洪水脉冲理论

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1、2.2.1 洪水脉冲理论(1) 洪水脉冲理论的产生和发展洪水脉冲理论(Flood pulse concept)产生于1989年，是Junk等基于对亚马孙河和密西 西比河湿地的长期观测数据，作为河流生态理论提出的。并通过构建一个大型水文数据库预 测河流湿地的动态变化。随着人们对洪泛湿地生态水文过程的深入认识，该理论得到了进一 步的发展，Puckridgr(1998)等提出识别水文变量的方法，并强调了水位变化对栖息地大小 和特性的影响。Tockner et al (2000)将洪水脉冲理论扩展到了温带地区，提出在温带地区 除考虑洪水脉冲外，还需考虑温度变化对生态系统功能的影响。2003年，Junk

2、提出该理论 可以作为大型河流一洪泛滩区系统的一般概念。该理论不仅关注了洪水侧向漫溢产生的营养 物质循环和能量传递的生态过程，同时还关注水文情势特别是水位涨落过程对生物过程的影 响。到目前为止洪水脉冲理论已经发展成为一个综合的生态水文学方法，是研究复杂洪泛平 原湿地生态过程的重要理论，可以作为河流生态修复的理论基础之一(董哲仁，2003, 2006， 2007ab)。(2) 洪水脉冲理论核心洪水脉冲是河流一洪泛滩区系统生物生存、生产力和交互作用的主要驱动力。在大型原 始热带河流一洪泛滩区系统，周期性的洪水脉冲可造成有机体的适应和对洪泛滩区的有效利 用。洪水水位涨落引起的生态过程，直接或间接影响河

3、流一洪泛滩区系统的水生或陆生生物 群落的组成和种群密度，也会引发不同的行为特点，比如鸟类迁徙、鱼类洄游、涉禽的繁殖 以及陆生无脊椎动物的繁殖和迁徙。Jowett(1992, 1998)通过研究不同年龄的鮭鱼、无脊椎底 栖生物对流量的不同需求来确定河流基流量和配水规律Beecher(1990)认为最小流量标准是 基于多参数联合确定的，即历史流量变化、河道形态、水质、水生态系统类型，同时利用经 验公式及模拟模型进行校正，最终由仲裁组给出建议，并指出河道流量需求也依赖下游状况、 气候条件及水文参数。适宜的栖息地流量、流速、洪水脉冲频率是保证底栖动物正常呼吸和 觅食行为的必要条件。Death(1995

4、, 1996)和Hart(1996)研究发现墨蚊喜欢栖息在流速为 2mm/s的底床上，而10mm/s相对分布较少，后来在新西兰做案例研究时，发现复杂水利参 数结合水深、洪水脉冲规律、流速以及底质可全面预测底栖动物丰富度。激流群落生物体对 流速、水深以及底质响应程度差别很大，主要原因是水利参数变化受洪水脉冲规律的影响较 大。Jowett(1998)认为河床底部受到水深，坡度，沉积物补给洪水的规模和频率的影响，在 比较不同大小河流中深水无脊椎动物栖息地时，发现小河流中的较低深度和流速要比大河流 更利于无脊椎动物生活。Petts(1990)认为在河流管理中，生态系统特征与河流流量变化存在 着联系，丰

5、水年和伴随而来的高径流量对于维持河道整体的形态和洪泛平原系统特别重要。 Scatena(1993)在研究加勒比海沿岸国家水文过程时，认为底栖动物海牛、虾类、蟹类具有响 应流量和水量波动的能力，可以用来确定生态系统恢复策略，对洪水脉冲具有指示作用oJohn 等通过研究水位(涉及到沉积物类型)对湿地植被种类的影响得出，在泛洪湿地或季节性淹水 环境中多形成优势植物或优势度指数较大(John, et al1999)。洪水脉冲理论体现了三个概念内容，即水陆过渡带、移动岸线和高速公路类比(Junk., 1989, 2003)。其中水陆过渡带指的是定期被侧向溢流、降雨或地下水淹没的区域，该区域 产生的物化环

6、境能导致生物产生形态学、解剖学、生理学、生物气候学或生态学适应性等方 面的反应，从而产生特定的群落结构，又称为群落过渡带。移动岸线是洪水脉冲理论中另一 个重要的概念。移动岸线指水生环境的近河岸带边缘，横穿洪泛滩区或水陆交错带。洪泛滩 区上的移动岸线可使有机物和营养物质快速循环，因而产生较高的生产力。而高速公路类比 内涵是在河流一洪泛滩区系统中，主要生态过程发生在洪泛滩区，而主河道只是用作生物迁 移的路线。Junk (2003)将河流一洪泛滩区系统中的河流网络按照高速公路类比，其中主河 道代表高速公路，河道中的鱼类等生物代表公路上的车辆，洪泛滩区则提供高速公路以外的 产品来源，如农场、油田、矿山

7、等。在这样的类比下，河流仅作为通往喂食、育种、产卵区 域的路线，或低温季节时的避难所。石川雅朗等2001）在IFIM法和PHABSIM法的支持下， 结合试验测得的鱼群半径、流速、水深等参数估算鱼类对栖息地流量的要求，同时建立了相 应模型及计算软件包。此时，作为评估流量制度改变引起生态改变的一种新型方法，即DRIFT 法与流量响应法产生，都有潜力发展成为流量-栖息地整合模型，其研究意义深远（OKeeffe et al, 2002; King et al, 2003）。生物对水文过程的影响非常敏感，无论动物还是植物，对水量 的需求均有一定的限度，过大或过小都会影响到生物的生存和发展（张晶和董哲仁,

8、2008）。洪水脉冲理论强调在洪水期间，河流水位上涨，水体侧向漫溢到洪泛滩区，河流水体中 的有机物、无机物等营养物质随水体涌入滩区，受淹土壤中的营养物质得到释放，洪泛滩区 初级生产力大大增加，陆生生物或腐烂分解，或迁徙到未淹没地区，或对洪水产生适应性； 水生生物或适应淹没环境，或迁徙到滩地，部分鱼类开始产卵；当水位回落时，水体回归主 河道，滩区水体携带陆生生物腐殖质进入河流，洪泛滩区被陆生生物重新占领，大量的水鸟 产生的营养物质搁浅并且汇集成为陆生生物的食物网的组成部分，水生生物或者向相对持久 的水塘、湿地迁徙，或者适应周期性的干旱条件，水塘、湿地等相对持久性水体与河流主流 逐渐隔离。生物生产

9、力在洪水循环中因过程的多变性得以提高，因此洪水脉冲对维持遗传和 物种多样性、保护特有的自然现象有重要意义。（3）洪水脉冲理论应用洪水脉冲理论可以应用于盐碱地、沼泽湿地的恢复。规模较大的洪水可使洪泛滩区范围 内的盐碱地、沼泽湿地和草地转换为河流湖泊湿地，或将大面积草地和盐碱地转换为沼泽湿 地，降低景观破碎化程度，增强湿地生态系统的联通性,提高湿地的生态功能。另外在河流 湿地恢复中，仅仅保障河流最小生态需水不足以实现河流湿地生态系统的恢复，还需要考虑 其水文变化过程。在改善河流物理栖息地的同时，需要了解生物对于水文情势（hydrological regime）的生理学需求，提高水文情势多样性，以全

10、面提高栖息地的空间异质性（张晶，2008）。 另外，河流与滩区、湖泊、水塘、沼泽的连通性是洪水脉冲效应的地貌学基础，因此恢复河 流一滩区系统的连通性是河流湿地恢复的一个重要任务。在河流生态修复规划中应在流域的 整体尺度上全盘考虑恢复连通性问题。如拆除效能低下阻隔水体流通的闸坝，恢复通江湖泊 的联通性，合理调度闸坝等工程设施，疏浚阻碍水系连通的河道洪泛滩区等。总的来说洪水 脉冲理论在湿地恢复中的应用主要体现在两个方面，一是恢复原初自然水文情势，一是根据 现有水文情势优化湿地生物配置。 湿地原初自然水文情势恢复许多湿地退化的原因源自水文过程的丧失或者被人为的改变，如水利工程修建、上游降 水减少导致

11、下游泛洪规律被打破等等。因此，对于这种情景下的湿地恢复需要从着手恢复退 化湿地原始自然水文情势出发才能实现恢复的目的。如在改善河流物理栖息地的同时，需要 考虑提高水文情势多样性，以全面提高栖息地的空间异质性。另外，河流生态修复规划工作 需要调查水域生物生活史，特别是生物对于水文情势的生理学需求，在此基础上改善河流的 水文、水力学条件。河流与滩区、湖泊、水塘、湿地的连通性是洪水脉冲效应的地貌学基础， 因此恢复河流滩区系统的连通性是河流生态修复的一个重要任务。在河流生态修复规划中 应在流域的整体尺度上全盘考虑恢复连通性问题。如拆除效能低下阻隔水体流通的闸坝；恢 复通江湖泊的口门；合理调度闸坝等工程

12、设施；疏浚阻碍水系连通的河道等。近几十年来， 各类经济活动对于洪泛滩区的围垦侵占，不但降低了上述滩区的生态功能，而且降低了防洪 功能，增大了洪水风险。因此，洪泛滩区的恢复应结合防洪工程整体进行规划。在有条件的 河段扩大堤防间距以扩大滩区，提高蓄滞洪水能力。 现有水文情势下湿地生物配置受自然条件、技术发展现状以及社会经济条件等因素约束，湿地水文条件的改善往往难 以通过人工的方式实现，因此在无法改变湿地水文过程的前提下，特别是对于难以控制的洪 水脉冲频率，湿地恢复往往需要从湿地生物优化配置角度出发，通过合理的物种搭配和科学 空间配置，使得湿地生物适应洪水脉冲规律，进而实现湿地恢复效果。洪水是自然界

13、存在的 一种普遍现象。湿地植物由于所处生境的特殊性，会经常受到周期性或永久性的洪水胁迫。 在长期的适应进化过程中，湿地植物形成了一些特殊的生存策略，以适应水文条件的大幅度 变化。湿地植物在长期的进化过程中，具有抵抗泛洪灾害影响，具备适应洪水脉冲的能力。 水是湿地系统的基本生态因子和主要控制因素，水位变化对湿地结构和特征具有明显的雕塑 作用，湿地水分条件和水位的变化直接影响到湿地植物物种组成、物种多样性和群落演替（徐 治国等,2006）。崔丽娟等（2010）在北京市西卓家营通过合理的湿地植物筛选和空间配置， 实现了采砂迹地湿地的有效恢复。参考文献Junk W.J., Bayley P.B., &

14、 Sparks R.E. The flood pulse concept in River-floodplain Systems J. Canadian special publication Fisheries and Aquatic Sciences, 1989, 106:110-127.Junk W. J., Wantzen K. M., The flood pulse concept: New aspects, approaches and application-an update C. Proceedings of the second international symposiu

15、m on the management of large river for fisherie, 2003.Puckridge J.T., Sheldon F.,Walker K.F. & Boulton A.J. Flow variability and the ecology of large rivers J. Marine and Freshwater Research, 1998, 49: 55- 72.Tockner K., Malard F., & Ward J.V. An extension of the flood pulse concept J. Hydrological

16、processes, 2000, 14: 2861-2883.Vannote R.L., Minshall G.W., Cummins K.W., & Sedell J.R., Cushing C.E. The river continuum concept J. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1980, 37:130-137.董哲仁，河流形态多样性与生物群落多样性J，水利学报，2003,11:1-7董哲仁，试论河流生态修复规划原则J，中国水利，2006,13:11-13董哲仁，孙东亚等，生态水利工程原理与技术M.北京：中国水利水电出版社， 2007:409-421.董哲仁，探索生态水工学M，中国水利水电出版社，2007年3月.张晶，董哲仁，洪水脉冲理论及其在河流生态修复中的应用J,中国水利，2008,15:1-4