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最近出版了一本原创著作
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最近出版了一本原创著作
我们在研究流域生态系统过程中，经常到浐河、灞河、沣河、泾河、都柳江、乌江、清水江、赤水河、金沙江、嘉陵江、丹江、渭河、黄河等河流，开展野外调查和采样工作，由于对河流看得很多，就发现天然、半天然河流，甚至被长期河水冲刷塑造的人工河流，其局域水平尺度上，形态结构具有固定模式，即一条河从源头到下游，河流中一个接一个地重复出现急流-深潭-河滩系统，急流是一段坡度较陡，水流很快的水生态系统，常常位于河流中间位置，深潭是急流下游呈碗状或香蕉型深水区域，一般在河流的左岸或右岸，因为急流-深潭-河滩系统是连续出现的，一个系统的深潭在左岸出现，下一个系统的深潭将在右岸出现，深潭位置是不断交替的，急流的流向也是根据深潭位置不断调整的。河滩一般出现在急流的两侧和深潭的左岸或右岸，发洪水时，河滩是行洪的通道，在枯水期和平水期，是一种陆地生态系统。 急流-深潭-河滩系统的长度是不同的，在上游源头河段可能是几十米、几百米，但在下游可能是几公里到十几公里，但是该系统的面积-周长在上下游间具有相关性。
急流-深潭-河滩系统增加了河流环境异质性，对水生生物多样性、水体净化具有重要意义，特别是北方流量季节变化大的河流，因为干旱季节深潭可以维持较深水体，保护水生生物。该系统能使水流更多的混合起伏，具有消能作用，可稳定河道。对于人工修建的各种规则河道，随着河流的冲刷过程，在时间无限远处将恢复到急流-深潭-河滩系统状态，因此该系统是河流稳定的局域形态。
课题组从2014年发表第一篇急流-深潭-河滩系统论文起，对该系统进行了发育特征、发育过程机理、水力几何，系统对水体净化、生物多样性、底质污染净化、河岸带营养流失过程的影响研究，这本书对这些研究进行综合总结。
内容简介
急流-深潭-河滩系统是天然河流的基本形态结构单元，是退化河流生态修复的模板。在天然河流的上游到下游，该系统不断重复出现，在水平和垂直空间结构上形成比较固定的模式，其河道形态结构参数在上下游间具有某种相关性。然而，国内外对天然河流急流-深潭-河滩系统的形态结构发育特征和生态功能缺乏研究。作者对我国西部泾河、灞河等9条天然较高的河流野外勘察、实验室分析和数学推导研究基础上，通过本书对这一科学问题进行分析总结。具体内容包括天然河流急流-深潭-河滩系统形态结构发育特征、发育过程，天然河流急流-深潭-河滩系统水力几何关系，天然河流急流-深潭-河滩系统水质净化功能、底质污染物特征和释放、底质微生物多样性和酶活性，天然河流急流-深潭-河滩系统河岸带分类和氮素释放。具体揭示了天然河流急流-深潭-河滩系统是如何在水流的作用下演变形成的，天然河流急流-深潭-河滩系统水力几何关系是什么，在天然河流急流-深潭-河滩系统中主要水质指标、底质污染物、微生物和酶活性如何相应性变化，天然河流急流-深潭-河滩系统与河岸带的关系等。
本书可以作为水生态、水利工程、环境科学、水文学科研工作者和管理者参考。
前言
在整个人类文明的演进历程中，河流始终占据着至关重要的地位。远古时期，人类由分散逐步走向聚集，而在上古时期之后，绝大多数的古代文明皆发祥于河流之畔，不论是黄河文明、恒河文明，还是两河文明、古埃及文明，无一不是凭借河流的滋养，缔造出了璀璨夺目的文化。直至今日，世界上的主要城市以及城市群带也大都依河而建。可以断言，河流孕育并推动了人类文明的发展。
河流于人类文明发展而言如此重要，主要归因于其具备诸多自然功能，例如为各类生态系统供给水源、为水生及两栖动植物营造生存环境、输送泥沙、排泄洪水等（邵学军等，2013）。伴随人类社会的形成与发展，在自然功能基础之上，持续衍生出诸如水力发电、航运、灌溉、污染物净化等社会经济功能。而且河流的功能与河流的形态结构紧密相连，是在河流形态结构不断演进的过程中，基于物质流、能量流以及信息流得以实现的（赵银军等，2013）。伴随时代的更迭以及人类文明的持续发展，河流的作用得到了极大的拓展。河流的功能，已不再仅仅局限于灌溉、航运以及排涝此类传统功能，而是更多地聚焦于景观、生态、休闲和人居这类新型生态功能与服务。当下，一个愈发显著的河流功能利用及发展趋向在于，人们将河流的自然功能与当下人们对自然生态环境的需求相互结合，令河流能够更优地服务于人类。
人类与河流的关系依照人类文明的发展进程来划分，总共历经了“依赖 - 改造 - 修复”这三大阶段，在这三个阶段里，河流与人的关系始终在不断变化。早期，人类对河流的依赖是基于河流的初始形态，其形态结构与功能特性决定了人们的生存环境质量。其后，演变为人们依据自身需求来改变河流的形态结构和功能，尤其是在洪涝灾害的威胁以及经济利益的驱动下，人类踏上了大规模改造河流的征程。然而，随着人类改造河流能力的持续提升，对河流资源的过度开发，致使河道的空间环境产生畸变，部分河流的生态功能遭受损害，对人类的生存和发展构成了威胁（赵鹏程等，2011）。在此种大环境之下，人们对河流重新加以认识，并展开河流生态修复工作。人们已然认识到，人类从一个健康且能够自我维持的河流生态系统中获取重要的社会生态功能产品的数量与质量，已成为社会可持续发展的关键支撑（Palmer 等，2005）。
人类对河流的改造几乎与人类文明的发展进程同步开启，尤其是自工业革命以来，人类在数百年间对河流进行改造所引发的变化，远远超出了河流本身在数万年自然作用下所产生的变化。人类对河流改造的主要方式为水利工程的兴建，以及依照人们的意愿去改变河流的形态结构，诸如截流开发、改河造田、裁湾取直、光面渠化等。往昔，人们在建设大坝、渠化河道以及进行跨域调水时，仅仅着重于满足人类自身的需求，却忽略了维护稳定健康生态系统的关键意义（董哲仁，2003）。水利工程对河流生态系统的胁迫主要呈现在以下两个层面：其一，河流上的大坝和人工改造的河道致使河流形态结构发生改变（如下图）；其二，跨区域调水工程所导致的相关流域水系的结构和功能产生变化（董哲仁等，2009）。
由图能够明晰，水利工程会致使河水连续性中断以及河流沟渠化。此外，水利工程的修建以及河流形态结构的改变，不仅局限于河道本身的影响，更为关键的是河道变化所引发的周边生态系统的变化，此类变化往往具有连锁性、不可逆性，且恢复难度极大（范小黎，2010）。水利工程从建成至运行是一个长期的过程，其中，水坝给河流带来的影响主要在于河道的自然连续性遭到破坏，致使河水流量受到人为的限制和影响，会导致河流变窄、变浅乃至断流，进而对水生生物，尤其是洄游类水生生物产生不利影响。而人工护岸会破坏河岸原有的结构，损害河边植物以及两栖类生物的栖息地，以硬质材料将河水与河岸严格地区分开来，阻碍了河流与陆地之间的物质循环和能量流动。除水利工程外，人类对河流的污染同样会对河道的形态结构造成破坏性影响，例如向河流中倾倒垃圾、杂物、沙石等，会影响到河水正常的流速与流量，往河中排放的油性污染物会增加河水的浑浊度和粘稠度，从而对河床以及河岸产生不利作用。随着人类对河流形态结构的改变以及对河流环境的污染，人们不得不高度重视河流的生态修复和污染治理工作。自 20 世纪 70 年代起，欧洲各个国家开展了大量的河道近自然修复实践，重点在于恢复河道的原始形态结构以及河道与水生、两栖生物之间的关系（朱国平等，2006）。例如，20 世纪 80 年代丹麦针对斯凯恩河实施了规模最大的原有弯曲河道形态恢复以及湿地复原工程（丁则平，2002）；90 年代初，日本开展使用天然材料而非人工材料修筑河堤的研究，并将其命名为“生态河堤”（刘晓涛，2001）；美国则有针对性地拆除旧水坝以达成恢复河道生态的目的；英国国家河流管理局制定了一系列的河流行动计划，涵盖恢复河道特征和行洪滩地，保护城市、道路和农田附近的天然河岸，建设径流影响的缓冲区等（侯起秀，2002；Clarke 等，2006）。
我国河流近自然修复和污染治理开始于2000年，结合水利工程建设、小流域及富营养化治理，提出以河流退化的原因分析为切入点，针对修复目标设计修复方案，建设生态河道，使河道自然化得到一定程度的重现（董哲仁，2003；王成志，2008；董哲仁等，2009；宗威，2014；周慧锋（2014）。对大中型河流，修复要考虑行洪和航运，因此主要聚焦河岸带修复，河床通过流水自然塑造，而小型河流则对河流形态结构进行整体调整。一般来说，河岸修复采取三种模式：立式驳岸、斜式驳岸以及阶式驳岸，按材质可分为植物型护岸、木材护岸、石材护岸以及石笼护岸等（刘文军等，1999）。在一些河流修复实践中对生态河岸评价指标体系、功能分区、修复技术和植被缓冲带进行了有益探索（夏季红等，2006；王府京，2011；左俊杰等，2013；段亮，2014）。另外一些学者对河流修复的微观技术进行了研究，如何江华（2006）提出保护河岸的生态格网工艺；韩玉玲(2006)等人、陈小华、李小平（2007）聚焦生态河道植物护坡技术，认为良好的适应能力和亲和力，有多种生态功能以及赏心悦目的外观是护坡植物的特征。刘晓丽等（2012）、陆一奇（2014）和滕盛锋（2012）对广东、杭州和广西的退化河道，提出了河水、河岸、景观以及道路之间有机结合的设计和配置模式。在武夷山麓崇阳溪治理中, 疏正宏等（2023）等提出“近自然工法”设计理念、总体布局和修复工程, 采用碎石滩壅水、生态防护,提升了河道行洪能力，实现风貌保护；建设生态堰坝过流、过鱼设施,解决了丰枯季水位波动问题，并改善了生态景观;维护河流形态多样性，滩岛、岸边植被以本地植物为主,景观设倾向于简洁，保证了“近自然工法”的核心价值。
对河流创新性生态修复，必定要对河流修复的功能效益进行评价，验证技术的有效性。如，Anna等（2009）开展了希腊迪亚国家公园大型底栖无脊椎动物群落与公园7条间歇性河流、4条季节性河流的生态质量间关系研究。Vinagre等（2011）研究了葡萄牙的Tagus河与Sorraia河，探索河口产卵地食物网结构与栖息地水流影响间的关联性。Turak与Koop（2008）对多属性生态河流进行了生态条件调查评价及保护规划研究。Elosegi（2010）等在西班牙研究了水流形态多样性对河流生态系统多样性的影响及功能机制。Petkovska等（2010）在斯洛文尼亚研究了河流中存在的大型无脊椎动物对河流环境质量的影响。 除欧洲以外，其他国家也开展了一些相关研究，如Thomas（2010）等在兴都库什-喜马拉雅地区（包括巴基斯坦、印度、尼泊尔、不丹和孟加拉国）的198条河流中搜集大型无脊椎动物的样本，以此对这些河流的生态质量进行评估。Resh（2007）对西非、东非以及东南亚湄公河下游四国（包括老挝、越南、柬埔寨和泰国） 进行了不同针对性的生物监测，包括在西非和东非杀虫剂对河流的影响和水质评估，对东南亚湄公河下游的整体生态健康评价等。Boltovskoy（2006）等人研究了南美沼蛤流经巴西、巴拉圭和阿根廷导致生物入侵后，所产生的生态影响以及对河流交通的影响。Lukacs等（2010）对澳大利亚北部的热带河流与湿地系统进行了河流湿地物种多样性、生态系统演变过程的生态信息评估。高雯琪等（2021）采用综合评价法，从河床、河道和河岸带３个方面选取10个生境指标，构建了深圳市河流生境评价指标体系和评价方法，为河流修复前后环境质量变化提供了量化手段。
然而，在这个领域，虽然河流修复的理论和工程实践已经有很大的进展，特别是山水林田湖草沙生命共同体理论的建立，以及“中国山水工程”的大规模实施，使河流修复理论和技术的整体水平跃升了一个新台阶，但是目前的工作对天然河流的形态结构特征、形成机制和生态功能仍然缺乏深入的了解。天然河流的形态结构是指未受到人类干扰，包括没有在河流中进行大坝修建、河床清淤采砂、河岸整治和河流植被破坏，并保持天然水流塑造出的河流水平和垂直空间格局，具有原始河床、河岸断面形态和物质特征的河流。由于全球变化的影响，纯天然河流已经很少，大量的河流是不同程度人类影响下的半天然状态河流。研究天然河流的形态结构和生态功能对指导河流近自然修复具有重要意义。河流生态系统的结构影响着功能，生态功能对河流的形态结构又具有反馈调节作用。一定的河流形态结构常常为人类提供特定的河流生态功能，很大程度上是一个一一对应关系。对天然河流的形态结构和生态功能的模式研究，以及河流形态结构和生态功能的数据收集可以作为干扰和退化河流近自然修复的参照系或模板。
天然河流是水流-土壤-岩石-植被长期作用和演化的产物，形态各异，并具有纵向（上游-下游）、横向（河床-河岸-高地）、垂向（水流-沙砾-淤泥-岩石）和时间变化的四维结构（叶碎高等，2008）。由于河水是不停流动的，以整个河道及河水为中心在四维结构上就形成了一个动态的系统。王震洪等（2013）发现，天然河流是由急流-深潭-河滩系统构成，急流-深潭-河滩系统是河流形态结构的基本单元。急流部分是河流中一段坡度相对比较大的河段，水流流速和势能也比较大，基质是卵石、砂砾、块石、基岩，常常位于河流的中间位置；在急流部分的下游常常是一个水深较大的区域，类似碗状、椭圆状或香蕉型，水流缓慢，势能很小，底部有比较多的淤泥、细沙或植物残体，一般位于河流的两侧；在深潭和急流的一侧常常分布着河滩部分，高程向岸边缓慢上升，形状各异，基质主要是卵石、沙、块石等，洪水发生时常常被淹没，在枯水季和平水季是裸露的。天然河流中的急流-深潭-河滩系统从上游到下游不断重复出现，其水力几何形态参数从上游到下游具有明显的相关性。在典型的急流-深潭-河滩系统中，急流流向指向下游的右岸，则深潭位于右岸，河滩位于左岸，河流流向指向下游的左岸，则深潭位于左岸，河滩位于右岸；从上游到下游，在上一个急流-深潭-河滩系统中，深潭和河滩分别在左岸和右岸，下一个系统中，深潭和河滩则分别在右岸和左岸，其位置是不断左右交替的。这个系统在山区中小型天然河流中十分普遍，在山区溪流中，简化成阶梯-深潭系统（王兆印等，2004）；在大型河流中，这个系统延续很长，范围可达几公里。
自2015年以来，王震洪教授课题组在黄河流域集成专项“黄河流域生态屏障研究”、中央高校基本科研业务费“天然河流急流-深潭-河滩系统结构和功能研究”、两湖一库重点专项“两湖一库汇水区农业面源污染技术及新农村建设示范（2009-筑科农工字3-042号）”等项目的支持下，在泾河、浐河、灞河、渭河、嘉陵江、都柳江、赤水河、清水江、涟江开展了天然河流急流-深潭-河滩系统的形态结构特征、发育机制和生态功能研究，得到了一些有价值的成果和数据。本书对这些成果进行总结，希望对河流生态系统结构、功能研究和生态修复具有指导作用。参与研究和编写本书的作者还有何晓乐、任维、马振、陈晨、吴庆、程成、王庆鹤、郭春祥、姚单君，其内容为：第一章 天然河流急流-深潭-河滩系统结构特征；第二章 天然河流急流-深潭-河滩系统结构发育过程；第三章 天然河流急流-深潭-河滩系统水力几何；第四章 天然河流急流-深潭-河滩系统水质净化能力； 第五章 天然河流急流-深潭-河滩系统底质特征，第六章 天然河流急流-深潭-河滩系统底质微生物和酶活性，第七章 天然河流急流-深潭-河滩系统河岸带分类及氮素流失。
王震洪
2023年12月18日
目 录
前言
2.11 急流-深潭-浅滩系统发育过程中床面剪切力与泥沙起动拖拽力变化
5.5 底质营养元素在急流-深潭-河滩系统底质中的空间差异性
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