試論生態(tài)水利工程的基本設(shè)計(jì)原則

陳飛林　李進(jìn)

【摘要】本文簡(jiǎn)要分析了水利工程對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫問(wèn)題，提出應(yīng)重視河流生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的需求。生態(tài)水利工程學(xué)是水利工程學(xué)與生態(tài)學(xué)相融合產(chǎn)生的新分支學(xué)科，目的是改進(jìn)和完善水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。本文歸納了生態(tài)水利工程的五項(xiàng)基本原則，它們是：工程安全性與經(jīng)濟(jì)性原則；提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性原則；生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)與自我恢復(fù)原則；景觀尺度與整體修復(fù)原則；反饋和調(diào)整設(shè)計(jì)原則。

【關(guān)鍵詞】生態(tài)；水利；工程；設(shè)計(jì)；原則

水利工程對(duì)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的巨大作用毋庸置疑。但是也必須看到水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的干擾。水利工程對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫主要表現(xiàn)在兩方面：（1）自然河流的渠道化。包括平面布置上的河流形態(tài)直線化，即將婉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(fù)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(zhì)化，即渠道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質(zhì)材料。（2）自然河流的非連續(xù)化。筑壩造成順?biāo)鞣较虻暮恿鞣沁B續(xù)化，使流動(dòng)的河流生態(tài)系統(tǒng)變成了相對(duì)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(kù)區(qū)內(nèi)原來(lái)的森林、草地或農(nóng)田統(tǒng)統(tǒng)淹沒(méi)水底，陸生動(dòng)物被迫遷徙。水庫(kù)形成后也改變了原來(lái)河流營(yíng)養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化的規(guī)律。由于水庫(kù)截留河流的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氣溫較高時(shí)，促使藻類(lèi)在水體表層大量繁殖，產(chǎn)生水華現(xiàn)象。藻類(lèi)蔓延遮蓋住大植物的生長(zhǎng)使之萎縮，而死亡的藻類(lèi)沉入水底，在那里腐爛的同時(shí)還消耗氧氣。溶解氧含量低的水體會(huì)使水生生物/窒息而死。由于水庫(kù)的水深高于河流，在深水處陽(yáng)光微弱，光合作用也弱，導(dǎo)致水庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)比河流的生物生產(chǎn)量低，相對(duì)要脆弱，自我恢復(fù)能力弱。另外，河流泥沙在水庫(kù)淤積，而壩下清水下泄又加劇了對(duì)河道的沖蝕。這些變化都大幅度改變了生態(tài)環(huán)境。由于靠水庫(kù)進(jìn)行人工徑流調(diào)節(jié)，改變了自然河流年內(nèi)豐枯的水文周期規(guī)律，即改變了原來(lái)隨水文周期變化而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(shè)魚(yú)道的大壩對(duì)于洄游魚(yú)類(lèi)是致命的屏障。另一類(lèi)非連續(xù)化是由于河流兩岸建設(shè)的防洪堤造成的側(cè)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(kuò)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(lái)可能擴(kuò)散到灘地和洪泛區(qū)的水、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，被限制在堤防以?xún)?nèi)的河道內(nèi)，植被面積明顯減少。魚(yú)類(lèi)無(wú)法進(jìn)入灘地產(chǎn)卵和覓食，也失去了避難所。魚(yú)類(lèi)、無(wú)脊椎動(dòng)物等會(huì)減少，導(dǎo)致灘區(qū)和洪泛區(qū)的生態(tài)功能退化。

概況地講，被改造過(guò)的河流生態(tài)系統(tǒng)是由三個(gè)子系統(tǒng)組成。即：由動(dòng)物、植物和微生物組成的生命系統(tǒng)，這是生態(tài)系統(tǒng)的主體。廣義的水文系統(tǒng)，包括地表和地下水體、土地、氣候系統(tǒng)等。再有就是工程設(shè)施系統(tǒng)，這是人類(lèi)改造河流的結(jié)果。后面兩個(gè)子系統(tǒng)組成生態(tài)環(huán)境，是生命支持系統(tǒng)。由于水利工程系統(tǒng)改變了河流形態(tài)，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行又改變了原有的水文規(guī)律，造成河流生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境變化，其結(jié)果可能造成河流生態(tài)系統(tǒng)生物群落多樣性的下降，使生態(tài)系統(tǒng)退化。對(duì)于水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫，應(yīng)該采取正視而不是回避的態(tài)度。傳統(tǒng)意義上的水利工程學(xué)作為一門(mén)重要的工程學(xué)科，以建設(shè)水工建筑物為手段，目的是改造和控制河流，以滿足人們防洪和水資源利用等多種需求。現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展使我們認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)意義上的水利工程學(xué)在力圖滿足人的需求時(shí)，卻在不同程度上忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求。而河流生態(tài)系統(tǒng)的功能退化，也會(huì)給人們的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益帶來(lái)?yè)p害。未來(lái)的水利工程在權(quán)衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求與生態(tài)系統(tǒng)健康需求這二者關(guān)系方面，似應(yīng)強(qiáng)調(diào)水利工程在滿足人類(lèi)社會(huì)需求的時(shí)，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性。從學(xué)科發(fā)展角度看，現(xiàn)在的水利工程學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)主要是工程力學(xué)和水文學(xué)，水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)主要對(duì)象是水文系統(tǒng)，往往忽視生命系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)吸收生態(tài)學(xué)的理論及方法，促進(jìn)水利工程學(xué)與生態(tài)學(xué)的交叉融合，用以改進(jìn)和完善水利工程的規(guī)劃及設(shè)計(jì)理論，形成水利工程學(xué)的新的學(xué)科分支一生態(tài)水利工程學(xué)生態(tài)水利工程將與傳統(tǒng)治污技術(shù)、清潔生產(chǎn)（生態(tài)產(chǎn)業(yè)）以及環(huán)境立法和資源管理一起，成為河流生態(tài)建設(shè)的主要手段之一。圖1表示了生態(tài)水利工程在河流生態(tài)建設(shè)中的地位。圖中右側(cè)表示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾過(guò)程，左側(cè)表示人類(lèi)活動(dòng)對(duì)被干擾的河流生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)過(guò)程。

這里討論的生態(tài)水利學(xué)的基本原則也是生態(tài)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本原則，筆者試歸納為以下五項(xiàng)內(nèi)容。

一、工程安全性和經(jīng)濟(jì)性原則：

生態(tài)水利工程是一種綜合性工程，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(yùn)以及旅游等需求，也要兼顧生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的需求。生態(tài)水利工程既要符合水利工程學(xué)原理，也要符合生態(tài)學(xué)原理。生態(tài)水利工程的工程設(shè)施必須符合水文學(xué)和工程力學(xué)的規(guī)律，以確保工程設(shè)施的安全、穩(wěn)定和耐久性。工程設(shè)施必須在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠承受洪水、侵蝕、風(fēng)暴、冰凍、干旱等自然力荷載。按照河流地貌學(xué)原理進(jìn)行河流縱、橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)態(tài)地研究河勢(shì)變化規(guī)律，保證河流修復(fù)工程的耐久性。這就需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行方案比選，更要重視生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。另外，充分利用河流生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)規(guī)律，是力爭(zhēng)以最小的投入獲得最大產(chǎn)出的合理技術(shù)路線。

二、提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性原則

有關(guān)生物群落研究的大量資料表明，生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性（spacial heterogeneify）存在正相關(guān)關(guān)系。這里所說(shuō)的/生物群落0是指在特定的空間和特定的生境下，由一定生物種類(lèi)組成，與環(huán)境之間相互影響、相互作用，具有一定結(jié)構(gòu)和特定功能的生物集合體。一般所說(shuō)的/生物群落多樣性0指生物群落的結(jié)構(gòu)與功能的多樣性。實(shí)際上，生物群落多樣性問(wèn)題是在物種水平上的生物多樣性。河流生態(tài)系統(tǒng)生境的主要特點(diǎn)是：水-陸兩相和水-氣兩相的聯(lián)系緊密性；上中下游的生境異質(zhì)性；河流縱向的婉蜒性；河流橫斷面形狀的多樣性；河床材料的透水性等。水-陸兩相和水一氣兩相的緊密關(guān)系，形成了較為開(kāi)放的生境條件；上中下游的生境異質(zhì)性，造就了豐富的流域生境多樣化條件；河流縱向的婉蜒性形成了急流與緩流相間；河流的橫斷面形狀多樣性，表現(xiàn)為深潭與淺灘交錯(cuò)；河床材料的透水性為生物提供了棲息所。由于河流形態(tài)異質(zhì)性形成了在流速、流量、水深、水溫、水質(zhì)、水文脈沖變化、河床材料構(gòu)成等多種生態(tài)因子的異質(zhì)性，造就了豐富的生境多樣性，形成了豐富的河流生物群落多樣性。所以說(shuō)，提高河流形態(tài)空間異質(zhì)性是提高生物群落多樣性的重要前提之一。

三、生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)、自我恢復(fù)原則：

有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的自組織功能的討論始于20世紀(jì)60年代，以后有不同學(xué)科的眾多學(xué)者涉足這個(gè)領(lǐng)域。以各種不同形式構(gòu)成的自組織功能，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要特征。生態(tài)學(xué)用自組織功能來(lái)解釋物種分布的豐富性現(xiàn)象，也用來(lái)說(shuō)明食物網(wǎng)隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程。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(jī)理是物種的自然選擇，也就是說(shuō)某些與生態(tài)系統(tǒng)友好的物種，能夠經(jīng)受自然選擇的考驗(yàn)，尋找到相應(yīng)的能源和合適的環(huán)境條件。在這種情況下，生境就可以支持一個(gè)能具有足夠數(shù)量并能進(jìn)行繁殖的種群。自組織功能原理與達(dá)爾文的進(jìn)化論有相似之處，只是研究的尺度不同而已。達(dá)爾文的進(jìn)化論研究是在地球生物圈所有種群的尺度上進(jìn)行的，而自組織功能是在生態(tài)系統(tǒng)中種群之間發(fā)生的。

四、景觀尺度及整體性原則：

河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃和管理應(yīng)該在大景觀尺度、長(zhǎng)期的和保持可持續(xù)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而不是在小尺度、短時(shí)期和零星局部的范圍內(nèi)進(jìn)行。在大景觀尺度上開(kāi)展的河流生態(tài)修復(fù)效率要高。小范圍的生態(tài)修復(fù)不但效率低，而且成功率也低。所謂/整體性是指從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)，掌握生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)要素間的交互作用，提出修復(fù)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(fù)問(wèn)題，也不僅僅是恢復(fù)單一物種或修復(fù)河岸植被。

五、反饋調(diào)整式設(shè)計(jì)原則

生態(tài)系統(tǒng)的成長(zhǎng)是一個(gè)過(guò)程，河流修復(fù)工程需要時(shí)間。從長(zhǎng)時(shí)間尺度看，自然生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化需要數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間。進(jìn)化的趨勢(shì)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、生物群落多樣性、系統(tǒng)有序性及內(nèi)部穩(wěn)定性都有所增加和提高，同時(shí)對(duì)外界干擾的抵抗力有所增強(qiáng)。從較短的時(shí)間尺度看，生態(tài)系統(tǒng)的演替，即一種類(lèi)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(shí)間，期望河流修復(fù)能夠短期奏效往往是不現(xiàn)實(shí)的。

生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)主要是模仿成熟的河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，力求最終形成一個(gè)健康、可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)。在河流工程項(xiàng)目執(zhí)行以后，就開(kāi)始了一個(gè)自然生態(tài)演替的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程并不一定按照設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo)發(fā)展，可能出現(xiàn)多種可能性。最頂層的理想狀態(tài)應(yīng)是沒(méi)有外界脅迫的自然生態(tài)演進(jìn)狀態(tài)。在河流生態(tài)修復(fù)工程中，恢復(fù)到未受人類(lèi)干擾的河流原始狀態(tài)往往是不可能的，可以理解這種原始狀態(tài)是自然生態(tài)演進(jìn)的極限狀態(tài)上限。如果沒(méi)有生態(tài)修復(fù)工程，在人類(lèi)活動(dòng)的脅迫下生態(tài)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步惡化，這種狀態(tài)則是極限狀態(tài)的下限。在這兩種極限狀態(tài)之間，生態(tài)修復(fù)存在著多種可能性。針對(duì)具體一項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施以后，一種理想的可能是：監(jiān)測(cè)到的各生態(tài)變量是現(xiàn)有科學(xué)水平可能達(dá)到的最優(yōu)值，表示生態(tài)演進(jìn)的趨勢(shì)是理想的。另一種差的情況是，監(jiān)測(cè)到的各生態(tài)變量是人們可接受的最低值。在這兩種極端狀態(tài)之間，形成了一個(gè)包絡(luò)圖。一項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施后的實(shí)際狀態(tài)都落在這個(gè)包絡(luò)圖中間。