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论文摘要:阐述水利工程与水域生态的关系,介绍了生态水利规划的基本原则:工程安全性与经济性原则;提高河流形态的空间异质性原则;生态系统自设计与自我恢复原则;景观尺度与整体修复原则;反馈和调整设计原则。
1水利工程对河流生态系统的影响
在社会生产过程中水利工程对经济与社会有着巨大的作用,同时也要看到水利工程对河流生态系统造成了不同程度的影响。人类整治河道修筑堤坝等活动人为的改变了河流的多样性、连续性和流动性,使水域的流速、水深、水温、自水流边界、水文规律等自然条件发生重大改变。这些改变对河流生态系统造成的影响是不容忽视的。未来的水利工程在权衡社会经济需求与生态系统健康需求这二者关系方面,似应强调水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水域生态系统的健康和可持续性。
2生态水利工程
从学科发展角度看,现在的水利工程学的学科基础主要是工程力学和水文学,水利工程规划设计主要对象是水文系统,往往忽视生命系统的现状和未来风险等问题。学科的进一步发展应吸收生态学理论及方法,促进水利工程学与生态学的交叉融合,用以改进和完善水利工程的规划及设计理论,形成水利工程学新的学科分支——生态水利工程学。生态水利工程学作为水利工程学的一个新的分支,是研究水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水域生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学。生态水利工程的内涵是:对于新建工程,是指进行传统水利建设的同时(如治河、防洪工程),兼顾河流生态修复的目标。对于已建工程,则是对于被严重干扰河流重点进行生态修复。生态水利工程将与传统治污技术、清洁生产(生态产业)及环境立法和资源管理一起,成为河流生态建设的主要手段之一。
3生态水利工程的规划设计原则
3.1工程安全性和经济性原则
生态水利工程是一项综合性工程,在河流综合治理中既要满足人的需求,包括防洪、灌溉、供水、发电、航运等需求,也要兼顾生态系统的可持续性。生态水利工程既要符合水利工程学原理,也要符合生态学原理。生态水利工程的工程设施必须符合水文学和工程力学的规律,以确保工程设施的安全、稳定和耐久性。工程设施必须在设计标准规定的范围内,能够承受洪水、侵蚀、风暴、冰冻、干旱等自然力荷载。按照河流地貌学原理进行河流纵、横断面设计时,必须充分考虑河流泥沙输移、淤积及河流侵蚀、冲刷等河流特征,动态地研究河势变化规律,保证河流修复工程的耐久性。
对于生态水利工程的经济合理性分析,应遵循风险最小和效益最大原则。由于对生态演替的过程和结果事先难以把握,生态水利工程往往带有一定程度的风险。这就需要在规划设计中进行方案比选,更要重视生态系统的长期定点监测和评估。另外,充分利用河流生态系统自我恢复规律,是力争以最小的投入获得最大产出的合理技术路线。
3.2提高河流形态的空间异质性原则
一个地区的生境空间异质性越高,就意味着创造了多样的小生境,能够允许更多的物种共存。反之,如果非生物环境变得单调,生物群落多样性必然会下降,生物群落的性质、密度和比例等都会发生变化,造成生态系统某种程度的退化。由于人类活动,特别是大规模治河工程的建设,造成自然河流的渠道化及河流非连续化,使河流生境在不同程度上单一化,引起河流生态系统的不同程度退化。生态水利工程的目标是恢复或提高生物群落的多样性,但是并不意味着主要靠人工直接种植岸边植被或者引进鱼类、鸟类和其他生物物种,生态水利工程的重点应该是尽可能提高河流形态的异质性,使其符合自然河流的地貌学原理,为生物群落多样性的恢复创造条件。
在确定河流生态修复目标以后,就应该对于河流进行生物调查、地貌历史和现状进行勘查和评估,建立河流地貌数据库和生物资源数据库。遥感技术和地理信息系统(GIS)是水文、河流地貌和生物调查的有力工具。关键的工作步骤是在以上两种调查工作的基础上,确定环境因子与生物因子的相关关系,必要时建立某种数学模型。河流环境因子包括河流河势、蜿蜒度、横断面形状及材料、流速、水位、水质、水温、泥沙、营养盐的迁移转化、水文周期变化等。研究的内容包括:调查单个生物因子的基本需求,评估各种生物因子的相互关系和制约条件,对于“关键种”或标志性生物的环境因子进行分类和评估。在众多的环境因子中,识别那些对于系统的结构和功能具有重要意义的环境因子,在此基础上进行河流地貌学设计和生物栖息地的设计。
3.3生态系统自设计、自我恢复原则
生态系统的自组织功能表现为生态系统的可持续性。自组织的机理是物种的自然选择,也就是说某些与生态系统友好的物种,能够经受自然选择的考验,寻找到相应的能源和合适的环境条件。
将自组织原理应用于生态水利工程时,生态工程设计与传统水工设计有本质的区别。像设计大坝这样的人工建筑物是一种确定性的设计,建筑物的几何特征、材料强度都是在人的控制之中,建筑物最终可以具备人们所期望的功能。河流修复工程设计与此不同,生态工程设计是一种“指导性”的设计,或者说是辅设计。依靠生态系统自设计、自组织功能,可以由自然界选择合适的物种,形成合理的结构,从而完成设计和实现设计。成功的生态工程经验表明,人工与自然力的贡献各占一半。
传统的水利工程设计的特征是对于自然河流实施控制。而设计生态水利工程时,要求工程师必须放弃控制自然界的动机,树立新的工程理念。因为依靠人力和技术控制自然界是不可能的。人们要善于利用生态系统自组织、自设计这个宝贵财富,实现人与自然的和谐。需要强调的是,地球上没有两条相同的河流,每一条河流的特点都是各不相同的。因此,每一项生态水利工程必须因地制宜,充分尊重每一条河流的自然属性和美学价值,寻求最佳的生态工程方案。
自设计理论的适用性还取决于具体条件。包括水量、水质、土壤、地貌、水文特征等生态因子,也取决于生物的种类、密度、生物生产力、群落稳定性等多种因素。在利用自设计理论时,需要注意充分利用乡土种。引进外来物种时要持慎重态度,防止生物入侵。
3.4景观尺度及整体性原则
河流生态修复规划和管理应该在大景观尺度、长期的和保持可持续性的基础上进行,而不是在小尺度、短时期和零星局部的范围内进行。在大景观尺度上开展的河流生态修复效率要高。小范围的生态修复不但效率低,而且成功率也低。整体性是指从生态系统的结构和功能出发,掌握生态系统各个要素间的交互作用,提出修复河流生态系统的整体、综合的系统方法,而不是仅仅考虑河道水文系统的修复问题,也不仅仅是修复单一动物或修复河岸植被。
景观则是指生态学中的景观尺度。景观尺度包括空间尺度和时间尺度。为什么在景观的大尺度上进行河流修复规划?首先,水域生态系统是一个大系统,其子系统包括生物系统、广义水文系统和人造工程设施系统。广义水文系统又与生物系统交织在一起,形成自然河流生态系统。而人类活动和工程设施作为生境的组成部分,形成对于水域生态系统的正负影响。水域生态系统受到胁迫时,需要对于各种胁迫因素之间的相互关系进行综合、整体研究。其次,必须重视水域生境的易变性、流动性和随机性的特点,这些特点决定了生物种群的基本生存条件。水域生态系统是随着降雨、水文变化及潮流等条件在时间与空间中扩展或收缩的动态系统。再者,河流生态系统是一个开放的系统,与周围生态系统随时进行能量传递和物质循环,一条河流的生态修复活动不可能是孤立的,还需要与相邻的流域的生态修复活动进行协调。最后,河流生态修复的时间尺度也十分重要。河流系统的演进是一个动态过程。每一个河流生态系统都有它自己的历史。河流生态修复是靠时间做工作的。有研究指出,湿地重建或修复需要大约15~20a的时间。因此对于河流生态修复项目要有长期准备,同时进行长期的监测和管理。
3.5反馈调整式设计原则
生态系统的成长是一个过程,河流修复工程需要时间。从长时间尺度看,自然生态系统的进化需要数百万年时间。进化的趋势是结构复杂性、生物群落多样性、系统有序性及内部稳定性都有所增加和提高,同时对外界干扰的抵抗力有所增强。从较短的时间尺度看,生态系统的演替,即一种类型的生态系统被另一种生态系统所代替也需要若干年的时间,期望河流修复能够短期奏效往往是不现实的。
生态水利工程规划设计主要是模仿成熟的河流生态系统的结构,力求最终形成一个健康、可持续的河流生态系统。在河流工程项目执行以后,就开始了一个自然生态演替的动态过程。这个过程并不一定按照设计预期的目标发展,可能出现多种可能性。
意识到生态系统和社会系统都不是静止的,在时间与空间上常具有不确定性。除了自然系统的演替以外,人类系统的变化及干扰也导致了生态系统的调整。这种不确定性使生态水利工程设计不同于传统工程的确定性设计方法,而是一种反馈调整式的设计方法。是按照“设计—执行(包括管理)—监测—评估—调整”这样一种流程以反复循环的方式进行的。在这个流程中,监测工作是基础。监测工作包括生物监测和水文观测。评估的内容是河流生态系统的结构与功能的状况及发展趋势。常用的方法是参照比较方法,一种是与自身河流系统的历史及项目初期状况比较,一种是与自然条件类似但未进行生态修复的河流比较。
在反馈调整式设计过程中,提倡科学家、管理者和当地居民及社会各界的广泛参与,通过对话、协商,以寻求共同利益。提倡多学科的交流和融合,提高设计的科学性。
参考文献
[1]董哲仁.水利工程对生态系统的胁迫[J].水利水电技术,2003,(7):1~5.
[2]董哲仁.生态水工学的理论框架[J].水利学报,2003,(1):1~6.
[3]董哲仁.河流形态多样性与生物群落多样性[J].水利学报,2003,(11):1~7.
[4]Mitsch W.J.,Jorgensen S E..Ecological Engineering and EcosystemRestoration[M].Published by John Wiley&Sons,Inc.,Hoboken,NewJersey,2004:134~137.
[5]董哲仁.荷兰围垦区生态重建的启示[J].中国水利,2003,(11A):45~47.
[6]O’Neill R.V.,D.L.DeAngelis,J.B.Waide,et al.A Hierarchical Con-cept of Ecosystems[M].Princeton University Press,Princeton,NJ.1986:153.
[7]Gosselink J.G.Landscape Conservation in a forested Wetland Water-shed[J].Bioscience,1990,40:588~600.
关键词:生态水利工程;基本设计原则;分析
中图分类号: TV222 文献标识码: A DOI编号: 10.14025/ki.jlny.2015.20.038
在水利工程对社会发展起到重大作用的同时,我们也必须看到水利工程建设对生态环境产生的影响。水利工程的建设导致了水文环境发生了重大变化,河流生态系统的自我恢复能力减弱,河流内生物的生存环境恶化,生物群落多样性下降,最终可能引起生态系统的退化或崩溃。
1 生态水利工程学的简要介绍
水利工程的建设在一定程度上破坏了河流生态系统的稳定性,对当地的气候环境产生了一定的影响,虽然获得了丰厚的回报,但长远来看只追寻经济利益,罔顾生态利益,最终将得不偿失。在以后的水利工程建设中应该多从生态角度对工程建设进行考量,平衡经济利益与生态利益之前的关系,尽可能的同时兼顾。而要在水利工程建设中对两者同时兼顾,那么就要将水利工程的规划从单纯的水文系统向水文系统与生态系统融合的方向转变,这就是生态水利工程学。其核心内容是在进行水利工程建设的同时,兼顾河流生态系统的保护[1]。
2 生态水利工程的基本设计原则
在进行生态水利工程建设时一般要兼顾工程安全性与经济性原则、提高河流动态的空间异质性原则、生态系统自我设计与自我恢复原则、景观尺度与整体修复原则、反馈和调整设计原则。
2.1 工程安全性和经济性原则
生态水利工程的建设既要求符合力学工程原理,保障工程质量,又要求符合生态原理,保护生态环境。而为保护生态环境对工程做出的改变极有可能会对工程质量产生影响,所以在生态水利工程的建设中要遵循工程安全性和经济性原则。在进行生态水利工程建设时要对当地生态环境进行长时间的监测和评估,了解当地生态的具体情况,以便选取投入最少、产出最多的方案,节省工程成本的同时最大限度的保证工程的安全性和生态系统的稳定性。
2.2 提高河流形态的空间异质性原则
非生物环境的空间抑制性与生物群落的多样性之间是正比的关系,反映的是生命系统与非生命系统的依存关系。非生物环境的空间异质性越高则表示生物群落的多样性越高,当地的生态环境越稳定。水利工程的建设势必对生态环境产生不利影响,导致河流生态环境会不同程度的单一化,河流形态的空间异质性会降低。所以,提高河流形态的空间异质性是生态水利工程建设的另一个原则[3]。
2.3 生态系统自我设计及自我恢复原则
生态水利工程的设计与传统水利工程设计有着本质的区别。在传统的水利工程建设中设计者注重的只是工程的工程性,其本质内涵可以归纳为“绝对的控制”,而生态水利工程建设则是以“指导性”为核心,不对生态环境施加人为的绝对干涉。生态水利工程依靠与生态系统的自我设计和自我组织功能,与自然和谐共处,让自然自由的“选择”与发展,最终形成合理的生态系统,完成生态水利工程的建设。另外要注意每条河流的水文特征都有所不同,因此每一项生态水利工程都应因地制宜,了解当地的生态系统,充分尊重当地的生态环境。
2.4 景观尺度及整体性原则
河流生态系统的修复规划应从整体出发,立足于工程所处的整个环境,要在大景观尺度上开展河流的生态修复。河流生态系统是当地整个生态环境中的一部分,与当地生态环境息息相关,所以对河流生态的修复应该是整体的。整体性是指从生态系统的结构和功能出发,对生态系统中各要素之间的关联进行分析,用综合的方法对生态系统进行修复,而不是仅仅只考虑河流生态系统的修复问题。
2.5 反馈调整式设计原则
水利工程的建设对河流生态系统的影响可能不会全部马上显现出来,而是在工程建成后若干时间段内显现出来,所以这就形成了生态水利工程建设与普通水利工程建设的不同之处,即反馈调整式的设计原则。反馈调整式设计原则的具体流程为“设计执行(包括管理)――监测――评估――调整”,而且这一流程还要以反复循环的方式进行。在这个流程之中,监测是整个工作的核心,设计者通过监测数据实现工程的不断改进,最终实现河流生态系统稳定健康发展的目标。
3 结语
随着我国经济实力的提高,使我国能够更好的开展水利工程开工建设。但是由于水利工程建设的规模大、影响广,一旦出现问题那就是大问题,所以相关人员在进行水利工程建设的可行性分析时,一定要全面考虑各个因素的影响,要特别注重水利工程的建设对当地生态环境的影响。
参考文献
[1]赵黎霞,崔建华,时静.生态水利工程的规划设计基本原则[J].水科学与工程技术,2008(S2):79-81.
关键词:水土保持;生态修复
1 关于“生态恢复、生态修复”的理解
生态修复是指对生态系统停止人为干扰,以减轻负荷压力,依靠生态系统的自我调节能力与自我组织能力使其向有序的方向进行演化,或者利用生态系统的这种自我恢复能力,辅以人工措施,使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展;主要指致力于那些在自然环境突变和人类活动影响下受到破坏的自然生态系统的恢复与重建工作。
目前学术上用的比较多的是“生态恢复”和“生态修复”,生态恢复的称谓主要应用在欧美国家,在我国也有应用。而生态修复的叫法主要应用在日本和我国。关于“生态修复”一词,近年来也不时见诸文献报道,它和“生态恢复”一词十分相近,有时互相通用也不会有什么问题,但“修复”一词,带有修理、整治、补偿使之回归原来状态的意思,带有更强的人为措施促进的含义。为加快水土流失治理,水利部提出治水新思路,把“生态修复”概念引进水土流失治理领域,表明了人们对水土流失的治理的认识逐渐从保水保土的层次提高到了生态学层次。
在生态修复的研究和实践中,涉及的相关概念有生态恢复(Ecological Restoration)、生态修复(Ecological Rehabilitation)、生态重建(Ecological Reconstruction)、生态改建(Ecological Renewal)、生态改良(Ecological Reclamation)等。虽然在涵义上有所区别,但是都具有“恢复和发展”的内涵,即使原来受到干扰或者损害的系统恢复后使其可持续发展,并为人类持续利用。
2 水土保持生态修复是以生态恢复为目标的水土流失综合治理
水土保持生态修复:指在特定的土壤侵蚀地区,通过解除生态系统所承受的超负荷压力,根据生态学原理,依靠生态系统本身的自组织和自调控能力的单独作用,或辅以人工调控能力的作用,使部分受损的生态系统恢复到相对健康的状态。
水土保持生态修复是独具中国特色的概念,标志着中国治理水土流失的理念有了重大突破。水土保持生态修复概念的界定应符合中国的土壤侵蚀面积广、类型多、强度大,经济落后,人口众多等国情。
我国是世界上自然生态系统退化和丧失很严重的地区,土地荒漠化、沙尘暴、洪水灾害、水资源短缺等,已严重威胁我国的社会经济发展和国民福利。为此我国采取了一系列工程措施,如植树造林、自然保护区建设、退耕还林等,但总体上我国的生态环境还是相当严峻。水土流失治理的对象是水土流失区,也就是生态系统的退化区。依据恢复生态学原理,应该从满足系统的功能、结构的恢复和改善并使之能自我维持的三方面要求上来采取综合治理措施。通过水土保持生态修复,促进土壤肥力的提高、结构的改善、土地可持续利用;创造条件促进群落进展演替;采取措施加快系统物质和能量的转化等,才能使部分受损的生态系统恢复到相对健康的状态。
3 水土保持生态修复的技术方法
3.1 退化坡面生态系统生态修复
我国是一个多山的国家,山区丘陵区约占国土面积的2/3,耕地面积1.33 亿hm2,其中有坡耕地4667 万hm2,占总耕地面积的35%。在山区丘陵区,坡耕地是主要的农业生产场所。
退化坡耕地生态系统的生态修复:少施化肥,增施农家肥料;种植绿肥植物,增加固氮作物品种;轮作、套作,间种、混种;减少化学防治,增加生物防治;植等高植物篱等。退化林地、草地、荒地生态系统的生态修复:在封禁的基础上,补种乡土树种、草种。封禁时间的长短因生态系统类型、受损程度、气候等因素的不同而不同,一般来说,乔木林、灌木林、草地生态系统可分别为8a 以上、5~8a、3~5a。一般坡度小于20°的坡地可修建成水平梯田;坡度小于10°的也可通过水土保持耕作措施,达到控制土壤侵蚀的目的。另外,对于坡度更大的坡地(>20°),就需建立水土保持林业生态工程。
水土保持林业生态工程就是在同一地块上相间种植农作物和林木(含经济林木和草),包括配置在缓坡耕地上的水流调节林带、生物地埂(生物坝、生物篱),配置在梯田地埂的梯田地坎防护林及坡地农林(草)复合工程。水流调节林带能够分散、减缓地表径流速度,增加渗透,变地表径流为土内径流,阻截从坡地上部带来的降雨径流。多条林带可以做到层层拦蓄径流,达到减流沉沙,控制水土流失的目的。
3.2 退化河流生态系统生态修复
在土壤侵蚀地区,导致河流退化的驱动力主要有修路、开矿、河岸放牧、化肥与农药的面源污染、工业废水与生活污水的点源污染、过度捕鱼等,对由于这些驱动力所导致的退化河流生态系统进行生态修复,最重要的是要减轻或解除导致河流生态系统退化的驱动力,让河流休养生息。此外,还可采取如下两种方法:①减少河流人工直线化的程度,增加河流弯曲度,以增加河流生境的多样性,进而增加水生生物多样性;②在河流两岸种植生物隔离带(种类和宽度应因地制宜),一方面防治面源污染,另一方面为河流水生生物增加营养源。
同时,合理开发利用水资源,实施生态应急补水工程,至少要满足天然绿洲生态系统最小生态需水量;合理调整土地利用结构,适当减少人工绿洲面积,使人工绿洲和天然绿洲面积比例调整到1:1 左右。
3.3 退化矿山生态系统生态修复
该生态系统的土壤、植物等组分完全受损,缺乏植物生长所需要的营养元素,对这种严重退化的生态进行生态修复,可采取的方法有:覆盖土壤,对土壤进行物理处理,添加营养物质,去除有害物质,种植适应性强的先锋树种或草种、间种乡土树种或草种。植被恢复对于矿山生态恢复效果是十分显著的。但这种生物措施必须与工程措施相结合,才能早日见效。开采前严格规划弃土场、尾矿坝。根据矿场范围内地形特点以及矿种、蕴藏量、开采方式等规划弃土场。弃土场必须先设置拦沙坝(挡土墙),以控制植被恢复前水土流失。拦砂坝应根据弃土场地形以及每年弃土量而逐年加固加高。同时弃土场周围要修防洪沟。尾矿坝必须纳入整个工程预算之内,与主体工程同时施工,同时验收投产,以减少对下游农业生产和群众生活的危害。护坡护岸工程。矿区采场台阶、边坡以及公路等附属工程的边坡,应全部规划护坡工程,以防止采场及公路等出现滑坡、崩塌。同时矿区下游河道也要对河坝、河堤等加固、加高,经常清理河床淤积的泥沙石,以防洪水冲毁堤坝、农田、公路、桥梁、房屋等。
4 水土保持生态修复的途径
4.1 “封禁”法―――生态自然修复该方法适用于受损程度较轻的生态系统。如封山禁牧、舍饲养畜、退耕还林还草、调整用地结构,以电代燃料、发展沼气、生态移民等,这是生态系统恢复的最基本也是最重要的措施。
4.2 “封禁+补种”法―――自然和人工共同修复
通常选择植物群落演替中的先锋物种,它有较强的抗逆性、较强的生命力和再生能力,如南方的马尾松、杨梅、沿海风沙区的木麻黄等,以此迅速形成利于植被进展演替的小气候和生物环境。该方法适用于受损程度较重的生态系统。
4.3 “果―牧―沼、草―牧―沼”法―――人工强化促进
概况地讲,被改造过的河流生态系统是由三个子系统组成。即:由动物、植物和微生物组成的生命系统,这是生态系统的主体。广义的水文系统,包括地表和地下水体、土地、气候系统等。再有就是工程设施系统,这是人类改造河流的结果。后面两个子系统组成生境,是生命支持系统。由于水利工程系统改变了河流形态,水库调度运行又改变了原有的水文规律,造成河流生态系统的生境变化,其结果可能造成河流生态系统生物群落多样性的下降,使生态系统退化。
对于水利工程对河流生态系统的胁迫,应该采取正视而不是回避的态度。传统意义上的水利工程学作为一门重要的工程学科,以建设水工建筑物为手段,目的是改造和控制河流,以满足人们防洪和水资源利用等多种需求。现代科学发展使我们认识到,传统意义上的水利工程学在力图满足人的需求时,却在不同程度上忽视了河流生态系统本身的需求。而河流生态系统的功能退化,也会给人们的长远利益带来损害。未来的水利工程在权衡社会经济需求与生态系统健康需求这二者关系方面,似应强调水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水域生态系统的健康和可持续性。从学科发展角度看,现在的水利工程学的学科基础主要是工程力学和水文学,水利工程规划设计主要对象是水文系统,往往忽视生命系统的现状和未来风险等问题。学科的进一步发展应吸收生态学的理论及方法,促进水利工程学与生态学的交叉融合,用以改进和完善水利工程的规划及设计理论,形成水利工程学的新的学科分支-生态水利工程学(Eco-HydraulicEngineering)。生态水利工程学作为水利工程学的一个新的分支,是研究水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水域生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学【2】【3】。生态水利工程的内涵是:对于新建工程,是指进行传统水利建设的同时(如治河、防洪工程),兼顾河流生态修复的目标。对于已建工程,则是对于被严重干扰河流重点进行生态修复。
生态水利工程将与传统治污技术、清洁生产(生态产业)以及环境立法和资源管理一起,成为河流生态建设的主要手段之一。图1表示了生态水利工程在河流生态建设中的地位。图中右侧表示人类活动对自然河流生态系统的干扰过程,左侧表示人类活动对扰的河流生态系统的修复过程。
这里讨论的生态水利工程学的基本原则也是生态水利工程规划设计的基本原则,笔者试归纳为以下五项内容。
1.工程安全性和经济性原则
生态水利工程是一种综合性工程,在河流综合治理中既要满足人的需求,包括防洪、灌溉、供水、发电、航运以及旅游等需求,也要兼顾生态系统可持续性的需求。生态水利工程既要符合水利工程学原理,也要符合生态学原理。生态水利工程的工程设施必须符合水文学和工程力学的规律,以确保工程设施的安全、稳定和耐久性。工程设施必须在设计标准规定的范围内,能够承受洪水、侵蚀、风暴、冰冻、干旱等自然力荷载。按照河流地貌学原理进行河流纵、横断面设计时,必须充分考虑河流泥沙输移、淤积及河流侵蚀、冲刷等河流特征,动态地研究河势变化规律,保证河流修复工程的耐久性。
对于生态水利工程的经济合理性分析,应遵循风险最小和效益最大原则。由于对生态演替的过程和结果事先难以把握,生态水利工程往往带有一定程度的风险。这就需要在规划设计中需要进行方案比选,更要重视生态系统的长期定点监测和评估。另外,充分利用河流生态系统自我恢复规律,是力争以最小的投入获得最大产出的合理技术路线。
2.提高河流形态的空间异质性原则
有关生物群落研究的大量资料表明,生物群落多样性与非生物环境的空间异质性(spacialheterogeneity)存在正相关关系。这里所说的“生物群落”是指在特定的空间和特定的生境下,由一定生物种类组成,与环境之间相互影响、相互作用,具有一定结构和特定功能的生物集合体。一般所说的“生物群落多样性”指生物群落的结构与功能的多样性。实际上,生物群落多样性问题是在物种水平上的生物多样性。
非生物环境的空间异质性与生物群落多样性的关系反映了非生命系统与生命系统之间的依存和耦合关系。一个地区的生境空间异质性越高,就意味着创造了多样的小生境,能够允许更多的物种共存。反之,如果非生物环境变得单调,生物群落多样性必然会下降,生物群落的性质、密度和比例等都会发生变化,造成生态系统的某种程度的退化。
河流生态系统生境的主要特点是:水-陆两相和水-气两相的联系紧密性;上中下游的生境异质性;河流纵向的蜿蜒性;河流横断面形状的多样性;河床材料的透水性等。水-陆两相和水-气两相的紧密关系,形成了较为开放的生境条件;上中下游的生境异质性,造就了丰富的流域生境多样化条件;河流纵向的蜿蜒性形成了急流与缓流相间;河流的横断面形状多样性,表现为深潭与浅滩交错;河床材料的透水性为生物提供了栖息所。由于河流形态异质性形成了在流速、流量、水深、水温、水质、水文脉冲变化、河床材料构成等多种生态因子的异质性,造就了丰富的生境多样性,形成了丰富的河流生物群落多样性。所以说,提高河流形态异质性是提高生物群落多样性的重要前提之一【4】。
由于人类活动,特别是大规模治河工程的建设,造成自然河流的渠道化及河流非连续化,使河流生境在不同程度上单一化,引起河流生态系统的不同程度的退化。生态水利工程的目标是恢复或提高生物群落的多样性,但是并不意味着主要靠人工直接种植岸边植被或者引进鱼类、鸟类和其它生物物种,生态水利工程的重点应该是尽可能提高河流形态的异质性,使其符合自然河流的地貌学原理,为生物群落多样性的恢复创造条件。
在确定河流生态修复目标以后,就应该对于河流地貌历史和现状进行勘查和评估。包括河流与相关湿地、湖泊的形状与构成、水下地形勘测、水位变化幅度、河流平面弯曲度、河流横断面形状及河床材料、急流与深潭比例、河床的稳定性及淤积及侵蚀状况等,建立河流地貌数据库。河流生物调查,包括植物、鱼类、鸟类、两栖动物和无脊椎动物等的物种分布地图以及规模和存量,建立生物资源数据库。遥感技术和地理信息系统(GIS)是水文、河流地貌和生物调查的有力工具。
关键的工作步骤是在以上两种调查工作的基础上,确定环境因子与生物因子的相关关系,必要时建立某种数学模型。河流环境因子包括河流河势、蜿蜒度、横断面形状及材料、流速、水位、水质、水温、泥沙、营养盐的迁移转化、水文周期变化等。研究的内容包括:调查单个生物因子的基本需求,评估各种生物因子的相互关系和制约条件,对于“关键种”或标志性生物的环境因子进行分类和评估。需要强调的是,在众多的环境因子中,识别那些对于系统的结构和功能具有重要意义的环境因子,在此基础上进行河流地貌学设计和生物栖息地设计。
3.生态系统自设计、自我恢复原则
有关生态系统的自组织功能的讨论始于上世纪60年代,以后有不同学科的众多学者涉足这个领域。以各种不同形式构成的自组织功能,是自然生态系统的重要特征。
生态学用自组织功能来解释物种分布的丰富性现象,也用来说明食物网随时间的发展过程。生态系统的自组织功能表现为生态系统的可持续性。自组织的机理是物种的自然选择,也就是说某些与生态系统友好的物种,能够经受自然选择的考验,寻找到相应的能源和合适的环境条件。在这种情况下,生境就可以支持一个能具有足够数量并能进行繁殖的种群。自组织功能原理与达尔文的进化论有相似之处,只是研究的尺度不同而已。达尔文的进化论研究是在地球生物圈所有种群的尺度上进行的,而自组织功能是在生态系统中种群之间发生的。
生态系统的自组织功能对于生态工程学的意义是什么呢? H.T.Odum认为:“生态工程的本质是对自组织功能实施管理。”(1989)【5】。Mitsch认为:“所谓自组织也就是自设计”(2004)【6】。将自组织原理应用于生态水利工程时,生态工程设计与传统水工设计有本质的区别。像设计大坝这样的人工建筑物是一种确定性的设计,建筑物的几何特征、材料强度都是在人的控制之中,建筑物最终可以具备人们所期望的功能。河流修复工程设计与此不同,生态工程设计是一种“指导性”的设计,或者说是辅设计。依靠生态系统自设计、自组织功能,可以由自然界选择合适的物种,形成合理的结构,从而完成设计和实现设计。成功的生态工程经验表明,人工与自然力的贡献各占一半【7】。
我国古代传统哲学注重人与自然的和谐相处,老子主张:“人法地,地法天,天法道,道法自然”。反映了一种崇尚自然,遵循自然规律的哲学观。在建筑理念方面,提倡“工不曰人而曰天,务全其自然之势”(《管氏地理指蒙》),“虽由人作,宛自天开”(《园冶》),都提倡一种效法自然,依靠自然的思想。国际生态学界一些学者认为,系统生态学的哲学理念应该追溯到公元前11世纪中国的周代。其中“阴阳五行”、万物竞争共存和相生相克等哲学思想,体现了促进与抑制,成长与腐朽,合成与异化之间的平衡与转化,这些正是现代生态学的哲学基础。
传统的水利工程设计的特征是对于自然河流实施控制。而设计生态水利工程时,要求工程师必须放弃控制自然界的动机,树立新的工程理念。因为依靠人力和技术控制自然界是不可能的,这种一厢情愿的企图最终往往归于失败。人们要善于利用生态系统自组织、自设计这个宝贵财富,实现人与自然的和谐。需要强调的是,地球上没有两条相同的河流,每一条河流的特点都是各不相同的。因此,每一项生态水利工程必须因地制宜,充分尊重每一条河流的自然属性和美学价值,寻求最佳的生态工程方案。
自设计理论的适用性还取决于具体条件。包括水量、水质、土壤、地貌、水文特征等生态因子,也取决于生物的种类、密度、生物生产力、群落稳定性等多种因素。在利用自设计理论时,需要注意充分利用乡土种。引进外来物种时要持慎重态度,防止生物入侵。
要区分两类扰的河流生态系统。一类是未超过本身生态承载力的生态系统,是可逆的。当去除外界干扰即卸荷以后,有可能靠自然演替实现自我恢复的目标。另一类是被严重干扰的生态系统,它是不可逆的。在去除干扰即卸荷后,还需要辅助以人工措施创造生境条件,再靠发挥自然修复功能,有可能使生态系统实现某种程度的修复。这就意味着,运用生态系统自设计、自我恢复原则,并不排除工程师和科学家采用工程措施、生物措施和管理措施的主观能动性。
4.景观尺度及整体性原则
河流生态修复规划和管理应该在大景观尺度、长期的和保持可持续性的基础上进行,而不是在小尺度、短时期和零星局部的范围内进行。在大景观尺度上开展的河流生态修复效率要高。小范围的生态修复不但效率低,而且成功率也低。
所谓“整体性”是指从生态系统的结构和功能出发,掌握生态系统各个要素间的交互作用,提出修复河流生态系统的整体、综合的系统方法,而不是仅仅考虑河道水文系统的修复问题,也不仅仅是修复单一动物或修复河岸植被。
这里说的“景观”(landscape)是指生态学中的景观尺度。关于生态学的尺度问题,O’Neill,认为:“生态学不可能建立在单一的时空尺度上,它应该适应所有尺度的调查研究。”(1986)【8】。按照这种观点,尺度和层次成为生态学发展的关键。目前生态学理论把生物圈划分为11个层次,依次是生物圈、生物群系、景观、生态系统、群落、种群、个体、组织、细胞、基因和分子。景观的尺度如何掌握?景观尺度包括空间尺度和时间尺度。
为什么在景观的大尺度上进行河流修复规划?首先,水域生态系统是一个大系统,其子系统包括生物系统、广义水文系统和人造工程设施系统。一条河流的广义水文系统包括从发源地直到河口的上中下游地带的地下水与地表水系统,流域中由河流串联起来的湖泊、湿地、水塘、沼泽和洪泛区。广义水文系统又与生物系统交织在一起,形成自然河流生态系统。而人类活动和工程设施作为生境的组成部分,形成对于水域生态系统的正负影响。水域生态系统受到胁迫时,需要对于各种胁迫因素之间的相互关系进行综合、整体研究。如果仅仅考虑河道本身的生态修复问题,显然是把复杂系统简单割裂开了。
其次,必须重视水域生境的易变性、流动性和随机性的特点,表现为流量、水位和水量的水文周期变化和随机变化,也表现为河流淤积与侵蚀的交替变化造成河势的摆动。这些变化决定了生物种群的基本生存条件。水域生态系统是随着降雨、水文变化及潮流等条件在时间与空间中扩展或收缩的动态系统。生态系统的变化范围从生境受到限制时期的高度临界状态到生境扩张时期的冗余状态。
再者,要考虑生境边界的动态扩展问题。由于动物迁徙和植物的随机扩散,生境边界也随之发生动态变动。Gosselink(1990)在研究水域生态系统物种管理的尺度问题时认为,对于给定需要修复的物种,考虑的范围应是这个物种的分布区【9】。举例来说,为便于理解,可以借用“流域”这个概念,比如一个地区野鸭的种群也有一个“鸭域”。所谓“鸭域”的范围应该包括物种个体在恶劣的条件下迁徙到的任何地方以及支持此物种的生态系统。这个范围的边界,应划定在某特定物种经常利用的一个很大的空间内。如果进一步扩展,还应该包括所谓“临时生境”,指在自然界对于物种产生胁迫的时期,成为该物种的避难所的地区。如果这个地区有若干种标志性动物,那么物种管理的范围边界将是这些物种“域”的包络图。另外,还要考虑流域之间的协调问题。考虑到河流生态系统是一个开放的系统,与周围生态系统随时进行能量传递和物质循环,一条河流的生态修复活动不可能是孤立的,还需要与相邻的流域的生态修复活动进行协调,
最后,河流生态修复的时间尺度也十分重要。河流系统的演进是一个动态过程。每一个河流生态系统都有它自己的历史。需要对历史资料进行收集、整理,以掌握长时间尺度的河流变化过程与生态现状的关系。河流生态修复是靠时间作工作的。有研究指出,湿地重建或修复需要大约15到20年的时间。因此对于河流生态修复项目要有长期准备,同时进行长期的监测和管理。
需要说明的是,对于规划、评估、监测这些不同的任务,工作对象的空间尺度可能是不同的。监测工作应该在尽可能大的尺度内进行。比如修复一块湿地以吸引鸟类,经过一年或者更长的时间均告失败。这就需要考虑是否有质量更好的生境吸引了候鸟而改变了它们的迁徙路线,监测工作可能在大陆的范围内开展。而评估工作可能在跨流域的尺度上进行。规划工作的尺度可能是流域或河流廊道。所谓“河流廊道”(Rivercorridor)泛指河流及其两岸与生物栖息地相关的土地,也有定义其范围为河流与对应某一洪水频率的洪泛区。至于河流修复工程项目的实施,一般在关键的重点河段内进行。
5.反馈调整式设计原则
生态系统的成长是一个过程,河流修复工程需要时间。从长时间尺度看,自然生态系统的进化需要数百万年时间。进化的趋势是结构复杂性、生物群落多样性、系统有序性及内部稳定性都有所增加和提高,同时对外界干扰的抵抗力有所增强。从较短的时间尺度看,生态系统的演替,即一种类型的生态系统被另一种生态系统所代替也需要若干年的时间,期望河流修复能够短期奏效往往是不现实的。
生态水利工程设计主要是模仿成熟的河流生态系统的结构,力求最终形成一个健康、可持续的河流生态系统【10】【11】。在河流工程项目执行以后,就开始了一个自然生态演替的动态过程。这个过程并不一定按照设计预期的目标发展,可能出现多种可能性。最顶层的理想状态应是没有外界胁迫的自然生态演进状态。在河流生态修复工程中,恢复到未受人类干扰的河流原始状态往往是不可能的,可以理解这种原始状态是自然生态演进的极限状态上限。如果没有生态修复工程,在人类活动的胁迫下生态系统的进一步恶化,这种状态则是极限状态的下限。在这两种极限状态之间,生态修复存在着多种可能性。针对具体一项生态修复工程实施以后,一种理想的可能是:监测到的各生态变量是现有科学水平可能达到的最优值,表示生态演进的趋势是理想的。另一种差的情况是,监测到的各生态变量是人们可接受的最低值。在这两种极端状态之间,形成了一个包络图。一项生态修复工程实施后的实际状态都落在这个包络图中间。
意识到生态系统和社会系统都不是静止的,在时间与空间上常具有不确定性。除了自然系统的演替以外,人类系统的变化及干扰也导致了生态系统的调整。这种不确定性使生态水利工程设计不同于传统工程的确定性设计方法,而是一种反馈调整式的设计方法。是按照“设计-执行(包括管理)-监测-评估-调整”这样一种流程以反复循环的方式进行的。在这个流程中,监测工作是基础。监测工作包括生物监测和水文观测。这就需要在项目初期建立完善的监测系统,进行长期观测。依靠完整的历史资料和监测数据,进行阶段性的评估。评估的内容是河流生态系统的结构与功能的状况及发展趋势。常用的方法是参照比较方法,一种是与自身河流系统的历史及项目初期状况比较,一种是与自然条件类似但未进行生态修复的河流比较。评估的结果不外乎有几种可能:1)生态系统大体按照预定目标演进,不需要设计变更;2)需要局部调整设计,适应新的状况;3)原来制定的目标需要重大调整,相应进行设计。
在反馈调整式设计过程中,提倡科学家、管理者和当地居民及社会各界的广泛参与,通过对话、协商,以寻求共同利益。提倡多学科的交流和融合,提高设计的科学性。
DesignPrinciplesofEco-hydraulicsEngineering
DONGZheren
(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch)
Abstract:Theconceptofeco-hydraulicengineeringisproposed.
Itintegratesthetechnologyofhydraulicengineeringwithecology.
Basedontheanalysisofstressofhydraulicengineeringonriver
ecosystemtherequirementsforensuringhealthyecosystemand
sustainabledevelopmentforriveraresuggested.Theserequirements
includetheprinciplesinfivescopes:engineeringsafetyand
economy,spatialheterogeneityofrivermorphology,self-design
andself-restorationofecosystem,landscapescaleandintegrated
riverecosystemsrestorationanddesignmethodologyprocessbased
onfeedbackandadjustment.
参考文献
【1】董哲仁,水利工程对生态系统的胁迫[J],水利水电技术,2003年7期,
P1-5
【2】ASCERiverRestorationSubcommittee onUrbanStreamRestoration,
UrbanstreamRestoration[J],JournalofHydraulicEngineeringASCE,
July2003,pp491-493
【3】董哲仁,生态水工学的理论框架[J],水利学报,2003年第1期P1-6
【4】董哲仁,河流形态多样性与生物群落多样性[J],水利学报,2003年第11期,
P1-7
【5】Odum,H.T.1989.Ecologicalengineeringandself-organization[D].
Pages79-101.In:W.J.MitschandS.E.Jorgensen,eds.,Ecological
Engineering:AnIntroductiontoEcotechnology.Wiley,NewYork.
【6】MitschW.J.&JorgensenSE.,EcologicalEngineeringandEcosystem
Restoration[M].PP134-137,PublishedbyJohnWiley&Sons,Inc.,
Hoboken,NewJersey,2004
【7】董哲仁,荷兰围垦区生态重建的启示[J].中国水利,2003年11A期,P45-47
【8】O’Neill,R.V.,D.L.DeAngelis,J.B.Waide,andT.F.H.Allen.1986.
AHierarchicalConceptofEcosystems[M].PrincetonUniversityPress,
Princeton,NJ.153pp
【9】Gosselink,J.G.,1990,LandscapeConservationinaforestedWetland
Watershed[J].Bioscience40:588-600
【10】Mitsch,W.J.andJ.G.Gosselink.2000.Wetland[M],3rded.Wiley,
NewYork.920pp.
【11】董哲仁河流生态恢复的目标[J].中国水利,2004年第10期,P1-5
关键词:生态设计;环境工程设计;原则
中图分类号:S611 文献标识码:A 文章编号:
1生态水利工程的基本设计原则
1.1工程安全性和经济性原则
生态水利工程是一种综合性工程,在河流综合治理中既要满足人类的需求,包括防洪、灌溉、供水、发电、航运以及旅游等需求,也要兼顾生态系统可持续性的需求。生态水利工程既要符合水利工程学原理,也要符合生态学原理。生态水利工程的工程设施必须符合水文学和工程力学的规律,以确保工程设施的安全、稳定和耐久性。工程设施必须在设计标准规定的范围内,能够承受洪水、侵蚀、风暴、冰冻、干旱等自然力荷载。按照河流地貌学原理进行河流纵、横断面设计时,必须充分考虑河流泥沙输移、淤积及河流侵蚀、冲刷等河流特征,动态地研究河势变化规律,保证河流修复工程的耐久性。对于生态水利工程的经济合理性分析,应遵循风险最小和效益最大原则。由于对生态演替的过程和结果事先难以把握,生态水利工程往往带有一定程度的风险。这就需要在规划设计中需要进行方案比选,更要重视生态系统的长期定点监测和评估。另外,充分利用河流生态系统自我恢复规律,是力争以最小的投入获得最大产出的合理技术路线。
1.2生态系统自设计、自我恢复原则
生态系统的自组织功能表现为生态系统的可持续性。自组织的机理是物种的自然选择,也便是说某些与生态系统友好的物种,可以经受自然选择的考验,寻找到相应的能源和合适的环境条件。
将自组织原理应用于生态水利工程时,生态工程设计与过去水工设计有本质的区别。像设计大坝这样的人工建筑物是一种确定性的设计,建筑物的几何特征、材料强度都是在人的控制之中,建筑物最后可以具备人们所期望的功能。河流修复工程设计与此不一样,生态工程设计是一种“指导性”的设计,大概说是帮设计。依靠生态系统自设计、自组织功能,可以由自然界选择合适的物种,形成合理的结构,从而完成设计和实现设计。
1.3坚持与环境工程设计进行有机结合
生态水利工程的设计应当充分吸收环境科学与工程的理论与技术,实现水量与水质同步科学配置的目的。当前尤其是应与水污染防治工程进行有机结合,由于水利工程作用的水量一般较大且具有明显的季节性变化,使生态水利工程的设计与实施存在较大的挑战与阻力。如黑龙江省扎龙湿地补水工程,虽然实现了连续几年的补水,但由于水质不符合湿地水质要求,导致湿地水域中底栖生物明显减少,部分物种消失,一些迁徙水禽不在此处停留。为了减少早田排水挟带泥沙或污染物进入下游湖泊或天然湿地,可以在进入湖泊或湿地的过渡带设计生态处理沟渠或氧化塘。而水田排水沟渠可以在植物生长季节充分蓄水,利用人工沟渠湿地对有机污染物质进行降解。在缺水地区种植水稻,特别是在开采地下水种植水稻的地区,应当进行以水量高效利用与水质净化为目的的生态水利工程设计。而这种设计思路来源于水污染的自然稳定塘处理理论与工艺。
1.4保证水体内部环境的多样性
相关调查显示,一个地区的非生物环境的多样性能够影响其生活群落的多样性。也就是说,如果一个地区的自然环境种类多样,当地的生物种类也会日渐丰富,食物链的组成也将更复杂,这样生态系统对外界变化的适应能力和抵抗能力越强。如果我们兴建的水利工程致使该流域内的水体内部环境日趋单一化,那么,就会导致水生生物种类多样性的减少、食物链结构逐渐简化、生态系统日趋单一化,造成水体对外界变化的适应能力和抵抗能力降低,自然净化能力逐渐下降,并逐步丧失其基本功能。所以,在水利工程设计过程中,设计人员需要对河流的近期及远期的水文情况进行深入了解,掌握生物种类与生态环境间的关系,进而对设计草案组建数学模型,对其可行性、可操作性进行论证,从而保证水利设施的兴建能够拥有足够的丰富多样的环境,进而将对自然环境的影响降到最低。
1.5确保河流生态系统的整体性
在传统的水利工程建设过程中,水体常被人为地划分成不同功能且相对封闭的小区域,影响了水体之间的相互联系,极大地降低了水体内不同小环境之间的能量交换及物质交换速度,从而人为地破坏来河流生态形同的稳定性和整体性。生态水利工程在设计时,应充分掌握施工流域内生态系统各要素之间的相互关系及作用方式,尽最大限度地保持并恢复水体的原始状态,确保河流的生态系统的整体性不受到外力的破坏,而不能仅仅是在工程结束后,单纯地对河道水文系统进行修复或是只对河岸的植被进行修复。
1.6确保建立完善的河流生态系统和水利设施之间的反馈机制
生态水利工程设计以成熟的河流生态系统为主要参照物,并充分利用生态学可的相关理论和环境工程的先进技术,力求打造一个健康的、可持续发展的河流生态系统,从而保证工程设施内部的各自然要素可以在不需要人工干预的环境自发地进行活动,维持生态环境的稳定和河流水体的质量。通常这种自发活动的方向不是单向的,这种不确定性使得生态水利工程的设计应遵循一种“反馈调整”的设计方法,也就是说,在设计方案执行之后,仍旧需要对水体的环境进行长期的监督和评价,并根据反馈的信息对水利工程项目进行不断的调整与完善。
2.生态水利工程设计面临的主要问题
我们知道水利工程对水量与水质的影响肯定会很大,尤其是对水量与水质的时空变化过程产生干扰,而生态水利工程就是要解决这个问题的最好方法。从自然生态的角度来看,天然的水文过程对于一个河流来说是最好的维持其流域的生态过程。水利工程就是充分把握了生态自然规律,在开发、设计、施工过程中试图将对生态的影响降到最低。但由于现实条件以及技术上的一些限制,当前生态水利工程建设还面临着诸多的问题。我们将所面临的问题归纳总结为以下四点:
2.1地域性的差异导致生态水利工程设计方法与评价标准不够明确
对于水利工程来说,不同的地区的工程存在特定的地域性,而我国边疆辽阔,地域性差异很大,造成了在设计不同地区的水利工程时要根据不同地区的地域差异性来因地制宜做出适宜的调整。按每个河流地貌、地理区域进行构建设计时,就要考虑到实践的可操作性,以及标准性。现在经过许多专家的研究对生态水利工程也总结了一些理论评价指标和评价方法,但是当我们面临一个具体的生态水利工程时,由于一些科学研究工作实践经验的溃乏,当前生态水利工程的理论实践成果经验积累并不是非常完善。我们对其缺少可操作性的评价方法与标准。
2.2水利工程设计人员与生态科技工作者缺少合作的机会与机制
以流域生态需水规律来进行设计、将生态服务目标作为常规设计来进行设计这两方面意识,对于大多数水利工程设计人员是非常缺乏的。环境影响评价工作在水利工程可行性研究阶段介入的往往比较晚,很多情况下环境影响评价在水利工程可行性研究方案确认后才进行评价。再加上目前情况下我们国家不完善、不规范的环境评价管理制度与环境影响评价咨询市场,使许多水利工程的生态效益不明显,产生很多负面影响。水利工程设计人员与生态环境科技工作者缺少合作的机会与机制,生态水利工程的开发与设计相对滞后。