水利工程論文-試論生態(tài)水利工程的基本設(shè)計原則摘要：文章簡要分析了水利工程對于河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫問題，提出應重視河流生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的需求。生態(tài)水利工程學是水利工程學與生態(tài)學相融合產(chǎn)生的新分支學科，目的是改進和完善水利工程的規(guī)劃設(shè)計方法。本文歸納了生態(tài)水利工程的五項基本原則，它們是：工程安全性與經(jīng)濟性原則，提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性原則；生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計與自我恢復原則；景觀尺度與整體修復原則；反饋和調(diào)整設(shè)計原則。關(guān)鍵詞：生態(tài)水利工程設(shè)計原則水利工程對經(jīng)濟與社會發(fā)展的巨大作用勿庸置疑。但是也必須看到水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的干擾【1】。水利工程對于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫主要表現(xiàn)在兩方面：一是自然河流的渠道化。包括平面布置上的河流形態(tài)直線化，即將蜿蜒曲折的天然河流改造成直線或折線型的人工河流。包括河道橫斷面幾何規(guī)則化，即把自然河流的復雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規(guī)則幾何斷面。還包括河床和邊坡材料的硬質(zhì)化，即渠道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質(zhì)材料。二是指自然河流的非連續(xù)化。筑壩是順水流方向的河流非連續(xù)化，流動的河流生態(tài)系統(tǒng)變成了相對靜止的人工湖，流速、水深、水溫及水流邊界條件都發(fā)生了重大變化。庫區(qū)內(nèi)原來的森林、草地或農(nóng)田統(tǒng)統(tǒng)淹沒水底。陸生動物被迫遷徙。水庫形成后也改變了原來河流營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化的規(guī)律。由于水庫截留河流的營養(yǎng)物質(zhì)，氣溫較高時，促使藻類在水體表層大量繁殖，產(chǎn)生水華現(xiàn)象。藻類蔓延遮蓋住大植物的生長使之萎縮，而死亡的藻類沉入水底，在那里腐爛的同時還消耗氧氣。溶解氧含量低的水體會使水生生物“窒息而死”。由于水庫的水深高于河流，在深水處陽光微弱，光合作用也弱，導致水庫的生態(tài)系統(tǒng)比河流的生物生產(chǎn)量低，相對要脆弱，自我恢復能力弱。河流泥沙在水庫淤積，而壩下清水下泄又加劇了對河道的沖蝕，這些變化都大幅度改變了生境。由于靠水庫進行人工徑流調(diào)節(jié)，改變了自然河流年內(nèi)豐枯的水文周期規(guī)律，即改變了原來隨水文周期變化形成脈沖式河流走廊生態(tài)系統(tǒng)的基本狀況。最后，眾所周知，不設(shè)魚道的大壩對于洄游魚類是致命的屏障。另一類非連續(xù)化是由于河流兩岸建設(shè)的防洪堤造成的側(cè)向水流的非連續(xù)性。堤防妨礙了汛期主流與岔流之間的溝通，阻止了水流的橫向擴展。堤防把干流與灘地和洪泛區(qū)隔離，使岸邊地帶和洪泛區(qū)的棲息地發(fā)生改變。原來可能擴散到灘地和洪泛區(qū)的水、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)，被限制在堤防以內(nèi)的河道內(nèi)，植被面積明顯減少。魚類無法進入灘地產(chǎn)卵和覓食，也失去了避難所。魚類、無脊椎動物等會減少，導致灘區(qū)和洪泛區(qū)的生態(tài)功能退化。概況地講，被改造過的河流生態(tài)系統(tǒng)是由三個子系統(tǒng)組成。即：由動物、植物和微生物組成的生命系統(tǒng)，這是生態(tài)系統(tǒng)的主體。廣義的水文系統(tǒng)，包括地表和地下水體、土地、氣候系統(tǒng)等。再有就是工程設(shè)施系統(tǒng)，這是人類改造河流的結(jié)果。后面兩個子系統(tǒng)組成生境，是生命支持系統(tǒng)。由于水利工程系統(tǒng)改變了河流形態(tài)，水庫調(diào)度運行又改變了原有的水文規(guī)律，造成河流生態(tài)系統(tǒng)的生境變化，其結(jié)果可能造成河流生態(tài)系統(tǒng)生物群落多樣性的下降，使生態(tài)系統(tǒng)退化。對于水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫，應該采取正視而不是回避的態(tài)度。傳統(tǒng)意義上的水利工程學作為一門重要的工程學科，以建設(shè)水工建筑物為手段，目的是改造和控制河流，以滿足人們防洪和水資源利用等多種需求?，F(xiàn)代科學發(fā)展使我們認識到，傳統(tǒng)意義上的水利工程學在力圖滿足人的需求時，卻在不同程度上忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求。而河流生態(tài)系統(tǒng)的功能退化，也會給人們的長遠利益帶來損害。未來的水利工程在權(quán)衡社會經(jīng)濟需求與生態(tài)系統(tǒng)健康需求這二者關(guān)系方面，似應強調(diào)水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性。從學科發(fā)展角度看，現(xiàn)在的水利工程學的學科基礎(chǔ)主要是工程力學和水文學，水利工程規(guī)劃設(shè)計主要對象是水文系統(tǒng)，往往忽視生命系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來風險等問題。學科的進一步發(fā)展應吸收生態(tài)學的理論及方法，促進水利工程學與生態(tài)學的交叉融合，用以改進和完善水利工程的規(guī)劃及設(shè)計理論，形成水利工程學的新的學科分支生態(tài)水利工程學（Eco-HydraulicEngineering）。生態(tài)水利工程學作為水利工程學的一個新的分支，是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求的原理與技術(shù)方法的工程學【2】【3】。生態(tài)水利工程的內(nèi)涵是：對于新建工程，是指進行傳統(tǒng)水利建設(shè)的同時（如治河、防洪工程），兼顧河流生態(tài)修復的目標。對于已建工程，則是對于被嚴重干擾河流重點進行生態(tài)修復。生態(tài)水利工程將與傳統(tǒng)治污技術(shù)、清潔生產(chǎn)（生態(tài)產(chǎn)業(yè)）以及環(huán)境立法和資源管理一起，成為河流生態(tài)建設(shè)的主要手段之一。圖1表示了生態(tài)水利工程在河流生態(tài)建設(shè)中的地位。圖中右側(cè)表示人類活動對自然河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾過程，左側(cè)表示人類活動對被干擾的河流生態(tài)系統(tǒng)的修復過程。這里討論的生態(tài)水利工程學的基本原則也是生態(tài)水利工程規(guī)劃設(shè)計的基本原則，筆者試歸納為以下五項內(nèi)容。1工程安全性和經(jīng)濟性原則生態(tài)水利工程是一種綜合性工程，在河流綜合治理中既要滿足人的需求，包括防洪、灌溉、供水、發(fā)電、航運以及旅游等需求，也要兼顧生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的需求。生態(tài)水利工程既要符合水利工程學原理，也要符合生態(tài)學原理。生態(tài)水利工程的工程設(shè)施必須符合水文學和工程力學的規(guī)律，以確保工程設(shè)施的安全、穩(wěn)定和耐久性。工程設(shè)施必須在設(shè)計標準規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠承受洪水、侵蝕、風暴、冰凍、干旱等自然力荷載。按照河流地貌學原理進行河流縱、橫斷面設(shè)計時，必須充分考慮河流泥沙輸移、淤積及河流侵蝕、沖刷等河流特征，動態(tài)地研究河勢變化規(guī)律，保證河流修復工程的耐久性。對于生態(tài)水利工程的經(jīng)濟合理性分析，應遵循風險最小和效益最大原則。由于對生態(tài)演替的過程和結(jié)果事先難以把握，生態(tài)水利工程往往帶有一定程度的風險。這就需要在規(guī)劃設(shè)計中需要進行方案比選，更要重視生態(tài)系統(tǒng)的長期定點監(jiān)測和評估。另外，充分利用河流生態(tài)系統(tǒng)自我恢復規(guī)律，是力爭以最小的投入獲得最大產(chǎn)出的合理技術(shù)路線。2.提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性原則有關(guān)生物群落研究的大量資料表明，生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性（spacialheterogeneity）存在正相關(guān)關(guān)系。這里所說的“生物群落”是指在特定的空間和特定的生境下，由一定生物種類組成，與環(huán)境之間相互影響、相互作用，具有一定結(jié)構(gòu)和特定功能的生物集合體。一般所說的“生物群落多樣性”指生物群落的結(jié)構(gòu)與功能的多樣性。實際上，生物群落多樣性問題是在物種水平上的生物多樣性。非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性與生物群落多樣性的關(guān)系反映了非生命系統(tǒng)與生命系統(tǒng)之間的依存和耦合關(guān)系。一個地區(qū)的生境空間異質(zhì)性越高，就意味著創(chuàng)造了多樣的小生境，能夠允許更多的物種共存。反之，如果非生物環(huán)境變得單調(diào)，生物群落多樣性必然會下降，生物群落的性質(zhì)、密度和比例等都會發(fā)生變化，造成生態(tài)系統(tǒng)的某種程度的退化。河流生態(tài)系統(tǒng)生境的主要特點是：水陸兩相和水氣兩相的聯(lián)系緊密性；上中下游的生境異質(zhì)性；河流縱向的蜿蜒性；河流橫斷面形狀的多樣性；河床材料的透水性等。水陸兩相和水氣兩相的緊密關(guān)系，形成了較為開放的生境條件；上中下游的生境異質(zhì)性，造就了豐富的流域生境多樣化條件；河流縱向的蜿蜒性形成了急流與緩流相間；河