水流特性對生態(tài)環(huán)境影響分析

1、水流特性對河流生態(tài)環(huán)境影響分析摘 要：河道水流特性主要包括水位、流量、流速及其分布、動水壓強等，水流特性與河床的邊界條件密 切相關，而河床邊界又是聯(lián)系河道水流與生態(tài)系統(tǒng)的載體與紐帶。本文從河道水流特性與生態(tài)環(huán)境之間的 關系入手，闡述了河道水流特性對水生生物的影響，分析了水生生物生長狀況的變化所導致的水流環(huán)境的 變化。論述了河道中的局部建筑物 （閘壩工程）在除害興利、造福人類的同時，給河道生態(tài)環(huán)境帶來的負而 影響，河道的渠化和改道造成生態(tài)環(huán)境多樣化的減少乃至消失。關鍵詞：水流特性；生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)修復生態(tài)系統(tǒng)提指生物群落與其生存環(huán)境之間、生物種群之間密切聯(lián)系、相互作用，通過物質交換、能量轉換和信息

2、傳遞，成為占據一定空間、具有一定結構、執(zhí)行一定功能的動態(tài)平衡整體，而河道生態(tài)系統(tǒng) 是指河道中的水流與河流生物群落的關系，包括兩個方面：不同 的水流特性對水生生物的影響；水生生物生長狀態(tài)的變化所導致的水流環(huán)境的變化。河道通常分為天然河道和人工渠道。河道水流特性2主要包括水位、流量、流速及其分布、動水壓強等。從邊界條件來看，影響河道水流特性的因素主要有：過水斷面形狀、尺寸,河道縱斷面底坡及其變化，沿流向河道的順直程度，河床表面的粗糙程度以及局部建筑物等。 在斷面形狀、尺寸沿流程不變的順直的正坡明渠中，當粗糙系數(shù)沿程不變，通常形成均勻流；而天然河道因過水斷面一般極不規(guī)則，粗糙系數(shù)及底坡沿流程都有變化

3、，在天然河道中通常為非均勻流。從能量守恒和能量轉化的角度來看，當流量一定，過水斷面形狀、尺寸一定 時，均勻流水流平順，水力坡度較非均勻流小，故相同流段上單位重液體的能量損失小。所 以，在水利工程中，尤其是長距離的輸水工程，為了保持輸水能量，渠道盡可能裁彎取直， 以使水流平順，從而減小能量損失， 但從河道生態(tài)系統(tǒng)著眼， 水流特性與河道生態(tài)系統(tǒng)有著 密切關系，并非順直、單一斷面的河道才是最佳選擇。1水流環(huán)境與水生生物的關系1.1水流環(huán)境對水生生物的影響水生生物主要包括水生植物、水生無脊椎動物和魚類。 水生生物特有的生存特性使其對水流特性具有特定的要求，不同類的以及同類不同種的水生生物對水體的流量、

4、水位、流速和流態(tài)等都具有不同的要求。水量是河流水動力系統(tǒng)的基本構成，它限制著植物的分布，包括流速和剪應力變化對水生植物種類的影響，高流量和低流量變化對沿岸植物種類的影響。為滿足這些不斷變化的水流環(huán)境，動、植物種類必須不斷改變它們的形態(tài)、繁衍傳播方式以及生理條件來與之相適應。河流單元的不同時間和空間成分控制著植物種類的傳播和它們的生產力。河流系統(tǒng)中的物理條件從源頭到河口的變化往往是連續(xù)的，植物群落也隨之相應變化， 沿水流方向呈現(xiàn)帶狀分布。特征為：上游段為藻類，生產力較弱；在中游段，由于大型植物的存在， 生產力逐漸增加； 再往下游，這兩種類型的生產力逐漸減少。河道水流特性的縱向梯度 影響著水生動物

5、群落的空間次序。如在主河道中較大的流速，使很多大型無脊椎動物的生長受到限制。那些在河床的礫石、鵝卵石和大石頭上生存的種類必須承受水流的作用力，這種適應方式包括生物體形和行為。流速和水流的作用力不僅控制著無脊椎動物的微尺度分布，而且對食物的供應也起到很大的決定作用。例如，水流可以沖走了覆蓋在苔鮮等植物上的細小泥沙。這就為食草動物提供了食物源。植物群落不僅沿河道的縱向梯度的不同而不同，而且隨主河道本身從河岸區(qū)到洪泛區(qū)邊緣的橫向梯度的不同也不一樣。 浮游植物的主要生產力隨水流速度的減慢和水位的升高而加強，同樣，這也為浮游動物的生存提供了有利條件，而浮游動物的存在又為其上一級物種提供了更多的食物源。

6、隨著演替進程中流速的逐漸降低，大型植物開始生長， 并在孤立的分岔河道和先前的蜿蜒河道中達到最高密度。魚類是所有水生生物中最具機動性的群體，因而它可能很快占有并利用河流鑲嵌體中不同的生物區(qū)。對那些溯河產卵的魚類來說，河流的縱向是到達產卵地的基本途徑。長距離的遷徙魚類可能經過整個河流直到到達源頭，而非遷徙性魚類，如鯉魚，僅把河流縱向作為河網的一部分，它們在不同的發(fā)育期內在水系的不同橫斷面間運動。河道的垂向尺度分布的不同也是決定魚類在空間上重新分配的1個重要因素。通常除與食源有關外，魚類所處的水深通常反映其生長水平， 一般而言，隨著魚類形體和年齡的增長，它們日趨喜歡生活在水體深處。盡管種類間會有摻混

7、，水體中還可見明顯的種族分離。因而，大河中魚群的生長和增加與水系中河流形式的多樣化和魚類占有群落的容易程度有關。1.2水生生物對水流的影響水生植物在河流系統(tǒng)中具有重要的作用，它們不僅為動物提供營養(yǎng)源，而且提供了各種生境和微氣候。無論水生植物是直接或間接地依賴于河流系統(tǒng)，它反過來都會對河流系統(tǒng)產生很大的影響。植物可以產生有機物質、吸收溶解物質，可以形成對水流的障礙，用以減少 水流的動能。急流中主要動植物的生長會大大地改變它們所處水流的流動性質。這會對河流生態(tài)產生一系列的嚴重影響，包括溶解物質向下游輸運的延遲，改變泥沙的沉積狀態(tài)和無脊椎動物對食物的獲取能力； 增加生境中的不同成分， 降低植物墊上的

8、生物的剪切應力；影響附生植物的數(shù)量和群落組成：改變水生生物膜上營養(yǎng)物質的輸運速度。河流中大型植物可以 減少河床附近和大量植物間的流速，其影響范圍依賴于植物的生長形式和結構。2閘壩工程對河流生態(tài)環(huán)境的影響閘壩是人為在河道上修建的水利工程，其主要功能包括蓄水發(fā)電、防洪排澇、拒咸蓄 淡、灌溉供水、通航養(yǎng)殖等方面，閘壩工程在發(fā)揮其作用的同時又會對生態(tài)環(huán)境產生一定的 不利影響，大致可以歸結為以下3個方面。2.1引起河流形態(tài)變化，河道淤積，河岸浸蝕修建閘壩后，在上游由于河流水流速度減低，河水挾沙能力減弱，水體中的懸浮物質或多或少地沉積下來，它不僅影響到航道的運用，而且減少水庫的庫容，影響水庫的使用年限。

9、根據美國、印度、塞浦路斯等國家130座水庫的調查表明 ，每年淤積致使庫容損失在 14.33% 至20%之間；在閘壩的下游產生沖刷，長期的沖刷還會導致河床和水庫庫底的變形，尤其 是壩下游河床的沖刷對已有的建筑物、地下水位、農田的淹沒以及航運都有重大影響。筑壩導致河道流量的變化會對下游產生影響。水電站下游的流量根據用電量需求的不同而時刻變化，流量的無規(guī)律變化是導致河岸侵蝕、破壞岸邊生境的重要因素。2.2導致河道徑流減少，水體自凈能力降低，水體污染加劇建造1座水庫，一般都會引起營養(yǎng)物質含量的變化，這些營養(yǎng)物質主要是氮和磷。水庫 蓄水以后，會導致上游水位上升下游流速減小，由于浸沒或接納了污染水體，從而

10、增加了氮和磷的含量，細菌廣泛的增加，水體含氧量減少，對魚類十分有害。水庫中沉淀的泥沙等沉積物，易吸附某些污染物，如汞、砷、鉛、鍋等毒物。由于生物富集和食物鏈作用，往往造 成魚類中毒、死亡或減產，對水產資源造成嚴重的威脅。如果水庫攔截了大量物質或出現(xiàn)富 營養(yǎng)化，則水庫下游可能會出現(xiàn)缺乏營養(yǎng)物現(xiàn)象。如阿斯旺水壩運用后，因下泄的水流缺乏浮游養(yǎng)料，致使河口的沙丁魚產量大量削減，農作物也由于缺乏天然肥源而減產。2.3阻斷魚類洄游通道，導致魚類資源減少，生物多樣性退化閘壩工程對魚類回游是個主要障礙，甚至可能造成某些種群的消失。修建閘壩等局部建筑物直接破壞了水系的功能單元間的連接度，因為閘壩阻止了魚類的縱向

11、遷移，而防洪溝限制了魚類的橫向運動。例如，伏爾加河在筑壩以前，鰓魚可以向上游遷移到加里寧，約為 3000公里，但建壩后卻被局限于河流下游500公里處。雖然建造魚道能使問題緩解，但并不能完全彌補大壩產生的負面影響。這種旁路建筑必須吸引魚類離開大壩下游處的河流出 口，它們不僅要起到向上游遷移的作用，同時可以使魚類后代向下游運動。魚道可能對1種魚類有用，但不一定能夠提供其它種類所要求的特性。所以，閘壩工程影響了河流中的常棲生物和遷移生物。水流的中斷阻斷或減慢了水生生物的通路和遷移，從而影響了與河道功能有關的食物鏈，阻斷魚類涸游通道，導致魚類資源減少，生物多樣性退化。3渠化和改道對生態(tài)環(huán)境的影響河流的

12、渠化和改道主要是指在河流整治工程中將自然河流渠道化或人工河網化。渠化具體表現(xiàn)為渠道橫斷面形狀幾何規(guī)則化和河床材料的硬質化。把自然河流的復雜形狀變成梯 形、矩形及弧形等規(guī)則幾何斷面，設計時易于水力計算，建設時可減少占地、易于施工。渠 道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質材料襯砌， 可減少渠道輸水的滲漏，以提高渠道水的利用率；同時光滑的渠坡減少表面糙率，提高了輸水能力。當防洪工程的河流堤防和邊坡 護岸的迎水面也采用這些硬質材料時?？稍龃笃淇箾_、抗侵蝕性及耐久性。 改道是指在平面布置上將河流形態(tài)直線化，即將蜿蜒曲折的天然河流改造成直線或折線型的人工河流或人工 河網。直線型的渠道增加了行洪能力、工程量

13、小、可節(jié)省耕地。河流的渠化問和改道徹底改變了河流蜿蜒型的基本形態(tài)，使得急流、緩流相間的格局消失。橫斷面上的幾何規(guī)則化會改變淺灘和深槽的組合體，使得生境的異質性降低，而這些淺灘和深槽的組合體是特定的水生生物在生命周期的不同過程中所必需的。生境的異質性降 低，水域生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能隨之發(fā)生變化，特別是生物群落多樣性將隨之降低，可能引起淡水生態(tài)系統(tǒng)退化。具體表現(xiàn)為河流植物的面積減少，微生境的生物多樣性降低，魚類的產卵條件發(fā)生變化，鳥類、兩棲動物和昆蟲的棲息地改變或避難所消失，這造成物種的數(shù)量減少和某些物種的消亡。河床材料硬化襯砌，切斷或減少了地表水與地下水的有機聯(lián)系通道， 阻斷了周邊土壤水分的補給

14、源，會導致河道及渠系沿線周邊植物的生長、濕地的保護受到影響，及生物生息地的改變乃至消失。本來在沙土、礫石或載土中辛勤工作的數(shù)目巨大的微生物再也找不到生存環(huán)境，水生植物和濕生植物無法生長，使得植食兩棲動物、鳥類及昆蟲失去生存條件。本來復雜的食物鏈 （網班某些關鍵種和重要環(huán)節(jié)上斷裂。渠道斷面規(guī)則化、襯 砌等措施會減小水流阻力，但對那些在泥沙內部或泥沙上生長的生物提供了更少的生息地。 在河流中，沿著河岸邊緣，水位和斷面形狀組成了各種生境，那些對河流環(huán)境適應性較強的植物往往生長在河流中部， 其形狀和排列方式具有較小的水流接觸面，對水流具有較小的阻力。4河道生態(tài)修復的基本原則及措施在河道中建閘修壩，或河

15、道的渠化和改道，對河流生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能造成破壞，表現(xiàn)在水質惡化、生物生息地改變、生物多樣性減少、河岸浸蝕、沖淤平衡改變等。要讓人干 擾下的生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進行河道的生態(tài)修復。因為河道生態(tài)系統(tǒng)與水流特性密切相關，它們相互影響、互為因果，河道生態(tài)系統(tǒng)始終處于動態(tài)平衡。所以，河道生態(tài)修 復的基本原則是盡可能地終止引起生態(tài)系統(tǒng)惡化或阻止生態(tài)系統(tǒng)恢復的干擾活動，采取一定的工程措施，以恢復生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡和功能，實現(xiàn)工農業(yè)生產與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展、人與自然和諧共處。在河道生態(tài)修復中，應考慮采取以下措施。4.1河道平面形狀自然界的河流都是蜿蜒曲折的，不存在直線或折線形態(tài)的天然河流。在自然界長

16、期的演 變過程中，河流的河勢也處于演變之中，使得彎曲與自然裁彎兩種作用交替發(fā)生。但是彎曲或微彎是河流的趨向形態(tài)。河流的蜿蜒性使得河流形成主流、支流、河灣、沼澤、急流和淺 灘等豐富多樣的生境。由于流速不同，在急流和緩流的不同生境條件下，形成豐富多樣的生物群落，即急流生物群落和緩流生物群落。急流生物為了在高流速中生存，或具有適于游泳的流線型的體型，或具有適于鉆入石縫以防被沖走的扁平體型。在水利工程中，對中小河流的整治，一般采取裁彎取直河道、加大河寬、疏挖河床、渠 道襯砌和修建護岸工程等措施，以加大過水能力，提高防洪的安全度。其結果會造成項目建設區(qū)域珍貴植物消失， 深潭及淺灘消失或規(guī)?？s小，河寬增加

17、導致水深減小， 斷面形狀單一化使流速分布單一化， 灘地的平整使自然裸地減少等。同時，河床坡降的改變使泥沙的輸送量、輸送形態(tài)都發(fā)生了變化，從而可能影響到上下游的生息地。為了減輕這種影響，在生態(tài) 修復中，河道縱線的選擇上，應考慮重要生息地、有大型深潭的彎道、 河畔林的保護及瀕臨滅絕物種的移植等； 灘地高程的確定，應考慮其水深及其變化幅度；河床坡降的選擇，要考慮其對河流沖淤的影響。4.2河道坡度河道坡度9直接影響了流速、河流能力和河流能量。由于這些因素促進了侵蝕、泥沙輸 運和泥沙沉積等地貌過程，河道坡度是河流形狀和形式的控制因素，在河道生態(tài)修復時， 河道坡度是最關鍵的設計因子之一。河道坡度定義為河流

18、兩點之間的水位差除以兩點之間的河 流長度，河流能量定義為流量和坡度的乘積。因為河道流量通常沿下游方向增加，根據最小河流能量理論，必須減小坡度以達到河流能量的最小化，所以大部分河床沿著縱向是下凹的。4.3河道橫斷面自然河流橫斷面形狀尺寸是隨河床坡度、彎曲程度、流量、泥沙粒徑和含量、糙率沿縱 向是不斷改變的，通常斷面形狀由深槽和淺灘組成且不對稱分布，不存在嚴格意義上的梯形、矩形等對稱橫斷面。 流速在深槽內降低， 從而出現(xiàn)了泥沙細顆粒的沉積。在蜿蜒河流的彎曲段，河道橫斷面變化得更快更頻繁。這些變化形成了自然異質性、流速和推移質粒徑分布的 方式，這些對水生生態(tài)系統(tǒng)是很重要的。河道生態(tài)修復時淺灘與深槽的大小及其組合應根據水文學原理來確定， 按照彎道出現(xiàn)頻率來成對設計，即1個彎曲段配有1對淺灘和深槽，并以下游河寬的5-7倍距離來布置。在具有大量礫石的河道中， 淺灘應該與彎道變形點附近的 陡峭區(qū)域相連通。淺灘和深槽之間的間距應該在3個到10個河道寬度間變化，平均約為河道寬度的6倍。4.4河岸緩沖帶建立河岸緩沖帶在河道生態(tài)修復中的重要性表現(xiàn)在：遮蔭，降低水溫。造成泥沙和 其它污染物質的沉積(即過濾久減少河流中的營養(yǎng)物負荷)。用植物確保河岸的穩(wěn)定性。減 少無法控制的徑流