水流特性对生态环境影响分析

水流特性对河流生态环境影响分析

摘要：河道水流特性主要包括水位、流量、流速及其分布、动水压强等，水流特性与河床的边界条件密切相关，而河床边界又是联系河道水流与生态系统的载体与纽带。本文从河道水流特性与生态环境之间的关系入手，阐述了河道水流特性对水生生物的影响，分析了水生生物生长状况的变化所导致的水流环境的变化。论述了河道中的局部建筑物(闸坝工程)在除害兴利、造福人类的同时，给河道生态环境带来的负而影响，河道的渠化和改道造成生态环境多样化的减少乃至消失。

关键词：水流特性；生态系统；生态修复

生态系统提指生物群落与其生存环境之间、生物种群之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转换和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，而河道生态系统[1]是指河道中的水流与河流生物群落的关系，包括两个方面：不同的水流特性对水生生物的影响；水生生物生长状态的变化所导致的水流环境的变化。

河道通常分为天然河道和人工渠道。河道水流特性[2]主要包括水位、流量、流速及其分布、动水压强等。从边界条件来看，影响河道水流特性的因素主要有：过水断面形状、尺寸，河道纵断面底坡及其变化，沿流向河道的顺直程度，河床表面的粗糙程度以及局部建筑物等。在断面形状、尺寸沿流程不变的顺直的正坡明渠中，当粗糙系数沿程不变，通常形成均匀流；而天然河道因过水断面一般极不规则，粗糙系数及底坡沿流程都有变化，在天然河道中通常为非均匀流[3]。从能量守恒和能量转化的角度来看，当流量一定，过水断面形状、尺寸一定时，均匀流水流平顺，水力坡度较非均匀流小，故相同流段上单位重液体的能量损失小。所以，在水利工程中，尤其是长距离的输水工程，为了保持输水能量，渠道尽可能裁弯取直，以使水流平顺，从而减小能量损失，但从河道生态系统着眼，水流特性与河道生态系统有着密切关系，并非顺直、单一断面的河道才是最佳选择。

1 水流环境与水生生物的关系

1.1水流环境对水生生物的影响

水生生物主要包括水生植物、水生无脊椎动物和鱼类。水生生物特有的生存特性使其对水流特性具有特定的要求，不同类的以及同类不同种的水生生物对水体的流量、水位、流速和流态等都具有不同的要求。

水量是河流水动力系统的基本构成，它限制着植物的分布，包括流速和剪应力变化对水生植物种类的影响，高流量和低流量变化对沿岸植物种类的影响。为满足这些不断变化的水流环境，动、植物种类必须不断改变它们的形态、繁衍传播方式以及生理条件来与之相适应。河流单元的不同时间和空间成分控制着植物种类的传播和它们的生产力。河流系统中的物理条件从源头到河口的变化往往是连续的，植物群落也随之相应变化，沿水流方向呈现带状分布。特征为:上游段为藻类，生产力较弱;在中游段，由于大型植物的存在，生产力逐渐增加；再往下游，这两种类型的生产力逐渐减少。

河道水流特性的纵向梯度[3]影响着水生动物群落的空间次序。如在主河道中较大的流速，使很多大型无脊椎动物的生长受到限制。那些在河床的砾石、鹅卵石和大石头上生存的种类必须承受水流的作用力，这种适应方式包括生物体形和行为。流速和水流的作用力不仅控制着无脊椎动物的微尺度分布，而且对食物的供应也起到很大的决定作用。例如，水流可以冲走了覆盖在苔鲜等植物上的细小泥沙。这就为食草动物提供了食物源。

植物群落不仅沿河道的纵向梯度的不同而不同，而且随主河道本身从河岸区到洪泛区边缘的横向梯度的不同也不一样。浮游植物的主要生产力随水流速度的减慢和水位的升高而加

强，同样，这也为浮游动物的生存提供了有利条件，而浮游动物的存在又为其上一级物种提供了更多的食物源。随着演替进程中流速的逐渐降低，大型植物开始生长，并在孤立的分岔河道和先前的蜿蜒河道中达到最高密度。

鱼类是所有水生生物中最具机动性的群体，因而它可能很快占有并利用河流镶嵌体中不同的生物区。对那些溯河产卵的鱼类来说，河流的纵向是到达产卵地的基本途径。长距离的迁徙鱼类可能经过整个河流直到到达源头，而非迁徙性鱼类，如鲤鱼，仅把河流纵向作为河网的一部分，它们在不同的发育期内在水系的不同横断面间运动。河道的垂向尺度分布的不同也是决定鱼类在空间上重新分配的1个重要因素。通常除与食源有关外，鱼类所处的水深通常反映其生长水平，一般而言，随着鱼类形体和年龄的增长，它们日趋喜欢生活在水体深处。尽管种类间会有掺混，水体中还可见明显的种族分离。因而，大河中鱼群的生长和增加与水系中河流形式的多样化和鱼类占有群落的容易程度有关。

1.2水生生物对水流的影响

水生植物在河流系统中具有重要的作用，它们不仅为动物提供营养源，而且提供了各种生境和微气候。无论水生植物是直接或间接地依赖于河流系统，它反过来都会对河流系统产生很大的影响。植物可以产生有机物质、吸收溶解物质，可以形成对水流的障碍，用以减少水流的动能。急流中主要动植物的生长会大大地改变它们所处水流的流动性质。这会对河流生态产生一系列的严重影响，包括溶解物质向下游输运的延迟，改变泥沙的沉积状态和无脊椎动物对食物的获取能力；增加生境中的不同成分，降低植物垫上的生物的剪切应力；影响附生植物的数量和群落组成:改变水生生物膜上营养物质的输运速度。河流中大型植物可以减少河床附近和大量植物间的流速，其影响范围依赖于植物的生长形式和结构。

2 闸坝工程对河流生态环境的影响

闸坝[7]是人为在河道上修建的水利工程，其主要功能包括蓄水发电、防洪排涝、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航养殖等方面，闸坝工程在发挥其作用的同时又会对生态环境产生一定的不利影响，大致可以归结为以下3个方面。

2.1引起河流形态变化，河道淤积，河岸浸蚀

修建闸坝后，在上游由于河流水流速度减低，河水挟沙能力减弱，水体中的悬浮物质或多或少地沉积下来，它不仅影响到航道的运用，而且减少水库的库容，影响水库的使用年限。根据美国、印度、塞浦路斯等国家130座水库的调查表明[4]，每年淤积致使库容损失在14.33%至20%之间；在闸坝的下游产生冲刷，长期的冲刷还会导致河床和水库库底的变形，尤其是坝下游河床的冲刷对已有的建筑物、地下水位、农田的淹没以及航运都有重大影响。筑坝导致河道流量的变化会对下游产生影响。水电站下游的流量根据用电量需求的不同而时刻变化，流量的无规律变化是导致河岸侵蚀、破坏岸边生境的重要因素。

2.2导致河道径流减少，水体自净能力降低，水体污染加剧

建造1座水库，一般都会引起营养物质含量的变化，这些营养物质主要是氮和磷。水库蓄水以后，会导致上游水位上升下游流速减小，由于浸没或接纳了污染水体，从而增加了氮和磷的含量，细菌广泛的增加，水体含氧量减少，对鱼类十分有害。水库中沉淀的泥沙等沉积物，易吸附某些污染物，如汞、砷、铅、锅等毒物。由于生物富集和食物链作用，往往造成鱼类中毒、死亡或减产，对水产资源造成严重的威胁。如果水库拦截了大量物质或出现富营养化，则水库下游可能会出现缺乏营养物现象。如阿斯旺水坝运用后，因下泄的水流缺乏浮游养料，致使河口的沙丁鱼产量大量削减，农作物也由于缺乏天然肥源而减产。

2.3阻断鱼类洄游通道，导致鱼类资源减少，生物多样性退化

闸坝工程对鱼类回游是个主要障碍，甚至可能造成某些种群的消失。修建闸坝等局部建筑物直接破坏了水系的功能单元间的连接度，因为闸坝阻止了鱼类的纵向迁移，而防洪沟限

制了鱼类的横向运动。例如，伏尔加河在筑坝以前，鳃鱼可以向上游迁移到加里宁，约为3000公里，但建坝后却被局限于河流下游500公里处。虽然建造鱼道能使问题缓解，但并不能完全弥补大坝产生的负面影响。这种旁路建筑必须吸引鱼类离开大坝下游处的河流出口，它们不仅要起到向上游迁移的作用，同时可以使鱼类后代向下游运动。鱼道可能对1种鱼类有用，但不一定能够提供其它种类所要求的特性。所以，闸坝工程影响了河流中的常栖生物和迁移生物。水流的中断阻断或减慢了水生生物的通路和迁移，从而影响了与河道功能有关的食物链，阻断鱼类涸游通道，导致鱼类资源减少，生物多样性退化。

3 渠化和改道对生态环境的影响

河流的渠化和改道主要是指在河流整治工程中将自然河流渠道化或人工河网化。渠化具体表现为渠道横断面形状几何规则化和河床材料的硬质化。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，设计时易于水力计算，建设时可减少占地、易于施工。渠道的边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料衬砌，可减少渠道输水的渗漏，以提高渠道水的利用率;同时光滑的渠坡减少表面糙率，提高了输水能力。当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时。可增大其抗冲、抗侵蚀性及耐久性。改道是指在平面布置上将河流形态直线化，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。直线型的渠道增加了行洪能力、工程量小、可节省耕地。

河流的渠化[8]和改道彻底改变了河流蜿蜒型的基本形态，使得急流、缓流相间的格局消失。横断面上的几何规则化会改变浅滩和深槽的组合体，使得生境的异质性降低，而这些浅滩和深槽的组合体是特定的水生生物在生命周期的不同过程中所必需的。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。具体表现为河流植物的面积减少，微生境的生物多样性降低，鱼类的产卵条件发生变化，鸟类、两栖动物和昆虫的栖息地改变或避难所消失，这造成物种的数量减少和某些物种的消亡。河床材料硬化衬砌，切断或减少了地表水与地下水的有机联系通道，阻断了周边土壤水分的补给源，会导致河道及渠系沿线周边植物的生长、湿地的保护受到影响，及生物生息地的改变乃至消失。本来在沙土、砾石或载土中辛勤工作的数目巨大的微生物再也找不到生存环境，水生植物和湿生植物无法生长，使得植食两栖动物、鸟类及昆虫失去生存条件。本来复杂的食物链(网班某些关键种和重要环节上断裂。渠道断面规则化、衬砌等措施会减小水流阻力，但对那些在泥沙内部或泥沙上生长的生物提供了更少的生息地。在河流中，沿着河岸边缘，水位和断面形状组成了各种生境，那些对河流环境适应性较强的植物往往生长在河流中部，其形状和排列方式具有较小的水流接触面，对水流具有较小的阻力。

4 河道生态修复的基本原则及措施

在河道中建闸修坝，或河道的渠化和改道，对河流生态系统的结构和功能造成破坏，表现在水质恶化、生物生息地改变、生物多样性减少、河岸浸蚀、冲淤平衡改变等。要让人干扰下的生态系统实现可持续发展，必须进行河道的生态修复。因为河道生态系统与水流特性密切相关，它们相互影响、互为因果，河道生态系统始终处于动态平衡。所以，河道生态修复的基本原则是尽可能地终止引起生态系统恶化或阻止生态系统恢复的干扰活动，采取一定的工程措施，以恢复生态系统的动态平衡和功能，实现工农业生产与生态系统协调发展、人与自然和谐共处。在河道生态修复中，应考虑采取以下措施。

4.1河道平面形状

自然界的河流都是蜿蜒曲折的，不存在直线或折线形态的天然河流。在自然界长期的演变过程中，河流的河势也处于演变之中，使得弯曲与自然裁弯两种作用交替发生。但是弯曲

或微弯是河流的趋向形态。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河湾、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境。由于流速不同，在急流和缓流的不同生境条件下，形成丰富多样的生物群落，即急流生物群落和缓流生物群落。急流生物为了在高流速中生存，或具有适于游泳的流线型的体型，或具有适于钻入石缝以防被冲走的扁平体型。

在水利工程中，对中小河流的整治，一般采取裁弯取直河道、加大河宽、疏挖河床、渠道衬砌和修建护岸工程等措施，以加大过水能力，提高防洪的安全度。其结果会造成项目建设区域珍贵植物消失，深潭及浅滩消失或规模缩小，河宽增加导致水深减小，断面形状单一化使流速分布单一化，滩地的平整使自然裸地减少等。同时，河床坡降的改变使泥沙的输送量、输送形态都发生了变化，从而可能影响到上下游的生息地。为了减轻这种影响，在生态修复中，河道纵线的选择上，应考虑重要生息地、有大型深潭的弯道、河畔林的保护及濒临灭绝物种的移植等；滩地高程的确定，应考虑其水深及其变化幅度；河床坡降的选择，要考虑其对河流冲淤的影响。

4.2河道坡度

河道坡度[9]直接影响了流速、河流能力和河流能量。由于这些因素促进了侵蚀、泥沙输运和泥沙沉积等地貌过程，河道坡度是河流形状和形式的控制因素，在河道生态修复时，河道坡度是最关键的设计因子之一。河道坡度定义为河流两点之间的水位差除以两点之间的河流长度，河流能量定义为流量和坡度的乘积。因为河道流量通常沿下游方向增加，根据最小河流能量理论，必须减小坡度以达到河流能量的最小化，所以大部分河床沿着纵向是下凹的。

4.3河道横断面

自然河流横断面形状尺寸是随河床坡度、弯曲程度、流量、泥沙粒径和含量、糙率沿纵向是不断改变的，通常断面形状由深槽和浅滩组成且不对称分布，不存在严格意义上的梯形、矩形等对称横断面。流速在深槽内降低，从而出现了泥沙细颗粒的沉积。在蜿蜒河流的弯曲段，河道横断面变化得更快更频繁。这些变化形成了自然异质性、流速和推移质粒径分布的方式，这些对水生生态系统是很重要的。河道生态修复时浅滩与深槽的大小及其组合应根据水文学原理来确定，按照弯道出现频率来成对设计，即1个弯曲段配有1对浅滩和深槽，并以下游河宽的5-7倍距离来布置。在具有大量砾石的河道中，浅滩应该与弯道变形点附近的陡峭区域相连通。浅滩和深槽之间的间距应该在3个到10个河道宽度间变化，平均约为河道宽度的6倍。

4.4河岸缓冲带

建立河岸缓冲带在河道生态修复中的重要性表现在：①遮荫，降低水温。②造成泥沙和其它污染物质的沉积(即过滤久减少河流中的营养物负荷）。③用植物确保河岸的稳定性。减少无法控制的径流造成的侵蚀。⑤提供河岸野生生物生境。⑥维持才生食物链，保护鱼类生境。尽管缓冲带的价值已得到广泛认同，但确定其规模的准则各有不同。右城市河道中，宽阔的森林缓冲带是任何保护措施件的必要组成部分，其基本作用是为河流提供自然皓护，免受可能的干扰或侵蚀。大量缓冲区是河流必要组成部分，并起到了河流生态系统的部分功能。因为河岸缓冲带与周围山地相比，通常面积较小，用以满足种类或群落的最小面积需求尤为重要。事乡上，与廊道相比，长度小于4m、宽度小于9m的绿洲具有更多的种类和野生候鸟。较小或孤立的生境对候鸟十分重要，河道生态修复工作不应该小看它们所提供的重要功能。

参考文献：

[1] 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.

[2] 吴持恭. 水力学[M].北京:高等教育出版社, 2003.

[3] 汪德罐, 石秋池.生态水力学[M].南京:河海大学出版社, 2004.

[4] 陈常梅, 陆经纬, 李丽华等. 浅谈水利工程建设对河流生态系统的影响[J].山东水利，2005 (3):21-23.

[5] 王国平, 张玉霞.水利工程对向海湿地水文与生态的影响[J]. 资源科学, 2002 24(3): 26-30.

[6] 董哲仁.水利工程对生态系统的影响[J].水利水电技术, 2003.

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[8] 韦公远, 杨戈. 水利枢纽与生态环境[J]. 水利天地, 2005 (8):44-46.

[9] 刘树坤. 河流整治与修复(五)[J].海河水利. 2002(5):64-67.