河流生態(tài)工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)研究

李宏民

摘 要：為遏制日益加劇的水環(huán)境惡化和水生態(tài)系統(tǒng)退化，現(xiàn)代水利工程應(yīng)該克服傳統(tǒng)水利工程對(duì)河流形態(tài)的多樣化重視不足和忽視生態(tài)環(huán)境的缺陷，遵循河流演變的客觀規(guī)律，妥善處理好人與自然相互協(xié)調(diào)的關(guān)系，這就要求進(jìn)行河流生態(tài)工程輔助系統(tǒng)的開發(fā)。文章對(duì)系統(tǒng)開發(fā)中的相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：河流；生態(tài)工程；輔助設(shè)計(jì)；系統(tǒng)開發(fā)

1 河流生態(tài)工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)的必要性

河流防護(hù)設(shè)施在洪水的沖擊下若遭到破壞，往往會(huì)威脅到河岸居民的安全。因此，在考慮居民安全的條件下，以往均以混凝土作為護(hù)岸、固床工、丁壩等構(gòu)造物，雖然達(dá)到了防洪安全的目標(biāo)，但卻破壞了生態(tài)環(huán)境及影響生態(tài)。近年來因生活質(zhì)量及環(huán)保意識(shí)提高，促使世界各國(guó)逐漸開始重視周圍生態(tài)環(huán)境及稀有生物的保育，于是運(yùn)用生態(tài)工法的工程設(shè)計(jì)漸趨普及。

根據(jù)生態(tài)工法的精神，各個(gè)工程的生態(tài)工法選用與施工，需考慮當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、地形、地質(zhì)、水文及材料取得等多種因素，且因地點(diǎn)不同而因素也有所不同。因此各個(gè)工程在做生態(tài)工法規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須以多方面的考慮及評(píng)估后，因地制宜，研擬適合當(dāng)?shù)氐墓し右允┕ぃ云谀芑謴?fù)其原始生態(tài)且兼顧安全的工程方法為目標(biāo)。如果對(duì)生態(tài)系統(tǒng)不夠了解或規(guī)劃不夠周詳，則可能導(dǎo)致復(fù)育計(jì)劃無法達(dá)到預(yù)期效果甚至失敗，因此有必要發(fā)展一決策系統(tǒng)以輔助生態(tài)復(fù)育。

2 河流生態(tài)工程輔助系統(tǒng)基本構(gòu)成與設(shè)計(jì)原則

2.1 基本構(gòu)成

開發(fā)河流生態(tài)工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可整合的部分有：生態(tài)資料庫、生態(tài)信息系統(tǒng)、工法成本估算、工法輔助決策、穩(wěn)定性評(píng)估等。然而，想要整合各項(xiàng)功能，則須有一完整規(guī)劃設(shè)計(jì)流程。因此，應(yīng)需先確定生態(tài)工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)的流程，這一流程通常要根據(jù)賦予計(jì)劃生命周期來考慮。整個(gè)復(fù)育計(jì)劃的完整生命周期有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理維護(hù)與監(jiān)測(cè)等。在這些階段中，從一開始的復(fù)育地點(diǎn)選擇、生態(tài)環(huán)境調(diào)查與分析，到復(fù)育計(jì)劃分析探討與方案的建立等為規(guī)劃與設(shè)計(jì)的階段。其中，河流工程的開始階段，就沒有準(zhǔn)確的定位其規(guī)劃目標(biāo)，這將會(huì)影響往后的設(shè)計(jì)、施工、管理維護(hù)與監(jiān)測(cè)等，進(jìn)而影響到整個(gè)復(fù)育計(jì)劃的成效。

2.2 設(shè)計(jì)原則

工程技術(shù)方法的選定，須符合防洪安全目標(biāo)，并維護(hù)或營(yíng)造水域環(huán)境的生態(tài)需求，以及是否提供市民親山、親水游戲機(jī)能與營(yíng)造休閑空間等功能。為此，整體溪溝整治工程則需仔細(xì)考量，如生態(tài)基流量、水流、生物庇護(hù)空間及棲地環(huán)境的營(yíng)造等等功能。然而要達(dá)到因地制宜，順應(yīng)自然條件設(shè)計(jì)及配置，則是工程規(guī)劃中最困難的部分，在規(guī)劃中最重要的是，能否順應(yīng)自然條件作妥善的設(shè)計(jì)及配置，該部分是無法模仿引用的，僅能依據(jù)立地條件運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)及規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)投入更多心力，才能達(dá)成目標(biāo)。具體來看，如下標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)加以重視。

一是符合法規(guī)要求。任何工程施工均應(yīng)在相關(guān)法令與規(guī)范要求下進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，如河流管理辦法、河流區(qū)域種植規(guī)定等。在符合法規(guī)的條件下，應(yīng)滿足兩種需求：（1）滿足防洪需求，工程構(gòu)造物應(yīng)滿足防洪需求，不得影響防洪功能，如計(jì)劃洪水位、計(jì)劃河寬及參考河床高等。（2）滿足安全需求，工程構(gòu)造物施設(shè)除應(yīng)滿足防洪需求外，本體的安全性也應(yīng)考慮，以確保工程永續(xù)性。安全需求依工程破壞原因可分為水理與安定兩大因素，其中，水理是指流速、剪力等水流產(chǎn)生外力的分析；安全性是指構(gòu)造物受到水壓、土壓及沖刷所產(chǎn)生安定性分析。

二是維持河相穩(wěn)定。構(gòu)造物施設(shè)應(yīng)避免影響河道的通水面積，尤其是具有深槽的低水護(hù)岸，避免因束縮斷面而造成河床下切。固床工與丁壩施工則需避免水流經(jīng)構(gòu)造物產(chǎn)生對(duì)河岸的破壞、過度淤積或沖刷及產(chǎn)生側(cè)向侵蝕。施工過程中，應(yīng)注意配合生態(tài)需求，應(yīng)就生態(tài)搜集資料，邀請(qǐng)生態(tài)專家協(xié)助分析工程施設(shè)后對(duì)生態(tài)生活史的影響，并將其他設(shè)施施工對(duì)生態(tài)環(huán)境沖擊降至最低。

三是創(chuàng)造多樣化環(huán)境。基于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的不了解，工程施工時(shí)應(yīng)盡量創(chuàng)造多樣化的生態(tài)環(huán)境，如護(hù)岸的多孔隙、植生等，并利用簡(jiǎn)易設(shè)施進(jìn)行營(yíng)造潭、瀨、回流區(qū)等棲息環(huán)境的復(fù)育或創(chuàng)造，而整體生態(tài)之繁衍應(yīng)由生態(tài)自我組構(gòu)的機(jī)制進(jìn)行重組。

四是工程經(jīng)濟(jì)最佳化。該部分為水利工程施工最難達(dá)成的目標(biāo)，因工程設(shè)施具有保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)與安定社會(huì)民心的目標(biāo)，為政策性導(dǎo)向的工程，若單純以工程及后續(xù)維護(hù)管理經(jīng)費(fèi)而言，一般工程經(jīng)濟(jì)效益均不高。此處所提工程經(jīng)濟(jì)最佳化系指工程施工時(shí)應(yīng)考量其他非工程措施的配合（如洪泛區(qū)劃設(shè)）將工程規(guī)模降至最低（工程減量）及利用科學(xué)化的工具，以增加工程成功機(jī)率，降低后續(xù)維管費(fèi)用。

五是營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本最小化。生態(tài)工法的水利工程，因工料上的自然限制，如不連續(xù)性或植物生長(zhǎng)期等，失敗的風(fēng)險(xiǎn)常比混凝土化的水泥工程大。然而，生態(tài)治河卻是世界潮流，所以工程后續(xù)營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本于設(shè)計(jì)階段即需考量。

3 河流生態(tài)工程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程構(gòu)架

系統(tǒng)最主要的功能為規(guī)劃與設(shè)計(jì)試算，借著規(guī)劃與設(shè)計(jì)流程，將系統(tǒng)以階段性的步驟切割，并在各階段適時(shí)提供工程人員相關(guān)資料的參考；如選擇計(jì)劃河段、工址流況的分析、適用工法建議與選用、決定斷面形式及安全性分析等。在工址流況分析時(shí)，有航照影像圖輔助加以分析判別；初步工法布置選用時(shí)，以輸入流速及選擇規(guī)劃之目標(biāo)等，系統(tǒng)將提供符合條件的工法選項(xiàng)；安全性分析時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式的分析計(jì)算則需輸入各項(xiàng)工法所需的設(shè)計(jì)條件，系統(tǒng)計(jì)算完后顯示是否符合安全條件。

第二項(xiàng)功能為案例資料庫，借助規(guī)劃與設(shè)計(jì)試算的操作，并執(zhí)行完成工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)案例；系統(tǒng)會(huì)在完成時(shí)，儲(chǔ)存規(guī)劃與設(shè)計(jì)的結(jié)果，并記錄其完成的時(shí)間。主要為累積歷年的工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)資料，可以提供工程人員在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，可有相關(guān)設(shè)計(jì)參考，并更了解當(dāng)?shù)匕l(fā)生災(zāi)害的原因，案例資料庫的執(zhí)行流程。其中，重新計(jì)算功能，可以在該案例中的任何階段，重新進(jìn)行分析計(jì)算，并且在完成時(shí)，自動(dòng)存成一個(gè)新案例檔。

第三項(xiàng)是生態(tài)資料庫，在工法資料庫中可以輸入限定的條件做查詢，或是選擇瀏覽全部資料以列出全部資料，或是選擇規(guī)劃目標(biāo)以判定適合的生態(tài)工法；生態(tài)資料庫中，也可查詢?cè)摵酉禂嗝婢幪?hào)的水理因數(shù)條件。

第四項(xiàng)為計(jì)劃河段管理，為了避免其他使用者誤編輯計(jì)劃河段，故應(yīng)立登入賬號(hào)及密碼，以防止其他使用者隨意新增計(jì)劃河段。

第五項(xiàng)為河流管理系統(tǒng)資料庫，可查詢研究區(qū)域性的基本資料，由地理空間與信息的方式，展示查詢對(duì)象的地理位置與其相關(guān)屬性資料，如河流斷面、水系、交通等基本資料。

參考文獻(xiàn)

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