综合运用“生态系统方法”，将流域人类活动作为生态系统的一部分，基于“自然的解决方案”(Nature-Based Solution)利用自然系统的自组织力原则，针对大汶河流域水生态问题现状及，提出了优化流域河水系结构，通过有目的地对生态系统进行设计，恢复河流的连通性和弯曲度；修复水源地和岸滩植被，利用植被调控水文过程与生态基流，创造一个功能良好人类干预下的水生态系统，实现对流域水生态系统综合修复，恢复流域水生态健康。

生态系统，自组织，水生态，流域

Lin Wang

College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao Shandong

Received: Apr. 3^rd, 2024; accepted: Apr. 29^th, 2024; published: May 21^st, 2024

By comprehensively applying the “ecosystem approach”, taking human activities in the basin as a part of the ecosystem, and based on the “nature-based solution” and the principle of self-organization of natural systems, this paper proposes to optimize the river system structure of the basin in view of the current situation of water ecological problems in the Dawen River Basin. Restoring river connectivity and curvature through purposeful ecosystem design; restoring the vegetation of water source and beach, using vegetation to regulate the hydrological process and ecological base flow, creating a water ecosystem with good function and human intervention, realizing the comprehensive restoration of the water ecosystem of the basin, and restoring the water ecological health of the basin.

Keywords:Ecosystem, Self-Organization, Water Ecology, Watershed

Copyright © 2024 by author(s) and beplay安卓登录

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

流域是一个相对独立完整的地理单元，有明确的水文边界，是实施水生态可持续管理有效区域。人类为了满足自身发展需求，分流河流、建水库修塘坝，干扰自然水文过程，人类活动强度正以超过以往任何历史时期的速率增大 ‎[ 1 ] ，对河湖及流域水循环的影响程度甚至已与自然因素的影响程度相当。人类活动对区域气候干旱有显著的放大作用，气候变化加剧，降雨年内季节性分化，加剧汛期洪水和枯水期干旱风险 ‎[ 2 ] 。气候变化和人类活动加剧流域水资源时空分布差异，诱发频繁的流域洪水和干旱问题，影响流域水生态系统健康和区域经济社会可持续发展。

洪涝灾害是主要自然灾害之一，几乎占据全球自然灾害相关损失的30% ‎[ 3 ] 。气候变化，极端天气频繁，流域水文循环变化剧烈，城市内涝频发，洪涝灾害问题日益严重。技术主导、单一学科引领的防洪工程措施，形成了深度依赖防洪工程减轻洪涝灾害固化范式，致使城市防洪标准从20年一遇、100年一遇甚至提到了200年一遇的未来值。然而这些简单工程技术措施将损害流域生态系统，增加长期洪水风险 ‎[ 4 ] 。筑堤防洪是防洪的主要工程措施，堤坝阻断了天然洪泛作用带来的营养补给和水分补给，打破了区域水文循环平衡，导致了生态环境退化。单一采用工程防洪措施使财政投入增大，在复杂的适应性系统之中，提升系统对单一扰动的抵御能力往往增强了其面临其他扰动的脆弱性 ‎[ 5 ] ‎[ 6 ] 。

减少人类干扰，形成基于自然的解决方案。欧盟委员会则将其定义为“来源于自然并依托于自然的解决方案，旨在以资源高效和适应性强的方式解决各种社会挑战，同时提供经济、社会和环境效益” ‎[ 7 ] 。基于自然解决方案，采取自然恢复为主、辅以人工修复，尽可能减少人为干扰的修复模式。开展全流域水生态系统现状评估，面向生态系统进行水文过程调控。降低人类修建水库，取水与防洪工程对流域泛洪区生态多样性的破坏；发挥泛洪区对湿地形成发展、物种生存繁衍及区域景观功能的维系作用 ‎[ 8 ] ，控制主要因素协调泛洪区作用，维持适度的洪泛强度，控制洪泛区发展演化。

开展流域尺度的水生态过程系统修复。水生态修复通常是机械地对森林、耕地、草地、水体等要素的单一目标，局部修复效，忽略生态要素关联，多尺度整合与生态过程完整性的实践，亟需引入流域尺度的水生态系统性修复，形成流域多层次水生态可持续管理框架，保持生态功能和河流洪泛区生态多样性 ‎[ 9 ] 。运用生态系统的自组织能力，适应而不是抵抗扰动，从防御型流域向韧性生态流域模式的转变，管理模式从“安全抵御洪水”向与雨洪资源“和谐共生”转变。

大汶河流域是典型湖泊流域，由黄河下游山东境内最大的支流大汶河与山东省第二大淡水湖东平湖构成。大汶河在上游地区分为南北两条支流，南边支流柴汶河，流域的面积为1944 km²，发源于莱芜市，在大汶口处汇入大汶河，全长约为116 km，沿途有平阴河、光明河、羊流河、属村河汇入。北边支流牟汶河，流域面积3711 km²，主要由瀛汶河，石汶河和泮汶河三条支流组成，在戴村坝汇入大清河。如图1所示。大汶河由东平湖清河门、陈山口出湖闸入黄河，全长231 km，流域面积8944 km²。东平湖是山东省第二大淡水湖，总面积117.94 km²，占东平县总面积的8.8% ‎[ 10 ] 。

图1. 大汶河东平湖流域范围与大中型水库位置图

明永乐九年(1411)，在大汶河下游修建“戴村坝”，开挖近90公里建小汶河，使汶河水南注，为京杭大运河补水。戴村坝使大汶河从一条天然的河流，演变成为水利航运设施，京杭大运河航运系统的枢纽，推动了明清两朝600年经济发展和南北文化交融，如图2所示。大汶河水环境适应性营建及改善，始于唐代，明代依据自然地势，适地理水，对小汶河、南旺湖、安山湖和蜀山湖自然水网进行改造，管控区域河网与降水，补充运河水量满足漕运需求，同时控制自然水域的范围，解决水患问题。

图2. 大汶河流域东平湖成湖过程图

1855年，黄河北迁夺大清河入海，大汶河为黄河支流，黄河洪水和大汶河洪水在东平地区汇集，演变形成东平湖，调蓄黄河洪峰，成为自然滞洪区 ‎[ 11 ] 。东平湖是历代政府对于客观生存环境的主动适应与有效改善，是水资源的适应性利用的典范。表1为流域人工干预水文工程的建设年代与功能。

表1. 大汶河流域主要水文干预工程

经年修坝建闸，东平湖成为典型的人工调蓄“河–湖–库”系统，如图3所示，承接黄河分洪和大汶河来水，为“南水北调”东线工程调蓄，承担山东地区西水东送的重要任务，湖区主要通过大气降水和地表径流得到补给水源，湖区汇集了周边流域的表层和地下水，面积可达9064.0 km²，补给系数可达61.2，东平湖成为黄河和淮河的交叉点和分水岭。

图3. 戴村坝和东平湖现状图

大汶河流域近百年来最大变化是修建蓄水工程，建成大中型水库23座，水库的主要功能为供水、水力发电、河流调节和防洪，水库运行是最具有代表性的影响水循环的人类活动之一 ‎[ 14 ] ，水库运行过程增加了径流的不确定性 ‎[ 15 ] ，通过蓄水和泄水使区域内的河流径流量重分配 ‎[ 16 ] ，大型水坝、管道、人工水库等要素直接影响流域生态水文循环过程 ‎[ 17 ] ，对水生态系统造成时空破坏 ‎[ 18 ] 。依据大汶河流域内26雨量站点和戴村坝水文站1956~2016年逐年天然径流量和实测径流量数据，流域内降水量、天然径流量、实测径流量均呈下降趋势，实测径流量的减少量远大于天然径流量的减少量 ‎[ 19 ] ，主河道上修建的多个堤坝工程对径流的影响较大 ‎[ 19 ] ，人类活动对流域径流量的影响较大。

1980~2018年大汶河流域耕地被其他用地类型挤占，农村向城镇迁移，其他建设用地逐渐增加，第一产业用地逐渐转为第二、第三产业用地，大汶河流域发生着城镇化 ‎[ 20 ] ，如图4所示。城市化是土地利用变化的主要形式之一，改变土地利用/植被覆盖(LUCC)等持续性特征，增加不透水面积，减少植被面积，改变水的消耗性使用以及减少入渗时间 ‎[ 21 ] ，影响径流产生、汇流路径、蒸散发，对流域水生态产生重大的影响。

图4. 大汶河流域土地利用类型变化图

自然条件下，河流水系形态是水自然动力与地形地貌之间相互作用的结果 ‎[ 22 ] ，遵循自然发育规律。自然状态下，大汶河流域为树枝状结构，如图1所示，符合水系结构Horton定律 ‎[ 23 ] 。然而，流域的城市化地区，受城市化影响，城市空间组织形式使城市河道发生了从河流资源向土地资源的变化，阻断了水系发育演变进程 ‎[ 24 ] ，河网的水系结构与连通水平发生剧烈变化，破坏了自然河流水系的有机形态。大汶河流域主要城市，泰安市城区以5~8 km²/年速度扩张，城市局部性暴雨频次增高，1985年至2016年，全市共发生较大水灾14次，其中，较为严重的5次 ‎[ 25 ] 。泰安市城市排水(雨水)防涝综合规划(2016~2030)，河道防洪标准均已经提高至50年一遇，流域水循环过程由天然水循环向天然–人工二元水循环转变 ‎[ 26 ] 。出现全流域径流减少与建成区洪涝灾害频发的现象，表明自然状态的水文过程已经失衡。

如图5所示，泰安市建成区主要河道奈河位置与现状图，1987年开始填埋支流，截弯取直，修建拦河坝、硬化河道，按照30年一遇防洪标准修建岸堤。奈河水系的长度和河流宽度减少，河道用地萎缩，河道岸墙全部硬化，河流生态岸线消失，河槽形态改变，河流水质恶化，水系生态环境健康下降。截止2022年9月，泰安市53个河道水质监测断面，优良水体(I~III类) 35个，占66% ‎[ 27 ] 。拦河坝使河流的流速、水深等水力学特征发生变化，改变了水系的连续性和河流的自然连通状态，水体自净能力以及水环境容量减弱。

图5. 泰安市河道水环境水质现状、奈河位置与岸线现状图

运用“生态系统方法”，生态系统方法不是一种具体的计算方法，而是 ‎[ 28 ] 一种跨学科的综合性思维方式。生态系统方法中，人类作为生态系统的一部分，通过有目的地对生态系统进行设计，创造一个功能良好人类干预下的水生态系统。基于“自然的解决方案”(Nature-Based Solution)利用自然系统的自组织力，以平衡自然系统的方式管理自然系统；对于水生态系统就是将流域设想成一个能促进与组织其各项环境条件之间动态关系的、有生命力的土地 ‎[ 29 ] ，对流域水生态系统要素、成分、秩序、生态位与水系进行综合修复。

东平湖是大汶河下泄，遇到黄河受阻形成的盆地汇集成湖，是历史变化叠加长时段自然环境基础的社会表现，呈现了不同历史时期的文明形态。明朝修建戴村坝拦截汶水，使其南流，通过设计三合土坝、窦公堤与南端主坝这三段高低不同、长短不一的坝段，实现“水盛，则浸入清河，以疏其溢；水落，则尽挟入南，以济其涸，此坝之利也” ‎[ 41 ] ，保证小汶河引水流量的蓄泄，调控运河水量，是水自然驱动的水动力利用的农业文明形态；近现代，技术与材料推动了人工设施建设，大兴水利工程，是水资源利用的工业文明形态；90年代的来源于自然并依托于自然的解决方案，是生态文明时代开端，是雨洪管理的生态文明形态。

不同时代水文明形态形成带动了地域社会繁盛。明朝修建戴村坝，大汶河成为南望闸关键枢纽水源，推动东平湖区域成为中国经济地理上核心区域和南北文化的渡地带，崔育区域600年繁荣；面对未来气候异常和局部区域的趋势性干旱，流域内人类的耗水与全球气候变暖的影响程度是同一个数量级，甚至超过气候异常的影响，在大汶河流域探索，以自然系统的自组织力，恢复流域水生态健康，具有重要的时代价值。

大汶河流域是黄河流域山东段的重要流域，大汶河流域的东平湖是南水北调和黄河入海前的最后一个大型湖泊，对大汶河进行流域尺度水生态健康的潜在风险研究，进行流域尺度的水生态健康修复是黄河流域生态保护的关键。

大汶河流域现状分析显示，大规模的人工设施，水库、塘坝建设改变了流域汇水分区，东平湖成为黄河和淮河的交叉点和分水岭。持续的城镇化进程，改变流域土地利用/植被覆盖，流域实测径流量的持续减少；大汶河流域主要城市泰安市城区快速扩张，城市局部性暴雨频次增高，流域水循环过程由天然水循环向天然–人工二元水循环转变，河网的水系结构与连通水平发生剧烈变化，破坏了自然河流水系的有机形态，全流域径流减少与建成区洪涝灾害频发表明自然状态的水文过程已经失衡。

提出了优化流域河水系结构，恢复河流的连通性和弯曲度，利用植被改善流域径流过程，形成基于自然过程的水生态修复与管理，建立新的水生态文明形态的策略。

王 琳. 大汶河流域水生态系统健康策略研究Study on Water Ecosystem Health Strategy in Dawenhe River Basin[J]. 世界生态学, 2024, 13(02): 222-231. https://doi.org/10.12677/ije.2024.132029