荐读｜模拟自然：生态流设计与实施--生物多样性保护中国水利行动
大自然保护协会TNC 2021-04-09
淡水只占全球水生栖息地的1%，但已知鱼类中的51%都是在淡水中发现的 | 摄影：Erika Nortemann /TNC
水不可或缺，是地球生命之源，河流、湖泊和湿地等淡水生态系统哺育了人类和自然。淡水资源极其宝贵，虽然地球上淡水覆盖面积尚不足1%，但是至少20%的已知动物物种栖息于淡水环境。淡水栖息地遭破坏的程度在日益加剧，造成1/5的淡水鱼类已经灭绝或者濒危。
淡水生态系统正处于危险境地
河流、湖泊、湿地和溪流水位的季节性涨落是维系生命的自然交响乐。和那些装点每个秋天的绚丽彩林一样，它们都是大自然的信号。时光荏苒，淡水物种的进化和繁衍适应并依赖着水位的自然变化。
然而，随着全球人口的增长，人类对于水资源的需求不断上升，在满足自身各种需求的同时，却大大忽略了淡水物种和生态系统的需求，造成了不良的生态后果。通过修筑水坝或直接取水而对河水水流体系造成的影响，已经被公认为是使淡水生态系统处于危险境地的六大原因之首，其余五个原因分别是水污染、外来入侵物种、栖息地破坏、过度捕捞和全球气候变化。大坝、引水工程、堤坝和其他基础设施建设，不仅改变了水位的高低、洪水和干旱的变化，也让很多淡水物种“无所适从”，不知何时该洄游、产卵和哺育。淡水生态系统正在以比任何其他类型生态系统更快的速度丧失物种和栖息地，进而危及人类自身的可持续发展。
河流流量变化对淡水生态系统造成严重威胁
在全球范围内，河流流量变化是对淡水生态系统最严重的威胁之一。由于对维持淡水生态系统的必要河水流量缺少了解，生态退化成为水资源管理的意外产物。自然淡水生态系统在很大程度上受到自然水文变化性的影响。水位上升和下降的自然、季节性模式塑造了水生和河岸生境，为各种水生生物的迁移和产卵提供了线索，散播了种子并促进它们的生长，使得河流、湖泊、湿地和河口能够正常运转。淡水生态系统的季节性水流高低，以及偶尔的洪水或干旱也是自然变化的重要因素。河流的水流体系以直接或间接的方式推动河流生态系统许多其他组成部分产生变化，如鱼类数量、洪泛平原植被构成和营养物循环等。淡水生态体系中特有物种的丰富性及其生产能力也很大程度上取决并归因于其水文环境的自然变化性。通过阻止、分流或引水来改变自然流动方式，会对依赖自然水文节律的植物、动物和人类造成重大损失。
美国密西西比河上的驳船 | 摄影：© Robert J. Hurt
但是多大的变化算“太大”呢？何时变化为“退化”或“不可接受的不利影响”呢？这些问题催生了生态流科学和管理的跨学科领域。
寻找可持续的水资源管理方式
世界各地的淡水科学家认为，造成河流、湿地和湖泊中生物多样性丧失危机及其生态系统功能减弱的一个主要原因是人为导致的水文节律变化，也就是河流流量年际年内变幅、频率和发生时点的人为变化，而这些因素正是各种水生系统中的关键生态过程和本地物种生存繁衍的基础。
但是流量变化不符合传统水资源管理的主要目标。传统的水资源管理通常是尽力减缓河水水流的变化，以得到稳定而可靠的生活和工业用水，以及灌溉、航运、水利发电等的供应，并且能够尽量减缓洪水和干旱等极端问题。
当河道水流改变很大时，自然淡水生态系统的物理环境、化学环境、生物环境及其功能都会发生显著变化。当自然河流水文情势发生过度变化，使河流生态系统退化时，生物多样性和社会都将付出惨重代价。
如果人类能够将水资源管理对淡水生态系统不可避免的改变限制在某种程度内，就不会破坏当地物种的多样性，不会损害生态系统为社会提供宝贵自然产品和服务的能力。在世界范围内，河流科学家们正在积极寻找和更好地了解各种方法和限度，使河流在满足人类各种需求目的的同时，还能够保持其自然生态体系的构成和结构，功能能够恢复到原来的状态。
图源：TNC
生态流，不仅仅是“最小流量”
生态流描述了在湖泊、河流、溪流和河口保留流量的时间和数量，维持自然功能、过程和持续复原力所需的高低水位的季节性模式。尽管所有自然流量都可以带来一定的环境效益，但需要分配一部分以满足社会对供水、农业生产、能源生产和洪水管理的需求，这需要仔细评估和整合竞争性用途。
生态流不仅仅是“最小流量”的概念，水文变量年内和年际变化的范围、时机、持续时间、频率以及变率等相关参数，都是维持自然生物多样性和水生生态系统完整性的关键要素。拟定的生态流建议应包括维持生态系统健康所需的整体水文状况和水文事件，能够解决河流系统的整体健康问题。生态流建议方案的制定过程中需要水文学、河流地貌学、水质学、水生与岸栖生态学、渔业生物学等不同学科科学家的广泛参与。
生态流设计“五步骤”
我们认为，制定和实施生态流的过程中，可以考虑五个步骤：
第一步，要了解拟议河流，分析水文情势，包括天然水文状况和在现有水利工程影响下的水文特征变化。
第二步，建立水文情势与生态要素的关系，包括鱼类、鸟类、两栖和爬行动物、浮游和底栖动物、水生和浮游植物以及河岸带植被。将河道流量状况分为低流量、高流量和洪水等三类“生态流部分”，以全面汇总水文情势与生态要素的关系信息，进而从纷繁复杂的水生生态系统中找出其中的旗舰物种，作为拟议河段的保护目标。
第三步，制定生态流推荐方案，分别确定基流期、基流期的可持续流量边界、丰水季节的基流，之后根据已建立的水文情势与生态要素关系，在丰水季节基流中加入特定的生态流组分，包括高流量脉冲、洪水及其出现时机、频率、流量大小、持续时间、变化率等。
第四步，生态流实施和监测。通过仔细地跟踪生态系统对流量管理的响应情况，流量建议可以得到进一步改进，从而有助于确保河流管理目标的实现。
最后一步，通过分析监测结果对生态流方案进行反馈，建立适应性管理机制。水文情势与生态要素关系的信息资料收集将持续进行，每年的生态流实施监测都是对现有资源的重要完善和补充，根据信息的不断更迭，需要对正在进行和以往的流量恢复实验结果进行评估、调整和修正，循环往复，不断向最佳的保护效果靠近。
开发生态流建议的科学过程包含五个步骤，其中，步骤3至步骤5无限期反复，以便长期不断完善流量建议 | 图源：TNC
案例：生态流设计实施——NGL项目
NGL项目在云南腾冲举行河流生态监测和修复专题培训研讨会，TNC特邀嘉宾陈大庆研究员介绍美国密西西比河生态修复和基于长江中游四大家鱼繁殖需求的生态流设计与调度内容 | 图源：TNC
“生物多样性保护中国水利行动（New Green Line, NGL）”项目由全球环境基金（GEF）提供支持，联合国联农组织（FAO）作为执行单位，联合中国水利部、云南省水利厅、重庆市水利局以及大自然保护协会（TNC）共同开展。
NGL项目选择云南普洱市的恩乐河和川河，重庆的五步河和塘河共4个试点地区，针对各个地区的水资源利用特点开展不同的生物多样性主流化试点示范，为将最佳做法和经验有针对性地推广到其他区域打下基础。
在NGL项目中，云南和重庆试点地区开展环境流量分析和完善生态流的设计实施，也是NGL项目重要的目标任务之一。2019年以来，试点地区先后开展了河流生态流分析和评价工作，调整现有河流流量障碍，改善流量、栖息地、连通性，调整流速，逐步调整和完善生态流量目标。
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