区域河湖水系连通工程的生态学意义

赵进勇，丁 洋，张 晶，彭文启，冯 硕

（中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，100038，北京）

河湖水系连通是解决水资源短缺、水安全威胁、水环境污染、水生态损害等问题的重要途径。 构建国家、区域、城市层面布局合理、功能完备、工程优化、保障有力的河湖水系连通格局， 对于提高水资源统筹调配能力、供水安全保障能力、防洪除涝减灾能力、水生态环境保护能力和应急保障能力具有重要作用。

2013 年水利部出台《关于推进江河湖库水系连通工作的指导意见》，将河湖水系连通工程分为防洪减灾、水资源配置和水生态环境修复三种类型。 2013 年起，水利部选择两批共105 个基础条件较好、 代表性和典型性较强的城市开展水生态文明试点建设，将河湖水系连通作为重要建设内容。2015 年起，水利部、财政部联合开展河湖水系连通建设，2015—2019年，累计支持河湖水系连通建设任务295 个，2020 年支持水系连通及农村水系综合整治试点县55 个，2021 年支持水系连通及水美乡村建设试点30 个、2022 年42 个。2021 年，水利部印发《关于实施国家水网重大工程的指导意见》，提出了“纲、目、结”的国家水网总体布局，其中“目”的层级就是区域河湖水系连通工程和供水渠道。 中国水利水电科学研究院编制发布的《中国河湖幸福指数报告（2020）》和《世界河流幸福指数报告（2021）》中，均将“河流纵向连通性指数”作为指标体系中的重要指标之一。

河湖水系连通性是水生态系统完整性五大生态要素特征之一，其生态学机理已成为近十几年国际河流生态学领域研究重点之一。 连通、自然、健康的水系是保障水生态系统服务功能永续发挥、支撑社会可持续发展的重要基础。 恢复河湖水系连通性是生态水利工程建设的重要内容，是区域生态水网建设的基本保障。

一、区域河湖水系连通性的内涵

区域河湖水系连通性是指在区域或流域尺度内， 以水为介质的物质、物种和信息在河流干支流、湖库、湿地等流域水系单元内部或单元之间的传输转移过程。 河湖水系连通性包含在河流纵向、 侧向和垂向的物理连通性和水文连通性。 物理连通性是连通的基础，反映河流地貌、水系结构特征； 水文连通性是河湖生态过程的驱动力。 物理连通性与水文连通性相结合， 共同维系栖息地的多样性和种群多样性。 河湖水系连通的功能并不仅限于输送水体， 而且还是水生态系统内物质流、 物种流和信息流等关键功能过程的基础。

对水生态系统而言，水系连通格局是决定生态系统稳定性自维持的决定性因子。 河流连续性特征不仅是生物群落分布的连续性，更是生态系统生物学过程的连续性。 干支流、湖库、湿地等流域水系单元连接、营养物质输送系统依靠河湖水系连通格局支持，畅通的水系连通格局有助于维系河湖水系的网络和层级结构，进而促进水系单元之间的物质、 物种、生物信息流动。

区域河湖水系连通工程是改善区域河湖水系连通性的重要措施，是建设区域生态水网、复苏河湖生态环境的重要内容。 纵向上，区域河湖水系连通工程包括河道恢复或新建，旁路通道、绿色小水电、老旧小水坝退役与拆除，过鱼设施、引水式电站闸坝生态改建， 水库工程生态调度，闸坝泵站水工程群联合调度等； 侧向上，包括河道滩区系统连通，生态护岸、 岸坡型湿地水质净化景观系统，通江湖泊恢复，河流廊道生态空间管控等；垂向上，包括生态清淤、河床底质改善、滨水区低影响开发等。 实际应用中，区域河湖水系连通工程是个多维度系统性工程，其目标往往是某个或某几个目标主导下的多目标体系，其应用地点往往涵盖城市地区蓝绿水系廊道建设、农村区域水系综合整治、丘陵区引提蓄水等多个场景。

二、区域河湖水系连通工程的生态学意义

区域河湖水系连通工程的生态学意义主要体现在调整流域水系结构、恢复关键水生态过程和保障水生态系统服务功能三个方面。

1.调整流域水系结构

区域河湖水系连通工程可以调整水系的网络和层级结构。 这里的结构指的是河流纵向侧向垂向连通性所组成的三维空间结构，以及表征连通性动态特性的时间结构。

①河流纵向y 连通性：上下游连通性。 河流纵向y 的连通性是指河流从河源直至下游的上下游连通性，也包括干流与流域内支流连通性以及最终与河口及海洋生态系统的连通性。 河流纵向连通性是诸多物种生存的基本条件。 纵向连通性保证了营养物质输移，鱼类洄游和其他水生生物迁徙以及鱼卵和树种漂流传播。

②河流侧向x 连通性： 河道与河漫滩连通性。 河流侧向x 连通性是指河流与河漫滩之间的连通性。 当汛期河流水位超过平滩水位以后， 水流开始向河滩漫溢，形成河流-河漫滩连通系统。由于水位流量的动态变化，河漫滩淹没范围随之扩大或缩小， 因而河流-河漫滩连通系统是一个动态系统。河流侧向连通性的生态功能是形成河流-河漫滩有机物高效利用系统。洪水漫溢向河漫滩输入了大量营养物质。同时， 鱼类在主槽外找到了避难所和产卵场。洪水消退，大量腐殖质和其他有机物进入主槽顺流输移， 形成高效物质交换和能量转移条件。

③河流垂向z 连通性：地表水与地下水连通性。河流垂向连通性是指地表水与地下水之间的连通性。垂向连通性的功能是维持地表水与地下水的交换条件，维系无脊椎动物生存条件。 降雨渗入土壤，先是通过土壤表层，然后进入饱和层或称地下含水层。在含水层中水体储存在土壤颗粒空隙或地下岩层裂隙之间。 含水层具有渗透性，容许水体缓慢流动，使得地表水与地下水能够进行交换。当地下水水位低于河床高程时，河流向地下水补水；反之当地下水位高于河床时地下水给河流补水。地表水与地下水之间的水体交换促进了溶解物质和有机物的交换。

④连通性的动态特性。 水文连通性具有动态特征。 随着降雨和径流过程的时空变化，水位和流量相应发生变化， 河流y、x、z 三个方向的连通状况相应改变。 河流纵向y 连通性会出现常年性连通或间歇性连通不同状况；水网连通会出现水流正向或反向连通状况；河湖连通会出现河湖间水体吞吐单向或双向连通等多种状况。河流侧向x 连通性出现水流漫滩或不漫滩；漫滩面积扩大或缩小等不同状况。 河流垂向z 连通性随着地下水/地表水水位相对关系变化，出现向地下水补水或向河流补水等不同状况。

2.恢复关键水生态过程

河湖水系连通格局是生态过程的主要非生物驱动因子，水系格局及其连通模式控制生态系统组分形态结构、竞争演替过程、存在与模式。 水生态系统中的物质、物种和信息流的传递过程绝大部分与水系整体的畅通程度有关。 恢复过程就是恢复河湖水系内物质流、物种流和信息流等关键生态过程的顺利完成，从而保障能量流动、物质循环、信息传递等生态系统功能的正常发挥。

①物质流：包括水体、泥沙、营养物质、木质残骸和污染物等。 物质流为水生态系统输送营养盐和木质残骸等营养物质，担负泥沙输移和河流塑造任务，也使污染物转移、扩散。

②物种流：主要是鱼类洄游。 根据洄游行为，可分为海河洄游类和河川洄游类。海河洄游鱼类在其生命周期内洄游于咸水与淡水栖息地，分为溯河洄游性鱼类和降河洄游性鱼类。我国的中华鲟、鲥鱼、大马哈鱼和鳗鲡等属于典型的海河洄游鱼类。河川洄游鱼类也称半洄游鱼类，属淡水鱼类，生活在淡水环境。 河川洄游鱼类为了产卵、索饵和越冬，从静水水体（如湖泊）洄游到流水水体（如江河）或相反方向进行季节性迁徙。 我国四大家鱼（草、青、鲢、鳙）就属半洄游鱼类。物种流还包括漂浮型鱼卵和汛期树种漂流传播。

③信息流：水生态系统中，河流作为信息传递的主要通道。 河流通过水位、流量和水温的变化，为诸多鱼类、底栖动物及着生藻类等生物传递着生命节律的信号。 例如：当洪水来临时，河流水位上涨，水体横向漫溢到洪泛滩区，鱼类感知到洪水脉冲的信号后，离开主槽，游到浅滩、湿地寻找避难场所或产卵场； 当水位回落时，鱼类又回到河流主槽。 一些河漫滩植物的种子传播与发芽在很大程度上依赖于洪水脉冲，即高水位时种子得以传播，低水位时种子萌芽。

3.保障水生态系统服务功能

区域河湖水系连通工程提高了水生态系统的结构完整度和功能过程完成度，其支撑形成的区域生态水网，可以为人类社会提供可持续的生态系统服务功能。 《千禧年生态系统评估》（Millennium Ecosystem Assessment，2005）中将生态系统服务功能分为四类，分别为供给功能、支持功能、调节功能及文化功能。

对于供给功能，通过河湖水系连通和有效调控手段，调剂流域内河流湖泊间、干流支流间以及水库之间的水量，实现水资源优化配置，保障各类用水目标的实现，并且功能过程完成性的提高也增加了水生生物资源量及其多样性；对于支持功能，恢复连通性提高了水生态系统内物质流、物种流、 信息流的功能过程完成度，进而恢复和创造多样的栖息地条件，维系物种多样性。 同时也为洄游鱼类和其他生物的迁徙提供廊道； 对于调节功能， 恢复连通性有利于提高水体的自净功能，改善湖泊水动力学条件，防止富营养化。同时，与河流连通的湖泊、湿地、河漫滩能够发挥系统性蓄滞洪作用， 降低洪水风险； 对于文化功能， 一系列河湖水系连通工程落实之后， 可以提高区域内河湖水系的美学价值和文化功能， 进而形成区域名片效应， 推动生态旅游的发展以及美丽乡村建设， 提高群众生活质量和幸福指数，为“人民日益增长的美好生活需要”提供优质水利生态文化产品。

三、河湖水系三流四维连通性生态模型

为了系统表述区域河湖水系连通工程的生态学意义，董哲仁教授等提出了河湖水系三流四维连通性生态模型，从水生态系统整体性基本原理出发，系统揭示了水文过程驱动下河湖水系内关键生态因子时空变化机理，围绕水系结构完整度和功能过程的完成度，建立了水系生态系统结构-功能-过程之间的复杂响应关系。

模型定义为：在河湖水系生态系统， 水文过程驱动下的物质流Mi、物种流Si 和信息流Ii 在3 维空间（i=x,y, z） 运动所引起的生态响应Ei 是Mi、Si 和Ii 的函数，同时，生态响应Ei随 时 间 维 度 的 变 化，ΔEi 是Mi、Si 和Ii 变化ΔMi、ΔSi 和ΔIi 的函数， 三维空间指的是河流纵向y 的上下游连通性、河流侧向x 的河道与河漫滩连通性及河流垂向z 的地表水与地下水连通性。 除了考虑自然状态下的河湖水系连通性以外，三流四维连通性生态模型还考虑人类对水资源和水能资源开发对连通性的影响， 主要包括水坝等河流纵向障碍物、 堤防等河流侧向障碍物、 地面不透水铺设和河道硬质衬砌对河流垂向渗透性影响等。

为使三流四维连通性生态模型定量化，需要在三维空间和时间维度上选择生态响应特征值； 物质流、物种流和信息流的多种变量/参数（见表1）。 在水文参数方面，可采用自然水流范式5 种水文组分：流量、频率、时机、延续时间和过程变化率，以及32个水文指标变化描述。 针对不同类型的连通性问题，选择的水文组分有所侧重。 在水体物理化学参数方面，选择泥沙、水质和水温的相关指标做模型参数。 在地貌、地质参数方面，河流纵向上，物理障碍物的数量和规模无疑是连通性的重要参数； 河流垂向上，地表渗透性能、土壤/裂隙岩体渗透系数、降雨入渗率是地表水与地下水交换的重要参数。 在生物参数方面，在河流纵向和侧向，洄游鱼类和大型无脊椎动物物种多样性指数和丰度、漂浮性鱼卵传播距离、河流竖向底栖动物和土壤动物的丰度、河漫滩植被盖度等都可选择为生态响应特征值。

表1 河湖水系三流四维连通性生态模型特征值、参数、变量和判据（修改自董哲仁，2019）

河湖水系三流四维连通性生态模型的用途，一是用于河湖水系连通性评估。 其步骤是利用历史和调查资料，对模型各参数赋值，建立起大规模开发水资源和水能资源前的连通性生态模型，成为参照系统。 按照河流生态状况分级系统方法，对连通性进行分级，进而对河湖水系连通性现状进行评估。 二是对连通的生态过程进行仿真模拟计算。 以洪水漫溢的侧向连通性为例，涨水期间，洪水漫溢向河漫滩输入了大量营养物质；洪水消退，大量有机残骸物和其他有机物进入主槽顺流输移，完成高效的物质交换和能量转移过程。 连通性生态模型用物质流概念（水体、营养物质、有机残骸物的流动）代替水流概念。 同时， 涨水期间鱼类进入主槽外的河漫滩，找到避难所和产卵场。 洪水消退鱼类回归主槽。 在本模型中，采用物种流概念更能反映鱼类生活史习性。 另外，用水文过程变化率作为反映洪水脉冲强度的参数； 用水文事件时机与鱼类产卵期的耦合程度反映水文条件的适宜性；用漫滩水位作为水流方向改变的判据。应用这些概念构成的连通性生态模型的模拟结果，更能接近洪水漫溢的自然过程。

四、结 语

开展好区域河湖水系连通工作，首先需要深化理解区域河湖水系连通工程的生态学意义， 夯实区域河湖水系连通生态响应的科学研究基础， 客观评价水系连通工程对河流生态系统的叠加累积性影响， 摸清水文水动力因子和生态环境因子的关系规律， 从水生态系统整体性角度探究水系格局与生态系统稳定性的作用机制，从区域（流域）尺度制定可行的河湖水系连通工程布局方案， 使区域水系连通工程综合效益最大、生态影响最小。 其次，应将恢复河湖水系连通性规划与流域综合规划相协调， 发挥河湖水系连通的综合功能， 并将工程措施与管理措施相结合、 物理结构连通与水文过程连通相结合， 合理确定恢复连通性目标， 充分论证各种不利因素和工程负面影响， 制定适应性管理预案。 再次，区域河湖水系连通工程不只是意味着工程建设， 在水网地区建立多约束多目标多情景的闸坝泵站群联合优化调控方案有时更能有效恢复区域水动力连通特征；最后，需不断建立完善区域河湖水系连通工作的体制机制保障， 合理防控风险， 充分发挥河湖水系连通工程在建设生态水网、 复苏河湖生态环境等方面的积极作用。 ■