水流特性对生态环境影响分析

水流特性对河流生态环境影响分析

摘要：河道水流特性主要包括水位、流量、流速及其分布、动水压强等，水流特性与河床的边界条件密切相关，而河床边界又是联系河道水流与生态系统的载体与纽带。本文从河道水流特性与生态环境之间的关系入手，阐述了河道水流特性对水生生物的影响，分析了水生生物生长状况的变化所导致的水流环境的变化。论述了河道中的局部建筑物(闸坝工程)在除害兴利、造福人类的同时，给河道生态环境带来的负而影响，河道的渠化和改道造成生态环境多样化的减少乃至消失。

关键词：水流特性；生态系统；生态修复

生态系统提指生物群落与其生存环境之间、生物种群之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转换和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，而河道生态系统[1]是指河道中的水流与河流生物群落的关系，包括两个方面：不同的水流特性对水生生物的影响；水生生物生长状态的变化所导致的水流环境的变化。

河道通常分为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、动水压强等。从边界条件来看，影响河道水流特性的因素主要有：过水断面形状、尺寸，河道纵断面底坡及其变化，沿流向河道的顺直程度，河床表面的粗糙程度以及局部建筑物等。在断面形状、尺寸沿流程不变的顺直的正坡明渠中，当粗糙系数沿程不变，通常形成均匀流；而天然河道因过水断面一般极不规则，粗糙系数及底坡沿流程都有变化，在天然河道中通常为非均匀流[3]。从能量守恒和能量转化的角度来看，当流量一定，过水断面形状、尺寸一定时，均匀流水流平顺，水力坡度较非均匀流小，故相同流段上单位重液体的能量损失小。所以，在水利工程中，尤其是长距离的输水工程，为了保持输水能量，渠道尽可能裁弯取直，以使水流平顺，从而减小能量损失，但从河道生态系统着眼，水流特性与河道生态系统有着密切关系，并非顺直、单一断面的河道才是最佳选择。

1 水流环境与水生生物的关系

1.1水流环境对水生生物的影响

水生生物主要包括水生植物、水生无脊椎动物和鱼类。水生生物特有的生存特性使其对水流特性具有特定的要求，不同类的以及同类不同种的水生生物对水体的流量、水位、流速和流态等都具有不同的要求。

水量是河流水动力系统的基本构成，它限制着植物的分布，包括流速和剪应力变化对水生植物种类的影响，高流量和低流量变化对沿岸植物种类的影响。为满足这些不断变化的水流环境，动、植物种类必须不断改变它们的形态、繁衍传播方式以及生理条件来与之相适应。河流单元的不同时间和空间成分控制着植物种类的传播和它们的生产力。河流系统中的物理条件从源头到河口的变化往往是连续的，植物群落也随之相应变化，沿水流方向呈现带状分布。特征为:上游段为藻类，生产力较弱;在中游段，由于大型植物的存在，生产力逐渐增加；再往下游，这两种类型的生产力逐渐减少。

河道水流特性的纵向梯度[3]影响着水生动物群落的空间次序。如在主河道中较大的流速，使很多大型无脊椎动物的生长受到限制。那些在河床的砾石、鹅卵石和大石头上生存的种类必须承受水流的作用力，这种适应方式包括生物体形和行为。流速和水流的作用力不仅控制着无脊椎动物的微尺度分布，而且对食物的供应也起到很大的决定作用。例如，水流可以冲走了覆盖在苔鲜等植物上的细小泥沙。这就为食草动物提供了食物源。

植物群落不仅沿河道的纵向梯度的不同而不同，而且随主河道本身从河岸区到洪泛区边缘的横向梯度的不同也不一样。浮游植物的主要生产力随水流速度的减慢和水位的升高而加

强，同样，这也为浮游动物的生存提供了有利条件，而浮游动物的存在又为其上一级物种提供了更多的食物源。随着演替进程中流速的逐渐降低，大型植物开始生长，并在孤立的分岔河道和先前的蜿蜒河道中达到最高密度。

鱼类是所有水生生物中最具机动性的群体，因而它可能很快占有并利用河流镶嵌体中不同的生物区。对那些溯河产卵的鱼类来说，河流的纵向是到达产卵地的基本途径。长距离的迁徙鱼类可能经过整个河流直到到达源头，而非迁徙性鱼类，如鲤鱼，仅把河流纵向作为河网的一部分，它们在不同的发育期内在水系的不同横断面间运动。河道的垂向尺度分布的不同也是决定鱼类在空间上重新分配的1个重要因素。通常除与食源有关外，鱼类所处的水深通常反映其生长水平，一般而言，随着鱼类形体和年龄的增长，它们日趋喜欢生活在水体深处。尽管种类间会有掺混，水体中还可见明显的种族分离。因而，大河中鱼群的生长和增加与水系中河流形式的多样化和鱼类占有群落的容易程度有关。

1.2水生生物对水流的影响

水生植物在河流系统中具有重要的作用，它们不仅为动物提供营养源，而且提供了各种生境和微气候。无论水生植物是直接或间接地依赖于河流系统，它反过来都会对河流系统产生很大的影响。植物可以产生有机物质、吸收溶解物质，可以形成对水流的障碍，用以减少水流的动能。急流中主要动植物的生长会大大地改变它们所处水流的流动性质。这会对河流生态产生一系列的严重影响，包括溶解物质向下游输运的延迟，改变泥沙的沉积状态和无脊椎动物对食物的获取能力；增加生境中的不同成分，降低植物垫上的生物的剪切应力；影响附生植物的数量和群落组成:改变水生生物膜上营养物质的输运速度。河流中大型植物可以减少河床附近和大量植物间的流速，其影响范围依赖于植物的生长形式和结构。

2 闸坝工程对河流生态环境的影响

闸坝[7]是人为在河道上修建的水利工程，其主要功能包括蓄水发电、防洪排涝、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航养殖等方面，闸坝工程在发挥其作用的同时又会对生态环境产生一定的不利影响，大致可以归结为以下3个方面。

2.1引起河流形态变化，河道淤积，河岸浸蚀

修建闸坝后，在上游由于河流水流速度减低，河水挟沙能力减弱，水体中的悬浮物质或多或少地沉积下来，它不仅影响到航道的运用，而且减少水库的库容，影响水库的使用年限。根据美国、印度、塞浦路斯等国家130座水库的调查表明[4]，每年淤积致使库容损失在14.33%至20%之间；在闸坝的下游产生冲刷，长期的冲刷还会导致河床和水库库底的变形，尤其是坝下游河床的冲刷对已有的建筑物、地下水位、农田的淹没以及航运都有重大影响。筑坝导致河道流量的变化会对下游产生影响。水电站下游的流量根据用电量需求的不同而时刻变化，流量的无规律变化是导致河岸侵蚀、破坏岸边生境的重要因素。

2.2导致河道径流减少，水体自净能力降低，水体污染加剧

建造1座水库，一般都会引起营养物质含量的变化，这些营养物质主要是氮和磷。水库蓄水以后，会导致上游水位上升下游流速减小，由于浸没或接纳了污染水体，从而增加了氮和磷的含量，细菌广泛的增加，水体含氧量减少，对鱼类十分有害。水库中沉淀的泥沙等沉积物，易吸附某些污染物，如汞、砷、铅、锅等毒物。由于生物富集和食物链作用，往往造成鱼类中毒、死亡或减产，对水产资源造成严重的威胁。如果水库拦截了大量物质或出现富营养化，则水库下游可能会出现缺乏营养物现象。如阿斯旺水坝运用后，因下泄的水流缺乏浮游养料，致使河口的沙丁鱼产量大量削减，农作物也由于缺乏天然肥源而减产。

2.3阻断鱼类洄游通道，导致鱼类资源减少，生物多样性退化

闸坝工程对鱼类回游是个主要障碍，甚至可能造成某些种群的消失。修建闸坝等局部建筑物直接破坏了水系的功能单元间的连接度，因为闸坝阻止了鱼类的纵向迁移，而防洪沟限