河流的四维特征探讨

邓建明，周 萍

（1.钦州市水文水资源局，广西 钦州535000；2.钦州市环境保护监测站，广西 钦州 535000）

近几十年来，河流的整体性愈发为人们所认识［1］，水流只是河流整体系统的一个重要组成部分。河流系统作为一个整体常被称作“河流廊道”（rivercorridor）。这是一个具有长、宽、深（length、width、depth）的景观系统，是一个具有纵向、横向和垂向连通性特征，并在时间尺度上动态变化的整体系统。水利工程专家和水文学家往往倾向于关注河流中的水资源本身，更准确地说是只关心水能和水量方面，而容易忽略水资源同整个河流生态系统的依存关系。一方面，“水是生命之源、生态之基”，水对于生命和生态系统起到基础性关键作用。另一方面，生态系统的服务功能，如水土保持、水源涵养、蒸腾作用和水质净化等，对水资源的循环和更新也起到重要作用。

本文在阐述河流系统整体性内涵及其四维特征的基础上，分析了以水利工程为代表的人类活动对河流整体性和连通性的破坏及其生态影响的具体表现。

1 三维空间各向特性

为方便分析和研究河流的三维运动特征，考虑在河流廊道系统内建立三维坐标系，即河流上下游的相互作用构成纵向（x轴）特征，在廊道平面上与纵向垂直方向的相互作用构成横向（y轴）特征，与廊道平面垂直方向的相互作用构成垂向（z轴）特征。

1.1 纵向连续性连通

在纵向x方向，水流的流动是最常见的连续流，流量、流速、水温等水文要素沿河流上下游的连续性分布是其显著特征。这种连续性连通对河流上下游的生物群落结构和功能特征具有重要意义。

连续水流良好的溶解能力和泥沙携带力，使河流成为营养物质纵向输送的通道，这保证了营养物质流和能量流的沿河连续性，使得下游的生态过程与上游的生态过程直接相关。河流的水位、流速、水温等水文要素为众多水生生物提供迁徙、繁殖等生命周期必需阶段的信号，连续流动的水流则为鱼类等水生生物直接提供迁徙通道。上下游的物种和信息交流使得河流水体上下游间信息流的连续性得以体现。容易理解，基于物质流、能量流和信息流的连续性，以及生物迁徙通道的上下连通，水生生物群落也将遵循连续性分布的规律。

Vannote曾提出一个河流连续性模型［2］，描述了从上游源头到下游河口的水力梯度的连续性，分析了水文、环境要素的连续性分布和生物组成连续性的相关关系。研究表明，水文、环境要素的连续性连通对河流生物群落的结构和功能的连续、健康和完整具有重要意义。

1.2 横向脉冲性连通

河流廊道把沿岸的生态系统涵盖进来，在横向进行延伸，而不再单单考虑河道内的水流本身。沿岸交错带（riparian zone），甚至进一步延伸至以流域分水岭为边界的整个洪泛平原（floodplain），跟主体河道间存在紧密的相互作用关系。

在水文过程上，在汛期，河水横向漫溢，使沿岸交错带和洪泛平原及包含其中的池塘、洼地、湿地等，同主体河道连成一体，形成连通的复杂水流系统。这种横向连通因水文情势年际变化规律，有时呈现高度连通而有时只是局部连通，在某些特定时候特定区域甚至连通中断，时断时续，周而复始，表现为脉冲性连通。这种横向连通对生态过程和生态系统功能具有重要意义。

在汛期，洪水漫溢把河流携带的营养物质和沉积物输送到沿岸交错带和洪泛平原，对沿岸植被和生态系统生产力，给予强大的支持。一些水生生物则得以到沿岸河滩及湿地避难或繁殖，完成必需的生命周期阶段。当水位回落，水体携带陆生生物残体回流河流主体，鱼类等水生生物也洄游至主体河道。在涨落过程中，完成一次脉冲连通，主体河道跟沿岸生态系统间的物质交换和物种交流得以完成。Junk提出的洪水脉冲模型［3］描述了横向脉冲性连通及其生态意义，他指出，洪水脉冲是河流—洪泛平原系统生物生产、物种繁衍和相互作用的主要驱动力。

1.3 垂向连通

河流廊道在垂向的延伸，主要是考虑地表水与地下水的联系。将地表水与地下水的交界带（即所谓潜流带）甚至沿河整个地下含水层，纳入河流整体系统考虑的做法愈发得到认同。河水渗透进入地下或岸坡潜水层排泄进入河流，使得垂向z方向的水体连通得以实现。垂向连通对生态系统的结构和功能亦起到重要作用。

垂向连通对地下含水层的补给，对水体化学组分的改变，对营养物质的垂向输移转化等具有直接作用。光照、水温和溶解氧的垂向连续分布，对生态系统的连续和稳定起到重要作用。潜流带则大大扩展了水生生物的生境空间，其高丰度的动物区系常决定着河流生态系统的生产力［4］。来自潜流带的上升流能够传递营养物质到河流水体，这影响到主体河道的初级生产力。潜流带的生物地球化学过程，在有机残质的分解和水质净化方面起到重要作用。潜流带大面积的孔隙结构则为潜流带生物提供了多样的生境，对维持水生生物多样性具有重要意义。

2 时间尺度上的动态变化

“人不能两次踏进同一条河流”，此语深刻揭示了河流在时间尺度上的动态变化性。涵盖进生态系统，在纵向、横向和垂向方向具有高度连通性，空间相比传统概念的河流得到延伸的“河流廊道”，因为生命和生命支持系统的存在，具有鲜明的时间特征。

水文过程和温度、复氧速率、二氧化碳溶解等随时间的动态变化，决定了河流廊道系统的物质环境及以之为基础的生态过程的动态性。而在亿万年演化进程中适应了环境变化的生物，则具有各自特有的生命周期特征。如著名的中华鲟，秋季溯江而上至长江上游急流河段产卵，幼鱼孵化后顺江而下游到海洋，生活10余年后再返回长江上游。在水生生物和沿岸生物的繁殖季节，河流廊道将打上“生态敏感时段”的烙印。

3 水利工程对河流系统整体性的影响

河流水利工程可以概括为两大类：一是河流的人工改造，主要包括拦河筑坝或堤防护岸工程；二是取水、调水等水资源利用工程。

水利工程对河流生态的影响，主要表现在两大方面：一是改变自然水文过程和引起地形地貌变化，从而不同程度地切割生境，隔断廊道系统在纵向、横向和垂向的连通；二是对河流廊道在时间尺度上的自然动态造成严重干扰。两方面的胁迫影响都会导致河流生态系统的结构和功能的变化。

3.1 空间连通性的隔断

筑坝将河流“腰斩”，打断基于水文连续性的河流纵向连通，流动的河流变成相对静止的湖库［5］。这对适合急流生活的鱼类影响较大，对中华鲟等洄游性鱼类更是造成致命性影响。以防洪和发电为目标的调度则导致坝后泄流不定，常出现不能满足沿岸基本生态用水需求的情形。引水式电站坝后则出现较长的减脱水段，对小区域生态造成毁灭性破坏。

筑坝不仅打断纵向连通，对垂向的重要生态过程也有较大影响。湖库静止水体的光照、复氧与流动河流迥异，温度分层和底部厌氧区的形成，使得水化学环境发生重大变化，水下泄后对下游的水体生境、沿岸农业生产等造成不利影响。

堤防工程则阻止水流横向漫溢，还直接扰动沿岸交错带，使得交错带及洪泛平原的生境条件发生改变，结构和功能发生演替［6］。隔水护坡材料则隔断地表水与地下水间的垂向连通。

取水、调水工程打破河流水系的自然格局，改变水文情势，对于河流廊道的纵向、横向和垂向连通皆有一定程度的影响。极端情况是水资源的过度取用或调用，使得原河流的生态基流得不到支持，则整个河流生态系统将遭到严重破坏。

3.2 时间尺度上的干扰

3.2.1 对河流廊道自然动态的干扰

最显著的方面在于对自然水文周期动态的干扰，使得水流流态均一化，洪水脉冲的横向连通效应很大程度上损失掉。

3.2.2 对生物生命周期的影响

如低温水的下泄，将干扰水生生物的生长发育，延迟其产卵时间。值得重视的是水利工程建设期间对生物生命周期的干扰。在繁殖季节进行施工，影响无疑是破坏性的。

4 结语

（1）河流在三维空间的连通性特征和其在时间尺度上的动态变化，原本就是其内在规律。河流远非水流那么简单，这一事实并不因传统惯性思维的抵触而有丝毫改变。

（2）以传统河流水资源观为基础的水利工程及水资源管理方式，已经日益暴露出严重的不可避免的代价。比如，大坝截断的河流中本地特有水生物种的灭绝；又比如，因与生态割裂而导致河流自净能力低下，最终使本来充满生机的河流变成臭水横流的排污沟渠。

（3）在传统水利工程领域做出过重要贡献的董哲仁先生，经过深刻的反思，结合国外河流生态修复的经验，提出了著名的“生态水利工程学”的概念［7］。他指出 “未来的水利工程不仅是满足人们对水需求的工程，也是有利于改善和恢复健全的生态系统工程，是有利于环境保护的可持续发展工程”。中央强调了水资源的生命和生态价值。水利部将实施最严格的水资源管理制度，确立用水总量、用水效率、水功能区限制纳污。可以预见，水资源的调配、利用和管理的理念和方式，都将进行革命性的变迁。

［1］Ward J.V.， Riverine landscapes： biodiversity patterns， disturbance regimes， and aquatic conservation ［J］.Biological Conservation 1998（83）： 269-278.

［2］Vannote R.L.The river continuum concept［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences， 1980（37）： 130-137.

［3］Junk W.J.， Bayley P.B.， Sparks R.E.The flood pulse concept in river-floodplain systems［J］.Canadian Special Publications of Fisheries and Aquatic Sciences， 1989 （106）：110-127.

［4］袁兴中，罗固源.溪流生态系统潜流带生态学研究概述［J］.生态学报，2003，23（53）：956-964.

［5］Ward J.V.， Stanford J.A.The serial discontinuity concept：extending the model to floodplain rivers［J］.Regulated Rivers：Research and Management， 1995（10）： 159-168.

［6］Tockner K.， Malard F.， Ward J.V.An extension of the flood pulse concept［J］.Hydrological Processes， 2000（14）：2861-2883.

［7］董哲仁.善待江河——纪念新中国水利60年［J］.中国水利，2009，635（17）：7-8.