生態理念在平原水庫設計中的應用探討

王莉 劉長林 秦夫鋒 王慕春 晏清洪

摘 要：以前的平原水庫設計中注重水利功效、忽視生態設計，水庫建成后造成巨大的生態環境破壞。隨著科技水平的進步和經濟的高速發展，亟須在平原水庫設計階段植入生態設計。在調研黃河三角洲七座平原水庫的基礎上，查找原有設計思路下產生的生態問題，并針對問題研討形成了庫中濕地替代隔壩、采用曲狀庫底、庫水環流、充分利用當地天然防滲材料杜絕土工膜、生態護坡等生態設計對策。研討結果可為平原水庫生態設計提供參考。

關鍵詞：平原水庫;設計;生態理念;應用

中圖分類號：TV697.3 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）27-0098-04

Abstract： The former plain reservoir design paid attention to the water conservancy efficiency and ignored the ecological design， which caused huge ecological environment damage after the completion of the reservoir. With the progress of science and technology and the rapid development of economy， it is urgent to implant ecological concept in the design stage of plain reservoir. Based on the investigation of seven plain reservoirs in the Yellow River Delta， this paper finds out the ecological problems under the original design ideas， and discusses and forms the corresponding ecological design countermeasures， such as borrowing the wetland in the reservoir to replace the dam， adopting the curved reservoir bottom， the circulation of reservoir water ， making full use of local natural anti-seepage materials， so as to eliminate geomembrane， building ecological slope protection， etc. The research results can provide reference for ecological design of plain reservoir.

Keywords：plain reservoir; design; ecological concept; application

水利工程不僅充分發揮水資源開發、利用、配置功能，也能充分發揮生態保護作用。當前，我國水利事業發展進入新時代，治水主要矛盾已發生深刻變化，從人民群眾對除水害興水利的需求與水利工程能力不足之間的矛盾，轉化為人民群眾對水資源水生態水環境的需求與水利行業監管能力不足之間的矛盾。按照“水利工程補短板、水利行業強監管”的總基調，把研究生態水利工程及相關工作的開展作為水利部的重點工作之一，是落實生態文明建設的客觀要求，是水利行業貫徹落實習近平總書記治水重要論述及全國生態環境保護大會精神的務實舉措，是新時期落實水利改革發展總基調的有力支撐。

平原水庫是指為供水、灌溉等目的，在平原地區，利用局部低洼地圈筑圍堤進行蓄水的工程設施。平原水庫一般位于大江、大河下游沖擊平原地區，如我國黃河三角洲平原。平原水庫在一定程度上解決了北方河流枯水期農業灌溉引水不足的問題，作為補充水源，為農業抗旱和灌溉提供用水，促進了農業的增產增收。為城、鄉生活用水提供了豐足的水源，解決了多年來沿黃平原區人民飲用咸水、含氟水等劣質水的歷史難題，提高了人民生活質量，保障了人民的健康。為區域經濟發展提供了可靠的水源，緩解了工農業爭水的矛盾。平原水庫的建設，大大減少了平原地區的地下水開采，有效地遏制了地下水漏斗區的擴展，防止了地面沉降、水質惡化的地質、環境災害的發生。

工程設計是工程建設的先導、靈魂和關鍵，是提高建設項目經濟社會效益、保障工程質量安全的重要保證。傳統平原水庫設計過程中缺少生態理念。生態理念以尊重和維護自然為前提，以人與人、人與自然、人與社會和諧共生為宗旨，建立可持續的生產方式和消費方式為內涵，以引導人們走上持續、和諧的發展道路為著眼點。對于水利工程設計，生態理念更多地是指通過特定設計方法的運用，減少水利工程建設過程對生態環境造成的不利影響，促進水利工程與生態環境的和諧發展。受傳統設計理念、設計方法以及設計流程等方面的影響，水利工程設計實踐中依舊存在著諸多方面的缺陷與不足，制約著整體設計效果與質量的優化提升。受以前經濟水平限制，一般設計者生態意識不強，單純重視水庫的水利功效，從工程選址到設計，忽視自然生態系統之間聯系，設計思路落后，破壞了水庫庫區及周邊的生態穩定性，沒有做到與自然和諧發展。因此，要強化生態理念在水利工程設計過程中的運用，摒棄傳統陳舊的設計方法與設計理念，真正將生態理念融入水利工程設計全過程。

1 當前平原水庫設計存在的問題

平原水庫的特點主要有圍壩軸線較長，地質條件較差，筑壩土料較差，蓄水深度較淺，水面積大，蒸發量較大等。在水庫設計階段植入生態設計理念，可以最大程度避免生態破壞，保護水庫及周邊生態環境，達到與自然和諧相處的前提下開發利用。

1.1 管理制度方面的問題

1.1.1 未充分獲取和應用水文、生態資料。充分研究水文和生態資料是進行生態設計的基礎和前提，目前普遍存在設計中水文資料不全、生態資料缺失等共性問題，制約著生態設計的發展和提升[1]。

1.1.2 缺乏生態水利工程設計規范。在平原水庫設計中，融入生態理念的生態設計規范，是設計方案必要的方向性引導。實踐中，當前水利工程設計方面的設計規范嚴重缺失，不得不依舊沿襲傳統陳舊的設計規范與技術標準，已經遠遠不能滿足新形勢下平原水庫設計在生態環境方面的強烈需求[2]。

1.2 技術方面的問題

1.2.1 水平庫底帶來的生態影響。平原水庫受地質限制少，所以設計中容易采用單一的“平庫底+圍壩”的基本思路。并且一般采用庫底全鋪土工膜水平防滲的平原水庫，蓄水初期，往往產生土工膜局部隆起的氣脹現象[3];不利于圍壩壩內坡穩定，考慮應力平衡，還要搞壓重平臺類的措施會占用有效庫容，并且過多的工程建設產生生態影響巨大;應對地質災害如地震時產生的變形能力差;水平庫底造成庫水深度單一，不適合于多種水生物生長。[2]

1.2.2 庫中隔壩的生態影響。由于平原水庫水域面寬廣或者狹長，許多平原水庫中設計隔壩（例如，德州市陵城區的仙人湖建有長1.51 km的隔壩）為了縮短風吹程，減小波浪爬高和波浪壓力，最終可以降低壩高而節省不少的壩體填筑方量[4]。但是庫中隔壩同時帶來多種生態問題。

①隔壩從穩定性和安全性出發必須按土石壩標準設計，所以不得不增加隔壩的建設投資和長期的運行管費用，土石壩的體積過大，一是侵占過多有效庫容，二是巨大的土石壩建設產生巨大的生態環境破壞，進而影響水庫的總體生態效益。

②隔壩造成水庫水生態整體性的隔斷和水生物巡游環境的阻礙。以東營市的廣南水庫為例，廣南水庫浮游動物的優勢種輪蟲，隨著浮游動物的生物量高峰趨勢由小區域向大區域的位置變化，說明在深水水域浮游動物的捕食壓力較小，因此能長成較大的個體。同時，從一庫到二庫水體深度是逐漸增加的，受風浪影響越小，浮游動物也容易長成較大個體[2]。

③隔壩作為水利風景區的長廊，管理人員和游人在隔壩上工作、游玩等活動對水庫水質造成直接污染，進而影響到水庫生態。廣南水庫在隔壩沿線生物量明顯少于深水庫區，輪蟲個體也顯著小于深水庫區[2]。

1.2.3 水庫底流靜水狀態的生態影響。一是導致庫水含氧量降低，從而影響水生動植物的生活生長。二是靜水滋生大量水草，黃河三角洲諸水庫和辛安水庫，水草滋生現象普遍，但水草的大量發生沒有對水質改善產生積極意義。大量滋生的水草在水生動物旺盛生長的季節大量占用營養鹽，影響了水體中的物質循環和能量流動，降低整個水系統中動物的生產量[1]。

1.2.4 剛性防滲和復合土工膜防滲的生態影響。可以達到很好的防滲效果，但從生態角度來看，絕對的防滲把水庫變成了“銅幫鐵底”的“大游泳池”，阻斷了水體與土壤的物質交換，隔斷了水庫生態系統和陸地生態系統的聯系。另外，20世紀80年代以來廣泛采用的復合土工膜，生態效果受到質疑[5]。

1.2.5 圍壩采用混凝土護砌的生態影響。在傳統的水庫壩坡防護工程設計中，一般會采取硬化護砌措施，常用材料包括石材、混凝土等。硬化護砌結構的最大優勢在于自身的穩定性較強，可以持續使用多年，但不利于生態環境建設，其不僅會破壞原有的水環境景觀和諧性，更會對水環境生物群種的發展和造成一定的影響[6]。

2 生態理念在平原水庫設計中的應用建議

2.1 管理制度方面措施

2.1.1 堅持生態設計理念貫穿水庫設計工作全過程。牢固樹立人與自然和諧的生態工程理念，堅持科學的發展觀，嚴格遵守自然經濟規律，將生態理念融入工程的規劃、設計、施工、運行及管理的全過程，保證工程在取得經濟效益和社會效益的同時，減少環境污染和生態破壞，維護生態平衡[7]。隨著時代的進步，國家對水利工程的要求也在逐步提高。多項關于生態保護法律出臺也把生態文明建設上升到更加突出的位置。將綠色生態的理念滲透到各個環節，特別是堅持用生態文明的理念抓好前期與勘察設計工作更是能夠發揮出事半功倍的生態效益[8]。

2.1.2 加強設計技術人員生態理念培訓。平原水庫的生態設計要用到水利、環境、生物科學、力學、生態學等多種學科的原理和知識[5]。這就對新時代的設計技術人員提出了更高的要求，對此，制訂系統性的培訓與學習計劃，定期對設計人員進行專項培訓與指導，使其學習水庫設計新理念，強化生態理念在設計過程中的運用，摒棄傳統陳舊的設計方法與設計理念，真正將生態理念融入水庫工程設計全方位[1]。

2.2 技術措施

2.2.1 壩址選擇。平原水庫通常選址在低洼地區，應該遵循生態環境最終以生物多樣性判斷的根本原則，在圍壩及庫盆布置時，應考慮盡可能多地保留保護當地已有的生物物種資源，對有可能在水庫蓄水后發揮自身修復生態能力的生物鏈，在設計時重點考慮加以保護，并在設計中列出專項保護措施，使得新建的水庫環境有利于生物多樣性的發展。充分利用原有地貌如沼澤，本身就是不漏水的區域，簡單粗暴地鏟除，再原地做防滲，更是百害無一利。同時，考慮盡量減少甚至避免庫區移民，避免人類搬遷造成的生態破壞[9]。

2.2.2 以庫中濕地替代隔壩。借鑒農業防風林帶的防風浪思路，考慮利用高稈植物減小吹程及風浪影響和降低壩高的，設計成潛流濕地，種植高桿蘆葦等半水生當地植物，當地植物生長具有適合本土環境、側根系、根總數多、粗壯且分布均勻及板根發達的特點，從而防風和抗風能力最優[10]，減小波浪爬高的效果更有效，既能避免波浪對隔壩的蕩蝕，并且當地植物更利于周圍物種的生活，從而更利于生態整體性修復[11-13]。所以，盡量利用原庫區的地形、地貌和已有的生物資源，將需要設置隔壩的地方修整為庫內濕地。

2.2.3 采用曲狀庫底。平原水庫一方面考慮應盡量做深，以減少滲漏，減少蒸發。更應全方面考慮庫底形狀對水庫生態的綜合影響。曲狀庫底壩坡逐漸變緩有利于壩坡自身穩定而節省護砌，還有利于生物鏈的生態多樣性可持續。提高的自身修復能力反過來有利于水庫壩坡的穩定而節省維修養護費用;庫底漸變的水深還要有利于生物多樣性[2];不允許施工擾動改成濕地部分的土層，還有利于減少水庫的滲漏;濕地植物的生長還有利于保水和減少蒸發損失。綜合形成能起到減弱風浪對圍壩影響的隔壩作用，還能減少對生物及環境的擾動，避免人工填筑生態島的巨大工程生態破壞。

2.2.4 設計庫水環流，讓水庫靜水變流水。庫中替代隔壩的局部濕地與圍壩之間設計成順圍壩方向的庫水環流。既能起到自然凈化水質的作用，還能盡量減少人為干擾對生態濕地的影響。當然還要注意在保證工程安全運行的前提下，可以采用一些有利于提高水生態環境自身修復能力的新技術，創造有利于形成生物循環的條件，促進生物多樣性[8]。比如圍壩迎水面死水位附近的堆石體（注意設置反濾墊層），既可以穩定壩坡、防止沖刷，又作為壩面護坡的基腳，還為岸邊魚類提供了魚窩，有利于生物多樣性的保護和發展。綜合起來生態效果比較好。

2.2.5 以天然防滲取代剛性防滲和土工膜防滲。水庫的防滲層，盡最大限度利用庫盆的天然相對隔水層，輔以當地具有防滲性能的填料（包括黏性土、人工摻和礫石料，甚至淤泥料在水下都有較好的防滲和自彌合性能），對于外來材料，即使采用膨潤土類材料，也比復合土工塑料膜更便于施工，便于檢查，便于修復，不會污染生態，有利于生物鏈的形成，提高自身修復能力，提高生物多樣性[5]。不但有利于防滲，造價還比較低。所以，應以圍壩壩體下游不產生浸沒區為原則。因為有關壩體滲透計算，特別是有限深透水地基的滲透計算，壩體的和壩基的計算是先分別計算的。滲透穩定分析不是簡單地把壩體和壩基的滲漏量加起來，而是還要搞清楚壩體滲透與壩基滲透之間的關系及其對工程的影響，才能具體布置好整體的工程防滲體系，才能合理地確定豎直防滲措施的深度和平向防滲鋪蓋的長度。既然地球上沒有絕對不透水的壩工，就應該順應現實環境，在防止滲透變形的前提下，同時兼顧環境的生態需水的要求。

2.2.6 采用生態護坡。生態護坡是水利工程建設中的一種新型護坡措施，其不僅具備傳統的固岸效果和水土流失防治效果，同時能夠有效控制污染源，與整個水環境共同構成關系和諧的生態系統。采用生態護坡同時考慮在圍壩迎水面常年位于水下的護坡結構設計中考慮人工魚窩的等設置。生態護坡常用措施主要有生態混凝土護坡、自嵌式擋土墻、生態連鎖式護坡、生態格網護坡等，各具特點，生態設計中應結合工程需求、水文氣象、工程地質條件等綜合考慮，確定適合的生態護坡措施[10]。

3 結語

隨著科學技術的不斷發展，會有更多更好的生態設計方法涌現，例如利用現代電子信息化的科技手段，選取水庫特征點設計布置生態監測點，進行實時監測，累積基礎資料，目的是用科學手段調控修復生態，真正達到尊重自然，取之有度的生態設計;期待制定出臺相關的平原水庫生態設計規范，讓生態環境得到技術支持和制度保障。同時，生態設計又是一項任重道遠、需要持之以恒的工作。只有深入研究如何因地制宜地讓水和環境生態完美融合，真正達到人與自然和諧統一，才是我們不斷探索和追尋的最終目標。

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