洪水脈沖理論及其在河流生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

洪水脈沖理論及其在河流生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用（張晶董哲仁）摘要：在介紹洪水脈沖理論的基礎(chǔ)上，重點闡述了與洪水脈沖相應(yīng)的生態(tài)過程。同時，分析了Junk提出的洪水脈沖理論的局限性，進(jìn)一步回顧了洪水脈沖理論的發(fā)展完善過程。最后，指出了洪水脈沖理論在河流生態(tài)修復(fù)研究中的應(yīng)用價值，并以美國基西米河生態(tài)修復(fù)工程為例予以說明。關(guān)鍵詞：洪水脈沖理論洪泛灘區(qū)河流生態(tài)學(xué)生態(tài)恢復(fù)FloodPulseConceptanditsApplicationinRiverEcologicalRestorationZhangJing,DongZherenAbstract:EcologicalprocessdescribedbythefloodpulseconceptispresentedonthebasisofintroductionofthefloodpulseconceptofJunk.Thelimitationoffloodpulseconceptisalsodiscussedalongwiththereviewofdevelopmentoffloodpulseconcept.Finally,theapplicablevalueoftheconceptinriverecosystemrestorationispresented,takingtheKissimmeeRiver,USAasatypicalexample.Keywords:floodpulseconcept;floodplain;riverecology;ecologicalrestoration中圖分類號：TV877文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1000-1123（2008）15-0001-04由于全球氣候變化、水資源危機(jī)和水生態(tài)惡化的頻繁發(fā)生，促使人們給予河流更多的關(guān)注，河流生態(tài)學(xué)研究由此日趨活躍，并發(fā)展成為一門高度交叉型學(xué)科（生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、

生物學(xué)、地貌學(xué)等)，其理論體系也得到迅速發(fā)展。河流生態(tài)學(xué)家陸續(xù)提出河流連續(xù)體理論［1］、河流水力學(xué)理論［2］、順次不連續(xù)理論等10大理論［3］,使人們對河流生態(tài)有了更深入的理解。其中，洪水脈沖理論(Floodpulseconcept,FPC)［4］是Junk等人基于在亞馬孫河和密西西比河的長期觀測和數(shù)據(jù)積累，于1989年提出的河流生態(tài)理論。洪水脈沖理論著眼于河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的整體性和洪水脈沖對河流一洪泛灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要性,關(guān)注洪水側(cè)向漫溢產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的生態(tài)過程，同時還關(guān)注水文情勢特別是水位漲落過程對生物過程的影響。洪水脈沖理論可以作為河流生態(tài)修復(fù)的理論基礎(chǔ)之一，應(yīng)用于水庫的生態(tài)調(diào)度以及恢復(fù)河流一洪泛灘區(qū)的連通性等方面。本文旨在推進(jìn)對洪水脈沖理論的理解，進(jìn)一步認(rèn)識洪水脈沖的生態(tài)作用，指導(dǎo)河流生態(tài)修復(fù)。一、洪水脈沖理論內(nèi)容1.洪水脈沖理論概念模型(1)洪水脈沖的生態(tài)過程Junk提出，洪水脈沖是河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)生物生存、生產(chǎn)力和交互作用的主要驅(qū)動力。在大型原始熱帶河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)，周期性的洪水脈沖可造成有機(jī)體的適應(yīng)和對洪泛灘區(qū)的有效利用。洪水水位漲落引起的生態(tài)過程，直接或間接影響河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的水生或陸生生物群落的組成和種群密度，也會引發(fā)不同的行為特點，比如鳥類遷徙、魚類洄游、涉禽的繁殖以及陸生無脊椎動物的繁殖和遷徙。圖1可說明洪水脈沖的生態(tài)過程：洪水期間，河流水位上漲，水體側(cè)向漫溢到洪泛灘區(qū)，河流水體中的有機(jī)物、無機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì)隨水體涌入灘區(qū)，受淹土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)得到釋放，洪泛灘區(qū)初級生產(chǎn)力大大增加，陸生生物或腐爛分解，或遷徙到未淹沒地區(qū)，或?qū)樗a(chǎn)生適應(yīng)性；水生生物或適應(yīng)淹沒環(huán)境或遷徙到灘地，部分魚類開始產(chǎn)卵；當(dāng)水位回落，水體回歸主槽，灘區(qū)水體攜帶陸生生物腐殖質(zhì)進(jìn)入河流，洪泛灘區(qū)被陸生生物重新占領(lǐng)，大量的水鳥產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)擱淺并且匯集成為陸生生物的食物網(wǎng)的組成部分，水生生物或者向相對持久的水塘、濕地遷徙，或者適應(yīng)周期性的干旱條件，水塘、濕地等相對持久性水體與河流主流逐漸隔離。生物生產(chǎn)力在洪水循環(huán)中因過程的多變性得以提高，因此洪水脈沖對維持遺傳和物種多樣性、保護(hù)特有的自然現(xiàn)象有重要意義。

■化?屯JLHH陸?汕囪為曲需K、仙冋；!;■化?屯JLHH陸?汕囪為曲需K、仙冋；!;整EHIt圖1洪水脈沖生態(tài)過程示意圖(2)洪水脈沖理論幾個關(guān)鍵概念水陸過渡帶在Junk的洪水脈沖理論中，他將'洪泛灘區(qū)(floodplain)”明確定義為：定期被側(cè)向溢流、降雨或地下水淹沒的區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生的物化環(huán)境能導(dǎo)致生物產(chǎn)生形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)、生物氣候?qū)W或生態(tài)學(xué)適應(yīng)性等方面的反應(yīng)，從而產(chǎn)生特定的群落結(jié)構(gòu)，稱為水陸過渡帶(aquatic/terrestrialtransitionzone,ATTZ)。也有學(xué)者認(rèn)為洪泛灘區(qū)在生態(tài)學(xué)中屬于群落過渡帶(ecotone)(圖2)。

圖2河流一洪泛灘區(qū)橫斷面移動岸線移動岸線(Movinglittoral)是Junk洪水脈沖理論中另一個重要的概念。移動岸線指水生環(huán)境的近河岸帶邊緣，橫穿洪泛灘區(qū)或水陸交錯帶。洪泛灘區(qū)上的移動岸線可使有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)快速循環(huán)，因而產(chǎn)生較高的生產(chǎn)力。移動岸線是洪泛灘區(qū)上的一個主要活力區(qū)[5],該區(qū)在漲水和退水時會橫穿洪泛灘區(qū)，使有機(jī)物和營養(yǎng)物形成較高的周轉(zhuǎn)率(turnoverrate)，而這種洪泛灘區(qū)的面積遠(yuǎn)大于永久性動靜水體的面積。退水時移動岸線的倒退會使?fàn)I養(yǎng)物流失和濃縮，導(dǎo)致浮游植物大量生長；漲水時，則可為魚類提供營養(yǎng)物質(zhì)，為無脊椎動物提供優(yōu)質(zhì)的生存環(huán)境。高速公路類比部分研究者發(fā)現(xiàn)主河道中生存著各種魚類，但最高的生產(chǎn)力卻出現(xiàn)在相鄰的洪泛灘區(qū)中，而且大多數(shù)生產(chǎn)力來自洪泛灘區(qū)棲息地。因此Junk認(rèn)為，在河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)中，主要生態(tài)過程發(fā)生在洪泛灘區(qū)，而主河道只是用作生物遷移的路線。Junk將河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)中的河流網(wǎng)絡(luò)按照高速公路類比(HighwayAnalogy)，其中主河道代表高速公路,河道中的魚類等生物代表公路上的車輛,洪泛灘區(qū)則提供高速公路以外的產(chǎn)品來源，如農(nóng)場、

油田、礦山等。在這樣的類比下，河流僅作為通往喂食、育種、產(chǎn)卵區(qū)域的路線，或低溫季節(jié)時的避難所。2.Junk洪水脈沖理論的局限雖然洪水脈沖概念相比河流連續(xù)體概念，對水流向洪泛灘區(qū)側(cè)向漫溢產(chǎn)生的生態(tài)過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，但由于河流一洪泛灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，Junk概念模型仍有其局限性。研究對象范圍偏小Junk洪水脈沖理論的產(chǎn)生主要是基于熱帶亞馬孫河的觀察試驗研究，因此大部分內(nèi)容僅適用于大型熱帶原始河流低地。該理論能否適用于亞熱帶或溫帶河流，還需要系統(tǒng)的觀察和研究論證。目前國內(nèi)外河流大多經(jīng)過人工改造，完全原始的河流已屬罕見，因此也需要將理論擴(kuò)展至非原始狀態(tài)的河流，要考慮建有大壩等水利設(shè)施的河流如何應(yīng)用洪水脈沖理論，還需考慮其他人為活動對河流的影響。高速公路類比存在問題河流一洪泛灘區(qū)是不可分割的系統(tǒng)，河流生產(chǎn)力也不可忽視。洪泛灘區(qū)的生物群落既具有灘區(qū)自身特征又兼有相鄰的河流生物群落特征。有學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)物質(zhì)的輸入和生產(chǎn)量來自上游流域、洪泛灘區(qū)和河流本身，至于這三部分對于河流有機(jī)物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)比例，取決于三者的生產(chǎn)量和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸條件。Galat等人［6］通過分析歐美8條河流中的淡水魚類對棲息地的利用，發(fā)現(xiàn)其中約29%的魚類棲息在河流中，多種魚類需要在河流棲息地中完成生命周期。Dettmer［7］研究了主河道能量的重要性，通過對主河道中魚類、浮游動物和底棲無脊椎動物的研究，提出主河道中能量水平較高，主河道能提供獨特的食物網(wǎng)。缺乏機(jī)理研究

Junk洪水脈沖理論描述了洪水的生態(tài)過程和生態(tài)效應(yīng)，但未解釋清楚其機(jī)理，如物理系統(tǒng)與生物系統(tǒng)之間如何互相發(fā)生作用，人類活動如何產(chǎn)生影響，需要建立定量或半定量的模型。Sedell[8]提出通過確定洪泛灘區(qū)寬度與河流寬度的比例、海岸線長度與水體表面積的比例來預(yù)測河流的物理或生態(tài)特性，也有人提出可用洪水泛濫的面積和時間進(jìn)行預(yù)測。3■洪水脈沖理論的發(fā)展完善洪水脈沖理論誕生近20年的時間里，有關(guān)洪泛灘區(qū)的研究成果不斷涌現(xiàn)，多名研究者對洪水脈沖理論在下萊茵河洪泛灘區(qū)、密西西比河等不同河流進(jìn)行了實驗驗證，并不斷提出新的觀點，對洪水脈沖理論進(jìn)行修正、完善。研究者將洪水脈沖理論的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到溫帶地區(qū)[9]-[11]，Tockner[9]提出在溫帶地區(qū)除考慮洪水脈沖外，還需考慮溫度變化對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。2003年,Junk[12]提出該理論并不限制于大型熱帶河流，可以作為大型河流一洪泛灘區(qū)系統(tǒng)的一般概念。對河流水文特性的研究也有助于更多地理解河流的生態(tài)過程，因此Puckridgr[13]等提出識別水文變量的方法，并提供了根據(jù)水文變量的河流分類方法，強(qiáng)調(diào)了水位變化在棲息地大小和特性的影響。Benke[14]等利用航拍和GIS資料對Ogeechee河(unregulatedriver)58年間洪水泛濫的動態(tài)變化、洪泛灘區(qū)不同時期的淹沒面積進(jìn)行了定量研究，發(fā)現(xiàn)該河流洪水的可預(yù)測性和持續(xù)時間均低于熱帶大型河流，且洪水是因季節(jié)性的蒸散發(fā)變化引起，不同于熱帶河流因降雨引起的洪水。有學(xué)者認(rèn)為洪水的大小產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)不盡相同。中等洪水脈沖產(chǎn)生的干擾對于灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生物群落多樣性存在著更多的有利影響，特大、罕見洪水對于灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生破壞作用甚至引起災(zāi)難性的后果。二、洪水脈沖理論的應(yīng)用

洪水脈沖概念可在河流系統(tǒng)生態(tài)修復(fù)的5個方面作為基本理念和技術(shù)方法應(yīng)用。兼顧生態(tài)的水庫多目標(biāo)調(diào)度人工徑流調(diào)節(jié)水文過程線盡可能模擬河流自然水文過程線，以產(chǎn)生河流脈沖效應(yīng)［15］。美國基西米河生態(tài)修復(fù)計劃中就包括恢復(fù)自然河流洪水脈沖的內(nèi)容?；謴?fù)自然水文情勢河流生態(tài)恢復(fù)僅僅有生態(tài)基流還是不夠的，還需要考慮其水文過程。因此在改善河流物理棲息地的同時，需要考慮提高水文情勢多樣性(diversityofhydrologicalregime)［16］，以全面提高棲息地的空間異質(zhì)性。另外，河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃工作需要調(diào)查水域生物生活史，特別是生物對于水文情勢的生理學(xué)需求，在此基礎(chǔ)上改善河流的水文、水力學(xué)條件?；謴?fù)河流一灘區(qū)系統(tǒng)的連通性河流與灘區(qū)、湖泊、水塘、濕地的連通性是洪水脈沖效應(yīng)的地貌學(xué)基礎(chǔ)，因此恢復(fù)河流一灘區(qū)系統(tǒng)的連通性是河流生態(tài)修復(fù)的一個重要任務(wù)。在河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃中應(yīng)在流域的整體尺度上全盤考慮恢復(fù)連通性問題。如拆除效能低下阻隔水體流通的閘壩；恢復(fù)通江湖泊的口門；合理調(diào)度閘壩等工程設(shè)施；疏浚阻礙水系連通的河道等。洪泛灘區(qū)的恢復(fù)近幾十年來，各類經(jīng)濟(jì)活動對于洪泛灘區(qū)的圍墾侵占，不但降低了上述灘區(qū)的生態(tài)功能，而且降低了防洪功能，增大了洪水風(fēng)險。因此，洪泛灘區(qū)的恢復(fù)應(yīng)結(jié)合防洪工程整體進(jìn)行規(guī)劃。在有條件的河段擴(kuò)大堤防間距以擴(kuò)大灘區(qū)，提高蓄滯洪水能力。退化濕地景觀的恢復(fù)

規(guī)模較大的洪水可使洪泛灘區(qū)范圍內(nèi)的鹽堿地、沼澤濕地和草地轉(zhuǎn)換為河流湖泊濕地,或?qū)⒋竺娣e草地和鹽堿地轉(zhuǎn)換為沼澤濕地，景觀破碎化降低，整體性增強(qiáng)，恢復(fù)退化濕地景觀中的生態(tài)功能［17］。三、基西米河洪水脈沖恢復(fù)實例基西米河位于美國佛羅里達(dá)州賓西法尼亞南部的中心地區(qū)，源頭流域面積為4229km2，流域包括基西米河、2-5km寬的洪泛灘區(qū)和側(cè)向支流。1962-1971年間，河流一洪泛灘區(qū)廊道上建立了一系列防洪工程，造成濕地和相關(guān)魚類及野生生物資源的減少和水質(zhì)的下降，促成了20年之久的相關(guān)恢復(fù)研究［18］。歷史基西米河水文和生態(tài)特性基西米河的水文情勢在亞熱帶河流中比較典型，最高流量常在夏秋雨季末出現(xiàn)。基西米湖的流量由高流量脈沖（＞85m3/s）、中流量脈沖（28-56m3/s）和低流量脈沖構(gòu)成（圖3）。在渠道化之前，河床渠道側(cè)面有16000hm2洪泛灘區(qū)濕地為河流生物群落多樣性提供了基本條件，可支持300多種魚類和野生動物種群棲息。fflofflo5OC3W2001W年儉ES3基西米湖出口處歷史流壘水利工程的脅迫1962-1971年，河流一洪泛灘區(qū)廊道上建立了一系列防洪工程。自然河流的渠道化使生境單調(diào)化，水流側(cè)向聯(lián)通性受到阻隔，水閘的人工調(diào)節(jié)改變了原來脈沖式的自然水文周期變化。這些綜合結(jié)果是生境質(zhì)量的大幅度降低。據(jù)統(tǒng)計，保存下來的天然河道的魚類和野生動物棲息地數(shù)量減少了40%；人工開挖的C-38運(yùn)河，其棲息地數(shù)量比歷史自然河道減少了67%。其結(jié)果是生物群落多樣性大幅度下降，據(jù)調(diào)查，減少了92%的過冬水鳥，魚類種群數(shù)量也大幅度下降［19］。洪水脈沖恢復(fù)工程自1976年開始，對重建河道生物棲息地進(jìn)行了規(guī)劃和評估，經(jīng)過7年的研究工作，提出了基西米河渠道化河道的恢復(fù)工程規(guī)劃報告，規(guī)劃提出的工程任務(wù)是重建自然河道和恢復(fù)自然水文過程，將恢復(fù)包括寬葉林沼澤地、草地和濕地等多種生物棲息地，最終目的是恢復(fù)洪泛平原的整個生態(tài)系統(tǒng)?；謴?fù)前景洪水脈沖特點的恢復(fù)包括水位的初始提高、洪泛灘區(qū)長時間淹沒頻次、較低的水位回退速度（表1）。2001年第一期工程完成后的6年中，已監(jiān)測到12次洪水脈沖，但時間短于原

來洪水脈沖［20］。結(jié)合歷史系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用生態(tài)上相似但未被干擾的參考河段數(shù)據(jù)，應(yīng)用河流一洪泛灘區(qū)生態(tài)系統(tǒng)方式與過程概念模型數(shù)據(jù)，可預(yù)測基西米河的恢復(fù)前景。古:有關(guān)的饒復(fù)洪水眛沖洪泛灘醫(yī)曲襪闊葉樹沼襌爭落的應(yīng)洪水淹沒期延德很地隆木群落的憐蔑，就勢群常為鳳箱蘋和柳樹洪水厳沒朝延民猊草原群苗囲恢復(fù)?主湮包括咅性或靈性濕地禾卒蘋糞、辱車、.燈芯罕、1E禾本乘宕占恢復(fù)后洪泛陽區(qū)的曲騎枝短、寥交制洪樂潢決期折續(xù)的軍節(jié)性干早水主死券椎主鉗水生無眷推生物通過內(nèi)遷或產(chǎn)卵的沁褊益或主動腿行穿過河疣一泯眨辟區(qū)的避界移居到新迂需的淇眨曲區(qū)苜諛洪水際沖水生無詩稚生糊髀祐的燼谿種冀豐于［怨生產(chǎn)圣野年環(huán)斷増加延長、參變的洪水溝投期羌卷推生韌的主物蠱卿陰滝區(qū)輸出到河道中緩潼的以僮回退兩權(quán)糞和爬行冀恢鷹后的洪迂灘區(qū)內(nèi)參于對種爬行動物辭常的恢復(fù)延氏、參變的洪水淹投期恢羈的洪汪涌區(qū)向兩犧夷師蟲可価測的辜苗性生菠酸頰睡耳、勢愛的浜汞憑泱霸魚糞費(fèi)時尿河遊游入洪泛帶區(qū)栢恵地首設(shè)洪水豚沖丈型魚據(jù)旬丟用憐篁石的洪奩灘區(qū)棲思地.至少包括四種供垂釣魚芙，其相免豐宙底占洪迂罐匡母眶的弭輛延長的洪水槪役期當(dāng)?shù)仞D料魚群港的像復(fù)延械旳洪忒淹渋期烏糞群嵇水鳥數(shù)崑的季節(jié)性増加，主要是恢復(fù)右洪眨灘區(qū)上的藍(lán)翅鴨曲卷地脖鴨校短的淇術(shù)淹沒期，慶夏后洪在灘置上的穆倉豆牟的密度堆加〉1曲％區(qū)裱、話亜的浜水逼沒期歷史上的2—5個寒殖醫(yī)的恢匣，至少包括4種光于刃對配偶朗種群延扶、多便的洪水逼投期疑履的水位回退謹(jǐn)率恢夏后洪豆灘區(qū)上雀犧巨鳥類的増加曲卵b延長的淇水潑役期參考文獻(xiàn)VannoteL.,MinshallG.W.,CumminsK.W.,&SedellJ.R.,CushingC.E.Therivercontinuumconcept[J].CanadianJournalofFisheriesandAquaticSciences,1980,37:130-137.

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