本世纪以来，我们在水生态系统保护与修复方面做了大量工作，取得了一些成绩，但我国水生态系统状况总体仍呈恶化趋势。为此，有必要加强对水生态保护与修复理论和方法的研究、宣传，在实际工作中推广、应用，以解决“水生态损害严重”这一问题。
一、水生态保护与修复的理论
水生态或者说水生态系统的保护与修复是涉及水利科学、生物科学、环境科学、系统科学、经济科学，甚至包括美学、社会学、历史学等社会科学在内的一门年轻的、综合性应用科学，这些学科本身已经形成了庞大的知识体系，那么我们如何选择、如何构建水生态保护与修复的基本理论呢？经过梳理，我们认为可持续发展理论、生物多样性理论、复杂系统理论可以作为水生态保护与修复最根本、最核心的理论。
（一）可持续发展理论
可持续发展（Sustainable development）的概念最先是在一九七二年在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上正式讨论。1980年国际自然保护同盟的《世界自然资源保护大纲》：“必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，以确保全球的可持续发展。”1981年，美国布朗（Lester R. Brown）出版《建设一个可持续发展的社会》，提出以控制人口增长、保护资源基础和开发再生能源来实现可持续发展。1987年，世界环境与发展委员会出版《我们共同的未来》报告，将可持续发展定义为：“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。” 作者是Gro Harlem Brundtland，挪威首位女性首相，她对于可持续发展的定义被广泛接受并引用，这个定义系统阐述了可持续发展的思想。1991年，中国发起召开了“发展中国家环境与发展部长会议”，发表了《北京宣言》。1992年6月，联合国在里约热内卢召开的“环境与发展大会”，通过了以可持续发展为核心的《里约环境与发展宣言》《21世纪议程》等文件。在里约热内卢世界首脑会议上，中国政府庄严签署了环境与发展宣言。1994年3月25日，中华人民共和国国务院通过了《中国21世纪议程》。为了支持《议程》的实施，同时还制订了《中国21世纪议程优先项目计划》。1995年，中华人民共和国党中央、国务院把可持续发展作为国家的基本战略，号召全国人民积极参与这一伟大实践。1997年的中共十五大把可持续发展战略确定为我国“现代化建设中必须实施”的战略。可持续发展主要包括社会可持续发展，生态可持续发展，经济可持续发展。
《中国21世纪议程》指出，资源条件的刚性约束已然成为中国可持续发展的巨大挑战。中国人均淡水、耕地、森林资源占有量分别为世界平均水平的28%、40%和25%，石油、铁矿石、铜等重要矿产资源的人均可采储量，分别为世界人均水平的7.7%、17%、17%。而且，大部分自然资源、能源主要分布在地理、生态环境恶劣的西部地区，开采、利用与保护的成本高。中国经济依然处于重化工业比重偏高的发展阶段，经济发展短期内难以摆脱对资源环境的依赖。经济发展与社会进步持续面临节约资源、保护环境、节能减排、技术进步以及管理创新等严格要求的巨大挑战。
《中国21世纪议程》要求，实行最严格的土地和水资源管理制度，大力发展循环经济，推行清洁生产，全面推进节能、节水、节地和节约各类资源，进一步提高资源能源利用效率，加快推进能源资源生产方式和消费模式转变；以解决饮用水不安全和空气、土壤污染等损害群众健康的突出环境问题为重点，加强环境保护；积极建设以森林植被为主体、林草结合的国土生态安全体系，加强重点生态功能区保护和管理，增强涵养水源、保持水土、防风固沙能力，保护生物多样性；全面开展低碳试点示范，完善体制机制和政策体系，综合运用优化产业结构和能源结构、节约能源和提高能效、增加碳汇等多种手段，降低温室气体排放强度，积极应对气候变化。
（二）生物多样性理论
生物多样性是生物(动物、植物、微生物)与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，包括生态系统、物种和基因三个层次。生物多样性是人类赖以生存的条件，是经济社会可持续发展的基础，是生态安全和粮食安全的保障。
各国正在采取一致行动以共同应对日益严重的全球性生物多样性危机。1992年，在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会上签署了《生物多样性公约》、《里约宣言》，在所发布的《地球宪章》中指出，"地球提供了生命演化所必需的条件，生命群落的恢复力和人类的福祉依赖于:保护一个拥有所有生态系统、种类繁多的动植物、肥沃的土壤、纯净的水和清洁的空气的健全的生物圈。资源有限的全球环境是全人类共同关心的问题。保护地球的生命力、多样性和美丽是一种神圣的职责"。《生物多样性公约》于1993年12月29日正式生效，目前共有196个缔约方，中国是最早的缔约方之一。该公约具有法律约束力，旨在保护濒临灭绝的动植物和地球上多种多样的生物资源。
1994年6月，经国务院环境保护委员会同意，原国家环境保护局会同相关部门发布了《中国生物多样性保护行动计划》。该行动计划确定的七大目标已基本实现，26项优先行动大部分已完成，行动计划的实施促进了我国生物多样性保护工作的开展。
长江的生物多样性保护得到高度重视。习近平同志指出，"长江拥有独特的生态系统，是我国重要的生态宝库。当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发"。在长江流域已有国际重要湿地18处，湿地自然保护区167处，国家湿地公园291处。在长江中下游还有江豚自然保护区4个，白暨豚自然保护区2个，中华鲟自然保护区2个，四大家鱼国家级种质资源保护区4个;在上游还有水生野生动物自然保护区12个，国家级水产种质资源保护区23个。
（三）复杂系统理论
20世纪40年代，L. Bertalanffy建立了开放系统一般系统论，提出了系统具有整体性、有序性和目的性；N. Wiener以信息、反馈和控制的新观念研究系统行为，总结出跨越工程与生物界的一般性规律——控制论。信息论与系统论、控制论一起并称为现代系统理论中的“老三论”。然而“老三论”的应用在社会经济领域却没有那么成功，20世纪70年代，对许多混乱而复杂的系统研究，发现整体大于部分之和的事实，形如Lotka-Volterra方程的求解，不仅仅使人们认识到整体大于部分之和，还发现稳定的相互作用可以导致结果的剧烈振荡。该研究促进了第二代系统观——非线性科学的兴起。I. Prigogine和H. Hanken所说的“系统”，具有两个新特征：第一，元素数量极大，一般都在10的20次方以上，致使“我推你动”的控制和管理方式成为不可能；第二，元素具有自身的、另一层次的、独立的运动，使整个系统不可避免地具有统计性和随机性。从这两点出发，第二代系统观拓宽了控制概念，引伸了随机性和确定性对立统一的思想，讨论了自组织涨落、相变等新的概念，对系统的理解深入了一大步。然而，当人们试图把第二代系统思想应用于经济、社会等系统时还是不能令人满意。原因在于，尽管理论上对于自组织、突变、分形等现象进行了分析与描述，但在具体问题的解决上没有提供可供实施的方案，系统观需要进一步深化。
20世纪90年代以来，中外学者不约而同地把注意力集中到个体与环境的互动作用上。构成系统的个体，能够根据环境的信息，调整自身状态和规则，从而使系统在整体上表现出更高层次、更加复杂、更加智能协调的有序性。复杂系统一般具有：开放性、不确定性、非线性、涌现性以及不可预测性；在这些特征的综合作用下，在更高的层次上表现出规律性；对复杂系统的预测是很困难的；往往存在“蝴蝶效应”。因此系统本身的演化又常常表现出反直觉的特征。
按照钱学森等人对系统的分类，中等规模的系统以及个体间存在较强的耦合作用便称为复杂系统，如果系统规模巨大，则为复杂巨系统。水生态系统可分为淡水生态系统和海水生态系统。按照现代生物学概念，每个池塘、湖泊、水库、河流等都是一个水生态系统，均由生物群落与非生物环境两部分组成。生物群落依其生态功能分为:生产者(浮游植物、水升高等植物)，消费者(浮游动物、底栖动物、鱼类)和分解者(细菌、真菌)。非生物环境包括阳光、大气、无机物(碳、氮、磷、水等)和有机物(蛋白质、碳水化合物、脂类、腐殖质等)，为生物提供能量、营养物质和生活空间。水生态系统就是复杂巨系统。
我们把可持续发展理论、生物多样性理论、复杂系统理论作为水生态保护与修复的基础理论，基于如下认识：
认真研读这三种理论有利于深化我们对习近平总书记生态文明观的理解。在全国生态环境保护大会上，习近平总书记发表重要讲话，系统阐述了生态文明思想，其内涵主要体现在以下方面：以“人与自然和谐共生”为本质要求，以“绿水青山就是金山银山”为基本内核，以“良好生态环境是最普惠民生福祉”为宗旨精神，以“山水林田湖草是生命共同体”为系统思想，以“最严格制度最严密法治保护生态环境”为重要抓手，以“共谋全球生态文明建设”彰显大国担当。习近平同志从河北到福建，再到浙江、上海的工作实践中，传承中华文明“天人合一”精髓，将马克思主义中国化，吸收中外文明研究方面的最新成果，一以贯之，并不断升华，形成了系统的生态文明思想。
认真研读这三种理论有利于深化我们对水的认识。要从以下四个维度来认识水：第一，化学的维度，水是一种化学物质，分子式是H2O；第二，资源维度，水是一种重要的资源；第三，灾害的维度，水多和水少能带来水旱灾害；第四，生态的维度，水是水生动植物的载体，水、动植物、环境共同构成水生态系统。
这三种理论还有重要的方法论方面的意义。可持续发展理论的全部要义在于它的定义：满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害。可持续发展包含两个基本要素或两个关键组成部分:"需要"和对需要的" 限制"。满足需要，首先是要满足贫困人民的基本需要。对需要的限制主要是指对未来环境需要的能力构成危害的限制，这种能力一旦被突破，必将危及支持地球生命的自然系统如大气、水体、土壤和生物。决定两个要素的关键性因素是:(1)收入再分配以保证不会为了短期存在需要而被迫耗尽自然资源;(2)降低主要是穷人对遭受自然灾害和农产品价格暴跌等损害的脆弱性;(3)普遍提供可持续生存的基本条件，如卫生、教育、水和新鲜空气，保护和满足社会最脆弱人群的基本需要，为全体人民，特别是为贫困人民提供发展的平等机会和选择自由。
水生态系统是地球上最大的生态系统，是长期自然、历史进化的结果，水生态的平衡是人类生存和发展的基础，维持生态平衡是保持生物多样性的条件。虽然生态平衡是一种相对平衡而不是绝对平衡，是一种动态的平衡而不是静态的平衡，但是我们在实施有可能影响生态平衡的行为时要审慎。
复杂系统理论就是要研究解决复杂系统中的共性问题，即复杂性问题。复杂性科学是建立在系统科学的基础之上的，是对系统科学的发展和深化，而非线性科学中的许多理论和方法，是研究复杂性科学的有力工具，复杂性科学是对非线性科学的凝聚和升华。复杂系统一般具有开放性、不确定性、非线性、涌现性以及不可预测性特征，我们在制定水生态保护和修复方案时，要考虑系统诸因子的状态和关系，并及时监测所采取的手段的有效性并做出调整。
二、当前保护和修复水生态应当采用的方法
对于水生态的保护与修复，生态学家、水利学家做了大量的研究，在实践中也取得了丰富的成果。为了便于理解、记忆和把握，我们提出“一条主线、六个字”的基本方法。
（一）一条主线
水生态保护与修复要围绕一条主线，人要发展，鱼要生存。我们简单地称之为“人鱼线”。人类居于生物圈--地球生态系统的顶端，人是一切价值和意义，人要发展毋庸置疑。鱼位于水生态系统食物网的顶端，鱼类的生存状态能够很好的评价生态完整性。鱼类群落通常包括代表各个营养级的一系列种类，如杂食性鱼类、食 草性鱼类、食虫性鱼类、滤食性鱼类和食鱼性鱼类等。鱼类也能反映有藻类、浮游动物和浮游植物、水生植物、大型无脊椎动物的生存状况。通过鱼类还可以监测出急性的毒理效应(某些分类单元的缺失)和胁迫效应(生长 缓慢，繁殖力下降)。通过对不同年份间补充群体和种群动态的调查 可以了解干扰事件的关键时间点。洄游性鱼类可以作为栖息地连续性或片段化的可靠指示种。
（二）六个字的水生态的保护与修复策略
解决当前水生态损害严重问题，我们认为要采取“调、控、退、通、改、拆”综合的措施解决。“调”是生态调度，“控”是控制水污染，“退”是退建还水、退田还湖，“通”是河湖连通，“改”是对已建涉水工程进行生态化改造，“拆”是对在保护区、重点风景名胜区、特有鱼类栖息地修建的小型工程要采取坚决措施拆除，恢复原貌。
1、生态调度。生态调度费省效宏，是水生态保护与修复的第一选择。生态调度没有统一的定义，从目前国内的实践看，大致有两种调度模式被冠以生态调度之名。一是三峡集团总公司开展以促进四大家鱼和中华鲟产卵为目的的调度。二是水利部在福建召开的生态调度试点会，以保证水库下游生态基流为目标的调度。我们认为，这两种调度可称为狭义的生态调度。此外珠江委组织了压咸补淡调度、黄河委组织过调水调沙调度。这些调度也应算作单目标的生态调度。
原三峡集团公司总经理、三峡办副主任、水利专家陈飞对生态调度进行了长期深入的思考，在多篇讲话和文章中阐述了其观点，现在简要介绍如下：要通过管理运行好三峡工程，切实保护好长江，确保长江不老。工作思路可概况为一、二、三、四“四个方面”。“一”是三峡工程运行要贯穿生态调度这一条主线；“二”是生态调度要以水文、生态环境这两项预测预报为基础；“三”是生态调度要贯穿于防洪、发电和航运三项重点任务之中；“四”是一年四季都要精心组织实施生态调度。陈飞同志的理解可以称之为广义的生态调度。
不管生态调度定义如何，从现在的实践看成效显著。以三峡集团公司组织的促进四大家鱼产卵调度为例，水利部中科院水工程生态所的报告称：从2011年~2018年，三峡水库每年5-6月份实施促进四大家鱼自然繁殖的生态调度试验，共实施12次调度，其中2012年、2015年、2017年、2018年调度2次，其他年份调度1次。长江宜昌江段持续涨水时间3~9天，流量日均涨幅1080~3180M3/S，水位日涨幅为0.43~1.3m，水温在20~24℃之间。监测结果表明，除2016年外，其他年份四大家鱼对生态调度对生态调度形成的人造洪峰有积极的响应。估算各年份的生态调度期间四大家鱼累计产卵量8.08亿粒，占监测期间累计产卵量（21.14亿粒）的38.2%。
我们倾向于把生态调度定义为维护河湖健康和生物多样性的调度。基于这个定义，我们对长江主要调度方式的调度顺序有如下建议：防洪调度优先于生态调度，生态调度优先于中下游补水调度，中下游补水调度优先于航运调度，航运调度优先于发电调度，发电调度优先于调水调沙调度。
生态调度目前在国内外开展的时间不长，理论和实践基础都很很薄弱，在建设生态文明的新时代，要组织多学科的力量开展联合攻关，完善理念，丰富实践，进而制定重要河流生态调度的目标、标准、规程，实施生态调度，促进重要河流的生态保护与修复。
2、控制污染。水污染对水生态的影响是不言而喻的。控制污染，当务之急是落实《水污染防治法》第二十条和第二十一条。新修订的《水污染防治法》“第二十条”重申了“国家对重点水污染物排放实施总量控制制度”，并在“第二十一条”中的排污许可管理要件中增加了“水污染物排放总量”控制内容，但这一制度没有完全落地。
河流污染治理的目标是改善河湖水质，必须控制“入河污染物总量”。主要基于以下理由：
一是“达标排放”不能确保河湖水质改善。在点源污染控制方面，以往提出的要求是“达标”排放。并习惯性认为，“达标”排放对环境是安全的。即使按照污水一级排放标准控制，其排出的废污水水体也将劣于地表水V类。当一个地区的产业布局较密集时，其水污染物排放对河湖水质的危害是巨大的（见表1）。
二是即使是各段水污染物排放实施总量是不超量的，但河流或湖泊仍然呈现为污染状态。这主要是因为河湖污染物总量计算错误，不是按河湖自净能力做的测算，没有考虑历
史累积的污染物和污染物在一定时空的新的物理化学反应。河湖污染物总量分配方法错误，按河流长度平均分配，逐段累积，污染物到下游会超过自然净化的阈值。
3、退建还水。退建还水是一个比较减省的说法，它完整准确的表述是退去各种建设，包括养殖、种植、房地产、工业区等对水域的侵占，恢复原来的水域。
以长江为例，建国以来，长江中下游地区约三分之一以上的湖泊被围垦，围垦总面积达到1.3万平方公里以上。这一数字大约相当于目前鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖和巢湖五大淡水湖泊面积总和的1.3倍。因围垦消失的湖泊达到1000多个，蓄水容积减少了500亿立方米。
1998年大洪水过后，国家做出了退田还湖的决策。据新华网2002年3月2日一篇题为《中国主要江湖面积增长》的报道，五年间国家共投入103亿元用于长江及两湖地区退田还湖，鄱阳湖还湖面积1343km2，洞庭湖还湖面积1522.5km2，增加蓄洪容积130亿立方米。但退田还湖不能从根本上解决长江防洪问题。1954年长江有1023亿立方米的超额洪量，若1954年洪水再现，则现有退田还湖所增加的洪水调蓄能力，显然是杯水车薪。而且，由于长江中下游地区高度发达、人口稠密，使退田还湖政策不可持续。1998年能够实施退田还湖政策也是利用了“九八”大洪水的历史契机。解决长江中下游防洪问题，重点还是要加强蓄滞洪区建设。
在其它流域，退田还湖问题还没有破题。在财力允许的条件下，要有计划、有步骤的推进退田还湖工作。有的人讲，退田还湖资金投入大，还有移民问题，不好做还尽花钱，这是不正确的。从生态学的角度讲，湿地是具有较高生产力的生态系统，只要在保护好湿地的前提下合理利用，一定能获得比种植一般农作物更好的经济利益。
4、河湖连通。早在2010年水利部门就对江湖连通工作进行了部署，当年召开的全国水利规划计划工作会议提出：“江湖连通是提高水资源配置能力的重要途径，要构建引的进、蓄的住、排的出，可调控的江湖水网体系，根据丰枯变化调度引流，实现水量优化配置，提高供水的可靠性，增强防洪保障能力，改善生态环境。” 十年过去了，现在看来，这一工作思路扩大了河湖连通工作的范围，给河湖连通附加了一些不属于它的作用和功能。河湖连通工程是生态修复工程，不是水资源配置工程、防洪工程和排污工程。河湖连通是修复被人为阻隔的河与湖的连通，其根本的目的是为水生生物提供多样化的生境和育肥场所，保护生物的多样性。如果说河湖连通还达到了一些其它的目的，那也是河湖连通工作的副产品，而不应成为主要目的。
河湖连通工作现在出现了两个极不好的苗头，应予以纠正。一是转移污染。比如武汉东湖生态水网构建工程。大东湖是指以东湖为核心的6个湖泊共60.12km2水域、18条港渠及48.53km水网构成的水系。过去湖泊水质仅严东湖达到Ⅲ类标准，其它湖泊（杨春湖、严西湖、北湖、沙湖、东湖等）水质均为劣Ⅴ类，通过实施工程，引入长江水、导入湖泊污染水，使湖水从死水变活水，以改善湖泊水质。这实际上是一种污染转移。第二个问题是引水造景搞开发，这是更应制止的一种功利主义做法。
河湖连通工作的技术难点是恢复历史原貌、恢复自然连通性与防洪和人类利用的矛盾。
5、生态化改造。虽然早在上个世纪九十年代水利、航运学界就有一些人已经认识到传统水利航运工程对生态带来的破坏，并采取了一些措施，但新观念、新技术的推广过程总是曲折漫长的。几十年来修建了大批非生态型水利航运工程，对这些工程进行生态化改造势在必行。
非生态型水利、航运工程数量庞大，近期可以从以下三个方面着手：
一是对渠化的河道进行改造。所谓的“河道渠化”是指①平面布置上河道形态直线化，也就是将蜿蜒曲折的天然河道改造成直线或折线型人工河道；②河道横断面规则化，把自然河道的复杂的断面变成梯形、矩形和弧形等规则几何断面；③河底材料的硬质化，河道的边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料。蜿蜒曲折的河流是长期自然历史演化的结果，具有天然的合理性，河流形态的改变 ——河流缩短、河漫滩缩小、深潭一浅滩序列消失——使地貌空间异质性明显下降，水生生物生境变得单调化，栖息地数量减少，生物多样性下降。
国内外的大量实践表明对渠化的河道进行生态化改造取得了明显的成效。“欧共体”通过实施“鲑鱼-2000计划”，对莱茵河进行生态修复，到2000年全面实现了预定目标，沿河森林茂密，湿地发育，水质清澈洁净。鲑鱼已经从河口洄游到上游一带（瑞士）产卵，鱼类、鸟类和两栖动物重现莱茵河。美国基西米河生态修复工程是美国迄今为止最大的河流恢复工程，通过实施回填运河、开挖原有河道、拆除水闸、恢复洪泛区和沼泽地等工程，使原河道中过度繁殖的植物得到控制，新沙洲的新发展，恢复了洪泛区阔叶林沼泽地，创造了多样的栖息地，水中溶解氧水平提高，水质明显改善，许多已经匿迹的鸟类又重新返回基西米河，科学家证实该地区鸟类数量增长了3倍。
二是增建过鱼设施。过鱼设施包括鱼道、鱼闸、升鱼机和集运鱼系统几种形式。修建过鱼设施问题在业内和社会上受到广泛关注和讨论。我们认为，高坝大库由于大坝上游生境已发生重大变化，不宜修建过鱼设施。
三是增建分层取水设施。水库存在水温分层现象，为减缓下泄低温水对下游水生生物或农田灌溉的不利影响，需要采取必要的水温恢复和调控措施。一些大坝只在一个高程设出水口，这样的工程需要进行技术性改造。
6、拆除违规。拆除违规小水电工作迈出了可喜的步伐。2018年12月14日， 水利部、国家发改委、生态环境部、国家能源局联合下发了《关于开展长江经济带小水电清理整改工作的意见》。意见提出了总体目标：限期退出涉及自然保护区核心区或缓冲区，严重破坏生态环境的违规水电站，全面整改审批手续不全、影响生态环境的水电站，完善建管制度和监管体系，有效缓解长江经济带小水电生态环境突出问题，促进小水电科学有序可持续发展。2020年底前完成清理任务。
要科学认识小水电的地位和作用。关于小水电的第一次争论发生在1982年。1982年10月28日-11月2日，李鹏同志陪同耀邦同志考察江西、福建。耀邦同志在上饶说：“中国有1140个县有小水电资源在1万千瓦以上，如果近年内能做到100个县实现全盘电气化。将震惊全世界。全盘电气化不光是照明、看电视，还应包括烧水做饭。现在农民有钱了，干什么？出钱建电站嘛。小水电不要并入大电网，实现 ‘自建、自管、自用’。”在专列上，李鹏同志给耀邦同志整理一份福建小水电的资料，想说明依靠小水电实现电气化，在大多数县都达不到这个目标：一是小水电资源少，一个40万人口的县至少要20万千瓦，人均每年需要1000千瓦时电。二是每年枯丰季节发电不均衡。在小水电作用方面，李鹏同志和耀邦同志有不同的看法。李鹏同志当时希望通过这次考察使耀邦同志既体会到小水电的作用，又能认清它的不足之处。
实际上，最后李鹏同志也没能说服耀邦同志。耀邦同志的坚持，带来了小水电的大发展。小水电在改革开放初期的大发展，对缓解用电紧张局面，促进地区经济发展，提高人民生活水平方面发挥了不可替代的作用，应给予充分肯定，但任何问题都是时代的问题，在建设生态文明的新时代，在供电能力大幅提升的条件下，适当退出一些小水电也是时代进步的表现。
本文阐述了可持续发展、生物多样性和复杂系统理论，都是比较偏向认识论方面的理论，而对水力学、水生态学、环境科学等应用科学方面的理论没有展开，是因为我们认为认识是实践的先导，在当下观念转变至关重要。阐述了“一条主线，六个字”的基本方法，对生态教育、制度建设等问题也没有涉及，这些问题也非常重要。
