生態(tài)水力學(xué)研究淺述

阿不都賽麥提?阿不都克力木

【摘 要】生態(tài)水力學(xué)是水利科學(xué)發(fā)展到較高階段出現(xiàn)的新興學(xué)科，近年來由于包括水利建設(shè)在內(nèi)的人類活動(dòng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)于自然生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的脅迫和壓力不斷加大，某些地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境惡化的事例。

【關(guān)鍵詞】生態(tài)環(huán)境 水力學(xué) 水利科學(xué) 環(huán)境惡化

生態(tài)水力學(xué)作為一門獨(dú)立學(xué)科被提出來，目前基本上還處于摸索與融合的階段，國內(nèi)外尚未統(tǒng)一的定義標(biāo)準(zhǔn)。本文認(rèn)為，其主要研究對(duì)象不僅是水流的力學(xué)特性，還包括水流條件對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，反過來生態(tài)環(huán)境又會(huì)影響水力特性的改變。歐美一些國家開展生態(tài)水力學(xué)領(lǐng)域的研究約始于20世紀(jì)70年代。他們的成功經(jīng)驗(yàn)為我國有效開展生態(tài)水力學(xué)研究提供了有益的幫助。我國生態(tài)水力學(xué)研究大約始于20世紀(jì)90年代初。

一 水利建設(shè)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的主要表現(xiàn)

第一，大規(guī)模的水壩建設(shè)使得水庫對(duì)河川徑流的調(diào)節(jié)能力日益加大。有些流域的水庫調(diào)節(jié)庫容接近或超過河川的多年平均徑流量，以至造成水壩下游河流水量的減少，甚至干枯。這將造成下游河床的萎縮，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成毀滅性的災(zāi)害。同時(shí)，水壩的建設(shè)造成水流連續(xù)性、河床連續(xù)性、生態(tài)連續(xù)性的破壞，并且在上游大面積的淹沒土地，大量移民又造成了許多新的環(huán)境問題。

第二，河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)不斷提高使得河流兩岸的堤防越來越高，致使河流兩岸的洪泛區(qū)域與河流的水循環(huán)分離，河流兩岸的濕地消失。由于地下水得不到河流的補(bǔ)充，使得兩岸廣闊的洪泛平原的生態(tài)狀況日益惡化。

第三，大量興建的水資源開發(fā)工程造成流域水資源的過度開發(fā)利用，結(jié)果導(dǎo)致流域地下水位下降、地表河流和湖泊萎縮、植被干枯，生態(tài)環(huán)境惡化。在近海地區(qū)由于地下水位降低導(dǎo)致海水入侵，造成地下水污染。

二 水利工程建設(shè)對(duì)流域水循環(huán)的影響

概括來說，大量的水利工程建設(shè)對(duì)流域水循環(huán)的影響主要表現(xiàn)在以下方面。

第一，流域水循環(huán)的短路化。大量的水利工程建設(shè)導(dǎo)致流域水循環(huán)的速度加快，降雨產(chǎn)生的匯流的速度加快，大量的水利工程建設(shè)使得流域降雨能夠快速地匯入河道，泄入大海，結(jié)果導(dǎo)致流域內(nèi)地下水得不到補(bǔ)充，地表生態(tài)環(huán)境惡化。

第二，流域水循環(huán)的絕緣化。洪水只在大堤的范圍內(nèi)流動(dòng)，不再泛濫，使得河流兩岸的廣大洪泛區(qū)不再受到洪水的侵?jǐn)_，但是同時(shí)也失去了洪水對(duì)地下水的補(bǔ)充和清洗。流域的水循環(huán)與河流的水循環(huán)分離。

第三，流域生態(tài)系統(tǒng)的孤立化。流域的水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)被切斷、阻隔，流域內(nèi)的生物群落被局限在某一固定區(qū)域，不能自由移動(dòng)，生物鏈捕食和交配不能正常進(jìn)行，造成生物群落的退化和滅絕。

三 近年來國內(nèi)生態(tài)修復(fù)方面的生態(tài)水力學(xué)研究成果

近年來，對(duì)于保護(hù)生物多樣性和流域社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識(shí)不斷被接受，提出了對(duì)遭受破壞的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的新課題。世界上越來越多的國家和地區(qū)開始重視恢復(fù)流域的自然特征，著手恢復(fù)河流的多自然特征，我國一些流域也先后提出了生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。目前，生態(tài)水力學(xué)的研究課題中比較注目的成果簡述如下。

第一，湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。我國人口密集區(qū)的大多數(shù)湖泊目前出現(xiàn)了由于污染造成的湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象，即由于磷、氮類營養(yǎng)鹽大量進(jìn)入湖泊造成湖泊內(nèi)藻類異常增殖，水體生產(chǎn)力提高，水質(zhì)惡化。對(duì)湖泊的治理除了控制污染源外，最有效可行的措施就是修復(fù)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)。目前在我國的洱海、滇池、太湖等地區(qū)都在開展生態(tài)修復(fù)的試點(diǎn)工程。如湖濱帶的生態(tài)修復(fù)、湖周濕地的生態(tài)修復(fù)等。湖流對(duì)營養(yǎng)鹽的輸送、湖流對(duì)湖泊內(nèi)泥沙的輸移、湖流對(duì)底泥污染物釋放量的影響，以及綜合各類研究成果建立的水域富營養(yǎng)化模型等都是生態(tài)水力學(xué)中的熱門課題。目前類似的課題已經(jīng)有很多。

第二，恢復(fù)河流自然特征的研究。傳統(tǒng)水力學(xué)的研究比較注重河流輸水的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果造成河流斷面均一化、河流渠道化，河流自然特征逐漸消失，河流生物多樣性減少。目前，在恢復(fù)河流自然特征的研究中正開展著創(chuàng)造河床的灘—潭交互結(jié)構(gòu)、近岸的洄流結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造適合特種生物生存和繁殖的流場等方面的研究。

第三，以河流生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化為目標(biāo)的水利工程調(diào)度研究。以往的水利工程調(diào)度大多只考慮水資源優(yōu)化、水能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等目標(biāo)，沒有將下游的水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境優(yōu)化作為調(diào)度目標(biāo)，雖然達(dá)到了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的目標(biāo)，但也損壞了下游的生態(tài)環(huán)境。近年來結(jié)合下游河流環(huán)境、生態(tài)需水量的研究提出了以下游生態(tài)環(huán)境優(yōu)化為目標(biāo)的水庫調(diào)度研究，增加了水庫的生態(tài)環(huán)境調(diào)度功能，被稱為生態(tài)型水庫。

第四，洪水資源化的研究。傳統(tǒng)水利認(rèn)為洪水只是一種災(zāi)害，近來逐漸認(rèn)識(shí)到洪水不僅是災(zāi)害，還是一個(gè)生態(tài)過程，通過洪水泛濫補(bǔ)充地下水、恢復(fù)濕地、清洗河流、改良土壤等，因此不能完全消滅洪水。這方面的研究有：有控制的人工洪水調(diào)度、與溢流堰結(jié)合的堤防設(shè)計(jì)、利用洪水的地下水回灌等。

第五，濕地修復(fù)技術(shù)研究。濕地的恢復(fù)需要適當(dāng)?shù)乃鳁l件，不同的濕地植物群落，需要相應(yīng)的水深、流速、水溫等。在濕地恢復(fù)過程中要注意流場的控制，以滿足濕地生態(tài)修復(fù)的要求。

第六，植物群落對(duì)水中營養(yǎng)鹽降解的機(jī)理研究。水中的營養(yǎng)鹽在進(jìn)入水生植物系統(tǒng)后經(jīng)過沉降、微生物分解、根系吸收等環(huán)節(jié)，使水體內(nèi)營養(yǎng)鹽的濃度降低，達(dá)到凈化目的。上述過程與流場關(guān)系密切，如水深、流速、水體滯留時(shí)間等，目前多是通過現(xiàn)場的實(shí)地實(shí)驗(yàn)確定各種參數(shù)，試圖建立數(shù)學(xué)模型。

第七，水域微流場的研究。各類水生動(dòng)物的繁殖和棲息往往要求極為嚴(yán)格微流場環(huán)境，如流速緩慢的回流區(qū)、靜水區(qū)、摻氣充分的急流區(qū)等，為了解決魚類洄游，設(shè)立的魚道