生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的探討1

#本頁面為作品封面，可自由編輯刪除！對生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的探討丘紅球摘要主要闡述了生態(tài)水利工程的定義，并在分析和總結(jié)當(dāng)前生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)面臨的主要問題的基礎(chǔ)上，得出生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)應(yīng)基于以下理論與技術(shù)路線:(1)以生態(tài)水文與工程水文作為工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，進(jìn)行水文過程的分析與計(jì)算;(2)識別工程可能影響的關(guān)鍵生態(tài)敏感目標(biāo);(3)生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)要與環(huán)境工程設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合；發(fā)表了一些個人的見解。關(guān)鍵詞水利工程設(shè)計(jì)生態(tài)水利工程生態(tài)水文學(xué)水文過程濕地自人類進(jìn)入文明時(shí)代以來，水利工程就一直在為人類經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)服務(wù)。然而水利工程對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響一般較為深遠(yuǎn)，基于水利工程的性質(zhì)與規(guī)模，給區(qū)域、流域或跨流域的可持續(xù)發(fā)展帶來的影響程度也不一。隨著工業(yè)溫室氣體的大量排放、地表生態(tài)系統(tǒng)（如森林、草原、農(nóng)田和濕地等調(diào)控CO2平衡能力的下降，導(dǎo)致全球氣溫持續(xù)變暖；加之人類活動強(qiáng)烈干擾下墊面環(huán)境，使得全球水循環(huán)受人工側(cè)支的影響越來越明顯，導(dǎo)致水資源量分配越來越不均。人類干擾下墊面環(huán)境的一項(xiàng)重要內(nèi)容是水利工程。但在水利工程作用下，可能更加加劇區(qū)域或流域水資源自然分配的不均一性，這使得相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)問題，如河道下游缺水或斷流，水生生物減少或水體自凈能力下降，水體功能發(fā)生變化;濕地因生態(tài)流量減少而退化;大量引水導(dǎo)致水源水量減少，水質(zhì)下降，維持原來水域食物網(wǎng)穩(wěn)定的能力下降等。在種種水利工程所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題不斷出現(xiàn)，并嚴(yán)重危及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展的情況下，人們開始全面深入地審視水利工程給人類及生態(tài)所帶來的效應(yīng)。正是在這種背景下，生態(tài)水利工程被人們提上了議程，以實(shí)現(xiàn)人與水和諧相處，使水利工程服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)的健康維持與恢復(fù)。黃河水資源調(diào)度、黑河流域水資源配置工程、白洋淀濕地需水工程和扎龍濕地補(bǔ)水工程等，應(yīng)該說是生態(tài)水利工程的有效實(shí)踐，已引起了人們的極大關(guān)注。例如2005年完成了5三江平原近期防洪治澇工程環(huán)境影響報(bào)告書6的編制，但在接到國家環(huán)境保護(hù)總局的正式批文時(shí)，發(fā)現(xiàn)批文要求在濕地用水與耕地排水發(fā)生沖突的地方，設(shè)置生態(tài)閘門，實(shí)現(xiàn)洪水資源化管理，首先滿足濕地生態(tài)用水要求。很明顯，要求三江平原防洪治澇工程同時(shí)是生態(tài)水利工程?；谟邢薜墓ぷ鲗?shí)踐，筆者就有關(guān)生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的理論與技術(shù)路線進(jìn)行了初步研究，渴望與大家共同探討和提高生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)水平。一、水利工程與生態(tài)水利工程的區(qū)別水利工程可以簡單理解為人類為實(shí)現(xiàn)水資源的再分配和利用而采取的工程措施或行為。水利工程最初主要用來為人類:(1)解決防洪問題(如修建防洪堤、水庫);(2)提供穩(wěn)定的水源(如修建水庫、打井);(3)減緩或去除農(nóng)作物旱澇漬災(zāi)害(如修建提水泵站、排水溝、灌溉渠道等);(4)提供清潔能源(修建水電站);(5)提供水利旅游景點(diǎn)(如修建水庫、人工湖泊等)，這主要體現(xiàn)了水利工程的資源、經(jīng)濟(jì)與社會性。而生態(tài)水利工程，可能更直接鮮明地強(qiáng)調(diào)水利工程的主要服務(wù)目標(biāo)是生態(tài)，或者是符合生態(tài)規(guī)律要求的水利工程。有學(xué)者認(rèn)為生態(tài)水利工程的內(nèi)涵是:對于新建工程，是指進(jìn)行傳統(tǒng)水利建設(shè)的同時(shí)(如治河、防洪工程)，兼顧河流生態(tài)修復(fù)的目標(biāo);對于已建工程，則是對于被嚴(yán)重干擾河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。筆者認(rèn)為生態(tài)水利工程是現(xiàn)代水利的標(biāo)志，至少應(yīng)包括以下四個方面的科學(xué)內(nèi)涵:(1)生態(tài)水利工程的開發(fā)應(yīng)強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的自組織原理。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)當(dāng)將生態(tài)系統(tǒng)健康過程的維持置于重要位置，并作為設(shè)計(jì)制約因子，使水利工程能滿足適宜的生態(tài)水文過程要求。(2)生態(tài)水利工程強(qiáng)調(diào)施工過程的環(huán)境友好性，防止在施工過程造成巨大的環(huán)境成本付出。(3)生態(tài)水工利程更強(qiáng)調(diào)基于生態(tài)需水規(guī)律的運(yùn)行管理。如水庫要有效地發(fā)揮其生態(tài)功能，可能需要一個符合下游生態(tài)需水規(guī)律的水資源調(diào)配方案與制度。(4)生態(tài)水利工程選址或布局，強(qiáng)調(diào)工程生態(tài)負(fù)面影響最小化原則。這可能是生態(tài)工程最難以操作的一個內(nèi)容，但又是最為關(guān)鍵的一個方面，需要基于系統(tǒng)多目標(biāo)決策方法與技術(shù)進(jìn)行科學(xué)比選。二、生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的背景生態(tài)水利工程是相對于單純的工程水利或資源水利工程而言的。主要是針對當(dāng)前水利工程明顯影響到所在區(qū)域或附近的生態(tài)問題，在重新評估水利工程的功能與效益時(shí)，發(fā)現(xiàn)其在生態(tài)功能方面的負(fù)面影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其原來所預(yù)料的，人們基于經(jīng)濟(jì)與生態(tài)綜合效益考慮后提出的一種水利工程設(shè)計(jì)理念。一般而言，水利工程設(shè)施當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)服務(wù)的目標(biāo)越單一，對自然生態(tài)的影響可能越明顯或越深刻;如果當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)考慮的目標(biāo)越綜合(如部分地考慮了生態(tài)系統(tǒng)對水文過程的要求)，對自然生態(tài)過程的影響可能相對要少些。在國內(nèi)，這可能要得益于我國建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)制度的建立。生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)背景主要有兩種:第一種就是生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)由于人為干擾導(dǎo)致水資源的分配不利于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的維持和功能的發(fā)揮，基于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展而有必要進(jìn)行針對受損生態(tài)而開發(fā)和設(shè)計(jì)的水利工程，如扎龍濕地補(bǔ)水工程、洪河國家級自然保護(hù)區(qū)水資源恢復(fù)工程［2］和濕地保護(hù)區(qū)及周邊地區(qū)退耕還濕工程［3］等;第二種是由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后或者由于自然環(huán)境因子所限制導(dǎo)致水資源問題嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，如我國正在進(jìn)行的怒江、金沙金、松花江等梯級水電或航電樞紐開發(fā);以及三峽、南水北調(diào)、尼爾基等大型水利水電工程等。三、生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)面臨的主要問題不管工程是否考慮生態(tài)目標(biāo)，水利工程必然干擾水量與水質(zhì)的時(shí)空變化過程，只是生態(tài)水利工程可防止在工程作用下出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境發(fā)生根本性變化的可能。嚴(yán)格來講，對于一個流域而言，天然的水文過程對維持其流域的生態(tài)過程應(yīng)該說是最好的。在一個流域內(nèi)由于人類的存在，必然要使該流域內(nèi)的資源按最有利于人類發(fā)展的方向配置，這正是最初水利工程設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。生態(tài)水利工程需要充分考慮生態(tài)自組織規(guī)律，力圖在開發(fā)、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理過程中充分降低或歸避對生態(tài)的負(fù)面影響，但在實(shí)踐中，生態(tài)水利工程從開發(fā)到工程實(shí)體付諸使用還面臨著諸多問題。缺乏基于不同區(qū)域的生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)方法與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)水利工程的服務(wù)目標(biāo)具有特定性和地域性。由于生態(tài)系統(tǒng)有地理區(qū)域的差異，必然決定具體的生態(tài)水利工程應(yīng)具有因地制宜的特征。當(dāng)前，對生態(tài)水利工程的功能具有一些理論評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)方法（參見表1）。但缺乏對具體的生態(tài)水利工程的可操作的評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。這與當(dāng)前水利工程對生態(tài)的影響科學(xué)研究工作開展得較少和相應(yīng)科研成果積累較少有關(guān)。水利工程由于涉及工程力學(xué)的穩(wěn)定性與安全性，國家對水利工程結(jié)構(gòu)建筑物執(zhí)行了一系列的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，但對工程是否基于生態(tài)服務(wù)目標(biāo)，還缺少規(guī)范生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)過程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。水利工程設(shè)計(jì)人員與生態(tài)科技工作者缺少合作的機(jī)會與機(jī)制勘測設(shè)計(jì)院的水利工程規(guī)劃與水工結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)人員由于專業(yè)上的明確分工，基于流域生態(tài)需水規(guī)律來進(jìn)行設(shè)計(jì)的意識不強(qiáng)，水利工程將生態(tài)服務(wù)目標(biāo)作為常規(guī)設(shè)計(jì)要素考慮的意識還不普及。在水利工程可行性研究階段，環(huán)境影響評價(jià)工作往往介入較晚，大部分是在水利工程可行性研究方案基本由水利規(guī)劃和水工建筑設(shè)計(jì)人員確認(rèn)以后，才進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)，加上當(dāng)前我國環(huán)評管理制度與環(huán)境影響評價(jià)咨詢市場還不十分完善和規(guī)范，環(huán)評單位替業(yè)主考慮得較多，對生態(tài)目標(biāo)考慮得相對較少，甚至隱瞞工程真正的生態(tài)影響后果，導(dǎo)致許多水利工程的生態(tài)效益不明顯且負(fù)面影響相當(dāng)突出，所以水利工程設(shè)計(jì)人員與生態(tài)環(huán)境科技工作者缺少合作的機(jī)會與機(jī)制，致使生態(tài)水利工程的開發(fā)與設(shè)計(jì)相對滯后。下表為生態(tài)水利工程功能評價(jià)的理論指標(biāo)與方法指標(biāo)分類生態(tài)因子可采用的評估方法指示物種指標(biāo)藻類、底生動物、魚類、兩棲爬蟲類、鳥類、昆蟲類和哺乳類統(tǒng)計(jì)法、記錄法、測量法、市場價(jià)值法生態(tài)學(xué)指標(biāo)物種多樣性、外來物種比例、流域自然生態(tài)系統(tǒng)的類型和面積統(tǒng)計(jì)法、預(yù)防性支出法、機(jī)會成本法物理化學(xué)指標(biāo)下游水位、年降水量、水溫、濁度、河流淤積情況、水陸交錯帶的水狀況、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤出值、土壤污染程度測量法、統(tǒng)計(jì)法、記錄法、測量法、預(yù)防性支出法、恢復(fù)和保伊費(fèi)用法社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)人均收入、土地周邊設(shè)施利用人數(shù)的增加、土地利用程度的提高、人們審美要求的滿足及休閑娛樂的實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)法、意愿調(diào)查法（CW法）J.8目IT以U卷I口'J工心/八/口，7）土7K/閂在一個流域內(nèi)，往往新的生態(tài)水利工程可能要在原有水利工程設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)。如白洋淀濕地供水工程、扎龍濕地補(bǔ)水工程、洪河國家自然保護(hù)區(qū)水資源恢復(fù)工程（正在設(shè)計(jì)）等生態(tài)水利工程，均要借助原水利工程設(shè)施，合理科學(xué)地配置一些分水工程和蓄水工程，對區(qū)域來水量進(jìn)行重新分配或?qū)λ娜ハ蜻M(jìn)行重整等。但生態(tài)水利工程的介入必然要影響原來水利工程設(shè)施的服務(wù)對象與功能，例如影響原來工程的防洪排水標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)電效能、灌溉功能等，甚至給原有水利工程的安全運(yùn)行帶來一些風(fēng)險(xiǎn)。再如，原來的水利工程設(shè)施是服務(wù)于旱作耕地的排水，保護(hù)旱地農(nóng)業(yè)免遭洪水危害，后來，耕地耕作方式發(fā)生改變，旱地改成水田，這時(shí)排水溝渠的功能也應(yīng)該發(fā)生一些轉(zhuǎn)變，由原來的單一排水應(yīng)改成排蓄結(jié)合，特別是旱地改成井灌水田，對原有的溝渠更有必要進(jìn)行一些改造設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)一些生態(tài)控制閘門，一方面起蓄水作用，另一方面可以增加溝渠蓄水補(bǔ)充地下水，減緩地下水超采的速度；其次，還可以提高溝渠濕地對農(nóng)田排水中有機(jī)污染物的降解和泥沙的滯留。但在做這樣的生態(tài)水利工程開發(fā)時(shí)，還應(yīng)考慮旱地水文與水田水文過程的差異、區(qū)域的排水量的時(shí)空變化。如生態(tài)閘門設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，由于面臨著一個強(qiáng)烈變化的水文下墊面和受原有水利工程控制或干擾，而變得難以確定。所以，如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)水利工程與原有水利工程設(shè)施的協(xié)調(diào)運(yùn)行，是生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)應(yīng)該全面系統(tǒng)考慮的問題。4.生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)缺少生態(tài)水文測驗(yàn)資料如果不能通過水文測驗(yàn)站的觀測資料分析生態(tài)過程對水文過程的正負(fù)影響機(jī)理，我們就很難從生態(tài)系統(tǒng)的自組織規(guī)律出發(fā)，尋求生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)理論、方法與技術(shù)參數(shù)。當(dāng)前，我國水文測驗(yàn)工作還相對落后，水文測站還不能適應(yīng)當(dāng)前生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)對資料的需求。有關(guān)生態(tài)水文站方面的設(shè)計(jì)與布設(shè)工作在我國還未正式開展，在國內(nèi)也少有報(bào)導(dǎo)，僅劉正茂等［4曾］就濃江流域濕地水文站建設(shè)進(jìn)行了研究。當(dāng)前，生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)要充分吸收國家有關(guān)科學(xué)研究的野外臺站，如中國科學(xué)院野外生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測臺站，實(shí)現(xiàn)水利工程設(shè)計(jì)、施工和管理部門與國家科學(xué)研究機(jī)構(gòu)的橫向聯(lián)合，開展生態(tài)工程設(shè)計(jì)示范與實(shí)踐。例如，眾所周知的水田作為人工濕地，盡管是季節(jié)性的，并且水稻田中生物多樣性較為單一，但水田具有較大的環(huán)境功能。如果結(jié)合科學(xué)的生態(tài)水利工程的布置，可能使這種環(huán)境功能放大。水稻田由于長時(shí)間受水淹蓋，可比旱田多增加地下水的補(bǔ)充量;另外，水稻田間強(qiáng)烈蒸散作用，對區(qū)域水熱平衡調(diào)節(jié)也是較為明顯的。水田在流域或區(qū)域的水文調(diào)節(jié)功能方面因?yàn)槠渥陨淼囊?guī)律也表征出對流域水文過程獨(dú)特的貢獻(xiàn)。如水田由于有田壟的存在，只有在排水堰處才能將田間水分排出或通過灌溉渠將周邊提引水注入田間。如對于井灌水田，或缺水地區(qū)的引水灌溉區(qū)域，經(jīng)常會較經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行水稻灌溉制度，與原來天然的下墊面或原來是旱田相比，地表徑流的產(chǎn)生量會發(fā)生明顯的變化。如果能清楚地獲取旱田、水田及其耕作方式轉(zhuǎn)換過程中所引發(fā)的水文參數(shù)變化，將極有利于提高生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和精確性。四、生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的理論與技術(shù)路線就生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)原則與理論，我國已有學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的探討。如董哲仁[1]曾提出生態(tài)水利工程的五項(xiàng)基本原則:(1)工程安全性與經(jīng)濟(jì)性原則;(2)提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性原則;(3)生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)與自我恢復(fù)原則;(4)景觀尺度與整體修復(fù)原則;(5)反饋和調(diào)整設(shè)計(jì)原則。筆者根據(jù)自身有限的工作實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循如下三個方面的理論與技術(shù)路線。.應(yīng)以生態(tài)水文與工程水文作為工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，進(jìn)行水文過程的分析與計(jì)算將生態(tài)水文學(xué)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)在當(dāng)前還較少見。這可能與從事生態(tài)水文的科技工作者不從事實(shí)際水利工程的設(shè)計(jì)有關(guān)。但今后應(yīng)當(dāng)高度重視生態(tài)水文學(xué)與工程水文學(xué)的結(jié)合，這樣才能為生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。因?yàn)樯鷳B(tài)水利工程的服務(wù)對象比較廣，往往同時(shí)涉及濕地、林業(yè)、草原、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和江河湖泊等生態(tài)用水和工業(yè)、城鎮(zhèn)、消防、居民等經(jīng)濟(jì)社會生活用水，所以弄清楚生態(tài)目標(biāo)對水資源的時(shí)空要求規(guī)律，才能使生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上。如正在由黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的/兩江一湖0(黑龍江、烏蘇里江和興凱湖)干流沿岸灌區(qū)工程，在其提水灌區(qū)開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，確實(shí)從生態(tài)水文學(xué)與工程學(xué)文學(xué)相結(jié)合的角度，充分考慮了在非灌溉期或灌溉空隙時(shí)間為濕地補(bǔ)水和利用灌區(qū)尾水給退化濕地進(jìn)行補(bǔ)水的可行性，并對工程措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了充分論證，屬于生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的一個實(shí)踐。這也是國家發(fā)改委和水利部積極支持該工程建設(shè)的重要原因之一，該設(shè)計(jì)不僅僅對水稻生產(chǎn)本身，對退化濕地的生態(tài)需水也給予高度的關(guān)注。.應(yīng)識別工程可能影響的關(guān)鍵生態(tài)敏感目標(biāo)生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能準(zhǔn)確識別受工程直接或間接影響的生態(tài)目標(biāo)，并在工程規(guī)劃階段給予充分考慮。但當(dāng)前在許多水利工程的設(shè)計(jì)中很少或沒有對流域生態(tài)敏感點(diǎn)加以考慮。如三江國家級自然保護(hù)區(qū)濕地水資源來源主要是降水、上游來水（如別拉洪河和濃江）、烏蘇里江和黑龍江洪水期倒灌水，所以上游來水的減少，必然會影響到保護(hù)區(qū)濕地水文過程，經(jīng)調(diào)查并結(jié)合水文測驗(yàn)資料的分析結(jié)果顯示別拉洪流域當(dāng)前流經(jīng)三江國家級自然保護(hù)區(qū)的徑流總量比1978年以前約減少了70%，由于別拉洪河上游開挖了許多人工排水渠道（如新開挖的別拉洪大排干），使上游來水分別直接排入撓力河和烏蘇里江，沒有經(jīng)下游保護(hù)區(qū)進(jìn)入烏蘇里江。如撓力河流域在上游修建的龍頭橋水庫，在非汛期（1~5月，10~12月）不向下泄流，即一個水文年當(dāng)中有8個月不向下游放水，如果以非汛期作為計(jì)算時(shí)間跨度，根據(jù)多年水文數(shù)據(jù)分析，非汛期8個月的平均流量為4122m3/s,經(jīng)初步計(jì)算，與水庫修建前相比，約每年減少8700萬m3下泄水量，這部分水量實(shí)際上是對下游生態(tài)用水的侵占，這對下游撓力河國家級濕地自然保護(hù)區(qū)的影響是深遠(yuǎn)的。又如三江平原早期實(shí)施的防洪治澇工程中，有的地方出現(xiàn)了跨流域排水，如濃鴨截洪總干（1988年建成）使?jié)饨嫌蔚膩硭?jīng)鴨綠河流域進(jìn)入了黑龍江，而不是沿濃江中下游下泄，進(jìn)入大力加湖水庫再進(jìn)入黑龍江，這使得中游的洪河國家級自然保護(hù)區(qū)濕地因減少730km2地表徑流的匯入，而使其水資源明顯退化，這些均與當(dāng)時(shí)沒有考慮生態(tài)敏感點(diǎn)有直接的關(guān)系。.生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)要與環(huán)境工程設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分吸收環(huán)境科學(xué)與工程的