生態理念下的水利工程設計研究

摘 要：本文基于筆者多年從事水利工程設計的相關工作經驗，以生態理念下的水利工程設計為研究對象，分析了當前生態水利工程設計面臨的主要問題，探討了生態水利工程設計應遵循的理論與技術路線。全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：水利工程 工程設計 生態

中圖分類號：TV222 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0052-02

人類強烈干擾下墊面環境，使得全球水循環受人工側支的影響越來越明顯，導致水資源量分配不均。人類干擾下墊面環境中有一項重要內容是水利工程。當水利工程加劇了區域或流域水資源自然分配的不均一性時，容易導致一系列生態環境問題的出現，如修建水庫或過量引提河流水資源導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、水體功能發生變化；濕地因生態流量減少而退化；大量引水導致水源水量減少，水質下降，維持原來水域食物網穩定的能力下降等。在種種水利工程所引發的生態環境問題不斷出現、并嚴重危及區域經濟社會的可持續發展時，人們開始全面、深入地審視水利工程給人類及生態所帶來的效應。正是在這種背景下，生態水利工程被人們提上了議程。如何基于生態目標進行水利工程的設計，當前還有許多問題需要探討。筆者結合工作實踐，就有關生態水利工程設計方面的相關問題進行闡述。

1 水利工程與生態水利工程的區別

水利工程可以理解為人類通過工程措施或行為實現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）、提供穩定的水源（如：修建水庫、打井）、緩解或防止農作物旱澇漬災害（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（如：修建水庫、人工湖泊等）等，這主要體現了水利工程的資源性、經濟性與社會性。而生態水利工程則更強調水利工程的主要服務目標是生態。有學者認為生態水利工程的內涵是：對于新建工程，是指進行傳統水利建設的同時（如：治河、防洪工程），兼顧河流生態修復的目標；對于已建工程，則是對被嚴重干擾的河流進行生態修復。筆者認為生態水利工程是現代水利的標志，至少應包括以下兩個方面的科學內涵：生態水利工程的開發應有明確的生態服務目標與功能。在設計階段，應當將生態系統健康過程的維持置于重要位置，并作為設計的制約因子，使水利工程能滿足適宜的生態水文過程要求。生態水利工程應強調工程選址、布局、施工過程的環境友好性與經濟性。防止在工程實施過程中產生巨大的環境成本和經濟成本，實現社會經濟與生態保護的雙贏。這是生態水利工程最難以操作的一個內容，同時又是最為關鍵的一個方面，需要基于系統的多目標決策方法與技術進行科學比選。

2 生態水利工程設計面臨的主要問題

水利工程必然會干擾水量與水質的時空變化過程，而生態水利工程防止了工程作用下的生態過程發生根本性變化。嚴格來講，基于一個流域，天然的水文過程對維持其流域的生態過程是最好的。流域內由于人類的存在，使資源按最有利于人類發展的方向配置，這正是最初水利工程設計的出發點。生態水利工程充分考慮了生態的自組織規律，試圖在開發、設計、施工和運行管理過程中充分降低或規避對生態的負面影響，但事實上，生態水利工程從開發到工程實體付諸使用還面臨著諸多的問題。（如圖1）

2.1 缺乏基于不同區域的生態水利工程設計方法與評價標準

生態水利工程對服務目標具有特定性和地域性。由于生態系統存在地理區域的差異，因此決定了具體的生態水利工程也具有因地制宜的特征。當前，對生態水利工程的功能有一些理論評價指標和評價方法。但對于一個具體的生態水利工程實踐缺少可操作性的評價方法d6c9fa7a894baafadffc82ca4996be1bbbac09215fa5685cef74b61747abb552與標準。這與當前水利工程對生態影響的科學研究工作開展得較少和相應科研成果積累較少有關。水利工程由于涉及工程力學的穩定性與安全性，因此國家對水利工程結構建筑物執行了一系列的強制性標準，但缺少足夠的技術標準來規范工程的生態服務目標。

2.2 水利工程設計人員與生態科技工作者缺少合作的機會與機制

水利工程設計人員基于流域生態需水規律來進行設計的意識不強，將生態服務目標作為常規設計要素考慮的意識還不普及。在水利工程可行性研究階段，環境影響評價工作往往介入較晚，大部分是在水利工程可行性研究方案確認后才進行環境影響評價，加上當前我國環境評價管理制度與環境影響評價咨詢市場還不完善、不規范，環境評價單位替業主考慮得較多，對生態目標考慮得相對較少，有的甚至隱瞞工程真正的生態影響后果，導致許多水利工程的生態效益不明顯，負面影響相當突出。水利工程設計人員與生態環境科技工作者缺少合作的機會與機制，生態水利工程的開發與設計相對滯后。

2.3 生態水利工程與原有水利工程設施難以協調運行

在一個流域內，新的生態水利工程可能要在原有水利工程設施的基礎上進行改造和優化設計。如白洋淀濕地供水工程、扎龍濕地補水工程、洪河國家自然保護區水資源恢復工程等生態水利工程，均要借助原有水利工程設施，合理科學地配置一些分水工程和蓄水工程對區域來水量進行重新分配或對水的去向進行重新調整等。生態水利工程的介入必然會影響原來水利工程設施的服務對象與功能，如原來工程的防洪排水標準、發電效能、灌溉功能等，甚至會給原有水利工程的安全運行帶來一些風險。由于原有水利工程與生態水利工程最為顯著的差異是服務目標與功能的差異，因此有必要在開發生態水利工程的同時，對原有水利工程的服務目標與功能進行適度調整。所以，如何實現生態水利工程與原有水利工程設施的協調運行，是生態水利工程設計應全面系統考慮的問題。

3 生態水利工程設計應遵循的理論與技術路線

就生態水利工程的設計原則與理論，我國已有學者進行了卓有成效的探討。如董哲仁曾提出生態水利工程的五項基本原則。筆者根據自身的工作實踐與經驗認為生態水利工程設計還應遵循以下3個方面的理論與技術路線。

3.1 應以生態水文學與工程水文學作為工程設計的基礎，進行水文過程的分析與計算

重視生態水文學與工程水文學的結合，這樣才能為生態水利工程的設計提供基礎。因為生態水利工程的服務對象比較廣，往往同時涉及濕地、林業、草原、農業、畜牧業和江河湖泊等生態用水和工業、城鎮、消防、居民等經濟生活用水，所以只有弄清生態目標對水資源的時空要求規律，生態水利工程的設計才能建立在科學的基礎上。如由黑龍江農墾勘測設計研究院進行規劃設計的/兩江一湖（黑龍江、烏蘇里江和興凱湖）干流沿岸灌區工程，其中提水灌區的開發與設計就是從生態水文學與工程水文學相結合的角度，充分考慮了在非灌溉期或灌溉空隙時間為濕地補水和利用灌區尾水給退化濕地進行補水的可行性，并對工程措施的技術經濟可行性進行了充分論證，屬于生態水利工程設計的一個實踐。

3.2 識別工程可能影響的關鍵生態敏感目標

生態水利工程的設計應當能準確識別受工程直接或間接影響的生態目標，并在工程規劃階段予以充分考慮。但當前許多水利工程的設計很少或沒有考慮流域生態敏感點。如三江國家級自然保護區濕地的水資源主要來自降水、上游來水（如：別拉洪河和濃江）以及烏蘇里江和黑龍江洪水期倒灌補充，所以上游來水的減少，會影響保護區濕地的水文過程。水文測驗資料分析結果顯示：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），使上游來水直接排入撓力河和烏蘇里江，沒有經下游保護區進入烏蘇里江。致使別拉洪流域流經三江國家級自然保護區的徑流總量比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在非汛期（1～5月，10～12月）不向下泄流，根據多年水文數據分析，非汛期8個月的平均流量為4122 m3/s，經初步計算，與水庫修建前相比，每年約減少下泄水量8700萬m3，嚴重影響了下游的撓力河國家級濕地自然保護區；在三江平原早期實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濃江中游的洪河國家級自然保護區濕地減少了730 km2的地表徑流匯入，使其水資源明顯退化[4]，這些均與當時沒有考慮生態敏感點有直接的關系。

3.3 生態水利工程的設計要與環境工程設計進行有機結合

生態水利工程的設計應當充分吸收環境科學與工程的理論與技術，實現水量與水質同步科學配置的目的。當前尤其是應與水污染防治工程進行有機結合，由于水利工程作用的水量一般較大且具有明顯的季節性變化，使生態水利工程的設計與實施存在較大的挑戰與阻力。如黑龍江省扎龍濕地補水工程，雖然實現了連續幾年的補水，但由于水質不符合濕地水質要求，導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入下游湖泊或天然濕地，可以在進入湖泊或濕地的過渡帶設計生態處理溝渠或氧化塘。而水田排水溝渠可以在植物生長季節充分蓄水，利用人工溝渠濕地對有機污染物質進行降解。在缺水地區種植水稻，特別是在開采地下水種植水稻的地區，應當進行以水量高效利用與水質凈化為目的的生態水利工程設計。而這種設計思路來源于水污染的自然穩定塘處理理論與工藝。因此，生態水利工程與水污染控制工程的結合是今后生態水利工程的一個重要發展方向。

參考文獻

[1] 顧慶堯.生態水利工程設計的初步探討[J].科技資訊，2009（4）.

[2] 馮平.淺談生態水利設計[J].科技創新導報，2009（S5）.

[3] 廖世潔.水利工程中的生態問題與生態水利工程[J].科技資訊，2006（1）.

[4] 王玉民.試論生態水利工程的基本設計原則[J].產業與科技論壇，2006（6）.

[5] 董哲仁.探索生態水利工程學[J].中國工程科學，2007（1）.

[6] 王傳兵，劉強，蘇秦，等.樹立科學發展觀，實施生態水利工程[J].海峽科學，2007（2）.

[7] 余興明.生態水利工程的設計原則[J].中國水運：理論版，2008（1）.