董哲仁，孙东亚，赵进勇
（中国水利水电科学研究院，北京 100038）
摘 要：本文阐述了河流生态修复的目标、任务以及时空尺度等基本问题，并对河流生态修复规划原则、设计方法和规划技术工具进行了总结和发展，同时提出了河流结构功能整体模型作为河流生态修复的科学基础，最后介绍了河流生态修复工程案例。
关键词：河流生态修复，规划，设计
1 概述
人们对于河流生态系统的胁迫效应反思和总结以后，认为应试图缓解对河流生态系统的压力，对于各种胁迫因素给予补偿，恢复河流生态系统原有面貌，于是出现了“河流恢复（river restoration）”的概念和相应工程技术。美国土木工程师协会 (ASCE) 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自然的状态，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）。
西方发达国家经历一百多年对于河流大规模开发利用的工程建设以后，从20世纪50年代开始，逐步把重点从开发利用转向对河流的保护。从50年代开始以水质恢复为第一阶段，到80年代初期转入第二阶段即河流生态恢复阶段。80年代初期的特点是建设小型河流的生态恢复工程，到80年代末进入以单一物种恢复为标志的大型河流恢复行动。90年代开始规划流域尺度的河流生态整体恢复工程并开始若干示范工程建设。目前发达国家的河流生态恢复建设正处于方兴未艾的形势中。
我国的河流生态修复工作起步较晚。90年代末我国水利部门开始探索通过应急调水的方法恢复急剧退化的河流生态系统并取得初步成功，这些试点包括塔里木河、黑河和扎龙湿地等。应急输水缓解生态系统急剧退化是修复河流生态的一次有益的尝试。到21世纪初水利部门开展了水域生态修复规划编制的试点，这些试点包括海河流域生态环境修复水资源保障规划、桂林漓江、武汉、无锡的水生态修复规划。与此同时，一些中小型河流的生态修复试点工程陆续开展，包括北京市、浙江省、重庆市等。
2 河流生态修复的目标、任务以及时空尺度
2.1 河流生态修复的目标
按照国际生态恢复学会（Society of Ecological Restoration）的定义，生态修复是帮助研究和管理原生生态系统的完整性的过程，这种完整性包括生物多样性的临界变化范围、生态系统结构和过程、区域和历史状况以及可持续的社会实践等。
在“河流生态恢复”的目标方面，学术界存在着不同的表述，这些表述也反映了不同的学术观点，从过程、目标到相关措施都有很大的差异。对于河流生态恢复定义有以下主要表述：
“完全复原” (Full restoration)，定义为“使生态系统的结构和功能完全恢复到干扰前的状态”（Cairns,1991)。完全复原首先是河流地貌学意义上的恢复，这就意味着拆除大坝和大部分人工设施以及恢复原有的河流蜿蜒性形态。然后，在物理系统恢复的基础上促进生物系统的恢复。
“修复”（Rehabilitation），定义为“部分地返回到生态系统受到干扰前的结构和功能”。通过生态修复方案的实施，在大多数情况下，具有重要功能的可持续的生态系统和栖息地仍可以被重建。
“增强”，（Enhancement），定义为“环境质量有一定程度的改善” （National Research Council 1992）。典型的增强措施包括改变具体的水域、河道和河漫滩特征以补偿人类活动影响。比如改变河流内鱼类栖息地结构等。但有的学者认为，这些增强措施虽能提供改善栖息地条件的机遇，但缺乏生态学基础，其有效性受到置疑（Beschta et al. 1994）。
“创造”，（Creation），定义为“开发一个原来不存在的新的河流生态系统，形成新的河流地貌和河流生物群落”（NationalResearch Council，1992）。创建新的栖息地的做法是一种管理手段，试图把丧失栖息地的影响降到最低或弥补这种影响。
“自然化”（Naturalization），由于人类对于水资源的长期开发利用，已经形成了一个新的河流生态系统，而这个系统与原始的自然动态生态系统是不一致的。在承认人类对于水资源利用的必要性同时，强调要保护自然环境质量。通过河流地貌及生态多样性的恢复，达到建设一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统（Rhoads and Herricks，1990）。
2.2 河流生态修复的任务
河流水系生态恢复的任务有三大项：一是水质条件、水文条件的改善，二是河流地貌特征的改善，三是生物物种的恢复。总目的是改善河流生态系统的结构与功能，主要标志是生物群落多样性的提高。
水质条件、水文条件的改善包括：水量、水质条件的改善，水文情势的改善，水力学条件的改善。通过水资源的合理配置以维持河流河道最小生态需水量。通过污水处理、控制污水排放、生态技术治污、提倡源头清洁生产、发展循环经济以改善河流水系的水质。提倡多目标水库生态调度，即在满足社会经济需求的基础上，模拟自然河流的丰枯变化的水文模式，以恢复下游的生境。
河流湖泊地貌学特征的改善包括：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。
生物物种的恢复包括：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。
2.3 河流生态修复的时空尺度
景观生态学中的所谓“尺度”（scale）是指在研究某一生态现象时所采用的空间和时间单位，同时又可以指某一生态现象或生态过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率。前者是从研究者的角度定义的单元，带有很强的主观性。而后者是自然现象的客观存在。人们认识客观世界的过程，应努力使主观认识与客观的自然现象相符合，尽可能使研究尺度与客观时空尺度相一致。
2.3.1时间尺度与空间尺度
河流生态系统的演进是一个动态过程，确定合理的时间尺度就是为正确反映系统的动态性。对河流产生重要影响的地貌和气候变化，其时间尺度往往在数千年到数百万年，因此如果要追溯河流的演进历史，其时间尺度起码要跨越数千年。靠人工适度干预的河流生态修复规划的时间尺度往往需要数十年，比如湿地的恢复和重建就需要15至20年。另外，同一种过程也会有不同的时间尺度，比如对于河流变化产生重要影响的土地利用方式改变的时间尺度就有多种：农业种植结构变化的尺度要几年、城市化进程要数十年、森林植被变化数百年，如此等等。总之，要基于不同的研究目标选择适当的时间尺度
2.3.2河流生态系统的空间尺度
设定河流生态系统空间尺度的目的是为了体现生态系统的整体性原则，不可能孤立地研究单一尺度的生态系统。生态系统的完整性包括生命支持系统的完整性和生物完整性。不同尺度的河流生态系统之间是相互作用的，生态系统的诸多功能比如物质运动（径流、泥沙、营养物质等）、能量运动（食物网）、生物迁徙等都是在不同尺度的生态系统之间进行的。这可以解释为某一尺度的生态系统的外部环境是一个尺度更大的生态系统。一方面，该系统的结构、功能是更大尺度系统的一部分（当然不可线性叠加），另一方面，该系统与较大尺度的系统存在着输入/输出关系。比如河流廊道尺度被流域尺度所环绕，在流域尺度发生的物质运动、能量运动、物种迁徙等，对于河流廊道来说是一种外部环境。同时物质、能量是在河流廊道与流域之间进行交换和相互作用，生物体也在二者间进行迁徙运动。
在景观生态学中用3种基本元素定义特定尺度下的空间结构，这3种基本元素是：基底（matrix）、斑块(patch)和廊道( corridor)。每一级尺度在其层次内都具有自身的空间格局。不同尺度对应的空间结构要素具有不同定义和不同的空间格局，因此需要考察尺度与空间结构元素之间的相关关系。
河流生态系统的空间尺度有多种划分，笔者认为可以大致划分为景观、流域、河流廊道和河段等4种。
(1) 景观
生态学把生物圈划分为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。这里所说的“景观”（landscape）是指第3层次上的尺度，可见景观是相当大的一种尺度。在实际应用时，可以定义为自然地理区域（region），也可以定义为特大型河流流域，如长江、黄河、珠江流域等，或者定义为跨流域的空间尺度。景观可以定义为土地覆盖（land cover）的陆地格局，这种覆盖包括两类：即自然覆盖（森林、灌丛、沼泽、荒漠等）和人工构筑物（城市、道路、村镇等），反映自然地域和人类活动地域。景观的空间结构中的基底，通常是占支配地位的自然植被群落（如草原型、森林型、湿地型、沙漠型等）或者是以耕地、牧场为主的生态系统。斑块有两类：具有自然属性的斑块包括森林、湖泊、湿地等，具有社会属性的斑块包括耕地、城市带、开发区、村庄等。廊道包括河流、峡谷、道路等。
(2) 流域
严格说，采用流域作为一种尺度不很确切，因为不同的流域尺度在几何意义上相距甚远。但是大小不同的流域却有类似的生态结构特征，所以流域尺度常被采用。在本文中，流域尺度主要指中小型河流流域和特大型河流的支流流域。
流域的自然地理、气候、地质和土地利用等要素决定着河流的径流、河道、基底类型、水沙特性等物理及水化学特征，这些因素对河流生态系统具有深远影响。在流域内进行着水文循环的动态过程，包括植被截留、积雪融化、地表产流、河道汇流、地表水与地下水交换、蒸散发等。河流生态系统的生态过程包括系统的结构、功能、景观异质性、斑块性、植被、生物量等因子与水文过程密切相关，生态过程所发生及涉及的范围，与水文过程的范围往往在流域尺度中重合。换言之，水文过程与生态过程在流域这种空间单元内实现一定程度的耦合。流域集水区的土壤水滋润着大部分陆生植被，无数溪流和支流成为陆生生物与水生生物汇集的纽带，从而形成完善的食物网。在流域尺度上，更关注水系、上中下游、河口三角洲、洪泛滩地、河床结构等这些空间基本元素。
(3) 河流廊道
河流廊道（river corridor）包括河道、两岸植物群落、洪泛滩区和支流等，也有学者建议按照某一频率下洪水的淹没范围划定河流廊道宽度。河流廊道具有很高的生态功能。一方面，河流廊道是河流生态系统的物质流、能量流、信息流的重要通道，又是连接流域的上中下游以及洪泛平原的纽带。另一方面，河流本身又是大量水生动植物、鸟类、水禽和无脊椎动物的栖息地，有其自身的空间结构元素组合。两岸森林和灌丛是河流廊道的主要基底。空间格局中的斑块包括自然部分如湿地、草灌、牛轭湖、江心岛等；人工部分包括居民区、开发区、游览休闲区等。
(4) 河段
可以理解河段(reach)是相对较小的栖息地与生物群落的组合，起关键作用的是河流地貌形态及其对应的水流流态。比如河流纵坡、蜿蜒性、河流断面材质和几何形状等所相应的流速、水深、脉动压力等水力学条件，由此产生不同的栖息地空间异质性。而生物群落多样性则与空间异质性条件具有正相关关系。所以河段的特征往往用急流、缓流、静水区等描述。结构元素中斑块包括深潭、浅滩、池塘、河滩水生植物区等。从河流利用角度，也常按照物理、化学、生物等属性划分河段，如水功能区、自然保护区等。
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。评估工作可能在流域或跨流域的尺度上进行。河流生态修复规划工作的尺度应该是流域。河流生态修复工程规划可以在河流廊道范围内进行。所谓“河流廊道”（Rivercorridor）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。
3 河流生态修复规划原则、设计方法和规划技术工具
3.1 规划原则
河流生态修复规划的指导思想是：以可持续发展理念为指导，评估河流的生态状况，确定河流开发与保护的适宜程度，提出改善河流生态系统结构与功能的工程措施和管理对策，促进人与自然和谐相处。河流生态修复规划的原则包括：河流修复与社会经济协调发展原则；社会经济效益与生态效益相结合原则；增强空间异质性的景观格局原则；流域尺度规划原则；生态系统自设计、自我恢复原则；提高水系联通性原则；负反馈调节设计原则；生态工程与资源环境管理相结合原则。
3.2 设计方法
3.2.1设计流程及方案选择
任何修复工程的设计首先应确定工程的目标，并按照生态修复工程评价准则进行整个工程建设过程及效果的评估。一旦明确了工程目标，也就确定了资料调查的内容与范围、分析和设计方法以及设计条件。通过资料分析，提出初步设计构想，明确所采用的方案。根据河道、岸坡、堤防和防洪墙等不同修复重点，采取不同方案，见表3-1、3-2、3-3。方案确定后进行初步设计、细部设计，并进行水力分析、安全分析、生态分析及经济分析等。设计流程如图3-2-1所示。
表3-1 修复河道环境特征的措施
修复工程的目的
可能采用的方案
控制河床和河岸侵蚀
恢复河流蜿蜒性，控制河道坡降，进行岸坡防护或河道衬砌（混凝土或块石），种植植被，建设植被缓冲带。
避免河床淤积
修建枯水和常规河道，拦截泥沙，恢复受干扰区域的植被，有选择性地清淤，建设植被缓冲带。
防止地下水位下降
修建水位控导工程，植树造林，发挥牛轭湖的功能。
维持枯水期水流深度和速度
修建枯水和常规河道，建设分洪道，建设深潭和浅滩，加强河流内栖息地结构，修建水位控导工程，拦截泥沙。
保护水质
单侧施工，建设植被缓冲带，建设分洪道，修建枯水和常规河道，采取导流措施排水后进行开挖，有选择性地疏浚清淤
保护水域栖息地
加强河流内栖息地结构，仅改变河道单侧的岸坡结构，恢复河流蜿蜒性，建设深潭和浅滩，改善河道底质，设置鱼道，修建水位控导工程，发挥牛轭湖功能，有选择性地疏浚清淤
避免减少河岸带植被
改变河道单侧的岸坡结构，植树造林，种植植被，恢复受干扰区域的植被，保护裁弯取直后形成的森林区
创建或维持坡地的多样性
河流廊道管理，种植植被，合理堆放疏浚和开挖的土料
创建湿地
植树造林，发挥牛轭湖功能，合理堆放疏浚和开挖的土料
提高或保护河流内区域的美学价值
恢复河流蜿蜒性，建设深槽和浅滩，改变河道单侧的岸坡结构，修建水位控导工程，建设水面景观，河岸应用特殊材料并进行修整
提高或保护河边区域的美学价值
仅改变河道单侧的岸坡结构，种植植被，对疏浚开挖土料堆积体进行修正以形成一定的造型，保护植被缓冲带，对混凝土结构进行修整，建设水面景观，有选择性地疏浚清淤
提高或保护河流内的娱乐价值
修建枯水和常规河道，修建水位控导工程，保持牛轭湖和弯道，
表3-2 修复河道岸坡环境特征的措施
修复工程的目的
可能采用的方案
维持或提高河岸带陆地环境的栖息地价值
应用加筋护坡结构，护脚措施，削坡后植被，种植树木和灌木等植物，进行河流廊道管理，修建隔离和缓冲带，浮水植物
为水底大型无脊椎动物提供稳定的底质
抛石或毛石，石笼，或其它特殊结构
提供或维持鱼类栖息地
植被保护，植被护坡，特殊结构，土质堤防
增加或维持审美资源
绿化，植被与其它结构措施的组合（复合护坡，开挖的台地，土质堤防以及抛石区再植被），建设隔离或缓冲带，进行河流廊道管理，有选择性地清障，建设土质堤防
为人类和野生动物提供亲水设施
复合护坡，近岸平台的建设和保护，削坡后再植被，河道重新布置，抛石区再植被，河流廊道管理
表3-3 修复堤防和防洪墙环境特征的措施
修复工程的目的
可能采用的方案
提供鱼类栖息地
对取土坑塘进行特殊设计，控水结构，取土坑内建鱼类庇护所。
保护或创建湿地
避免对湿地的破坏，堤防布置中保留或增加河漫滩区，尽量不砍伐植被，超标准设计排水沟，在取土坑塘内修建人工岛，植树
保护或创建坡地栖息地
避免对湿地的破坏，保护树木，尽量不砍伐植被，建设“超级堤防”，植树，通过插枝加速灌木生长，布置隔离网，有选择地进行植被维护和管理。
提供娱乐休闲场所
对取土坑塘进行特殊化设计，道路和小径，设置宣传栏、观察区等，舟船码头，钓鱼设施，游泳池，沙滩场
增加或维持审美资源
种植观赏植物，对取土坑塘和池塘进行特殊化设计，应用可拆装防洪墙，对防洪墙、泵站和其它建筑物进行建筑艺术处理。
3.2.2修复措施
一般来说，河流生态修复工程措施可以归纳为三类：水文恢复措施、地貌多样性修复措施及栖息地恢复措施。水文措施的实施主要是为了调节径流模式，如改变水库运行调度方案、调整河流取水方式、调水工程等。地貌多样性修复措施包括多项技术，其目的在于使河道具有一定的自然地貌特征，主要措施包括：河岸带廊道的修复；河流蜿蜒性特征的修复；河流断面多样化特征的修复；创建深潭-浅滩序列；河道内局部地貌特征的改善；生态型岸坡防护技术。栖息地措施包括在河床、河岸、河岸带上设置一些结构物，改善河流的生态功能，以及在河流内设置遮蔽物、开挖枯水河道、进行岸边带植被和改善河床底质等。
在确定利用某种修复措施后，应在理解其结构、功能及特征的基础上根据相关资料进行细部设计，比如，深潭-浅滩序列的修复和重建必须建立在对河道历史情况进行调查的基础上，并应根据河流地貌学分类，与同一流域内其它具有同类地貌特征的未受干扰河段进行类比分析。除此之外，也可以按照水力学和泥沙输移理论的一些经验公式确定相关特征参数。表3-4为深潭-浅滩序列结构、功能和特征的一些要点。
表3-4 深潭-浅滩序列的结构、功能和特征（National Rivers Authority (1994b)）
深潭
占到河流栖息地的50%以上；
断面流速不对称，即使在顺直河段也是如此；
河床底质为松散混合砂砾石；
在水深大于0.3m的所有流量条件下，比相关联的浅滩断面窄25%；
位于弯曲段的顶点；
在枯水流量条件下，与出露的砂砾石沙洲/边滩相关联；
对于水域内的大型植物和鱼类具有重要生态功能；
具有重要的休闲娱乐价值，如垂钓、划船等；
可能有周期性的泥沙淤积，特别是在上游有大量泥沙供给的情况下（如河岸侵蚀崩塌）。洪水过后和深潭调整以后，泥沙可能会被冲走。
浅滩
占到河流栖息地的30-40%；
局部较陡，河流纵剖面较浅，一般情况下，横断面基本对称；
在枯水流量条件下，水流湍急；
在各种流量条件下，比相关联的深槽断面宽25%；
位于两个弯曲段之间的过渡段，间距为3到10倍的河宽（河床越陡，间距越短）。
混合砂砾底质，具有一个密实的砾石面层。应在浅滩表面放置一些大块石，以打破低流速模式，形成湍流，营造多样性的栖息地环境；
洪水过后，可能会出现泥沙淤积问题，上游深槽会产生淘刷。过度淤积的泥沙将在后期的枯水流量条件下被冲刷至下游深槽；
与深槽相一致，一般位于河流的蜿蜒段。在顺直河段，可能会出现交替的浅滩；
浅滩高出河床的高度不应大于0.3~0.5 m，顶高程的连线坡度应与河道坡降一致；
为鲑鱼和多种无脊椎动物群落提供产卵栖息地。
通过过滤、曝气和生物膜作用，对水质具有净化作用。
3.2.3河道稳定分析
河道的稳定实质上是指河流处于相对不变的准平衡状态，或者是处于动平衡状态，稳定的河流也就具有较稳定的外貌特征，即河相。在设计步骤中的初步构想阶段，应对河道稳定状况进行分析，可采用指标法、河流分类方法或河道演变模型进行分析，以确定修复措施实施前的河道稳定状况及修复措施对河道稳定状况的影响。
（1） 指标法
可用以下几个指标判别：河床纵向稳定性指标；横向稳定指标；综合稳定指标。每个指标可采用相应的经验公式进行河道稳定性的判别，这方面的公式相对较多，所涉及的因素也不尽相同。
（2）河流分类法
河流分类法的用途是对河流和流域之间的复杂关系进行简化。可用于交流平台、前期规划的一部分，但不建议用于具体的评估、分析和设计。河流分类理论的优点包括：1）不同专业人士的交流平台；2）可将调查数据外推到同类型的其它河流；3）可帮助修复人员对河道尺寸、外形等参数变化范围进行预期，并帮助确定河床、岸坡材料的组成；4）帮助修复人员对河道的形成和占优势的河道过程进行说明，为修复设计奠定基础；5）可将分类的参考河段作为修复河段的稳定状态模板；6）可帮助进行对照分析，以确定宽深比、弯曲率等设计值是否在合理的范围内。缺点包括：1）平滩水位难以确定或不准确；2）没有反映河流的动态特征；3）河道响应不能通过分类系统单独判别；4）生物的健康状况不能通过分类系统得到体现；5）不能单独通过分类系统确定修复行为的类型、位置和目的。
在河流分类法中，Rosgen分类方法应用比较广泛，尤其在美国的河流生态修复工作中进行了推广应用，由于上述的种种缺点，其广受批评，但其也因易操作性而得到从业者的关注。目前Rosgen分类方法被美国森林、土地管理等机构所广泛采用，特别是在河流规划设计中具有重要作用。它主要针对具体河型和状态建立水流条件与泥沙的关系，把某一河段的数据外插到具有类似特征的河段，如水流阻力分析，水力几何关系，临界剪应力估算，泥沙冲淤变化等。这些方法有助于设计人员从河流的外在表征预测它的性态，如河流类型的演变，鱼类栖息地质量评价等。此外还有助于不同专业的技术人员就一些问题进行交流。Rosgen河流分类法是几个不同分类方法的综合，它综合了河流地貌特征与其它河流特征，所涉及的一些主要特征参数包括宽窄率（entrenchmentratio），宽深比（Width/Depth Ratio），汊道数（Number of Channels），蜿蜒度（sinuosity），河道坡降（slope）和河床材料（bed material）。这些数据是具体河段的测量结果，而不是整个河流不同河段的均值。Rosgen分类方法从1973年开始研究，并于1985年形成目前分类方法的雏形。它分为四个层次，即主要地貌特征、地貌描述（河流类型）、河流状态和验证。图3-2-2为Rosgen分类体系概述框架。
（3）河道演变模型
河道演变模型是通过考虑河道演变过程来确定河道目前所处的河道演变阶段，从而判断河道稳定性状况，其中Simon模型应用广泛。
SIMON河道演变模型的优点在于：1）河床演变趋势预测；比如，如果河段位于第四阶段，则其上游河段河段不稳定，下游河段比较稳定。如果河段发生第三阶段的下切侵蚀，则溯源侵蚀将向上游发展。2）可以帮助对河流生态修复措施的实施进行排序，比如，如果河段处于第三阶段早期，可采取级配控制措施防止此河段及以上河段发生进一步刷深现象。处于第五或第六阶段的河段比处于第三或第四阶段的河段更容易进行生态修复。3）对于处于不同阶段的河段采取不同的修复措施。处于第三阶段，则主要采用级配控制减小下切侵蚀，处于第四或第五阶段，则主要采取岸坡防护措施解决侧向侵蚀问题，处于第一或第六阶段，主要是进行维护。4）利用处于第一或第六阶段的河段作为模板，从而确定生态修复的目标，并利用其作为修复模型。SIMON模型的缺点在于：1）没有考虑到基准面高度和流域产水产沙的将来变化情况。2）河流在同一时间进行的多维调整难以预测。图3-2-3为SIMON河道演变模型的示意图。
图3-2-2 Rosgen分类体系概述框架（Rosgen，1996）
(* 蜿蜒带宽度与平滩流量下水面宽度的比值)
3.3 规划技术工具
3.3.1 GIS、RS及GPS技术
地理信息系统（GIS）、遥感（RS）及全球定位系统（GPS）三者相结合，即所谓“3S技术”。对于生态规划、生态监测、环境信息管理和景观格局动态评估等，3S技术都是十分有效的技术工具。
地理信息系统、遥感和全球定位系统本来是相互独立发展起来的技术体系，它们是在应用领域拓展和自身技术的发展的基础上，促使了三者的密切结合。特别是在各种相关应用领域，需求质量要求不断提高，即由定性到定量，由静态到动态，由现状分析到未来预测，更进一步促使三者的结合从初级到高级阶段发展。最早的结合工作是航空遥感照片用目视判读，然后处理后编制成专业地图，然后进行数字化并输入到地理信息系统。随着影像分析系统的发展，大量遥感数据以及各种图象分析系统所形成的各类专业信息可以直接输入GIS。
在3S技术的技术整合中，遥感作为一种获取和更新空间数据的有力工具，成为GIS的主要信息源。全球定位系统（GPS）可以快速、廉价地获得地表特征的位置信息，成为GIS精确定位的控制系统。在遥感和GPS的支持下，GIS作为空间数据处理、操作和分析的有力工具，可以对于环境空间数据的进行采集、管理和分析，用于环境管理、监测以及环境预测等诸多方面。
在河流生态修复规划编制的各个阶段，即河流生态状况调查分析、规划生态修复对策和预测规划效果、规划实施后生态监测等三方面，在遥感与GPS支持下的GIS系统（以下仅称GIS）都是极有用的技术工具。主要体现在以下几个方面：
图3-2-3SIMON河道演变模型的示意图（FISRWG，2001）
（1）在河流生态现状与历史调查分析方面，利用GIS将零散的数据和图象资料，无论是文字、表格和数字还是图形、图象等各种形式的信息加以综合并存储在一起。这些资料包括自然方面的数据资料诸如河流水系、水文、水质、气象、土壤、植被、标志性物种等和社会经济方面的数据资料诸如经济社会状况、市镇、人口分布、土地利用方式、水资源利用和水利工程设施等。GIS具有空间数据更新的功能，进行长期的信息积累，这就为河流环境管理工作提供了一个强大的数据库。
（2）将各类地图（空间位置信息）与相关的文字、数字信息（非位置信息）通过计算机高效、有机地融合在一起。规划人员可以在GIS系统支持下提取系统的不同侧面、不同层次的空间和时间特征，对于河流生态系统状况的历史、现状进行分析，识别生态胁迫的主要因子，掌握河流生态系统演变趋势，进一步分析河流生态系统退化的背景和原因。具体任务可以是：分析空间景观格局及其变化；确定不同生境和生物学特征在空间上的相关性；确定缀块大小、形状、毗邻性和连接度；分析景观中能量、物质和生物流的方向和通量。
（3）以GIS系统为技术平台编制河流生态修复规划。具体方法可以将各类专题地图诸如水系、水文、气候、水利工程设施、标志性物种地图、植被地图、地貌、河流生态修复工程等按照不同图层制作，也可以叠加在一起显示。这样就可以把河流修复项目与自然状况和现有各种工程设施进行综合规划。特别是生态修复涉及水利、环境、林业、城建等多个部门，相关信息分属各个部门管理，在这种情况下，需要一种信息共享的技术工具，才能协调关系，避免规划中出现矛盾和技术失误。图2表示了一个利用GIS系统将标志性物种地图、植被地图、水利工程设施分布、地貌、河流生态修复规划等专题地图分层制作，然后进行整合而形成河流生态环境总图。另外，还可以利用GIS系统进行河流生态修复各种方案比较。GIS系统利用分形几何原理描述地图中水系、河网以及河汊、沟叉等多层嵌套的自相似结构具有明显优势。此外，GIS系统具有色彩鲜明、形象等可视化的功能，可以直观地为规划的管理和决策服务。
3.3.2景观格局－生态过程模型
生态过程是一种在大尺度空间内发生的复杂的演进过程，表现为较为隐含的形式，包括物种多样性、种群动态及动物行为等。如果在较小尺度的河段或区域内，仅仅靠地面调查、测量工作，难以掌握流域尺度的生态系统演进规律。因此需要流域尺度的景观格局信息，然后通过建立景观格局与生态过程的数学模型，进一步识别和分析生态过程，为河流生态系统状况评估和预测服务。之所以重视景观格局问题，就是试图通过对于景观格局的识别来分析生态过程。现代科技的发展特别是3S技术的应用，使得人们可以通过遥感等技术获得大尺度的生态空间信息，对这些信息数字化以后，通过景观格局与生态过程之间的数学模型，进而识别河流生态系统的生态过程并进行评价。另外，也可以利用这种模型进行河流生态修复规划，通过适度改变景观格局某些因子，通过演算，模拟河流生态过程的变化，取得优化的规划方案。
景观格局与生态过程之间的关系是十分复杂的，往往是非线性的、复杂的、耦合与反馈关系。建立格局－过程模型是景观生态学的重要研究领域。景观格局涉及系统的生物、生境诸多因子，建立数学模型不可能包括全部因子，只能选择对于生态过程具有重要影响的关键因子以及对于人类社会影响巨大的部分因子。一个合理的模型为处理浩繁的生态空间数据提出一种合理的模型结构和方法，在此基础上，进一步建立空间异质性与生态系统结构与功能之间的关系。
依据不同的标准对于景观格局－生态过程模型有不同的分类（Goodchild and Steyaert，1996）。如果按照模型涉及的内容分类，可以区分为干扰传播模型、复合种群模型、植被动态模型、土地利用模型等。按照数学方法分类，可以分为解析模型和数值分析模型。传统的解析模型，大多为线性模型，尽管具有精确解，但是仅有少数几个变量，难以模拟生态系统的复杂过程，所以有很大的局限性。景观模型的发展趋势是利用信息技术和计算机技术模拟复杂生态演进过程，处理大量数据并且演算求解，即采用数值分析模型。求解过程中对于现实的生态空间信息的数学处理方法，可以采用连续型模型，也可以采取离散型模型。一般认为，离散型模型在处理数学的场问题方面更具优势，比如位移场、流场、污染场等。离散型模型是把连续问题离散化，即划分为若干细小单元，在地理信息系统中称为“栅格”，每个栅格都包含有若干生态信息（水文、气象、土壤、植被类型、生物量、种群密度、养分含量等），每个栅格又具有精确的空间定位，成为所谓空间生态数据。由全部栅格组成了对象流域或区域的栅格网。这种栅格网可以反映生态系统的空间异质性，也可以反映各个栅格之间的相互耦合及反馈关系。有了这种离散型的数据结构，通过建立基本方程，进而可以模拟生态系统的结构与功能的动态演进过程。所谓离散型模型都存在着场问题的离散－整合的过程，最终求得全局的解。求解基本方程可以采用微分方程、差分方程的数值解法。与GIS相对应，空间景观模型，按照处理空间信息的方式可以分为栅格型景观模型（grid-basedlandscape modle）和矢量型景观模型（vector-basedlandscape modle）(Burrough andMcDonnell，1998) 。
4 河流结构功能整体模型
河流结构功能整体模型抽象概括了河流生态系统结构与功能的主要特征，既包括河流生态系统各个组分之间以及与环境之间相互联系、相互作用、相互制约的结构关系，也包括与结构关系相对应的生物生产、物质循环、信息流动等生态系统功能特征。所谓“整体模型”(Integrated model) 意在发展和整合业已存在的若干模型，建立河流流态、水文情势和地貌景观这3大类生境因子与河流生态系统的结构功能相关关系，以期涵盖河流生态系统的主要特征。河流生态系统结构功能整体模型由以下3种模型构成：河流流态－生态结构功能4维连续体模型；水文情势－河流生态过程耦合模型；地貌景观空间异质性－生物群落多样性耦合模型。构建河流生态系统结构功能整体模型的目的，一是探索河流生态系统的自然规律，二是提供流域可持续管理等实践活动的科学基础。
所谓“河流流态－生态结构功能4维连续体模型”是基于对河流生态系统结构功能特征的认识。这个模型强调了生物群落与河流流态的依存关系，描述了河流流态沿河流3维方向存在着连续性，由此产生了生物群落沿河流3维连续分布特征以及生态系统结构功能的3维连续性特征。河流流态－生态结构功能4维连续体模型是由以下四种连续性概念组成的：河流流态的3维连续性；生物群落结构3维连续性；物质流、能量流和信息流的3维连续性；河流生态系统结构和功能的动态性。
在河流廊道尺度上讨论的“水文情势”（hydrological regime）的内涵，既包括流量、水量，也包括水文过程。水文情势是河流生物群落重要的生境条件之一，特定的河流生物群落的生物过程与特定的水文情势具有明显的一致性，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，反之，生物过程对水文循环要素也产生重要的影响，包括涵养水份、局地气候等，二者形成了一种耦合关系。由于人类社会对水资源的需求增加，社会经济需求与生态需求的矛盾日趋尖锐，导致对河流径流人工控制的加强，改变了河流自然径流条件。为防止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，因此环境流量(environmentalflow)和河道内流量（instream flow）等概念应运而生。另一方面，水文过程特别是年内水文情势的丰枯变化以及洪水脉冲作用，对于河流生物过程产生了重大影响。因人工径流调节引起水文情势的变化，不可避免地引起生物过程的变化。水文情势－河流生态过程耦合模型包括两个概念：环境流量概念和洪水脉冲概念。
景观格局（landscapepattern）指空间结构特征包括景观组成的多样性和空间配置。空间异质性（spatial heterogeneity）是指系统特征在空间分布上的复杂性和变异性。在景观生态学中景观格局是用缀块、廊道和基底的组合描述的。广义的景观格局包括生境格局和生物格局。河流生态系统生境格局因子包括水文、气象、地貌等。大量资料表明，生物群落多样性与非生物环境的空间异质性存在着正相关关系，这种关系反映了生命系统与非生命系统之间的依存与耦合关系。实际上，一个区域的生境空间异质性越高，就意味着创造了多样的小生境，允许更多的物种共存。对于河流结构功能整体模型，有以下几点需要明确：
（1）河流生态系统结构功能整体模型是对现存的相关模型的发展和整合，主要表现在以下几点：一是明确河流流态、水文情势和地貌景观是河流生境的三大要素，并且强调了三者对于河流生态系统结构功能作用的综合性和整体性；二是突出生态系统结构功能的重要地位；三是克服原有模型以自然河流为对象的局限性，综合考虑了人类经济活动和工程设施的干扰因素。
（2）河流流态、水文情势和地貌景观三者相互作用，互为因果。1）河流地貌景观既是生物栖息地条件也是河流水力学过程的约束条件。2）河流的动力学作用，包括泥沙输移、淤积以及侵蚀作用，改变着河流地貌景观。 3）水文情势的年周期变化，一方面使河流流态出现时间异质性特征，另一方面也使河流地貌景观呈现淹没－干燥，动水－静水的空间异质性特征。总之，三类因子是相互关联的，不可割裂。三类生境因子引起的生态响也是综合的，不可进行线性迭加。正因为如此，在进行生态评估、分析和规划时，三种模型应该作为一个整体综合应用。除了这三类生境因子以外，对河流生态系统的重要干扰因子还有因环境污染引起的水质变化以及生物入侵，这些属于系统外部影响因素。
（3）河流生态系统结构功能模型属于概念性模型，进一步的研究工作似聚焦于模型的定量化或半定量化方面。生态水力学、生态水文学和景观格局分析等可能作为技术工具对于模型的完善和发展发挥作用。
（4）对河流生态系统结构功能的理解是流域可持续管理的基础。图4-1 表示了整体模型在河流生态修复方面的应用。在我国当前有关水电梯级开发布局生态影响论证，河流生态修复规划评估以及水库生态调度等方面，河流生态系统结构功能整体模型都将具有广阔的应用前景。
5 示范工程
5.1 浙江省海宁市河道生态整治示范
5.1.1概况
辛江塘河道位于浙江省海宁市，河道全长22.5 km，是海宁市“六横九纵”河道网络框架中西引东泄的主干河道，亦是横贯东西的一条水上运输通道。辛江塘常水位时水面宽27.0 m，河道总宽度42.5m。
辛江塘河道为平原河网水系，平时水流流速较缓，平均流速0.3 m/s，且河道通航功能在逐渐消退。因此，辛江塘河道岸坡侵蚀主要原因是水位变动区以上部分雨水冲刷引起表层土流失和水位变动区处波浪淘刷造成边坡坍塌。据初步统计，河道淤积中约60%为边坡崩塌，约30%为表层土流失、约10%为动植物腐烂物。
在辛江塘的河道治理规划设计，遵循了以下几个要点：
（1）自然平面形态
在辛江塘建设中，本着尊重历史、尊重自然的原则，基本保持现有河道平面形态。拆除阻水建筑物，以满足河道排涝泄洪过水和抗旱引水要求。河道宜弯则弯，宜宽则宽，并增设河滩和岸边湿地等。
（2）断面多样性
在满足河道功能的前提下，尽可能保持辛江塘天然断面，在保持天然河道断面有困难时，按复式断面、梯形断面、矩形断面的顺序选择。辛江塘大部分河段可用天然河道断面，在通过主要集镇时采用梯形、矩形断面。原有老护岸通过顶部种植植物进行覆盖，为水域提供遮荫，调节河流局部水温。
（3）水域栖息地多样性
在治理规划中，保留了一些河边静水区和湿地，营造多样性水域栖息地环境，使之具有不同的水深、流场和流速，适于不同生物发育和生长需求，如图5-1-1所示。
（4）岸坡防护
通过引入植被，应用生态工程技术措施进行岸坡
侵蚀防护是辛江塘河道整治的中心环节之一。河岸带植被虽对行洪具有一定影响，但它有很多其它功能，这些功能源自于发生在河岸带生态系统内的环境过程。如正常发育的河岸带植被对河道岸坡有一定的加固作用，可以提供遮荫从而降低河流水温，在营养物质循环和水质改善方面也具有重大作用，为野生动物提供多种栖息地环境，并可以增加河道两岸的美学价值。
5.1.2生态修复效果
生态修复效果主要体现在以下几个方面：
（1）提高抗洪、护堤能力，缓解边坡水土流失
1）流水处（常水位以下）利用芦苇、野茭白、香蒲、千屈菜、水葱等水生植物，以其柔韧的枝叶，缓冲水流，减缓船行波的冲刷。
2）浅水处（常水位）利用水杉、池杉、落羽杉、水紫树等耐水性好、短期耐淹植物，通过其生长舒展的发达根系，固土护坡，防止河道两岸土方的坍塌；
3）岸坡上（常水位以上）利用乔、大灌、低矮灌木以及野生地被植物组成的复式植物群落，减弱雨水对堤防的冲刷，减少表层土的流失，同时，稳固从堤顶冲刷下来的外来土壤。
（2）水质得到改善，水生动物生长良好
1）河道整治之前，未发现鱼类等水生动物，采取生态修复治理后，出现鱼类生长繁殖。
2）该河道沿线水产养殖户以往的养殖水，从河里取水之后，需要通过过滤、净化处理，现在直接从河中取用作为养殖水。
工程治理后的监测结果说明，辛江塘水质大为改善，水葫芦减少。青蛙、鱼类等水生动物数量明显丰富。野兔、鸟类等进出频繁，河道边的林带更是成了诸多白鹭的栖息地。另外，水生植物基本沿河道两侧均衡生长，灌木、树根等降低了暴雨对土层的冲蚀，野草对坡面流水也有过滤作用，提高了排入河道内水的质量，辛江塘整治2年后的岸坡植被状况如图5-1-2所示。
通过对历史治河成果的观察、分析及比较，只进行清淤措施的河道的使用周期大约为10~20年，而清淤与利用生态工程技术进行岸坡防护相结合，能有效稳定河道形态，其生命周期预计约为35~40年，延长近一倍。而且，今后的治理工作重点是清淤，从而可以节约工程投资，使河道的治理走上一条良性循环之路。从辛江塘建设的一次性投入来看，节省投资效益明显。在三个相当规模（麻泾港、绵长港、辛江塘）的工程中，传统景观河道的两个项目工程投资分别是104.46万元/公里和163.51万元/公里，而按照生态修复理念建设的河道工程投资为81.21万元/公里。对于辛江塘整治工程，如按原传统模式，河道整治费用将超过7000万元，而采用目前整治方案后，费用仅为4300万元。由此可见，生态河道建设节约投资的优势相当明显。
5.2 重庆市苦溪河生态治理
5.2.1概况
重庆市苦溪河生态治理工程的总体定位为人水和谐，生态健康。目标是运用生态水工学的相关理念，通过合理的规划设计，在防洪保安的前提下恢复河流生态系统的结构与功能，提高河流生境及生物群落的多样性，确保流域内完善的水循环系统，建设一条生态健康的河流。同时，河流景观设计应注意保留河流天然的美学价值，更多地从建设一个健全的生态系统着眼，营造一个取悦于生物群落的环境。
生物群落与生境的统一性是生态系统的基本特征，在流域生态系统的各种生境因素中，河流形态多样性是流域生态系统最重要的生态因子之一。在苦溪河生态治理工程中，通过各种增加河流形态多样性的措施来改善河流生境多样性，从而进一步改善河流生物群落的多样性状况。在河道纵向形态方面，遵循河流的自然地貌特征，尽力保持河流的自然蜿蜒形态，并避免传统的直线化设计，通过一系列工程措施提高河流的空间异质性。在河道断面的选择上，采用多样化的复合式河道断面形式。在护岸设计方面，尽量采用有利于植物生长的多孔、透水的护岸材料。在景观美学方面，充分保留原有的湍流瀑布等自然景观，并修缮保留现存古桥，构筑具有亲水理念的景观河道，为市民提供良好的亲水休闲空间和优美的人居环境。
5.2.2工程治理效果
苦溪河生态修复工程治理完成后，保证了河道行洪能力，并且提高了河道抗冲刷及侵蚀能力。岸线布置遵循了自然地貌特征（图5-2-1a），河流生态系统的生产能力有所改善，岸坡、河床结构及材料内有大量动植物及微生物生存，岸滩植物群落呈现良好的生物多样性特征（图5-2-1b），水面及植物有水生生物产卵现象。河流断面具有多样化特征（图5-2-1c），并采用了多种护岸型式（图5-2-1d）。河流生态系统在恢复与重建过程中，植物组分个体的生长发育良好，覆盖率达到95%以上，种群数量丰富。用树干为生物创建多样化的栖息地环境（图5-2-1e）。通过生态修复工程，河道水质有明显提高，人们在河流中进行垂钓（图5-2-1f），并建设了优美的岸边绿化带供人们休闲（图5-2-1g），通过河流内的栈道提高了苦溪河的亲水性（图5-2-1h），景观多样性明显提高，并挖掘了水文化内涵。
（a）岸线布置遵循自然地貌特征
（b）河道岸滩呈现良好的生物多样性
（c）多样化的复合断面
（d）多种型式的护岸
（e）用树干为生物创建多样化的栖息地环境
（f）人们在河边垂钓
（g）供人们休闲的岸边绿化带
（h）河流中的栈道提高了亲水性
图5-2-1苦溪河生态修复工程完成后的现场情况
6 结语
上面主要对河流生态修复规划与设计方面的问题进行了粗略阐述，但以下几个方面的问题需要引起注意：
首先，要强调的一个观点是：重视河流保护的阶段性，具体就是“先治污，后生态”。西方国家从20世纪60—70年代开始高强度治污，等到污染基本得到控制以后，到80年代开始河流生态修复试点。河流保护工作的阶段不可能跨越。我国的现状是水环境还在继续恶化，全国范围的主要任务是治污。现在，如果我们对于重污染的水体采用人工湿地等生物措施治理肯定会劳而无功，至于开展河流生态修复更是空中楼阁。当然，在河流生态修复方面我们现在也可以有所作为，比如可以选择具备基本条件(包括环境状况、资金等)的中小流域开展前瞻性的试点，为大范围推广摸索经验。
其次，在水生态系统保护与修复工作中，我们要注意空间和时间尺度问题。不管是河流还是湖泊，在某一具体河段或湖泊的某一个局部的治理是解决不了问题的，一定要在流域的尺度上规划，进行通盘考虑，还要与流域水资源的优化配置、环境治理以及防洪、供水、发电等通盘考虑。从时间尺度上看，期望短时间见成效是一个误区，一个完善的水生态系统需要几年、十几年的时间才可能形成，急功近利不行。
最后，需要注重监测和评估工作。迄今水利系统的河湖水生态方面的资料非常欠缺。日本的做法很值得我们借鉴。日本国土交通省河川局的任务从防洪、供水到上世纪90年代转向河流生态修复工作，起步的第一项工作是开展全日本的河流生物普查，逐条河流开展，摸清了家底，才知道保护生物多样性需要保护什么。这是一项基础性的工作，是制定河流生态修复规划的基础，也是进行河流健康评估的基础。
参考文献
[1]ASCE River Restoration Subcommittee on Urban StreamRestoration，2003. Urban stream Restoration，Journal of HydraulicEngineering ASCE, pp 491-493
[2]董哲仁，孙东亚，等．生态水利工程原理与技术 [M]．北京：中国水利水电出版社, 2007
[3]Federal Interagency Stream Restoration Working Group.2001. Stream Corridor Restoration: Principles, Processes, and Practices. NISRWorking Group, Part 653 of National Engineering Handbook. USDA-NaturalResources Conservation Service, Washington, DC.
[4]孙东坡，李国庆等．治河及泥沙工程[M]．郑州：黄河水利出版社，1999
[5]董哲仁．探索生态水工学[M]北京：中国水利水电出版社，2007
来源丨禹冰水务
