淺談生態(tài)水利工程的規(guī)劃設計

曾紅鷹 劉四芳

（江西省吉安市水利水電規(guī)劃設計院，江西 吉安 343100）

水利工程對經濟與社會發(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。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化，即渠道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質材料。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)內原來的森林、草地或農田統(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)鹽輸移轉化的規(guī)律。由于水庫截留河流的營養(yǎng)物質，氣溫 較高時，促使藻類在水體表層大量繁殖，產生水華現(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節(jié)，改變了自然河流年內豐枯的水文周期規(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的防洪堤造成的側向水流的非連續(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，被限制在堤防以內的河道內，植被面積明顯減少。魚類無法進入灘地產卵和覓食，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。

因此，要對水利工程的進行生態(tài)規(guī)劃設計。

1 工程安全性和經濟性原則

生態(tài)水利工程是一項綜合性工程，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、航運等需求，也要兼顧生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。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)水利工程的工程設施必須符合水文學和工程力學的規(guī)律，以確保工程設施的安全、穩(wěn)定和耐久性。工程設施必須在設計標準規(guī)定的范圍內，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。

2 生態(tài)系統(tǒng)自設計、自我恢復原則

生態(tài)系統(tǒng)的自組織功能表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。自組織的機理是物種的自然選擇，也就是說某些與生態(tài)系統(tǒng)友好的物種，能夠經受自然選擇的考驗，尋找到相應的能源和合適的環(huán)境條件。

將自組織原理應用于生態(tài)水利工程時，生態(tài)工程設計與傳統(tǒng)水工設計有本質的區(qū)別。像設計大壩這樣的人工建筑物是一種確定性的設計，建筑物的幾何特征、材料強度都是在人的控制之中，建筑物最終可以具備人們所期望的功能。河流修復工程設計與此不同，生態(tài)工程設計是一種“指導性”的設計，或者說是輔助性設計。依靠生態(tài)系統(tǒng)自設計、自組織功能，可以由自然界選擇合適的物種，形成合理的結構，從而完成設計和實現(xiàn)設計。

3 提高河流形態(tài)的空間異質性原則

一個地區(qū)的生境空間異質性越高，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，生物群落多樣性必然會下降，生物群落的性質、密度和比例等都會發(fā)生變化，造成生態(tài)系統(tǒng)某種程度的退化。由于人類活動，特別是大規(guī)模治河工程的建設，造成自然河流的渠道化及河流非連續(xù)化，使河流生境在不同程度上單一化，引起河流生態(tài)系統(tǒng)的不同程度退化。生態(tài)水利工程的目標是恢復或提高生物群落的多樣性，但是并不意味著主要靠人工直接種植岸邊植被或者引進魚類、鳥類和其他生物物種，生態(tài)水利工程的重點應該是盡可能提高河流形態(tài)的異質性，使其符合自然河流的地貌學原理，為生物群落多樣性的恢復創(chuàng)造條件。

在確定河流生態(tài)修復目標以后，就應該對于河流進行生物調查、地貌歷史和現(xiàn)狀進行勘查和評估，建立河流地貌數(shù)據(jù)庫和生物資源數(shù)據(jù)庫。遙感技術和地理信息系統(tǒng)（GIS）是水文、河流地貌和生物調查的有力工具。關鍵的工作步驟是在以上兩種調查工作的基礎上，確定環(huán)境因子與生物因子的相關關系，必要時建立某種數(shù)學模型。河流環(huán)境因子包括河流河勢、蜿蜒度、橫斷面形狀及材料、流速、水位、水質、水溫、泥沙、營養(yǎng)鹽的遷移轉化、水文周期變化等。研究的內容包括：調查單個生物因子的基本需求，評估各種生物因子的相互關系和制約條件，對于“關鍵種”或標志性生物的環(huán)境因子進行分類和評估。在眾多的環(huán)境因子中，識別那些對于系統(tǒng)的結構和功能具有重要意義的環(huán)境因子，在此基礎上進行河流地貌學設計和生物棲息地的設計。

4 景觀尺度及整體性原則

河流生態(tài)修復規(guī)劃和管理應該在大景觀尺度、長期的和保持可持續(xù)性的基礎上進行，而不是在小尺度、短時期和零星局部的范圍內進行。在大景觀尺度上開展的河流生態(tài)修復效率要高。小范圍的生態(tài)修復不但效率低，而且成功率也低。整體性是指從生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能出發(fā)，掌握生態(tài)系統(tǒng)各個要素間的交互作用，提出修復河流生態(tài)系統(tǒng)的整體、綜合的系統(tǒng)方法，而不是僅僅考慮河道水文系統(tǒng)的修復問題，也不僅僅是修復單一動物或修復河岸植被。

景觀則是指生態(tài)學中的景觀尺度。景觀尺度包括空間尺度和時間尺度。為什么在景觀的大尺度上進行河流修復規(guī)劃？首先，水域生態(tài)系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)，其子系統(tǒng)包括生物系統(tǒng)、廣義水文系統(tǒng)和人造工程設施系統(tǒng)。廣義水文系統(tǒng)又與生物系統(tǒng)交織在一起，形成自然河流生態(tài)系統(tǒng)。而人類活動和工程設施作為生境的組成部分，形成對于水域生態(tài)系統(tǒng)的正負影響。水域生態(tài)系統(tǒng)受到脅迫時，需要對于各種脅迫因素之間的相互關系進行綜合、整體研究。其次，必須重視水域生境的易變性、流動性和隨機性的特點，這些特點決定了生物種群的基本生存條件。水域生態(tài)系統(tǒng)是隨著降雨、水文變化及潮流等條件在時間與空間中擴展或收縮的動態(tài)系統(tǒng)。再者，河流生態(tài)系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，與周圍生態(tài)系統(tǒng)隨時進行能量傳遞和物質循環(huán)，一條河流的生態(tài)修復活動不可能是孤立的，還需要與相鄰的流域的生態(tài)修復活動進行協(xié)調。最后，河流生態(tài)修復的時間尺度也十分重要。河流系統(tǒng)的演進是一個動態(tài)過程。每一個河流生態(tài)系統(tǒng)都有它自己的歷史。河流生態(tài)修復是靠時間做工作的。有研究指出，濕地重建或修復需要大約15～20a的時間。因此對于河流生態(tài)修復項目要有長期準備，同時進行長期的監(jiān)測和管理。

5 反饋調整式設計原則

生態(tài)系統(tǒng)的成長是一個過程，河流修復工程需要時間。從長時間尺度看，自然生態(tài)系統(tǒng)的進化需要數(shù)百萬年時間。進化的趨勢是結構復雜性、生物群落多樣性、系統(tǒng)有序性及內部穩(wěn)定性都有所增加和提高，同時對外界干擾的抵抗力有所增強。從較短的時間尺度看，生態(tài)系統(tǒng)的演替，即一種類型的生態(tài)系統(tǒng)被另一種生態(tài)系統(tǒng)所代替也需要若干年的時間，期望河流修復能夠短期奏效往往是不現(xiàn)實的。

在反饋調整式設計過程中，提倡科學家、管理者和當?shù)鼐用窦吧鐣鹘绲膹V泛參與，通過對話、協(xié)商，以尋求共同利益。提倡多學科的交流和融合，提高設計的科學性。

［1］董哲仁.水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫［J］.水利水電技術，2003，（7）：1～5.