生態(tài)理念下的水利工程設(shè)計(jì)研究

摘 要：本文基于筆者多年從事水利工程設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以生態(tài)理念下的水利工程設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，分析了當(dāng)前生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題，探討了生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的理論與技術(shù)路線。全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：水利工程 工程設(shè)計(jì) 生態(tài)

中圖分類號(hào)：TV222 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（a）-0052-02

人類強(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(lái)越明顯，導(dǎo)致水資源量分配不均。人類干擾下墊面環(huán)境中有一項(xiàng)重要內(nèi)容是水利工程。當(dāng)水利工程加劇了區(qū)域或流域水資源自然分配的不均一性時(shí)，容易導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，如修建水庫(kù)或過(guò)量引提河流水資源導(dǎo)致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(lái)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(wèn)題不斷出現(xiàn)、并嚴(yán)重危及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展時(shí)，人們開(kāi)始全面、深入地審視水利工程給人類及生態(tài)所帶來(lái)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。如何基于生態(tài)目標(biāo)進(jìn)行水利工程的設(shè)計(jì)，當(dāng)前還有許多問(wèn)題需要探討。筆者結(jié)合工作實(shí)踐，就有關(guān)生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)方面的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行闡述。

1 水利工程與生態(tài)水利工程的區(qū)別

水利工程可以理解為人類通過(guò)工程措施或行為實(shí)現(xiàn)水資源的再分配和利用。水利工程最初的作用是防洪（如：修建防洪堤、水庫(kù)）、提供穩(wěn)定的水源（如：修建水庫(kù)、打井）、緩解或防止農(nóng)作物旱澇漬災(zāi)害（如修建提水泵站、排水溝、灌溉渠道等）、提供清潔能源（修建水電站）和水利旅游景點(diǎn)（如：修建水庫(kù)、人工湖泊等）等，這主要體現(xiàn)了水利工程的資源性、經(jīng)濟(jì)性與社會(huì)性。而生態(tài)水利工程則更強(qiáng)調(diào)水利工程的主要服務(wù)目標(biāo)是生態(tài)。有學(xué)者認(rèn)為生態(tài)水利工程的內(nèi)涵是：對(duì)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(duì)于已建工程，則是對(duì)被嚴(yán)重干擾的河流進(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)包括以下兩個(gè)方面的科學(xué)內(nèi)涵：生態(tài)水利工程的開(kāi)發(fā)應(yīng)有明確的生態(tài)服務(wù)目標(biāo)與功能。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)當(dāng)將生態(tài)系統(tǒng)健康過(guò)程的維持置于重要位置，并作為設(shè)計(jì)的制約因子，使水利工程能滿足適宜的生態(tài)水文過(guò)程要求。生態(tài)水利工程應(yīng)強(qiáng)調(diào)工程選址、布局、施工過(guò)程的環(huán)境友好性與經(jīng)濟(jì)性。防止在工程實(shí)施過(guò)程中產(chǎn)生巨大的環(huán)境成本和經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)的雙贏。這是生態(tài)水利工程最難以操作的一個(gè)內(nèi)容，同時(shí)又是最為關(guān)鍵的一個(gè)方面，需要基于系統(tǒng)的多目標(biāo)決策方法與技術(shù)進(jìn)行科學(xué)比選。

2 生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題

水利工程必然會(huì)干擾水量與水質(zhì)的時(shí)空變化過(guò)程，而生態(tài)水利工程防止了工程作用下的生態(tài)過(guò)程發(fā)生根本性變化。嚴(yán)格來(lái)講，基于一個(gè)流域，天然的水文過(guò)程對(duì)維持其流域的生態(tài)過(guò)程是最好的。流域內(nèi)由于人類的存在，使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)水利工程充分考慮了生態(tài)的自組織規(guī)律，試圖在開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理過(guò)程中充分降低或規(guī)避對(duì)生態(tài)的負(fù)面影響，但事實(shí)上，生態(tài)水利工程從開(kāi)發(fā)到工程實(shí)體付諸使用還面臨著諸多的問(wèn)題。（如圖1）

2.1 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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)水利工程對(duì)服務(wù)目標(biāo)具有特定性和地域性。由于生態(tài)系統(tǒng)存在地理區(qū)域的差異，因此決定了具體的生態(tài)水利工程也具有因地制宜的特征。當(dāng)前，對(duì)生態(tài)水利工程的功能有一些理論評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。但對(duì)于一個(gè)具體的生態(tài)水利工程實(shí)踐缺少可操作性的評(píng)價(jià)方法d6c9fa7a894baafadffc82ca4996be1bbbac09215fa5685cef74b61747abb552與標(biāo)準(zhǔn)。這與當(dāng)前水利工程對(duì)生態(tài)影響的科學(xué)研究工作開(kāi)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，因此國(guó)家對(duì)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)，但缺少足夠的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范工程的生態(tài)服務(wù)目標(biāo)。

2.2 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(huì)與機(jī)制

水利工程設(shè)計(jì)人員基于流域生態(tài)需水規(guī)律來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的意識(shí)不強(qiáng)，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(shí)還不普及。在水利工程可行性研究階段，環(huán)境影響評(píng)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確認(rèn)后才進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)，加上當(dāng)前我國(guó)環(huán)境評(píng)價(jià)管理制度與環(huán)境影響評(píng)價(jià)咨詢市場(chǎng)還不完善、不規(guī)范，環(huán)境評(píng)價(jià)單位替業(yè)主考慮得較多，對(duì)生態(tài)目標(biāo)考慮得相對(duì)較少，有的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，負(fù)面影響相當(dāng)突出。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(huì)與機(jī)制，生態(tài)水利工程的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)相對(duì)滯后。

2.3 生態(tài)水利工程與原有水利工程設(shè)施難以協(xié)調(diào)運(yùn)行

在一個(gè)流域內(nèi)，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(guó)家自然保護(hù)區(qū)水資源恢復(fù)工程等生態(tài)水利工程，均要借助原有水利工程設(shè)施，合理科學(xué)地配置一些分水工程和蓄水工程對(duì)區(qū)域來(lái)水量進(jìn)行重新分配或?qū)λ娜ハ蜻M(jìn)行重新調(diào)整等。生態(tài)水利工程的介入必然會(huì)影響原來(lái)水利工程設(shè)施的服務(wù)對(duì)象與功能，如原來(lái)工程的防洪排水標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)電效能、灌溉功能等，甚至?xí)o原有水利工程的安全運(yùn)行帶來(lái)一些風(fēng)險(xiǎn)。由于原有水利工程與生態(tài)水利工程最為顯著的差異是服務(wù)目標(biāo)與功能的差異，因此有必要在開(kāi)發(fā)生態(tài)水利工程的同時(shí)，對(duì)原有水利工程的服務(wù)目標(biāo)與功能進(jìn)行適度調(diào)整。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)全面系統(tǒng)考慮的問(wèn)題。

3 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(guó)已有學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的探討。如董哲仁曾提出生態(tài)水利工程的五項(xiàng)基本原則。筆者根據(jù)自身的工作實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下3個(gè)方面的理論與技術(shù)路線。

3.1 應(yīng)以生態(tài)水文學(xué)與工程水文學(xué)作為工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，進(jìn)行水文過(guò)程的分析與計(jì)算

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(duì)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)生活用水，所以只有弄清生態(tài)目標(biāo)對(duì)水資源的時(shí)空要求規(guī)律，生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)才能建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上。如由黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的/兩江一湖（黑龍江、烏蘇里江和興凱湖）干流沿岸灌區(qū)工程，其中提水灌區(qū)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)就是從生態(tài)水文學(xué)與工程水文學(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(duì)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(gè)實(shí)踐。

3.2 識(shí)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(shí)別受工程直接或間接影響的生態(tài)目標(biāo)，并在工程規(guī)劃階段予以充分考慮。但當(dāng)前許多水利工程的設(shè)計(jì)很少或沒(méi)有考慮流域生態(tài)敏感點(diǎn)。如三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)濕地的水資源主要來(lái)自降水、上游來(lái)水（如：別拉洪河和濃江）以及烏蘇里江和黑龍江洪水期倒灌補(bǔ)充，所以上游來(lái)水的減少，會(huì)影響保護(hù)區(qū)濕地的水文過(guò)程。水文測(cè)驗(yàn)資料分析結(jié)果顯示：由于別拉洪河上游開(kāi)挖了許多人工排水渠道（如：新開(kāi)挖的別拉洪大排干），使上游來(lái)水直接排入撓力河和烏蘇里江，沒(méi)有經(jīng)下游保護(hù)區(qū)進(jìn)入烏蘇里江。致使別拉洪流域流經(jīng)三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的徑流總量比1978年以前減少了約70%；撓力河流域在上游修建的龍頭橋水庫(kù)在非汛期（1～5月，10～12月）不向下泄流，根據(jù)多年水文數(shù)據(jù)分析，非汛期8個(gè)月的平均流量為4122 m3/s，經(jīng)初步計(jì)算，與水庫(kù)修建前相比，每年約減少下泄水量8700萬(wàn)m3，嚴(yán)重影響了下游的撓力河國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)；在三江平原早期實(shí)施的防洪治澇工程中，有的地方跨流域排水，如1988年修建完成的濃鴨截洪總干使?jié)饨杏蔚暮楹訃?guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)濕地減少了730 km2的地表徑流匯入，使其水資源明顯退化[4]，這些均與當(dāng)時(shí)沒(méi)有考慮生態(tài)敏感點(diǎn)有直接的關(guān)系。

3.3 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

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)與工程的理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水量與水質(zhì)同步科學(xué)配置的目的。當(dāng)前尤其是應(yīng)與水污染防治工程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，由于水利工程作用的水量一般較大且具有明顯的季節(jié)性變化，使生態(tài)水利工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施存在較大的挑戰(zhàn)與阻力。如黑龍江省扎龍濕地補(bǔ)水工程，雖然實(shí)現(xiàn)了連續(xù)幾年的補(bǔ)水，但由于水質(zhì)不符合濕地水質(zhì)要求，導(dǎo)致濕地水域中底棲生物明顯減少，部分物種消失，一些遷徙水禽不在此處停留。為了減少旱田排水挾帶泥沙或污染物進(jìn)入下游湖泊或天然濕地，可以在進(jìn)入湖泊或濕地的過(guò)渡帶設(shè)計(jì)生態(tài)處理溝渠或氧化塘。而水田排水溝渠可以在植物生長(zhǎng)季節(jié)充分蓄水，利用人工溝渠濕地對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)進(jìn)行降解。在缺水地區(qū)種植水稻，特別是在開(kāi)采地下水種植水稻的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行以水量高效利用與水質(zhì)凈化為目的的生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)。而這種設(shè)計(jì)思路來(lái)源于水污染的自然穩(wěn)定塘處理理論與工藝。因此，生態(tài)水利工程與水污染控制工程的結(jié)合是今后生態(tài)水利工程的一個(gè)重要發(fā)展方向。

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