生态水利工程设计初探

　　摘要：生态水利工程学是水利工程学与生态学相融合产生的新分支学科，目的是改进和完善水利工程的规划设计方法。随着经济和社会的发展，有必要对传统的水利水电工程规划设计和运行的理念与技术方法进行反思，进一步吸收生态学的理论知识，探索与生态友好的水利水电工程技术体系，这是实现与自然和谐相处目标的时代需求。
　　关键词：水利工程；生态水利工程；设计原则；探讨
　　自人类进入文明时代以来，水利工程就一直在为人类经济社会系统服务。水利工程对现代社会的经济与社会发展有着无可替代的作用，在防洪、灌溉、发电、供水、航运、养殖和旅游等诸多方面对于保障社会安全、促进经济发展发挥了巨大的作用。然而水利水电工程设施的建设和运行，对于河流生态系统也有着双重影响：筑坝形成水库，虽然为干旱、半干旱地区的植被和生物提供了较为稳定的水源，但是对河流生态系统形成了负面影响。生态水利工程就是以实现人与水和谐相处为目的，使水利工程服务于生态系统的健康维持与恢复，是未来水利工程发展的一个重要方向。
　　1生态水利工程学的内涵
　　1.1传统意义的水利工程学
　　传统意义上的水利工程可以简单理解为人类为实现水资源的再分配和水资源的利用而采取的工程措施或行为。水利工程最初主要用来为人类：①解决防洪问题(如修建防洪堤、水库)；②提供稳定的水源(如修建水库、打井)；③减缓或去除农作物旱涝渍灾害(如修建提水泵站、排水沟、灌溉渠道等)；④提供清洁能源(修建水电站)；⑤提供水利旅游景点(如修建水库、人工湖泊等)，这主要体现了水利工程的资源、经济与社会性。
　　1.2生态水利工程学的概念
　　生态水利工程学(eco-hydraulicengineering)作为水利工程学的一个新的分支，是研究水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾水域生态系统健康与可持续性需求的原理和技术方法的工程学。它包含以下4个方面的科学内涵：①生态水利工程的开发应强调生态系统的自组织原理。在设计阶段，应当将生态系统健康过程的维持置于重要位置，并作为设计制约因子，使水利工程能满足适宜的生态水文过程要求；②生态水利工程强调施工过程的环境友好性，防止在施工过程中造成巨大的环境成本付出；③生态水利工程更强调基于生态需水规律的运行管理。如水库要有效地发挥其生态功能，可能需要一个符合下游生态需水规律的水资源调配方案与制度；④生态水利工程选址或布局，强调工程生态负面影响最小化原则。这可能是生态工程最难以操作的一个内容，但又是最为关键的一个方面，需要基于系统多目标决策方法与技术进行科学比选。
　　2生态水利工程设计面临的主要问题
　　水利工程必然会干扰水量与水质的时空变化过程，而生态水利工程防止了工程作用下的生态过程发生根本性变化。严格来讲，基于一个流域，天然的水文过程对维持其流域的生态过程是最好的。流域内由于人类的存在，使资源按最有利于人类发展的方向配置，这正是最初水利工程设计的出发点。生态水利工程充分考虑了生态的自组织规律，试图在开发、设计、施工和运行管理过程中充分降低或回避对生态的负面影响，但事实上，生态水利工程从开发到工程实体付诸使用还面临着诸多的问题。
　　2.1缺乏基于不同区域的生态水利工程设计方法与评价标准
　　 生态水利工程对服务目标具有特定性和地域性。由于生态系统存在地理区域的差异，因此决定了具体的生态水利工程也具有因地制宜的特征。当前，对生态水利工程的功能有一些理论评价指标和评价方法。但对于一个具体的生态水利工程实践缺少可操作性的评价方法与标准。这与当前水利工程对生态影响的科学研究工作开展得较少和相应科研成果积累较少有关。水利工程由于涉及工程力学的稳定性与安全性，因此国家对水利工程结构建筑物执行了一系列的强制性标准，但缺少足够的技术标准来规范工程的生态服务目标。
　　2.2水利工程设计人员与生态科技工作者缺少合作的机会与机制
　　水利工程设计人员基于流域生态需水规律来进行设计的意识不强，将生态服务目标作为常规设计要素考虑的意识还不普及。在水利工程可行性研究阶段，环境影响评价工作往往介入较晚，大部分是在水利工程可行性研究方案确认后才进行环境影响评价，加上当前我国环境评价管理制度与环境影响评价咨询市场还不完善、不规范，环境评价单位替业主考虑得较多，对生态目标考虑得相对较少，有的甚至隐瞒工程真正的生态影响后果，导致许多水利工程的生态效益不明显，负面影响相当突出。水利工程设计人员与生态环境科技工作者缺少合作的机会与机制，生态水利工程的开发与设计相对滞后。
　　2.3生态水利工程与原有水利工程设施难以协调运行
　　在一个流域内，新的生态水利工程可能要在原有水利工程设施的基础上进行改造和优化设计。如白洋淀湿地供水工程、扎龙湿地补水工程、洪河国家自然保护区水资源恢复工程等生态水利工程，均要借助原有水利工程设施，合理科学地配置一些分水工程和蓄水工程对区域来水量进行重新分配或对水的去向进行重新调整等。生态水利工程的介入必然会影响原来水利工程设施的服务对象与功能，如原来工程的防洪排水标准、发电效能、灌溉功能等，甚至会给原有水利工程的安全运行带来一些风险。由于原有水利工程与生态水利工程最为显著的差异是服务目标与功能的差异，因此有必要在开发生态水利工程的同时，对原有水利工程的服务目标与功能进行适度调整。所以，如何实现生态水利工程与原有水利工程设施的协调运行，是生态水利工程设计应全面系统考虑的问题。
　　2.4生态水利工程设计缺少生态水文测验资料
　　如果不能从水文测验站的观测资料去分析水文过程对生态过程的正负影响机理，就很难基于生态系统的自组织规律寻求生态水利工程的设计理论、方法与技术参数。当前，我国水文测验工作相对落后，水文测验站还不能适应当前生态水利工程设计对资料的需求。目前有关生态水文站方面的设计与布局在我国还未正式开展，国内也少有报道。
　　3生态水利工程设计基本理论和方法
　　近20年来，随着生态学的发展，人们对于河流治理有了新的认识，认识到水利工程除了要满足人类社会的需求外，还要满足维护生物多样性的需求，相应发展了生态工程技术和理论。生态水利工程设计应遵循如下3个方面的理论与技术路线。
　　3.1以生态水文与工程水文为基础进行水文过程的分析与计算
　　将生态水文学应用于工程设计在当前还较少见。这可能与从事生态水文的科技工作者不从事实际水利工程的设计有关。但今后应当高度重视生态水文学与工程水文学的结合，这样才能为生态水利工程的设计提供基础。因为生态水利工程的服务对象比较广，往往同时涉及湿地、林业、草原、农业、畜牧业和江河湖泊等生态用水和工业、城镇、消防、居民等经济社会生活用水，所以弄清楚生态目标对水资源的时空要求规律，才能使生态水利工程的设计建立在科学的基础上。
　　3.2应识别工程可能影响的关键生态敏感目标
　　生态水利工程的设计应当能准确识别受工程直接或间接影响的生态目标，并在工程规划阶段给予充分考虑。但当前在许多水利工程的设计中很少或没有对流域生态敏感点加以考虑。又如三江平原早期实施的防洪治涝工程中，有的地方出现了跨流域排水，如浓鸭截洪总干(1988年建成)使浓江上游的来水经鸭绿河流域进入了黑龙江，而不是沿浓江中下游下泄，进入大力加湖水库再进入黑龙江，这使得中游的洪河国家级自然保护区湿地因减少730km2地表径流的汇入，而使其水资源明显退化，这些均与当时没有考虑生态敏感点有直接的关系。
　　3.3生态水利工程的设计要与环境工程设计进行有机结合
　　生态水利工程的设计应当充分吸收环境科学与工程的理论和技术，实现水量与水质同步科学配置的目的，尤其是应与水污染防治工程进行有机的结合。由于水利工程作用的水量一般较大且具有明显的季节性变化，所以生态水利工程的设计可能使得其设计与实施存在较大的挑战与阻力。为了减缓旱田排水挟带泥沙或污染物进入下游湖泊或天然湿地，可以在进入湖泊或湿地的过渡带设计生态处理沟渠或氧化塘。对于水田排水沟渠可以充分利用其生长季节蓄水，利用人工沟渠湿地对有机污染物质进行降解，其实，人工沟渠在蓄水状况下，如果沟渠两坡生长有水生植被，对水质处理效果较为明显。所以，在缺水地区种植水稻，特别是开采地下水种植水稻的地区，应当进行以水量高效利用与水质净化为目的的生态水利工程设计。这种设计思路应该来源于水污染的自然稳定塘处理理论与工艺。所以，生态水利工程与水污染控制工程的结合是以后生态水利工程的一个重要发展方向。
　　4结语
　　当前，我国正处在水利水电的建设高潮，探索和发展生态水利工程学，需要鼓励多学科的合作与融合；需要积极借鉴发达国家的经验，立足自主创新。同时还要不断改进工程规划设计理念和技术，在工程示范和实践的基础上提升理论，总结技术标准和规范，探索、发展与生态友好的水利工程技术体系。