趙進(jìn)勇，丁 洋，張 晶，彭文啟，馮 碩

（中國水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，100038，北京）

河湖水系連通是解決水資源短缺、水安全威脅、水環(huán)境污染、水生態(tài)損害等問題的重要途徑。 構(gòu)建國家、區(qū)域、城市層面布局合理、功能完備、工程優(yōu)化、保障有力的河湖水系連通格局， 對于提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、供水安全保障能力、防洪除澇減災(zāi)能力、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)能力和應(yīng)急保障能力具有重要作用。

2013 年水利部出臺《關(guān)于推進(jìn)江河湖庫水系連通工作的指導(dǎo)意見》，將河湖水系連通工程分為防洪減災(zāi)、水資源配置和水生態(tài)環(huán)境修復(fù)三種類型。 2013 年起，水利部選擇兩批共105 個基礎(chǔ)條件較好、 代表性和典型性較強(qiáng)的城市開展水生態(tài)文明試點(diǎn)建設(shè)，將河湖水系連通作為重要建設(shè)內(nèi)容。2015 年起，水利部、財政部聯(lián)合開展河湖水系連通建設(shè)，2015—2019年，累計支持河湖水系連通建設(shè)任務(wù)295 個，2020 年支持水系連通及農(nóng)村水系綜合整治試點(diǎn)縣55 個，2021 年支持水系連通及水美鄉(xiāng)村建設(shè)試點(diǎn)30 個、2022 年42 個。2021 年，水利部印發(fā)《關(guān)于實(shí)施國家水網(wǎng)重大工程的指導(dǎo)意見》，提出了“綱、目、結(jié)”的國家水網(wǎng)總體布局，其中“目”的層級就是區(qū)域河湖水系連通工程和供水渠道。 中國水利水電科學(xué)研究院編制發(fā)布的《中國河湖幸福指數(shù)報告（2020）》和《世界河流幸福指數(shù)報告（2021）》中，均將“河流縱向連通性指數(shù)”作為指標(biāo)體系中的重要指標(biāo)之一。

河湖水系連通性是水生態(tài)系統(tǒng)完整性五大生態(tài)要素特征之一，其生態(tài)學(xué)機(jī)理已成為近十幾年國際河流生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究重點(diǎn)之一。 連通、自然、健康的水系是保障水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能永續(xù)發(fā)揮、支撐社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。 恢復(fù)河湖水系連通性是生態(tài)水利工程建設(shè)的重要內(nèi)容，是區(qū)域生態(tài)水網(wǎng)建設(shè)的基本保障。

一、區(qū)域河湖水系連通性的內(nèi)涵

區(qū)域河湖水系連通性是指在區(qū)域或流域尺度內(nèi)， 以水為介質(zhì)的物質(zhì)、物種和信息在河流干支流、湖庫、濕地等流域水系單元內(nèi)部或單元之間的傳輸轉(zhuǎn)移過程。 河湖水系連通性包含在河流縱向、 側(cè)向和垂向的物理連通性和水文連通性。 物理連通性是連通的基礎(chǔ)，反映河流地貌、水系結(jié)構(gòu)特征； 水文連通性是河湖生態(tài)過程的驅(qū)動力。 物理連通性與水文連通性相結(jié)合， 共同維系棲息地的多樣性和種群多樣性。 河湖水系連通的功能并不僅限于輸送水體， 而且還是水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)流、 物種流和信息流等關(guān)鍵功能過程的基礎(chǔ)。

對水生態(tài)系統(tǒng)而言，水系連通格局是決定生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性自維持的決定性因子。 河流連續(xù)性特征不僅是生物群落分布的連續(xù)性，更是生態(tài)系統(tǒng)生物學(xué)過程的連續(xù)性。 干支流、湖庫、濕地等流域水系單元連接、營養(yǎng)物質(zhì)輸送系統(tǒng)依靠河湖水系連通格局支持，暢通的水系連通格局有助于維系河湖水系的網(wǎng)絡(luò)和層級結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)水系單元之間的物質(zhì)、 物種、生物信息流動。

區(qū)域河湖水系連通工程是改善區(qū)域河湖水系連通性的重要措施，是建設(shè)區(qū)域生態(tài)水網(wǎng)、復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的重要內(nèi)容。 縱向上，區(qū)域河湖水系連通工程包括河道恢復(fù)或新建，旁路通道、綠色小水電、老舊小水壩退役與拆除，過魚設(shè)施、引水式電站閘壩生態(tài)改建， 水庫工程生態(tài)調(diào)度，閘壩泵站水工程群聯(lián)合調(diào)度等； 側(cè)向上，包括河道灘區(qū)系統(tǒng)連通，生態(tài)護(hù)岸、 岸坡型濕地水質(zhì)凈化景觀系統(tǒng)，通江湖泊恢復(fù)，河流廊道生態(tài)空間管控等；垂向上，包括生態(tài)清淤、河床底質(zhì)改善、濱水區(qū)低影響開發(fā)等。 實(shí)際應(yīng)用中，區(qū)域河湖水系連通工程是個多維度系統(tǒng)性工程，其目標(biāo)往往是某個或某幾個目標(biāo)主導(dǎo)下的多目標(biāo)體系，其應(yīng)用地點(diǎn)往往涵蓋城市地區(qū)藍(lán)綠水系廊道建設(shè)、農(nóng)村區(qū)域水系綜合整治、丘陵區(qū)引提蓄水等多個場景。

二、區(qū)域河湖水系連通工程的生態(tài)學(xué)意義

區(qū)域河湖水系連通工程的生態(tài)學(xué)意義主要體現(xiàn)在調(diào)整流域水系結(jié)構(gòu)、恢復(fù)關(guān)鍵水生態(tài)過程和保障水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能三個方面。

1.調(diào)整流域水系結(jié)構(gòu)

區(qū)域河湖水系連通工程可以調(diào)整水系的網(wǎng)絡(luò)和層級結(jié)構(gòu)。 這里的結(jié)構(gòu)指的是河流縱向側(cè)向垂向連通性所組成的三維空間結(jié)構(gòu)，以及表征連通性動態(tài)特性的時間結(jié)構(gòu)。

①河流縱向y 連通性：上下游連通性。 河流縱向y 的連通性是指河流從河源直至下游的上下游連通性，也包括干流與流域內(nèi)支流連通性以及最終與河口及海洋生態(tài)系統(tǒng)的連通性。 河流縱向連通性是諸多物種生存的基本條件。 縱向連通性保證了營養(yǎng)物質(zhì)輸移，魚類洄游和其他水生生物遷徙以及魚卵和樹種漂流傳播。

②河流側(cè)向x 連通性： 河道與河漫灘連通性。 河流側(cè)向x 連通性是指河流與河漫灘之間的連通性。 當(dāng)汛期河流水位超過平灘水位以后， 水流開始向河灘漫溢，形成河流-河漫灘連通系統(tǒng)。由于水位流量的動態(tài)變化，河漫灘淹沒范圍隨之?dāng)U大或縮小， 因而河流-河漫灘連通系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)。河流側(cè)向連通性的生態(tài)功能是形成河流-河漫灘有機(jī)物高效利用系統(tǒng)。洪水漫溢向河漫灘輸入了大量營養(yǎng)物質(zhì)。同時， 魚類在主槽外找到了避難所和產(chǎn)卵場。洪水消退，大量腐殖質(zhì)和其他有機(jī)物進(jìn)入主槽順流輸移， 形成高效物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)移條件。

③河流垂向z 連通性：地表水與地下水連通性。河流垂向連通性是指地表水與地下水之間的連通性。垂向連通性的功能是維持地表水與地下水的交換條件，維系無脊椎動物生存條件。 降雨滲入土壤，先是通過土壤表層，然后進(jìn)入飽和層或稱地下含水層。在含水層中水體儲存在土壤顆粒空隙或地下巖層裂隙之間。 含水層具有滲透性，容許水體緩慢流動，使得地表水與地下水能夠進(jìn)行交換。當(dāng)?shù)叵滤坏陀诤哟哺叱虝r，河流向地下水補(bǔ)水；反之當(dāng)?shù)叵滤桓哂诤哟矔r地下水給河流補(bǔ)水。地表水與地下水之間的水體交換促進(jìn)了溶解物質(zhì)和有機(jī)物的交換。

④連通性的動態(tài)特性。 水文連通性具有動態(tài)特征。 隨著降雨和徑流過程的時空變化，水位和流量相應(yīng)發(fā)生變化， 河流y、x、z 三個方向的連通狀況相應(yīng)改變。 河流縱向y 連通性會出現(xiàn)常年性連通或間歇性連通不同狀況；水網(wǎng)連通會出現(xiàn)水流正向或反向連通狀況；河湖連通會出現(xiàn)河湖間水體吞吐單向或雙向連通等多種狀況。河流側(cè)向x 連通性出現(xiàn)水流漫灘或不漫灘；漫灘面積擴(kuò)大或縮小等不同狀況。 河流垂向z 連通性隨著地下水/地表水水位相對關(guān)系變化，出現(xiàn)向地下水補(bǔ)水或向河流補(bǔ)水等不同狀況。

2.恢復(fù)關(guān)鍵水生態(tài)過程

河湖水系連通格局是生態(tài)過程的主要非生物驅(qū)動因子，水系格局及其連通模式控制生態(tài)系統(tǒng)組分形態(tài)結(jié)構(gòu)、競爭演替過程、存在與模式。 水生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)、物種和信息流的傳遞過程絕大部分與水系整體的暢通程度有關(guān)。 恢復(fù)過程就是恢復(fù)河湖水系內(nèi)物質(zhì)流、物種流和信息流等關(guān)鍵生態(tài)過程的順利完成，從而保障能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞等生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

①物質(zhì)流：包括水體、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)、木質(zhì)殘骸和污染物等。 物質(zhì)流為水生態(tài)系統(tǒng)輸送營養(yǎng)鹽和木質(zhì)殘骸等營養(yǎng)物質(zhì)，擔(dān)負(fù)泥沙輸移和河流塑造任務(wù)，也使污染物轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散。

②物種流：主要是魚類洄游。 根據(jù)洄游行為，可分為海河洄游類和河川洄游類。海河洄游魚類在其生命周期內(nèi)洄游于咸水與淡水棲息地，分為溯河洄游性魚類和降河洄游性魚類。我國的中華鱘、鰣魚、大馬哈魚和鰻鱺等屬于典型的海河洄游魚類。河川洄游魚類也稱半洄游魚類，屬淡水魚類，生活在淡水環(huán)境。 河川洄游魚類為了產(chǎn)卵、索餌和越冬，從靜水水體（如湖泊）洄游到流水水體（如江河）或相反方向進(jìn)行季節(jié)性遷徙。 我國四大家魚（草、青、鰱、鳙）就屬半洄游魚類。物種流還包括漂浮型魚卵和汛期樹種漂流傳播。

③信息流：水生態(tài)系統(tǒng)中，河流作為信息傳遞的主要通道。 河流通過水位、流量和水溫的變化，為諸多魚類、底棲動物及著生藻類等生物傳遞著生命節(jié)律的信號。 例如：當(dāng)洪水來臨時，河流水位上漲，水體橫向漫溢到洪泛灘區(qū)，魚類感知到洪水脈沖的信號后，離開主槽，游到淺灘、濕地尋找避難場所或產(chǎn)卵場； 當(dāng)水位回落時，魚類又回到河流主槽。 一些河漫灘植物的種子傳播與發(fā)芽在很大程度上依賴于洪水脈沖，即高水位時種子得以傳播，低水位時種子萌芽。

3.保障水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

區(qū)域河湖水系連通工程提高了水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整度和功能過程完成度，其支撐形成的區(qū)域生態(tài)水網(wǎng)，可以為人類社會提供可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。 《千禧年生態(tài)系統(tǒng)評估》（Millennium Ecosystem Assessment，2005）中將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為四類，分別為供給功能、支持功能、調(diào)節(jié)功能及文化功能。

對于供給功能，通過河湖水系連通和有效調(diào)控手段，調(diào)劑流域內(nèi)河流湖泊間、干流支流間以及水庫之間的水量，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，保障各類用水目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并且功能過程完成性的提高也增加了水生生物資源量及其多樣性；對于支持功能，恢復(fù)連通性提高了水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)流、物種流、 信息流的功能過程完成度，進(jìn)而恢復(fù)和創(chuàng)造多樣的棲息地條件，維系物種多樣性。 同時也為洄游魚類和其他生物的遷徙提供廊道； 對于調(diào)節(jié)功能， 恢復(fù)連通性有利于提高水體的自凈功能，改善湖泊水動力學(xué)條件，防止富營養(yǎng)化。同時，與河流連通的湖泊、濕地、河漫灘能夠發(fā)揮系統(tǒng)性蓄滯洪作用， 降低洪水風(fēng)險； 對于文化功能， 一系列河湖水系連通工程落實(shí)之后， 可以提高區(qū)域內(nèi)河湖水系的美學(xué)價值和文化功能， 進(jìn)而形成區(qū)域名片效應(yīng)， 推動生態(tài)旅游的發(fā)展以及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)， 提高群眾生活質(zhì)量和幸福指數(shù)，為“人民日益增長的美好生活需要”提供優(yōu)質(zhì)水利生態(tài)文化產(chǎn)品。

三、河湖水系三流四維連通性生態(tài)模型

為了系統(tǒng)表述區(qū)域河湖水系連通工程的生態(tài)學(xué)意義，董哲仁教授等提出了河湖水系三流四維連通性生態(tài)模型，從水生態(tài)系統(tǒng)整體性基本原理出發(fā)，系統(tǒng)揭示了水文過程驅(qū)動下河湖水系內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)因子時空變化機(jī)理，圍繞水系結(jié)構(gòu)完整度和功能過程的完成度，建立了水系生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-功能-過程之間的復(fù)雜響應(yīng)關(guān)系。

模型定義為：在河湖水系生態(tài)系統(tǒng)， 水文過程驅(qū)動下的物質(zhì)流Mi、物種流Si 和信息流Ii 在3 維空間（i=x,y, z） 運(yùn)動所引起的生態(tài)響應(yīng)Ei 是Mi、Si 和Ii 的函數(shù)，同時，生態(tài)響應(yīng)Ei隨 時 間 維 度 的 變 化，ΔEi 是Mi、Si 和Ii 變化ΔMi、ΔSi 和ΔIi 的函數(shù)， 三維空間指的是河流縱向y 的上下游連通性、河流側(cè)向x 的河道與河漫灘連通性及河流垂向z 的地表水與地下水連通性。 除了考慮自然狀態(tài)下的河湖水系連通性以外，三流四維連通性生態(tài)模型還考慮人類對水資源和水能資源開發(fā)對連通性的影響， 主要包括水壩等河流縱向障礙物、 堤防等河流側(cè)向障礙物、 地面不透水鋪設(shè)和河道硬質(zhì)襯砌對河流垂向滲透性影響等。

為使三流四維連通性生態(tài)模型定量化，需要在三維空間和時間維度上選擇生態(tài)響應(yīng)特征值； 物質(zhì)流、物種流和信息流的多種變量/參數(shù)（見表1）。 在水文參數(shù)方面，可采用自然水流范式5 種水文組分：流量、頻率、時機(jī)、延續(xù)時間和過程變化率，以及32個水文指標(biāo)變化描述。 針對不同類型的連通性問題，選擇的水文組分有所側(cè)重。 在水體物理化學(xué)參數(shù)方面，選擇泥沙、水質(zhì)和水溫的相關(guān)指標(biāo)做模型參數(shù)。 在地貌、地質(zhì)參數(shù)方面，河流縱向上，物理障礙物的數(shù)量和規(guī)模無疑是連通性的重要參數(shù)； 河流垂向上，地表滲透性能、土壤/裂隙巖體滲透系數(shù)、降雨入滲率是地表水與地下水交換的重要參數(shù)。 在生物參數(shù)方面，在河流縱向和側(cè)向，洄游魚類和大型無脊椎動物物種多樣性指數(shù)和豐度、漂浮性魚卵傳播距離、河流豎向底棲動物和土壤動物的豐度、河漫灘植被蓋度等都可選擇為生態(tài)響應(yīng)特征值。

表1 河湖水系三流四維連通性生態(tài)模型特征值、參數(shù)、變量和判據(jù)（修改自董哲仁，2019）

河湖水系三流四維連通性生態(tài)模型的用途，一是用于河湖水系連通性評估。 其步驟是利用歷史和調(diào)查資料，對模型各參數(shù)賦值，建立起大規(guī)模開發(fā)水資源和水能資源前的連通性生態(tài)模型，成為參照系統(tǒng)。 按照河流生態(tài)狀況分級系統(tǒng)方法，對連通性進(jìn)行分級，進(jìn)而對河湖水系連通性現(xiàn)狀進(jìn)行評估。 二是對連通的生態(tài)過程進(jìn)行仿真模擬計算。 以洪水漫溢的側(cè)向連通性為例，漲水期間，洪水漫溢向河漫灘輸入了大量營養(yǎng)物質(zhì)；洪水消退，大量有機(jī)殘骸物和其他有機(jī)物進(jìn)入主槽順流輸移，完成高效的物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)移過程。 連通性生態(tài)模型用物質(zhì)流概念（水體、營養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)殘骸物的流動）代替水流概念。 同時， 漲水期間魚類進(jìn)入主槽外的河漫灘，找到避難所和產(chǎn)卵場。 洪水消退魚類回歸主槽。 在本模型中，采用物種流概念更能反映魚類生活史習(xí)性。 另外，用水文過程變化率作為反映洪水脈沖強(qiáng)度的參數(shù)； 用水文事件時機(jī)與魚類產(chǎn)卵期的耦合程度反映水文條件的適宜性；用漫灘水位作為水流方向改變的判據(jù)。應(yīng)用這些概念構(gòu)成的連通性生態(tài)模型的模擬結(jié)果，更能接近洪水漫溢的自然過程。

四、結(jié) 語

開展好區(qū)域河湖水系連通工作，首先需要深化理解區(qū)域河湖水系連通工程的生態(tài)學(xué)意義， 夯實(shí)區(qū)域河湖水系連通生態(tài)響應(yīng)的科學(xué)研究基礎(chǔ)， 客觀評價水系連通工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的疊加累積性影響， 摸清水文水動力因子和生態(tài)環(huán)境因子的關(guān)系規(guī)律， 從水生態(tài)系統(tǒng)整體性角度探究水系格局與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用機(jī)制，從區(qū)域（流域）尺度制定可行的河湖水系連通工程布局方案， 使區(qū)域水系連通工程綜合效益最大、生態(tài)影響最小。 其次，應(yīng)將恢復(fù)河湖水系連通性規(guī)劃與流域綜合規(guī)劃相協(xié)調(diào)， 發(fā)揮河湖水系連通的綜合功能， 并將工程措施與管理措施相結(jié)合、 物理結(jié)構(gòu)連通與水文過程連通相結(jié)合， 合理確定恢復(fù)連通性目標(biāo)， 充分論證各種不利因素和工程負(fù)面影響， 制定適應(yīng)性管理預(yù)案。 再次，區(qū)域河湖水系連通工程不只是意味著工程建設(shè)， 在水網(wǎng)地區(qū)建立多約束多目標(biāo)多情景的閘壩泵站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控方案有時更能有效恢復(fù)區(qū)域水動力連通特征；最后，需不斷建立完善區(qū)域河湖水系連通工作的體制機(jī)制保障， 合理防控風(fēng)險， 充分發(fā)揮河湖水系連通工程在建設(shè)生態(tài)水網(wǎng)、 復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境等方面的積極作用。 ■