堤防和边坡护岸的迎水面也采用这些硬质材料。河流的渠道化改变了河流蜿蜒型的基本形态,急流、缓流、弯道及浅滩相间的格局消失,而横断面上的几何规则化,也改变了深潭、浅滩交错的形势,生境的异质性降低,水域生态系统的结构与功能随之发生变化,特别是生物群落多样性将随之降低,可能引起淡水生态系统退化。

所谓河流形态的非连续化一类是指在河流筑坝形成水库,造成沿水流方向的不连续性。具有河湾、滩地、急流、深潭等丰富的河流生境变成了单一的人造湖。水库淹没了原有的河流两岸的植被,又将搬迁的城镇及废弃的农田沉入库底,未清除的垃圾、工业废料及农药残留统统进入水库。水库是一个相对封闭的系统。水体在水库中形成相对静水,其流速、水深、水温及水流边界条件都发生了重大变化。水库的生态系统比河流生态系统生物生产量低,相对要脆弱,自我恢复能力弱。河流泥沙在水库淤积,水库清水下泄加剧了对河道的冲蚀,这些变化都大幅度改变了生境。水库蓄水也改变了原来河流营养盐输移转化的规律。由于靠水库进行人工径流调节,改变了自然河流年内丰枯的水文周期规律,即改变了随水文脉冲变化的河流走廊生态系统的基本条件。另外,不设鱼道的大坝对于洄游鱼类是致命的屏障。

另一类非连续性是由于筑堤引起的。堤防也有两面性。一方面起防洪作用,另一方面又妨碍了汛期主流与岔流之间的沟通,阻止了水流的横向扩展,形成侧向的水流非连续性。堤防把干流与滩地和洪泛区隔离,使岸边地带和洪泛区的栖息地发生改变。原来可能扩散到滩地和洪泛区的水、泥沙和营养物质,被限制在堤防以内的河道内。植被面积明显减少。鱼类无法进入滩地产卵和觅食,也失去了躲避风险的避难所。鱼类、无脊椎动物等大幅度减少,导致滩区和洪泛区的生态功能退化。

(3)河流生态恢复和生态工程学的定义。人们对于水利工程给河流生态系统带来的胁迫进行反思和总结以后,认为应该缓解对河流生态系统的压力,对于各种胁迫因素给予补偿,恢复河流原有面貌,于是出现了“河流恢复”的概念和相应工程技术。美国土木工程师协会对于“河流恢复”有以下定义:“河流恢复是这样一种环境保护行动,其目的是促使河流系统恢复到较为的自然状态,在这种状态下,河流系统具有可持续特征,并可提高生态系统价值和生物多样性”(ASCE,2003)。

河流生态恢复是生态工程学的一个分支。所谓生态工程学是20世纪80年代开始,为促进工程学与生态学相结合形成的一门新兴的交叉学科。我国的生态学先驱马世骏(1984)把生态工程定义为:“应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理,结构与功能协调原则,结合系统分析的最优化方法,设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统”。1989年Mitsch 等对于“生态工程学”(Ecological engineering)给出定义,Mitsch有时也使用“生态技术”(ecotechnology)一词。1993年美国科学院所主办的生态工程研讨会上根据Mitsch的建议,对“生态工程学”定义为:“将人类社会与其自然环境相结合,以达到双方受益的可持续生态系统的设计方法。”生态工程学的范围很广,包括河流、湖泊、湿地、矿山、森林、土地及海岸等的生态建设问题。