永定河流域生态环境研究进展及修复对策*

冯兆忠，刘 硕，李 品

(中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085； 中国科学院大学, 北京 100049)

河流生态系统是河流生物与环境相互作用统一体，具有动态、开放、连续等特点[1]，在水流和生物-物理-化学的相互作用下促进流域的物质循环和能量流动[2]。河流生态系统提供着供水、输沙、防洪、涵养水源等多种生态服务功能。作为地球的动脉，河流能及时对周围环境变化做出响应，越是大型河流对整个流域生态系统的影响越大[3-5]。中国对河流的研究多集中于水资源、水利、水工程[6-10]，注重人类利益，缺乏对自然生态理念的重视[11-13]。近年来，工农业文明的飞速发展使河流生态系统普遍退化严重[14-15]，水资源利用量加大、水污染加剧、河岸带植被乱砍滥伐等现象频发，很多河流同时面临水质/量、结构和功能等多方面问题[16]。关于河流的研究也从工程水利转向生态环境方面[17]。

永定河贯穿整个京津冀核心区域，是京津冀的水源涵养区和生态廊道，对京津冀的可持续发展有重要作用[18-19]。作为北京的母亲河，被称为“京西绿色生态走廊与城市西南的生态屏障”[20]。近年来京津冀城市群的快速发展对永定河流域生态系统产生剧烈影响，永定河流域生态服务功能受损严重。本文总结永定河流域在生态学方向的研究进展，包括永定河流域水情与水资源、流域植被、河岸带状况、以及生态系统健康、生态服务功能及价值评估、生态修复等，据此分析永定河流域面临的多方面生态问题，提出永定河流域综合生态修复模式与建议，以期为永定河流域整体生态环境治理提供科学参考。

1 永定河流域生态现状研究进展

1.1 地理概况

永定河流经山西(晋)、内蒙古(蒙)、河北(冀)、北京(京)、天津(津)五省市，位于北京西南部，是海河水系里北系最大的河流(图1)。河流由桑干河与洋河交汇后，流经交互连接的峡谷和盆地，在河北省怀来县朱官屯村处汇合，始称永定河。然后向东南方向流入官厅水库，途经河北怀来县，进入北京市辖区，穿越门头沟区山峡，在三家店进入平原地区。之后，河流沿石景山区、丰台区向南流经大兴区，在崔指挥营村进入河北省永清县，流经廊坊市辖区，后出河北进入天津市武清区，流经天津市辖区，在天津市屈家店汇入永定新河。永定河地理坐标范围为112°～117°45′E、39°～41°20′N，东邻潮白河、北运河，西邻黄河，南为大清河，北为内陆河[21]，全长约747 km，流域面积约47 016 km2，其中山区面积约45 063 km2，平原面积约1 953 km2。流经河北省面积约18 596 km2，河北—北京段全长约184.79 km，面积约20 018.63 km2，北京段长约169.6 km，境内流域面积约3 168 km2[22]。

图1 永定河流域基本概况图Fig.1 An overview of the Yongding River basin

1.2 生态水文

中国对河流生态系统的研究多集中在水利工程建设方面。研究发现，大量的水库、堤岸等直接或间接影响河流及其周围的生态安全格局，威胁着河流及流域林草地生态系统的健康和稳定[23-24]。研究者对淡水生态系统的生态服务价值进行评估[25-26]，将水利工程对河流生态环境的影响状况进行分析，建立相关评价指标、体系和方法(如BOD-DO模型计量法)[27]等。研究表明，水利工程割裂了“水-土-生”间的相互作用关系，使河流原有的自然属性丧失[28]。

永定河流域水状况问题突出，历史与新生问题共存，尤其是修建的大量水利工程，虽然有效满足了防洪调度、水资源供应等需求，但流域整体水环境受损严重。在水资源与水供需问题上，Fu等[29]估算得出永定河水量修复耗费约为3 600万元，考虑水质与水体污染承载力下的理论修复耗费为2.6亿元；Luo等[30]研究发现，永定河张家口市的雨水收集再利用系统可年均提供40.5%的市供水量，在水资源分配和利用上潜力巨大；Jiang等[31]指出河流干旱与降水量相关性不大，人类活动才是主要驱动力；Starkl等[32]研究工农业和家庭用水的比例、结构等，认为在各用水领域实施节水政策和反馈机制可有效增加永定河流域水分利用率。在水质污染方面，Wang等[14]研究表明城市发展使永定河流域水质严重恶化；Guo等[33]研究得出永定河上游土壤N、P流失量分别达96和9 kg/hm2，农业生产环境的可持续指数仅为0.105 6，处于严重不可持续状态。在水情与水灾害方面，Zhang等[34]利用SWAT模型研究综合与单一土地利用对永定河洪水发生频率的影响，发现综合土地利用可减少洪水发生；Yin等[35]利用MIKERR模型对永定河灾难性洪水机理进行研究，对不同的模拟场景提出对应的应急措施；Zhao和Ding[3]以永定河为例通过弯曲度、河床等河流结构属性对河流功能进行决策分类，为河流功能的有效管理提供参考。永定河流域水环境问题恶化以来，研究者通过综合评价法等多种方法、模拟多种时空场景与因素，构建多种缺水补水河流的有效生态修复模型[36-38]，在水灾与防洪系统、水资源再利用、水功能分类、水污染治理等方面提出有效建议。

1.3 流域植被

1.3.1 大尺度植被覆盖变化

植被覆盖变化与区域生态环境关系密切[39-41]，能揭示时空变化规律[42]，是指示生态系统变化的重要指标[43]。人类活动会对河流流域植被产生重要影响[44]，尤其是大中型河流，其脆弱敏感性高，受人类活动影响大，但研究相对较少。永定河流域植被覆盖变化研究结果(表1)表明，1978—2013年间，永定河流域覆被变化呈先降再升后平稳趋势，波动明显，流域景观、土壤水势等也受到显著影响。引起永定河流域植被覆盖变化的主要驱动因素是人为因素，如京津冀城市群的扩张等，其次为气候因素[45-47]。

表1 永定河流域植被动态变化总结Table 1 A summary of vegetation dynamic changes in Yongding River basin

1.3.2 小尺度植被与水-土-生作用关系

河道边缘及河道内部生长有大量水生植被，可守滩固堤，加大岸滩糙度，减少土壤流失，对水流运动和水体物质迁移有重要影响[53-54]。除大尺度覆被变化研究，河岸带护岸植被的生长动态研究对河道的功能维持也具有重要意义。河流与植被的相互作用关系复杂多样，Xiu等[55]和Stromberg等[56]对河流不同水流量区域岸带植被研究发现，间歇性流水区的植被丰富度较常年流水和常年断流区的高，适度干旱可增加河岸带植被多样性。河岸带植被群落功能不仅与湿润条件和土壤养分有关，还受到水污染和人类活动等影响[57-59]。永定河流域植被与水-土-生作用关系及机理的研究还十分缺乏，掌握植被结构、刚度、生长势与河道糙度、水流流态、阻力状况的作用关系可为河流植被生态修复提供重要参考[60-62]，中国在此方面的工作有待加强。

1.4 河道生态护岸

河流岸带是连接河流与河岸的过渡带，是二者间物质交换、能量传递的渠道，对河流的生态保护有重要作用[63]。由于河岸带植被很容易受到水流动态的影响[64-65]，河岸带防护除植被建设外，也有各类的工程技术措施。生态护岸可在保护岸带的基础上，使河流与其周围环境过渡更加自然[66]。目前主要的生态护岸技术包括生态混凝土护岸[67]、块石、卵砾石护岸[68]、植被护岸[69]、生态袋、仿木桩护岸[70]、铅丝石笼护岸[71]、土壤生物工程护岸[72]等。赵广琦等[69]选取岸坡、植被等9个指标对永定河流域岸带护岸效果进行评价，发现松木桩护岸的护岸情况最好，生态袋复合护岸效果较好，山石护岸效果一般。龚杰等[73]对生态护岸效果及其适宜类型进行研究，认为松木桩扦插柳枝复合护岸效果最优，生态砖和活插柳枝复合护岸效果一般，但适合陡坡，生态袋、仿木桩护岸能稳定边坡，但需经常维护。生态护岸的设计取决于河流的水流状况、服务功能和人为需求等，需结合实地状况，因地制宜。研究不同护岸类型，分析评价其护岸效果，发明创新实地护岸技术是永定河流域人工生态修复的重要组成部分。

1.5 生态质量与健康

生态环境质量可以准确描述区域生态环境的优劣程度和污染状况[22]，是永定河流域现实状况的直观反应，其后期评价也可对修复效果的优劣程度进行确定。永定河流域生态质量健康波动呈现明显的时间效应，与人类干扰和地域发展状况关系密切。王晖文[74]利用层次分析法和综合指数法对河北省6大水系进行生态健康评价，结果表明永定河水系处于不健康状态，且相比其他水系排名偏后。贾文娟[21]对永定河北京段1987—2009年间的环境质量进行评价，发现1987—2000年间其环境质量逐渐恶化，2000—2009年间逐渐好转，并认为2000年以前的人为过度开发滥用是其水体退化的主要原因。董思宜等[22]从生物丰富度、植被覆盖状况、水网密度、土壤水分4个方面评价表明永定河流域生态环境质量在2009年处于良好。Hou等[75]分析表明从三家店到东洲桥再到屈家店，永定河分别处于不健康与亚健康状态，最为严重的问题是水量锐减，河道区域性断流。

1.6 生态服务功能与价值

生态系统服务功能是生态系统过程对人类社会发展所提供的各种环境条件和效益[76]。生态服务功能区划是根据生态系统结构、服务功能及环境敏感性等特征进行的地理空间分区[77-78]。对永定河流域生态服务功能进行科学分区，制定适宜的地理空间修复和管理方案，能更好地发挥其生态服务价值[79-80]。彭涛等[81]将永定河划分为城市景观段、人工绿化段、自然绿化段等5个服务功能区，为有效管理方案的制定提供参考。刘旭等[82]突破传统静态评估方法，将GIS(geographic information system)与因子当量表法相结合，得出永定河北京段水面面积最大时的生态服务价值达2 212亿元，其中水生态娱乐文化价值最大。张振明等[83]借鉴“千年生态系统评估”(millennium ecosystem assessment)[84]，将永定河划分为供给、调节、文化和支持4大生态服务功能，估算出永定河北京段生态服务总价值为432.82亿元，其中调节和文化功能价值占据主导地位。刘培斌等[19]表明1978—2009年间永定河山峡段生态服务总价值降低36%，城市段降低39%，郊野段降低30%，最主要原因是水资源量和水体面积的减少。永定河流域生态服务价值降低幅度较大，合理的功能分区是其生态修复和完善的重点。永定河流域面积大，生态功能区划要整体协调，区域间要具有相似性、共轭性，要考虑防洪、景观、作物、经济等，全面兼顾，注重可持续发展，生态修复才能科学合理[81, 83]。

1.7 生物监测

永定河流域生物监测研究是其生态修复及时、准确的另一条有效途径。生物监测能表现出各种环境胁迫的综合效应，是河流健康研究的有效手段[85]。河岸带植被指数[86]、藻类指数、敏感性指数[87-90]、无脊椎动物指数[91-92]、鱼类指数[93-94]等都对河流的生态健康起到指示作用。Wang等[95]比较永定河流域7个样点，隶属3门18科的大型无脊椎动物的生物指数，得出永定河流域部分河段存在轻度污染；王晖文等[74]研究表明永定河流域鱼类变化率低，鱼类健康处于病态。生物指示对河流系统研究具有重要意义，生物变化的病态间接表现出永定河流域生态质量的不健康。永定河河流生态系统在水质、水量、水工程等直观要素方面研究较多，在生物方面研究很少，忽视了生物的响应，这部分在今后的研究中有待加强。

1.8 生态修复

河流由于自身特性，属于廊道、过渡带，生态修复相对复杂，修复方案的制定需全面考虑[96-97]。近年来，河流生态修复研究越来越受到重视[98]，在评价指标的确定[99]、修复技术(如“水文-生物-生态功能”的连续体四维模型)的完善[100]、修复效果的保持与维护[101]等方面都有进展。彭涛等[102]从水安全、生态安全和文化传承等方面将永定河分为官厅山峡段、平原城市段、平原郊野段，并据此制定不同的水质和岸带修复方案。然而，多数研究是针对河流某一方面进行的分析，综合多方面状况的修复研究还很少，相应的修复建议只适合解决单一问题，综合多因素的可行性及表现效果难以确定。

京津冀城市群对永定河的水资源需求日益剧增，永定河流域水生态修复的重心在水的供需调度上。合理的分配、调度水资源对永定河流域水环境恢复有重要意义。水库的建设与调整，包括官厅水库、珠窝水库、斋堂水库等对水资源存储和下游补水作用重大。2014年南水北调中线工程为永定河增加外调水和再生水，有效缓解了水生态失衡等问题[103]。北京段包括官厅山峡段和三家店至崔指挥营段，作为永定河的重要河段，受城市化进程影响更为直接。京区大量引水和用水使北京段及其下游区域地下水、地表水和外调水等处于补给不足状态。因此，除水利工程外，加强雨水、洪水等再生水利用技术研发是永定河流域水环境修复的重要方面。同时，河流的生态修复不仅要注重水，林水相依、相辅相成更是其修复效益可持续的保障。2010年启动的北京市永定河流域绿色生态发展带工程，完成对门城湖、园博湖、莲石湖、宛平湖等建设，形成绿色河道空间，创造了人、水、绿共享的生态修复美景[104]。由于特殊的地理环境、服务需求和水利工程建设，永定河流域生态修复可根据不同水域特性，结合地理、人文要素，分区分段施策。“三段式修复”是结合多要素的综合修复方案(分段区域如图1)，在官厅水库以上河段加强植被缓冲带修复，稳定堤岸，涵养水资源，提高水质；官厅水库至三家店段由于受上游企业等污染影响，加强水污染治理，清理河流垃圾；三家店至卢沟桥及其以下河段来水少，加上用水、引水等需求，水资源短缺，应调度补充水资源，加强河床、岸带工程整治，合理规划水资源利用[74]。

2 永定河流域生态问题分析

2.1 河道问题

永定河流域生态环境的持续恶化主要表现在水资源过度开发，径流减少，河道工程破坏，水污染加剧，植被减少，风沙灾害频发，生态系统退化等[105-107]。人类活动，如工矿业的施工破坏等使永定河水质下降严重，三家店以下平原段自80年代开始断流，生态环境形势严峻[108-109]。自然与人为因素并重是永定河流域生态系统遭受持续威胁的最直接驱动力，对永定河河道[17,110]、水工程[74]和水情[6,74]面临的主要问题总结于表2。

2.2 水资源问题

人为影响使永定河流域生态系统受损，河流水资源等生态问题突出。1950年代官厅水库入库径流量约19亿m3；1960年代起，河流水量较小，常年细水；1980年左右，永定河断流；1990年左右入库径流量减少至4.47亿m3；1998年以来，官厅水库年均入水量不足1亿m3；2009年降至0.2亿m3，减少迅速[111-112]。桑干河、洋河、永定河山峡段生态水量严重亏缺，全年亏缺量为17.36%～67.98%，山区水资源开发高达97%，地表水达89%，农业用水占总用水量的69.3%，用水比例不协调[7]。

表2 永定河河道问题Table 2 The main problems of Yongding River

研究表明，官厅水库进水量减少是由于上游地区用水结构变化、用水量增加及小型水库拦截造成，与流域降水量和蒸发量相关性很弱[6]；大规模外部需求用水也是生态水资源亏缺的直接原因。由于北京水资源紧缺，三家店以上河水几乎全部引入市区，导致三家店以下70余公里长年断流[109]，加速了河床的干化与沙化。永定河流域水资源状况复杂，管理难度大。修建的水库、堤坝等工程对河流整体蓄水、调度、防洪起到了重要作用。然而，结合地理、人文、气候等要素的合理管控方案并不成熟，如永定新河的防洪标准过低，使永定河整体滞洪方案低效。有效的水资源管理方案可使永定河由单调的防洪、蓄水功能向怡人栖息地、林水风景区、绿色生态园等角色转变。此外，由于永定河流域覆盖面积广、环境复杂的特性，随机、广泛、潜伏的污染源众多，除工厂排污点的集中排污，农田农药残留、生活污水、畜禽粪便、氮磷营养物等可随降雨冲刷、土壤侵蚀过程进入河流，在空间与时间上对河流水资源有效管理和生态修复造成较大困难。因此，全面的实时通讯监测网和综合管理平台是其水资源有效分配和管理的重要基础。

2.3 植被问题

人为影响是植被退化的主导因素[46]。永定河流域上游在金代到清代期间曾广泛分布着茂密的森林，由于过度砍伐，林地破坏严重，河流植被景观单调，甚至消失。部分地区实施人工林恢复措施，但是永定河流域人工林带规模小，适合沙滩土壤条件的乡土固沙灌草、野生植被较少，林地结构单一，生长周期短，郁闭度低，绿色屏障残缺不连续[103]。为追求经济发展，盲目毁林开荒、发展工矿企业、耗费河流资源，导致流域生态系统受损更为严重。同时，部分恢复措施不重视长期可持续性，对栽植的苗木后期管理不足，自生自灭，使永定河流域植被的生态恢复变得十分缓慢。

2.4 沙土问题

受人为与自然因素的综合影响，永定河流域沙地面积约98万亩，横跨北京市大兴县、河北省永清、固安、廊坊市[113]。沙地北起三家店，南至梁各庄，西到小清河，东以天堂河为界，东西宽约12 km，南北长约77 km，风沙面积大，危害严重，已是北京市“5大风沙源”之一[114]。其中，北京市永定河流域沙化土地面积约36 050 hm2，占沙化土地总面积66%[83]。永定河历史上洪水泛滥，多次决口，迁徙改道，古河道纵横交错，沙土裸露，是两岸大面积沙地形成的前期因素。但人为的森林砍伐破坏使区域林地减少，水库、堤坝的修建使河道断流，引水调水导致水资源分配失衡是土壤沙化加快、养分流失、河道干枯、沙尘加重的最直接因素。同时采矿采砂，挖沙取土使河道内沟壑成片，河滩上千疮百孔，河床与山体裸露，新的沙源不断形成。

2.5 气候问题

全球变暖下，中国气温逐渐升高，区域水文环境变化明显[115]。气候变化，尤其是降水减少导致河流径流减少，是河床干枯裸露、沙土形成的重要因素[116]。永定河流域属于大陆性季风气候，位于湿润与干旱气候过渡带，夏季暴雨，冬季干燥多风，降水时空分布不均，诸多气候条件都不利于维持生态系统的健康稳定发展，然而研究表明，人为因素对永定河径流减小的影响要大于气候因素[117]。所以人类活动和不良气候条件的综合作用是永定河流域植被生长差和土地沙化的根本原因。同时，河流生态系统的退化又削弱了自身涵养水源、调节气候的生态服务功能，使区域生态环境持续恶化。

3 生态修复综合建议

中国对河流生态系统的研究尚未成熟，对永定河流域生态修复的研究内容过于片面，在生物修复、生物监测、水-土-生相互作用机理等方面研究较少，难以实施环境友好型综合生态可持续修复措施。永定河河流生态系统复杂，整个修复过程需考虑地理、行政、人文、水、土、生等要素状况，明确主要要素间的相互作用关系；而且，修复尺度的选择，综合指标、有效评价因子的确定等都有待进一步研究。综合以上要素，总结归纳以自然植被、生物恢复力为主导，前期修复与后期评价管理相呼应的系统优化理论方案如图2。结合目前永定河流域研究进展与问题，对永定河流域生态修复提出以下5点建议。

图2 永定河流域修复优化理论综合模式Fig.2 Framework of the eco-restoration optimization theory and mode

第一，修复过程要结合永定河周围环境要素综合分析。永定河流域范围大，周围要素多，地理与人文因素复杂，生态系统受气候、地质等多种因素制约。修复不应在河流某一部分，应是一个整体过程。从流域层面分析，重视其与内陆系统间各要素的相互作用关系。修复过程要“自然化”，综合水文、土壤、植被、生物等多方面进行。

第二，要注重水与生态的平衡关系。永定河流域水资源利用量大，资源分配供给不均。工农业需求、京区引水等造成部分河道常年断流，水状况问题在其生态问题上占据较大比例。水量与水面积是河流状况的直观表现，增加水面面积是有效的生态修复途径。所以要加强节水改造，统筹利用，统一调度，加强水资源保护，综合管理，整治河道。水利改造过程要安全、合理、持久，与生态景观理念相结合，不能只追求效益，要做到生态平衡。

第三，植被建设是永定河流域生态修复的关键，增加流域植物多样性是根本思路。永定河由于历史上洪水泛滥，森林乱砍滥伐，河床破坏严重，形成大面积沙地。植被恢复是其自然生态功能重新完善的关键。要加强河岸带植被建设，加强生境创造，使河道内栖息地结构完善。多利用植被、生物技术等修复方法，减少对人工材料的使用。贯彻“以绿代水”方针，减少硬化。河道中心区可栽植乡土草本，做到滞洪补潜；河道缓冲区栽植杨柳，护堤造岸，加以灌木束水导流；河道过渡区可协调当地农业经济发展，栽植经济林果，防风固沙，从整体上打造“清水绿岸”的天然长河。

第四，永定河流域生态修复要与社会、经济、人文相结合。永定河贯穿京津冀核心区，不能忽略各行政区域间的不同发展状况。在各地区要加强水域保护的宣传，增强各地域人为意识。修复对策要因地制宜，符合当地特点，分类分区施策，注意不同修复区的景观空间异质性、水系联通性。修复目标要量化，预防为主，自然与人工并重，修复过程定期人为监管和维护。京津冀城市群是首都生态圈的重要组成部分，加强行政区域间林、农、水各方面合作是其生态建设的必由之路。

第五，永定河流域生态修复要注重实况，长远分析，不可急功近利。永定河流域生态问题不是短期人为影响形成的，也有历史原因。永定河水长面广，服务功能多样，修复过程必然复杂漫长。大型河流生态修复是一个长期过程，不能只一时热度，完全修复不现实，应立足现状，创造自我恢复条件，分段修复河流的主要功能，使河流廊道功能逐步恢复。修复过程预先考虑后期状况，使修复结果长久可持续。