生態(tài)理念下的水利工程設(shè)計研究

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

關(guān)鍵詞：水利工程 工程設(shè)計 生態(tài)理念

中圖分類號：TV85 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0058-02

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

1 水利工程與生態(tài)水利工程的區(qū)別

水利工程可以理解為人類通過工程措施或行為實現(xiàn)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(wěn)定的水源（如：修建水庫、打井）、緩解或防止農(nóng)作物旱澇漬災(zāi)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(xiàn)了水利工程的資源性、經(jīng)濟性與社會性。而生態(tài)水利工程則更強調(diào)水利工程的主要服務(wù)目標是生態(tài)。有學(xué)者認為生態(tài)水利工程的內(nèi)涵是：對于新建工程，是指進行傳統(tǒng)水利建設(shè)的同時（如：治河、防洪工程），兼顧河流生態(tài)修復(fù)的目標；對于已建工程，則是對被嚴重干擾的河流進行生態(tài)修復(fù)。筆者認為生態(tài)水利工程是現(xiàn)代水利的標志，至少應(yīng)包括以下兩個方面的科學(xué)內(nèi)涵：生態(tài)水利工程的開發(fā)應(yīng)有明確的生態(tài)服務(wù)目標與功能。在設(shè)計階段，應(yīng)當將生態(tài)系統(tǒng)健康過程的維持置于重要位置，并作為設(shè)計的制約因子，使水利工程能滿足適宜的生態(tài)水文過程要求。生態(tài)水利工程應(yīng)強調(diào)工程選址、布局、施工過程的環(huán)境友好性與經(jīng)濟性。防止在工程實施過程中產(chǎn)生巨大的環(huán)境成本和經(jīng)濟成本，實現(xiàn)社會經(jīng)濟與生態(tài)保護的雙贏。這是生態(tài)水利工程最難以操作的一個內(nèi)容，同時又是最為關(guān)鍵的一個方面，需要基于系統(tǒng)的多目標決策方法與技術(shù)進行科學(xué)比選。

2 生態(tài)水利工程設(shè)計面臨的主要問題

（如圖1）水利工程必然會干擾水量與水質(zhì)的時空變化過程，而生態(tài)水利工程防止了工程作用下的生態(tài)過程發(fā)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(tài)過程是最好的。流域內(nèi)由于人類的存在，使資源按最有利于人類發(fā)展的方向配置，這正是最初水利工程設(shè)計的出發(fā)點。生態(tài)水利工程充分考慮了生態(tài)的自組織規(guī)律，試圖在開發(fā)、設(shè)計、施工和運行管理過程中充分降低或規(guī)避對生態(tài)的負面影響，但事實上，生態(tài)水利工程從開發(fā)到工程實體付諸使用還面臨著諸多的問題。

2.1 缺乏基于不同區(qū)域的生態(tài)水利工程設(shè)計方法與評價標準

生態(tài)水利工程對服務(wù)目標具有特定性和地域性。由于生態(tài)系統(tǒng)存在地理區(qū)域的差異，因此決定了具體的生態(tài)水利工程也具有因地制宜的特征。當前，對生態(tài)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(tài)水利工程實踐缺少可操作性的評價方法與標準。這與當前水利工程對生態(tài)影響的科學(xué)研究工作開展得較少和相應(yīng)科研成果積累較少有關(guān)。水利工程由于涉及工程力學(xué)的穩(wěn)定性與安全性，因此國家對水利工程結(jié)構(gòu)建筑物執(zhí)行了一系列的強制性標準，但缺少足夠的技術(shù)標準來規(guī)范工程的生態(tài)服務(wù)目標。

2.2 水利工程設(shè)計人員與生態(tài)科技工作者缺少合作的機會與機制

水利工程設(shè)計人員基于流域生態(tài)需水規(guī)律來進行設(shè)計的意識不強，將生態(tài)服務(wù)目標作為常規(guī)設(shè)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(huán)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(huán)境影響評價，加上當前我國環(huán)境評價管理制度與環(huán)境影響評價咨詢市場還不完善、不規(guī)范，環(huán)境評價單位替業(yè)主考慮得較多，對生態(tài)目標考慮得相對較少，有的甚至隱瞞工程真正的生態(tài)影響后果，導(dǎo)致許多水利工程的生態(tài)效益不明顯，負面影響相當突出。水利工程設(shè)計人員與生態(tài)環(huán)境科技工作者缺少合作的機會與機制，生態(tài)水利工程的開發(fā)與設(shè)計相對滯后。

2.3 生態(tài)水利工程與原有水利工程設(shè)施難以協(xié)調(diào)運行

在一個流域內(nèi)，新的生態(tài)水利工程可能要在原有水利工程設(shè)施的基礎(chǔ)上進行改造和優(yōu)化設(shè)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(qū)水資源恢復(fù)工程等生態(tài)水利工程，均要借助原有水利工程設(shè)施，合理科學(xué)地配置一些分水工程和蓄水工程對區(qū)域來水量進行重新分配或?qū)λ娜ハ蜻M行重新調(diào)整等。生態(tài)水利工程的介入必然會影響原來水利工程設(shè)施的服務(wù)對象與功能，如原來工程的防洪排水標準、發(fā)電效能、灌溉功能等，甚至?xí)o原有水利工程的安全運行帶來一些風(fēng)險。由于原有水利工程與生態(tài)水利工程最為顯著的差異是服務(wù)目標與功能的差異，因此有必要在開發(fā)生態(tài)水利工程的同時，對原有水利工程的服務(wù)目標與功能進行適度調(diào)整。所以，如何實現(xiàn)生態(tài)水利工程與原有水利工程設(shè)施的協(xié)調(diào)運行，是生態(tài)水利工程設(shè)計應(yīng)全面系統(tǒng)考慮的問題。

3 生態(tài)水利工程設(shè)計應(yīng)遵循的理論與技術(shù)路線

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

3.1 應(yīng)以生態(tài)水文學(xué)與工程水文學(xué)作為工程設(shè)計的基礎(chǔ)，進行水文過程的分析與計算

重視生態(tài)水文學(xué)與工程水文學(xué)的結(jié)合，這樣才能為生態(tài)水利工程的設(shè)計提供基礎(chǔ)。因為生態(tài)水利工程的服務(wù)對象比較廣，往往同時涉及濕地、林業(yè)、草原、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和江河湖泊等生態(tài)用水和工業(yè)、城鎮(zhèn)、消防、居民等經(jīng)濟生活用水，所以只有弄清生態(tài)目標對水資源的時空要求規(guī)律，生態(tài)水利工程的設(shè)計才能建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上。如由黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院進行規(guī)劃設(shè)計的/兩江一湖（黑龍江、烏蘇里江和興凱湖）干流沿岸灌區(qū)工程，其中提水灌區(qū)的開發(fā)與設(shè)計就是從生態(tài)水文學(xué)與工程水文學(xué)相結(jié)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(qū)尾水給退化濕地進行補水的可行性，并對工程措施的技術(shù)經(jīng)濟可行性進行了充分論證，屬于生態(tài)水利工程設(shè)計的一個實踐。

3.2 識別工程可能影響的關(guān)鍵生態(tài)敏感目標

生態(tài)水利工程的設(shè)計應(yīng)當能準確識別受工程直接或間接影響的生態(tài)目標，并在工程規(guī)劃階段予以充分考慮。但當前許多水利工程的設(shè)計很少或沒有考慮流域生態(tài)敏感點。如：三江國家級自然保護區(qū)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(qū)濕地的水文過程。水文測驗資料分析結(jié)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(jīng)下游保護區(qū)進入烏蘇里江。致使別拉洪流域流經(jīng)三江國家級自然保護區(qū)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(jù)多年水文數(shù)據(jù)分析，非汛期8個月的平均流量為4122 m3/s，經(jīng)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(qū)；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?jié)饨杏蔚暮楹訃壹壸匀槐Ｗo區(qū)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(tài)敏感點有直接的關(guān)系。

3.3 生態(tài)水利工程的設(shè)計要與環(huán)境工程設(shè)計進行有機結(jié)合

生態(tài)水利工程的設(shè)計應(yīng)當充分吸收環(huán)境科學(xué)與工程的理論與技術(shù)，實現(xiàn)水量與水質(zhì)同步科學(xué)配置的目的。當前尤其是應(yīng)與水污染防治工程進行有機結(jié)合，由于水利工程作用的水量一般較大且具有明顯的季節(jié)性變化，使生態(tài)水利工程的設(shè)計與實施存在較大的挑戰(zhàn)與阻力。如：黑龍江省扎龍濕地補水工程，雖然實現(xiàn)了連續(xù)幾年的補水，但由于水質(zhì)不符合濕地水質(zhì)要求，導(dǎo)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(shè)計生態(tài)處理溝渠或氧化塘。而水田排水溝渠可以在植物生長季節(jié)充分蓄水，利用人工溝渠濕地對有機污染物質(zhì)進行降解。在缺水地區(qū)種植水稻，特別是在開采地下水種植水稻的地區(qū)，應(yīng)當進行以水量高效利用與水質(zhì)凈化為目的的生態(tài)水利工程設(shè)計。而這種設(shè)計思路來源于水污染的自然穩(wěn)定塘處理理論與工藝。因此，生態(tài)水利工程與水污染控制工程的結(jié)合是今后生態(tài)水利工程的一個重要發(fā)展方向。

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