河流生物多样性和生态环境保护面临的新挑战

［澳大利亚］ A.H.阿辛顿等

1 概述

湖泊、湿地和河流的淡水，支持着地球上多种生命形式的生态系统，而这些多样性的生物，与水体自身一起，构成了人类社会至关重要的产品和人类赖以生存的自然环境条件。清洁淡水，对世界上的每个人来说都是必不可少的。在发达国家，淡水生态系统理所当然是配给用户的水源，但它是经过处理后再配送给用户的。而在发展中国家，数以亿计的人们却一直是直接从水生态系统取水，在用水的时候才进行处理而得到饮用和生活用水。还有数目惊人的居民使用着未经处理的污染水。

生物地球化学过程和多样性的水生生物物种，对淡水的量与质有着不断调整的作用，但这一点还没有被人类充分认识和了解，不过世界淡水资源呈普遍减少的趋势却可作为充分的例证。淡水生态系统是支撑全球食物生产的基础，如作坊式的和商业性的渔业、养殖业、泛洪区回归农业(regression agriculture)和畜牧业等。由沿岸和湿地植物生产出来的纤维和生物化工产品，对全人类至关重要，但这些生态产品和人类赖以生存的自然环境条件却渐渐遭到河岸及其流域内人类频繁活动的威胁。

具体来说，其威胁主要有:淡水过度开采、水污染、植被破坏、生物栖息地的破坏或生境恶化、外来物种的入侵等，且这种威胁还在日益加剧，这不仅与河道流量的变化和湿地淹没的形态密切相关，而且土地利用的改变、河道蓄水、地表和地下水抽取以及跨流域调水等等，都极大地改变了河流的自然流态。从全球来看，人为改变河道自然流量的情况相当普遍，全球15 m高以上的水坝拦蓄的水量，约占全球大大小小河流年径流总量的15%。此外，江河数量有增无减，江河的水也就不再永久性地(或部分季节)流归大海。

在全球水文系统中，淡水量的重大变化反映在众多地区的各个方面，其中人口增长、工业发展、缺水，以及与气候变化有关的降雨类型或径流形态的变化是主因。现行的水管理策略可能不再适应不可预料的水流流态和人口更为密集的世界。

人类对淡水的需求，以及对生态产品的需求和健康淡水生态系统的服务，不仅是水管理者，也是科学工作者所面临的一大挑战。科学工作者需要开发有助于生态可持续的水管理的工具和模型，从而在复杂的、动态的、变化的社会和政治环境中平衡人类和生态对淡水的需求。

将淡水管理纳入到更广范围的生态可持续的一个最佳策略是，提供河流的“环境流量”，或恢复开发的江河，以实现其生态和社会价值。其他术语，如“生态基流量”、“生态流量”、“环境水量分配”、“规范的流态”等，都基本上是相同的概念，不过“环境流量”一词目前更广为通用一些。2007年9月在澳大利亚布里斯班举行的国际环境流量会议上，参会代表们也都认可这一术语及其含义，所以在今后的运用中推荐使用术语“环境流量”。

“环境流量”描述了维持淡水和河口生态系统以及人类依赖于这些生态系统生计和生活所需的水量、水质和水流的适时性，是备受人们关注和广泛遵从的环境流量管理方面的一个重要标志。首先，水质(即其化学和热学特性)是与水量和水流的适时性同等重要的。2007年发布的“布里斯班宣言”也强调了河流和河口的连续性及其对淡水的相互依存性，阐明了环境流量、河流和河口生态系统与人类依赖于这些生态系统生计和生活的直接联系。很多淡水系统(地下水、湿地和湖泊)实际上很大程度都依赖于静水而不是动水，但环境流量概念和方法的科学进展往往都将重点放在河流的需水量上。

目前公认的是，需要有动态变化的水流流态来维护各条河流和湿地生态系统的本土生物多样性和生态过程特征。然而，将源头到河口的整个“天然流态”转变为单个河段所需的定量的环境流量仍为一挑战。因为流量、洪水频率、适时性与历时、历史流量和近期流量过程等河流的天然特性，都具有不同规模和种种生态作用，因此，环境流量的研究，一定要有准确的、与生物多样性和生态过程相联系的流量和流态的实用工具、方法、方案和模型的支持。目前至少有200种环境流量运用的方法，每种方法都致力于将物种、或生态系统所在地或河流需水量量化，但这是远远不够的，当务之急是需要详细了解和研究流量与生态反应之间的关系，增强其模拟能力，以支持河道流量的管理和生态系统的保护。

本文阐明了需要评估环境流量的两个主要方面，即河流恢复和河流保护。首先，评价因以往流量调节所引起生态破坏需采取的河流恢复和局部恢复措施，而这些措施往往与其他策略，如过鱼设施、改善生态栖息地和沿岸植被、提供环境流量等相联系。具体目标是，通过修复一些原天然流态的明显特征，恢复一些重要河流中的生物多样性、生态过程和生态服务。其次，采取更为主动的方法来保护河流，其方法是，对维持特殊生态和社会价值的流量及其适时性进行定性和定量，并将新建基础设施的规划、流域的水资源规划和评估作为工作的起点。对上述两点，关键是要准确地推算出生态产物和产出的社会或经济效益(可能由环境流量引起)，而且要以有效方式定期进行，不能靠长期研究来寻求答案。建议制定一项全球性的关于水电开发与生态保护的关系和生态阈值点的研究计划，以支持受到威胁和影响的河流的环境流量的实施，从而帮助实现《千年生态系统评估》中有关淡水的目标。

以下将介绍河流恢复和保护方面的主要成果。

2 河流恢复

在全球经济发达的地区，由于过量用水和河流流态的变化，许多最初由河流生态系统提供的产品和自然环境条件已经丧失或削弱。其最大的需求(除政治需求外)莫过于采用恢复更接近天然流态的方法和模型。

2004年，澳大利亚制定了一项河流恢复的重大计划，旨在恢复受水库大幅调节的墨累河流量，使河流回复到“健康河流”状态。为此，计划在5 a的时间内将多年平均流量恢复到5亿m3，期望环境流量能沿河和在河道本身6个标志性的湿地达到拟定的目标。水文和生态模拟、试验性泄水和证实性研究，是研究恢复湿地所需流量、水流适时性、洪水频率和水质的基础。金等学者于2010年做了一项研究，其成果描述了墨累河上继澳大利亚史上最大的环境流量(5.13亿m3)泄放之后本土鱼类恢复的正面情况。澳大利亚拉姆萨尔(Ramsar)湿地，孕育着受日本－澳大利亚候鸟协议(JAMBA)和中国－澳大利亚候鸟协议(CAMBA)保护的多样性生物种群，包括本土鱼类、蛙类和水禽。金等学者总结的经验教训和预防性措施(2010年)，无疑为墨累－达令河的其他湿地管理奠定了很好的基础，因为这些湿地肯定会根据墨累－达令流域2011年新的环境流量规划制定出未来的环境流量。

河流恢复的另一个例子是欧盟水框架指令，这是一个水资源综合管理和生态保护系统的开创性策略，旨在2015年前使欧洲大多数河流、湖泊和湿地达到“良好的生态状态”。在英国，环境流量的实施是恢复或维持河流生态系统健康的措施之一。虽然环境流量方法(例如搭积木法)作为一个目标得到了持续应用，但还没有显现出欧盟成员国努力的成果。学者埃克曼和弗格森于2010年描述了欧盟水框架指令所面临的挑战和需要跨越这样广的地理范围规定环境流量所呈现的困难。但有以下两种保证环境流量的切实可行的办法:①限制抽水量，维持健康的河流生态系统(即限制性管理);②规定生态上合适的水库泄水量。

在欧洲和许多其他国家，受水电站影响的河流在水管理上都面临着特殊的挑战。这是因为水坝和发电所需的泄水道从根本上改变了河流特性及其生态系统，给有益于水生态系统的流态调整留下的空间极小。在受水库调节的河段，最大的挑战是，发电损失不大而对生态又有积极且明显的效果。在瑞典的北部和中部，预计21世纪的气候变化，将导致年径流量增大和年径流过程的改变，而电力需求的变化格局(即春汛期间减小径流量，冬季增大径流量)与这种改变更是息息相关。专家们认为，水文过程如果是气候因素引起的变化，实则是大坝电站运行时更有益于河流生态系统的一个良好机遇。

在河流恢复的研究中，通常的做法是，对水库管理的几个方案进行探索性研究和模拟。模拟采用的方法是栖息地水力特性法，其模拟范围及其效果与其他方法有着明显的不同(例如，用物理栖息地模拟和相关软件程序)。在美国西部的亚利桑那州干旱地区，有一条威廉河，在其环境流量恢复计划中，其所用的模型，将水库调度、地表和地下水相互作用、河流水力学的模拟模型与预测河岸带幼苗生长状况的生态系统功能模型结合在一起，是模型开发和应用的一个典型实例。

环境流量有一个指导性的原则，即以决定河流和河滩生物多样性和生态系统生命力的水文情势及水流流态为主变量。然而正如人们所熟知的，水流流态不只是河流生态系结构与功能的主导者，也不是环境流量只需考虑的唯一方面。温度也可以说是一大因素，它通过生物代谢这一重要但又与众不同的途径而起着重要作用。奈曼等学者于2010年要求有关机构对流态变化和水温在河流生态系统形成的生态形式和过程中所起的相对作用作出一个清楚的解释。此外，人类活动也改变了河流的热动态变化，特别是有不同温层的人工水库，即下层滞水层(冷水)或水面温水层(温水)的水库，泄水时，都会发生热动态变化，这对整个本土生物体系都是不利的。本文探讨了天然热动态的概念，确定了将水温纳入环境流量评估的几大问题，包括确定热动态的可管理性，开发和优化管理上利弊分析的模型，以确定一系列能满足生态系统和人类对淡水需求的最佳环境流量。

另外，人们还采用了一种前后对比来确定影响因素的研究方法，可认为是一般性地检测河系利弊影响因素的最佳手段，但由于缺乏类似的基准或参考条件，用它来评价环境流量的作用似乎还不太可能，而且设定的环境流量在时空上是典型地分布不均，往往难以甚至不可能确定提供环境流量之前和之后的时间间隔点。再则，流量增加可能是连续不断的，不是一成不变的，而且其自然过程的途径很可能是在试验河道中。这些问题再加上环境流量试验中考虑不周的影响因素和相互干扰问题，如果一并发生，情况就更复杂了。

为此，斯图尔森和科斯特等学者于2010年提出了另一个方案，即贝叶斯实用型分级法，用此方法可进一步探究流量(包括环境管理流量)与河流生物物理学效应之间的重要内在联系。这种分级法的独道之处在于，即使数据贫乏，也能使试验的结论大为完善，而在数据充足时，也不至对试验结果产生影响。

还要说明的是，贝叶斯模型在使用上相当灵活，能接近实际模型，可为任何来源的数据(如河流健康的常规监测数据或特殊的流量测验等)进行一般性的试验和模拟。在认知度提高、有了新的知识增长点时，该模型可升级，而且在后续的往复式研究和试验中，数据仍然有用。虽然有这些显而易见的优点，但环境流量监控计划往往需要大量的财政投资，这就需要管理机构看好对环境流量的投入，因为这种生态监测成本低、效果好，其意义非同小可。

3 河流保护

从发展中国家的一般情况看，它们需要用其水资源来创造常规的社会和经济效益，同时还得应对巨大的国际压力(例如，世界大坝委员会，布里斯班宣言等)，因此在进行用水决策之前，得通盘考虑整个环境与社会代价。但这种考虑不是简单易行的，需要通过某种方法做出一系列的环境流量方案，且每个方案代表某个河系内在1 a中适当的时候和一定的区域上以某一年频数(或年际变化的频数)可维持的水量和水流的适时性。有了这些方案，就可以探究和权衡生态保护价值和收益损失之间的利害关系(这里所说的收益损失，可能源自于河道取水或水力发电)。例如，某些国家资源有限，环境流量的评估需在无数未来水资源开发的河流中，采用物理栖地模拟法对生物栖息地进行详尽的模拟。然而这种模拟很可能是不得当的，因为模拟重点是放在生物栖息地需求和提供鱼类栖息地的最小流量上，这对时下考虑生物多样性保护和生态系统服务也是不适当的。20世纪90年代，人们提出了河流生态连续统一体的概念，在此基础上提出了解决大范围水电开发与生态保护关系的整体方法。这些方法凝结了河流研究技术人员、管理人员和有识居民的集体智慧，并将其融入了一个共同的决策支持框架中。

金和布朗等学者通过在非洲和东南亚开展的大量基础工作的实例分析，对上述研究进行了追踪。他们在其研究论文中强调，环境流量的实现必须融入更广的概念，要按流域规模来实现淡水资源的生态可持续发展。他们以术语“河流环境流量综合评估”(IBFA)来定性事物的渐进发展过程，而对未来的任何开发方案，都具体描述河流广泛特性的潜在变化，如河道形态、河岸冲刷、水化学、河岸森林、河流、河口和近岸海洋渔业、珍稀物种、有害生物种，与河流相关的人畜健康、家庭收入、国内生产总值、就业机会等等。根据上述实例研究，金和布朗提出了关于指导发展中国家将环境流量评估与流域综合管理相结合的10项原则。

最初提出的一种方案是以设想方案(情景逻辑)为基础、对河流逐条进行评估的生态系统方法。该方法根据水系条件或河流的相似性，或邻近部分自然分布区的物种生活周期特征来判断和评估。但河流管理人员往往认为，逐条河流评估速度慢、效率低且成本高，他们希望能将流量－生态模型和管理规程运用到众多的河流中并跨越更广的生态地区。

在这种背景下，波夫等学者采用了一种名为ELOHA(水文环境改变的生态限制)的新框架。最初，他们对一般类型的河流提出了流量与生态反应的关系，未建模型，而对于特殊水文类型的河流，如特殊天然流态的干旱地带或融雪来水的河流，就可能采用建模的方法进行研究。他们建议，以类似的方式找出水文特性相近的河流与特殊流态变化类型河流的相关关系。如果流量变化与生态反应的关系对特殊水文类型和各种型式流量的变化都适用，那么就可制定出环境流量的“指导方针”或“规程”，并应用到各种类型的所有河流中，从而避免再去研究单条河流的这种关系标准。ELOHA中定出了许多良好的环境流量细则，旨在充分利用现有的科学知识，并认为其置信度在于流量与生态反应的相关关系上。

采用ELOHA及其他环境流量方法，首先要建立基于流量自然变化资料基础上的“水文依据”，然后进行水文分级，再在一个确定的研究区内(例如一个国家，一个生态区域或一个大河流域)确定水流流态类型。肯纳德等学者在研究中列举了首个可用于澳大利亚陆地类型的基本原则和方法，运用了830个水位－流量站测得的15～30 a的流量数据来分析天然水情的相关生态特征。研究中，他们还采用了模糊分割法(即贝叶斯混合模拟)，分析表明，特殊的流态类型共有12种，这些类型与季节性的流态，水流稳定度(即常年性和周期性变化的程度)，洪量、洪水频率的变化以及流量可预测性和可变性等等都不相同。另外，当某地河流缺乏流量资料时，专家们还可根据流域的控制性气候状况和地形因素，利用决策树来判别天然流态的类型。这些方法，对受到人类开发活动、干旱及气候变化威胁的澳大利亚河流的恢复和保护进行环境流量评估时，是有很大支撑作用的。

在其他研究方面，科斯特等学者通过精心研究，运用贝叶斯网络(BN)对流量与河流生态系统健康以及生态反应变量等环境主导要素之间的关系进行了模拟，其成果展示了如何将贝叶斯网络进行改进和调整，估算相对成本和效益的贝叶斯决策网络(BDN)。在进行河流恢复时的环境流量评估时，如果在现有的评估框架内纳入BDN，就可提高多重压力源对水生态系统影响以及各种恢复方案相对效益的评估能力。但在污染无法减轻、河岸管理不良及栖息地无法恢复的情况下，提供环境流量必然就不是最有效的恢复方案，甚至根本就不可能解决问题。

4 新的挑战和研究机遇

2008年，全球水系工程(GWSP)对淡水研究提出了一项巨大的挑战，即需要了解全球淡水系统的水文整体变化，而且要了解这种变化是如何增大了全球生态系统和群居社会脆弱性的。在GWSP的核心内容中提到的环境流量，将其描述为帮助各国保护淡水生物多样性、淡水恢复能力，以及通过健康的水生态系统提供生态产品及服务的一个重要工具。同时，也将淡水问题纳入到“千年发展目标”中，而且在其他国际性的重要规划中，重点不仅是放在解决水冲突问题上，同样也接受了环境流量的理念。

此外，许多国家和国际机构在国际流域合作和工程实施过程中(例如，自然保护区的淡水可持续工程，国际水管理协会、世界银行、瑞典水资源之家等机构所资助的工程，美国国际开发署制定的全球水资源可持续发展计划)，都少不了环境流量的评估和实施方案的研究。最近举行的3次国际会议(会议分别于2002、2007、2009年在开普敦、布里斯班和南非的伊丽莎白港举行)，很突出的一个主题就是环境流量的实施，而且在世界水论坛和斯德哥尔摩的世界水周上也始终突出了环境流量这一鲜明的主题。

2007年的布里斯班宣言，是第10届国际河流学术研讨会及环境流量讨论会上一份有特殊意义的文献，由多个国家超过750名代表共同编写。宣言重点突出了人类和大自然进行环境流量分配的重大意义，并提出了一项全球性的行动纲领，号召各国政府、开发银行、捐赠机构、流域机构、水和能源协会、社区机构、研究机构和私营部门，跨越地域界限，对所有的河流采取恢复和维持环境流量的行动。我们强烈赞同该宣言的行动纲领，支持、倡导国际上的有生力量来加强对环境流量相关方面的研究，包括环境流量的评估和各种大小江河实施环境流量的研究。此外，在局部和区域性河流恢复和保护的基础上制定全球性的环境流量研究计划，将有助于预测生态系统对气候变化和未来人类适应性地控制水系的反应，为实现“千年发展目标”中有关淡水的目标奠定坚实的科学基础。

作者从相关国际会议论文、布里斯班宣言行动纲领和其他重要文献中，归纳出以下研究子题，可作为强化全球环境流量研究和实施计划、加强能力建设、支持河流保护和恢复的一个重要组成部分。

(1)水电开发与生态反应的关系。用以支持河流保护与恢复的环境流量评估，取决于不同水文条件下河流的天然流量(变化的流量)与生态反应之间的精确关系。需要按照水文变化规律，对比全球水电开发对气候变化的影响程度，为河流生态系统生物群落和生态系统过程(例如养分动态、能量流、食物链结构等)建立与确定这种生态反应关系。

(2)水生动植物分类特征。虽然各物种的种种响应本身就有明显的特征，但要确定复杂情形的水生动植物的分类特征，即已知的与具体河流类型和水电对气候影响区域相关的水文变化响应时的特征，才能说是一大进步。量化物种的属性和确定所属的分类特征也很重要。从理想的情况讲，这种研究可将植物、无脊椎动物和鱼类按水生动植物的特征细化分类，并罗列出若干项基本指导原则，得出不同生态系统组份的流量与生态的关系、流态特征或流态变化，以及河流的水文特征类型等。

(3)温度和其他主导因素。作用于河系的主参数(温度、河流泥沙、有机物、常规水质)是动态的，可通过河道流量控制和流域管理的稳步实施得到管理上的支持。但这些参数未必只是从水流流量得到的，它有可能受到穿山越岭的河流和地下水的影响。了解各种因素间的相互作用、确定水电对气候不同程度影响的响应阈值，对实现流域的综合管理非常重要。

(4)贝叶斯决策网络和贝叶斯统计模型。采用流量变化前后对比的研究方法，对传统应用的统计设计是有影响的，只有分析技术在环境流量研究及其成果的评估中才起着重要作用。如果其他方法可能有碍于统计原则，不妨采用贝叶斯网络和统计模型。鉴于其具有灵活性和创新性的特点，运用起来就很给力。建议对水电开发与生态保护研究中有潜在效用的统计模型和方法(包括已有的和其他可用的)进行更深入地探讨和研究。

(5)适应性环境管理。就生态对流态变化反应的不确定性而言，其思路必须建立在环境流量分配与生态和社会效益统一关系的基础上。适应性管理的前景，与环境流量模型的验证过程和管理目标的微观控制密不可分。所以组织上和运行管理上要具备灵活性，技术人员和管理人员在适应性管理上应加强探索，这对持续评估流量管理过程中的风险和效益很重要。

(6)社会和生态效益、生态服务及其利弊权衡。需要优先考虑和研究的问题是如何对生态效益和生态服务进行量化，而这种量化是建立在众多河流、环境流量和机体健康之间的有机联系，以及文化和生态可持续基础上的。要强调的是，需要在整个社会经济的大背景下，使环境流量的合理实施让社会分享，给社会带来效益。那么怎样才能教育公众，让公众完全了解河流天然变化节奏的重要性呢?如何以合理的方式让社会解决这一古老的问题?布朗等学者提出了“发展空间”这一概念作为解决问题的途径。

(7)水资源综合管理。许多国家都普遍认为，环境需水的概念应扩展到依附于地下水的生态系统、河口甚至近岸地区。对不同的土地利用类型而拦蓄或加剧的地表径流，应加入到水的整个大循环中，这是一项更大的挑战。因此，环境流量评估应完全融入水资源综合管理，使之成为促进水、土和相关资源协调发展和管理的一体化过程，以合理的方式最大限度地将社会经济与民生结合起来，不损害重要生态系统的可持续性。然而如何以合理的方式将河流进行综合利用，例如通过环境流量将水力发电与生态功能的维护结合起来，同样是一项巨大的挑战。

(8)气候变化。应对河道流量对气候变化带来的机遇和制约，其首要任务是采取环境流量的适应性管理措施。例如，抓住季节特征的变化，做到采取相应的人为水管理措施后，不但水力发电或农业生产的损失要小，还要能显现良好的生态优势。健全的环境流量管理，还可通过维持和增强生态系统的恢复能力，避免气候变化影响可能造成的淡水生态系统严重甚至是无法挽回的损害。

(9)能力建设。最艰难的任务是，教育新一代的水利工作者，并让政策制定者很好地了解环境流量概念及其运用，使他们能在各种生物地理环境和文化背景下出色地工作。最理想而可行的途径是，由诸如大自然保护协会(TNC)、世界野生动物基金会(WWF)、世界自然保护联盟(IUCN)、国际水利及环境工程学院(UNESCO－IHE)、世界银行以及国际水资源中心(澳大利亚)等世界著名的相关组织和机构发起，推出各类培训计划。同时，在不同的地区设立试验项目，证明环境流量实施方案的可行性和有效性。

总之，希望上述各种建议能有助于今后的探讨和研究，在水电开发与生态保护两者之间，以及河流恢复与保护方面不断加大研究力度。通过开展环境流量实施方案和能力建设方面的研究，将有助于扭转某种不良趋势，进一步减少生物多样性损失和对社会经济的危害。如果上述计划得以实施，将强化和巩固已为河流生态系统保护作出贡献的许多国家、机构和个人的努力成果，有助于实现“千年发展目标”中有关淡水的目标。最后还须强调的是，要本着科学的态度，运用好淡水生物多样性、对人类至关重要的生态和文化服务的成果，进一步防范淡水生物多样性受损的风险。