生態(tài)水利學(xué)初探

黃強(qiáng) 鄧銘江 暢建霞 白濤

摘 要：為了適應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略需要，必須與時(shí)俱進(jìn)地將傳統(tǒng)水利轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)水利，以滿足和支撐生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)要求。分析了1949年以來我國水利發(fā)展經(jīng)歷的工程水利、環(huán)境水利、資源水利和生態(tài)水利4個(gè)階段，生態(tài)水利發(fā)展經(jīng)歷的生態(tài)工程、生態(tài)水利工程、生態(tài)水利3個(gè)階段，論述了生態(tài)水利與生態(tài)水利學(xué)的關(guān)系，闡明了構(gòu)建生態(tài)水利學(xué)的目的和意義，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果和生態(tài)水利的概念，初步探討了生態(tài)水利學(xué)的定義、內(nèi)涵、特征、研究對(duì)象、基本原理與方法、研究任務(wù)與內(nèi)容等，并構(gòu)建了生態(tài)水利學(xué)體系框架。研究表明：生態(tài)水利學(xué)是一門多學(xué)科交叉的新型課程，其橫跨自然科學(xué)、工程技術(shù)科學(xué)以及人文與社會(huì)科學(xué)三大領(lǐng)域;生態(tài)水利學(xué)的研究對(duì)象是，水循環(huán)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境-水利工程組成的復(fù)合系統(tǒng)，可從流域整體性、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水利工程全生命周期、人與自然和諧和可持續(xù)發(fā)展等原理出發(fā)，采用現(xiàn)場觀測和遙感觀測、原型試驗(yàn)、物理試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬、系統(tǒng)分析等方法開展生態(tài)水利學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：生態(tài)文明建設(shè);生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展;生態(tài)水利學(xué);原理與方法;體系框架

中圖分類號(hào)：TV212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.004

引用格式：黃強(qiáng)，鄧銘江，暢建霞，等.生態(tài)水利學(xué)初探[J].人民黃河，2021，43（10）：17-23.

Abstract： In order to meet the strategic needs of national ecological civilization building， it is necessary to advance with the times to transform traditional water conservancy into ecological water conservancy to meet and support the target requirements of ecological protection and high-quality development. This paper analyzed the four stages of engineering water conservancy， environmental water conservancy， resources water conservancy and ecological water conservancy experienced in Chinas water conservancy development since 1949 and the three stages of ecological engineering， ecological water conservancy engineering， and ecological water conservancy experienced in the eco-hydraulics development， discussed the relationship between eco-hydraulics and ecological water conservancy， and expounded the purpose and significance of constructing ecological water conservancy. Combined with the relevant researches at home and abroad and the concept of ecological water conservancy， this paper preliminarily discussed the definition， connotation， characteristics， research objects， basic principles and methods， research tasks and contents of ecological water conservancy， and built the system framework of ecological water conservancy. The results indicate that the ecological water conservancy is a new interdisciplinary course， which spans the three fields of natural science， engineering technology science， and humanities and social science; the research object of ecological water conservancy is the composite system composed of water cycle， social economy， ecological environment， and hydraulic engineering. Based on the principles of watershed integrity， ecological environment protection， the whole life cycle of hydraulic engineering， the harmony between man and nature， and sustainable development， ecological water conservancy research can be carried out by the means of field observation and remote sensing observation， prototype test， physical test， statistical analysis， numerical simulation and system analysis.

Key words： ecological civilization construction; ecological protection and high-quality development; ecological water conservancy; principles and methods; system framework

1 概 述

我國已將生態(tài)文明建設(shè)提升為國家戰(zhàn)略，并把生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展聯(lián)系在一起，成為建設(shè)美麗強(qiáng)大中國的法寶。生態(tài)文明建設(shè)的核心是生態(tài)保護(hù)，生態(tài)保護(hù)的目的是高質(zhì)量發(fā)展。水是生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)，與水最密切的領(lǐng)域是水利，為了適應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略需要，必須與時(shí)俱進(jìn)地將傳統(tǒng)水利轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)水利，以滿足生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)要求。

水利在我國已經(jīng)有兩千多年的發(fā)展歷史，最早見于《呂氏春秋·慎人》“掘地財(cái)，取水利”。水利的興廢與國家的盛衰存在著十分密切的關(guān)系，自古即有“善為國者必先治水”之說。興水利、避水害、保生態(tài)，事關(guān)人類生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步，歷來是治國安邦的大事。從大禹治水到都江堰工程的修建，無不凝聚著古代先賢為順應(yīng)自然、改變環(huán)境所付出的努力和智慧。

1931年中國水利工程學(xué)會(huì)成立，1933年中國水利工程學(xué)會(huì)第三屆年會(huì)明確指出了水利的范圍。新中國成立后，以“久患災(zāi)重”的海河、淮河、黃河治理為開端，開啟了現(xiàn)代工程水利的新篇章[1]。20世紀(jì)后半葉，水利又增加了水土保持、水資源保護(hù)、環(huán)境水利和水利漁業(yè)等內(nèi)容，水利的涵義更加廣泛。進(jìn)入21世紀(jì)，水利的主要任務(wù)是防洪治澇、城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等，高壩大庫、跨流域調(diào)水、水電開發(fā)、高效節(jié)水、生態(tài)恢復(fù)等成為水利建設(shè)的主旋律，同時(shí)七大江河流域以及干旱內(nèi)陸河流域形成了各自的治理體系，治水理念、水利理論、水利工程技術(shù)等取得了巨大進(jìn)步。但是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類生態(tài)環(huán)境意識(shí)不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)水利已不適應(yīng)生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展形勢[2]。生態(tài)水利是在傳統(tǒng)水利的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，它不是簡單地把生態(tài)學(xué)與水利學(xué)疊加，而是在傳統(tǒng)水利中融入“綠水青山就是金山銀山”的理念，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展、以水而定、量水而行的原則，開發(fā)利用水資源，為協(xié)同治理山水林田湖草沙提供理論與技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)山青、水凈、河暢、湖美、岸綠的目標(biāo)。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，我國治水思路與目標(biāo)隨著歷史變遷而不斷變化。1949年以來我國水利發(fā)展主要經(jīng)歷了工程水利、環(huán)境水利、資源水利和生態(tài)水利4個(gè)階段[3-5]，見表1。每一個(gè)發(fā)展階段都是在原有水利發(fā)展基礎(chǔ)上的繼承與升華，是水利工作觀念意識(shí)、管理體制、技術(shù)手段等不斷進(jìn)步的表現(xiàn)，是與該時(shí)段社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和模式相適應(yīng)的產(chǎn)物。

生態(tài)水利的發(fā)展大體經(jīng)歷了生態(tài)工程[6]、生態(tài)水利工程[7]、生態(tài)水利[8]3個(gè)階段，其中：生態(tài)工程與生態(tài)水利工程側(cè)重于從工程學(xué)與水利工程學(xué)角度出發(fā)，重點(diǎn)解決生態(tài)保護(hù)、修復(fù)或改善目標(biāo)下的工程建設(shè)問題;生態(tài)水利則要求采用生態(tài)學(xué)的基本觀點(diǎn)解決水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行全過程存在的生態(tài)問題，為生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展與水資源高效開發(fā)利用服務(wù)。

20世紀(jì)60年代，生態(tài)工程伴隨著生態(tài)學(xué)的發(fā)展而起源、發(fā)展與應(yīng)用。1962年，美國Odum首先給出了生態(tài)工程的概念。1979年，我國生態(tài)工程建設(shè)專家馬世駿定義了生態(tài)工程。進(jìn)入80—90年代，德國將生態(tài)水利工程應(yīng)用于萊茵河、伊薩河等治理修復(fù)中[9-10]，日本采用多自然型建設(shè)工法進(jìn)行河流整治[11]。在我國，“生態(tài)水利工程”一詞最早出現(xiàn)于《海河平原區(qū)生態(tài)水利工程體系研究》一文[12]。董哲仁[13]針對(duì)水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫問題，首次定義了生態(tài)水利工程的內(nèi)涵。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果及生態(tài)水利的內(nèi)涵，生態(tài)水利可定義為：研究水資源開發(fā)利用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的影響，兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求和生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，從流域（區(qū)域）生態(tài)系統(tǒng)全視角、水資源-生態(tài)環(huán)境-社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展多維度、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)-建設(shè)管理-生態(tài)調(diào)度全過程，探索“三生空間”優(yōu)化布局與“三生”用水合理配置，研究水資源合理開發(fā)、高效利用、生態(tài)調(diào)度、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)安全等的原理與技術(shù)方法?？傊?，生態(tài)水利是對(duì)工程水利、環(huán)境水利、資源水利內(nèi)涵的發(fā)展與延伸，是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)攜手同行、“綠水青山就是金山銀山”背景下的必然要求。該定義具有認(rèn)知的系統(tǒng)性、要素的多維性、過程的完整性、結(jié)構(gòu)的空間性等特征。

生態(tài)水利注重在水利工程的全生命周期即規(guī)劃設(shè)計(jì)-建設(shè)管理-生態(tài)調(diào)度全過程，遵循自然規(guī)律，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)的要求貫穿到全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)措施[14]。我國水資源短缺，區(qū)域內(nèi)“三生”用水矛盾突出，水資源是制約生態(tài)健康及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[15-16]，如何在保持生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的前提下，合理開發(fā)與利用水資源、實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，是生態(tài)水利學(xué)研究的主要內(nèi)容。水利工程的建設(shè)對(duì)緩解“三生”用水矛盾、滿足人民生活和生產(chǎn)對(duì)水資源的需要有著積極作用[17]，但傳統(tǒng)水利工程忽視了水資源開發(fā)利用過程對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響，難以滿足現(xiàn)代生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的需求[18]。在傳統(tǒng)水利工程的基礎(chǔ)上，將生態(tài)保護(hù)貫穿于水資源開發(fā)利用全過程，是新時(shí)期生態(tài)文明建設(shè)的必然需求，是踐行新時(shí)期治水方針的具體體現(xiàn)。因此，開展生態(tài)水利學(xué)研究對(duì)我國生態(tài)文明與生態(tài)流域建設(shè)[19-20]、生物多樣性保護(hù)，對(duì)推進(jìn)水科學(xué)發(fā)展、豐富和完善水利學(xué)科研究方向、促進(jìn)多學(xué)科交叉具有重要的理論意義，對(duì)生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 生態(tài)水利學(xué)概念及內(nèi)涵

2.1 概 念

如前所述，生態(tài)水利指的是整個(gè)水利事業(yè)。將傳統(tǒng)水利轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)水利就是把生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來，通過多學(xué)科交叉，整合完善現(xiàn)有生態(tài)水利的理論與方法，為生態(tài)水利發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。為了推進(jìn)生態(tài)水利事業(yè)，支撐生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展，亟待補(bǔ)充完善水利教育的知識(shí)體系，改進(jìn)傳統(tǒng)水利類專業(yè)課程。其中，建立一門新的生態(tài)水利學(xué)課程是生態(tài)水利發(fā)展的核心，也是新形勢下人才培養(yǎng)的迫切需求。

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果及上述生態(tài)水利的定義，生態(tài)水利學(xué)可定義為：從生態(tài)系統(tǒng)全視角、水資源-生態(tài)環(huán)境-社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展多維度、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)-建設(shè)管理-生態(tài)調(diào)度全生命過程出發(fā)，研究流域生態(tài)系統(tǒng)與水資源開發(fā)利用的相互關(guān)系、“三生空間”優(yōu)化布局與“三生”用水合理配置，以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)與改善的科學(xué)技術(shù)，是一門多學(xué)科交叉的新型課程。

2.2 內(nèi) 涵

生態(tài)水利學(xué)內(nèi)涵豐富，不同時(shí)期、不同領(lǐng)域、不同專業(yè)對(duì)生態(tài)水利學(xué)內(nèi)涵的理解和側(cè)重有所不同。通過近10 a的探索與實(shí)踐，生態(tài)水利學(xué)逐步被人們關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)以來，眾多學(xué)者對(duì)生態(tài)水利學(xué)的概念和內(nèi)涵進(jìn)行了一定研究，認(rèn)識(shí)逐步深入。我國生態(tài)文明建設(shè)、水資源管理等領(lǐng)域所提出的一系列方針舉措，如“山水林田湖草沙系統(tǒng)治理”“人與自然是生命共同體”“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”等[21-23]擴(kuò)展了生態(tài)水利學(xué)的內(nèi)涵。

（1）生態(tài)水利學(xué)著眼于水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和調(diào)度全過程，以及生態(tài)系統(tǒng)組成與發(fā)展的全視角。在水利工程全生命周期研究生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)物、植物和微生物的微觀用水需求，微型生態(tài)系統(tǒng)平衡的維持，以及流域或更大區(qū)域生態(tài)景觀的塑造。

（2）兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求和生態(tài)系統(tǒng)健康良性發(fā)展是生態(tài)水利學(xué)堅(jiān)持的基本原則。在水資源開發(fā)利用和水利工程規(guī)劃管理中，合理協(xié)調(diào)不同經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平下水資源利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)間的平衡關(guān)系，服務(wù)于“三生空間”優(yōu)化布局，使生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀。

（3）水-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)主控要素交互耦合調(diào)控理論與技術(shù)是生態(tài)水利學(xué)的核心理論技術(shù)。主要包括篩選水-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)總量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、效率等主控要素，分析交互耦合的脅迫影響及臨界閾值，基于水資源-生態(tài)約束下的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式進(jìn)行相關(guān)生態(tài)安全設(shè)計(jì)、生態(tài)調(diào)度、生態(tài)修復(fù)，為工程建設(shè)、流域管理提供科學(xué)依據(jù)，以提高“水事行為”的主動(dòng)性、前瞻性、科學(xué)性和有效性。

（4）生態(tài)水利學(xué)是一門多學(xué)科交叉的新型課程，是生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、資源學(xué)、地理學(xué)、水文學(xué)、水利工程學(xué)等知識(shí)交叉與現(xiàn)代信息技術(shù)的融合，在吸收傳統(tǒng)學(xué)科理論知識(shí)和技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，力圖構(gòu)建以生態(tài)健康為目標(biāo)的流域水資源開發(fā)利用管理的方法技術(shù)體系。

3 生態(tài)水利學(xué)研究對(duì)象和研究方法

3.1 研究對(duì)象

生態(tài)水利學(xué)的研究對(duì)象是，水循環(huán)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境-水利工程復(fù)合系統(tǒng)[24]。水循環(huán)包括天然水循環(huán)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水循環(huán)系統(tǒng)[25]，其中天然水循環(huán)系統(tǒng)包括大氣水、地表水、土壤水和地下水4個(gè)基本子系統(tǒng)。近年來，人類開發(fā)利用水資源及其他活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響越來越顯著，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水循環(huán)逐漸受到重視，主要包括供水、用（耗）水、排水和回用4個(gè)基本子系統(tǒng)。人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)形成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[26]，是人類物質(zhì)資料生產(chǎn)和消費(fèi)過程中，各地區(qū)、部門、單位及其生產(chǎn)、消費(fèi)各環(huán)節(jié)等構(gòu)成的統(tǒng)一體，包括人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、物質(zhì)生產(chǎn)和非物質(zhì)生產(chǎn)4個(gè)要素。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是指整個(gè)人類社會(huì)賴以生存的自然環(huán)境的總和，它包括除人以外的一切活生物體和非生物體，前者指植物、動(dòng)物和微生物，后者包括大氣層、光、熱、水、礦物質(zhì)、土壤等。在生態(tài)水利學(xué)研究中，重點(diǎn)關(guān)注水生生態(tài)系統(tǒng)、陸生生態(tài)系統(tǒng)和水陸交錯(cuò)生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)水利學(xué)的研究離不開水利工程，水利工程建設(shè)對(duì)流域水文過程的影響呈現(xiàn)增大趨勢[27-28]。水利工程的興建改變了流域水文循環(huán)條件，使流域下墊面發(fā)生了很大變化，植被覆蓋率增大，土壤含水量增加，蒸散發(fā)作用增強(qiáng)，大氣中水汽含量增多，同時(shí)影響河流的生態(tài)環(huán)境，尤其對(duì)河口三角洲生態(tài)環(huán)境有顯著影響。以上影響日積月累，尤其是生態(tài)累積效應(yīng)可能對(duì)局地甚至整個(gè)流域氣候產(chǎn)生影響。

盡管水循環(huán)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、存在條件和發(fā)展規(guī)律不盡相同，但相互之間存在緊密的互饋關(guān)系。一方面，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展離不開生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供的物質(zhì)、能量和信息，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)存在的必要條件;另一方面，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)強(qiáng)烈影響生態(tài)環(huán)境的變化，人的活動(dòng)也可以干擾和影響生態(tài)秩序，甚至使生態(tài)環(huán)境惡化。同時(shí)，生態(tài)環(huán)境狀況與經(jīng)濟(jì)增長的穩(wěn)定性和社會(huì)發(fā)展質(zhì)量密切相關(guān)，良好的生態(tài)環(huán)境可以提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出效率，提升人們的生活質(zhì)量，而生態(tài)環(huán)境的惡化則會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)帶來負(fù)面影響。人類通過水循環(huán)系統(tǒng)中的供水系統(tǒng)，將水資源運(yùn)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，“同化”水資源的經(jīng)濟(jì)屬性、社會(huì)屬性、環(huán)境屬性甚至生態(tài)屬性，利用水的可再生屬性（水處理和再生回用）為人類創(chuàng)造價(jià)值;同時(shí)，“異化”社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的“廢污水”，將其排放到自然水循環(huán)系統(tǒng)中[29]。因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水循環(huán)系統(tǒng)中的供水子系統(tǒng)是將自然水循環(huán)引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的“牽引機(jī)”;耗水子系統(tǒng)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)水循環(huán)系統(tǒng)的核心，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)攫取水的各種價(jià)值及使水資源價(jià)值流不斷耗散的主要環(huán)節(jié);排水子系統(tǒng)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)水循環(huán)系統(tǒng)與自然水循環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)，具有“異化”社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)廢污水的重要作用。

3.2 原理與方法

3.2.1 基本原理

（1）流域整體性原理。流域是一個(gè)自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，流域各子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約，聯(lián)系非常密切，構(gòu)成一個(gè)整體。對(duì)流域內(nèi)某一資源進(jìn)行開發(fā)利用時(shí)，必須考慮流域的整體性特征，在流域水系統(tǒng)閾值空間范圍內(nèi)進(jìn)行綜合開發(fā)。

（2）生態(tài)環(huán)境保護(hù)原理。我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略《中國21世紀(jì)議程——中國21世紀(jì)人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書》，將控制環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境、保護(hù)可持續(xù)利用的資源基礎(chǔ)作為一條重要內(nèi)容。因此，對(duì)流域水資源的開發(fā)利用應(yīng)滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)必須堅(jiān)持大局觀、長遠(yuǎn)觀、整體觀的系統(tǒng)科學(xué)思想。

（3）水利工程全生命周期原理。水利工程的全生命周期包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行等階段，每個(gè)階段都要考慮水利工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，并進(jìn)行相應(yīng)的生態(tài)工程設(shè)計(jì)和管理。

（4）人與自然和諧原理。水資源開發(fā)利用既要考慮“興利、避害”對(duì)水的控制與需求，也要考慮生物、環(huán)境及景觀對(duì)水的需求。

（5）可持續(xù)發(fā)展原理。在水資源利用中保護(hù)自然環(huán)境、尊重自然規(guī)律，主張人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展，目標(biāo)在于維持水的持續(xù)性、可再生性和生態(tài)系統(tǒng)整體性，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和生物物種的可持續(xù)利用，以及恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并提高其功能。

3.2.2 研究方法

生態(tài)水利學(xué)內(nèi)容涵蓋生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、資源學(xué)、地理學(xué)、水利工程等，在生態(tài)水利學(xué)研究中，除需有機(jī)整合相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的研究方法外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，靈活采用原型觀測、物理試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬、系統(tǒng)工程等科學(xué)研究方法開展系統(tǒng)研究。

（1）現(xiàn)場觀測和遙感觀測。生態(tài)水利學(xué)的研究對(duì)象涉及水循環(huán)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、水利工程系統(tǒng)的多個(gè)層次和方面，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是開展多系列、多要素變化特征及其相互影響關(guān)系研究的基礎(chǔ)。在生態(tài)水利學(xué)研究中，可通過野外考察、定位觀測、遙感觀測等手段，獲取生態(tài)水利學(xué)研究所需的資料。

（2）原型試驗(yàn)。生態(tài)水利學(xué)的研究范圍涵蓋生態(tài)系統(tǒng)全視角、水利工程全生命周期，多系統(tǒng)、多生命周期、多要素間的相互影響。開展原型試驗(yàn)，量化、控制對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵要素，判斷系統(tǒng)變化趨勢與演變特征，是研究關(guān)鍵控制要素對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜影響的基本方法。

（3）物理試驗(yàn)。物理試驗(yàn)包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)、測量和分析，是研究系統(tǒng)規(guī)律、觀測系統(tǒng)綜合要素對(duì)控制變量的響應(yīng)、揭示多要素相互影響及其變化特征的科學(xué)方法。物理試驗(yàn)作為一種重要的科學(xué)觀測手段，在生態(tài)水利學(xué)及其基礎(chǔ)學(xué)科中可以認(rèn)清生態(tài)水利系統(tǒng)科學(xué)事實(shí)，以獲取感性材料，識(shí)別水文過程、生態(tài)系統(tǒng)特征、水利工程耦合關(guān)系和作用機(jī)制，并檢驗(yàn)認(rèn)識(shí)和假說的正確性。

（4）統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析是通過分析研究對(duì)象的數(shù)量關(guān)系，認(rèn)識(shí)事物的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢、揭示事物間的定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的正確解釋和預(yù)測的一種研究方法，是一種科學(xué)、精確和客觀的測評(píng)方法。在生態(tài)水利學(xué)研究中，多系統(tǒng)間的定量關(guān)系與相互影響錯(cuò)綜復(fù)雜，通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘等手段，采用統(tǒng)計(jì)分析的手段，分析相關(guān)數(shù)據(jù)及資料，識(shí)別系統(tǒng)多要素間的定量關(guān)系，是開展系統(tǒng)定量研究的重要方法。

（5）數(shù)值模擬。數(shù)值模擬是用數(shù)學(xué)模型近似描述研究對(duì)象中多要素相互影響關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具。通過模擬水利工程建設(shè)對(duì)水循環(huán)過程和生態(tài)過程的影響，可以模擬水利工程建設(shè)和運(yùn)行與生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演變特征。

（6）系統(tǒng)科學(xué)方法。系統(tǒng)科學(xué)方法是采用系統(tǒng)科學(xué)的理論和觀點(diǎn)，將研究對(duì)象融入系統(tǒng)，從整體和全局出發(fā)，基于系統(tǒng)與要素、要素與要素、結(jié)構(gòu)與功能以及系統(tǒng)與環(huán)境的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行考察、分析和研究，以解決系統(tǒng)問題的一種科學(xué)研究方法。隨著科學(xué)知識(shí)的積累，研究對(duì)象復(fù)雜性提高，傳統(tǒng)研究方法在識(shí)別高維復(fù)雜系統(tǒng)特征時(shí)具有局限性，而以系統(tǒng)論、控制論和信息論為代表的系統(tǒng)科學(xué)方法為人類科學(xué)認(rèn)識(shí)自然與世界提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。生態(tài)水利學(xué)研究對(duì)象多，研究范圍廣，多要素間具有廣泛聯(lián)系，在生態(tài)水利學(xué)研究中，既可以將系統(tǒng)科學(xué)方法作為經(jīng)驗(yàn)方法，也可將其作為理論方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的理性認(rèn)識(shí)，系統(tǒng)科學(xué)方法是生態(tài)水利學(xué)研究中的核心方法。

4 生態(tài)水利學(xué)的研究任務(wù)與內(nèi)容

4.1 研究任務(wù)

生態(tài)水利學(xué)的主要任務(wù)是，面向流域或區(qū)域“生態(tài)環(huán)境-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-水循環(huán)”耦合系統(tǒng)及生態(tài)文明建設(shè)需求，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)水資源的需求，結(jié)合生態(tài)水文耦合作用機(jī)制識(shí)別，在環(huán)境變化與生態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對(duì)流域生態(tài)健康和環(huán)境影響進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并進(jìn)行生態(tài)水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行，提出生態(tài)調(diào)度、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)補(bǔ)償?shù)裙芾矸桨浮?/p>

（1）生態(tài)環(huán)境健康診斷及其影響評(píng)價(jià)。生態(tài)環(huán)境健康診斷及其影響評(píng)價(jià)的核心是，識(shí)別研究區(qū)主要生態(tài)問題及其嚴(yán)重程度，并進(jìn)一步評(píng)估可能造成的影響與后果。需要構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用監(jiān)測資料，進(jìn)行研究區(qū)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。目前流域生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系主要有：以流域水質(zhì)評(píng)價(jià)為核心內(nèi)容的評(píng)價(jià)體系、以流域土地利用方式為核心內(nèi)容的評(píng)價(jià)體系、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)評(píng)價(jià)體系、自然條件限制因子-流域生態(tài)健康指示因子-人類活動(dòng)影響因子評(píng)價(jià)體系、生物因素-非生物因素評(píng)價(jià)體系和開發(fā)與保護(hù)并重的評(píng)價(jià)體系。

（2）生態(tài)水文監(jiān)測。為識(shí)別生態(tài)水文耦合作用機(jī)制，進(jìn)行生態(tài)水文評(píng)價(jià)、預(yù)測、調(diào)控和管理，需要對(duì)生態(tài)水文的要素進(jìn)行監(jiān)測。核心任務(wù)是確定生態(tài)水文監(jiān)測指標(biāo)，提出站網(wǎng)監(jiān)測布局與方案，在整合現(xiàn)有監(jiān)測資源的基礎(chǔ)上落實(shí)監(jiān)測方案。基于不同時(shí)空尺度的生態(tài)水文監(jiān)測，其研究技術(shù)方法可分為野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)分析以及長期觀測和數(shù)據(jù)建模綜合運(yùn)用（包括數(shù)據(jù)同化技術(shù)）;監(jiān)測內(nèi)容主要包括能量過程、水文過程以及生態(tài)過程。

（3）生態(tài)水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)。對(duì)于新建工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在進(jìn)行傳統(tǒng)水利設(shè)計(jì)的同時(shí)，一方面要將“三生空間”優(yōu)化布局、“三生”用水合理配置作為核心任務(wù)，另一方面要研究掌握水文情勢與生態(tài)響應(yīng)的關(guān)系，科學(xué)系統(tǒng)地開展生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)和生態(tài)水工建筑物設(shè)計(jì)，兼顧流域生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供基礎(chǔ)。

（4）生態(tài)水利工程運(yùn)行管理。一方面，對(duì)于已建工程在充分發(fā)揮“興水利、避水害、保生態(tài)”作用的同時(shí)，不斷提升應(yīng)對(duì)地震、干旱、洪水等極端災(zāi)害事件的能力，提升流域水安全保障;另一方面，對(duì)已經(jīng)造成生態(tài)嚴(yán)重干擾的流域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，將重要水利工程納入流域生態(tài)水利體系，重新定位其在流域中的功能和作用，確定生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，研究生態(tài)調(diào)度方案，建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，開展水利信息化建設(shè)，促進(jìn)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)措施的實(shí)施，確保全生命周期生態(tài)安全。

4.2 研究內(nèi)容

生態(tài)水利學(xué)發(fā)展需要多學(xué)科的交叉與融合，生態(tài)水利學(xué)研究的主要內(nèi)容可概括為以下幾個(gè)方面。

（1）水循環(huán)及生態(tài)水文過程模擬。生態(tài)水文過程指水文過程與生態(tài)過程之間的功能關(guān)系。通過模擬生態(tài)水文過程，建立生態(tài)水文模型，來描述自然界的水循環(huán)和生態(tài)水文過程，探索水文與生態(tài)相互作用規(guī)律。研究對(duì)象不同，具體的模擬過程也不同。目前研究對(duì)象涉及干旱區(qū)、河流、湖泊、山地、草地、濕地、森林、河口區(qū)等。

（2）生態(tài)系統(tǒng)影響評(píng)價(jià)、健康診斷及生態(tài)需水量計(jì)算。生態(tài)系統(tǒng)健康包含系統(tǒng)內(nèi)生物種類與數(shù)量穩(wěn)定、系統(tǒng)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，評(píng)價(jià)環(huán)境變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響、水利水電工程建設(shè)的生態(tài)影響以及衡量生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，應(yīng)基于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各組分與功能的認(rèn)識(shí)，結(jié)合生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)的知識(shí)體系，從河流連續(xù)性、水文情勢、景觀格局以及水體物理化學(xué)性質(zhì)等方面，開展水文情勢與生物響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)研究，確定關(guān)鍵物種對(duì)主要環(huán)境因子變化的耐受范圍和閾值，探索滿足不同河流獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的河道生態(tài)流量計(jì)算方法。

（3）“三生空間”優(yōu)化布局及“三生”用水合理配置。國家正在推進(jìn)的國土空間規(guī)劃是引導(dǎo)資源配置和空間發(fā)展的指南，在生態(tài)文明視野下的國土空間規(guī)劃體系中，根據(jù)功能區(qū)定位，以新時(shí)期治水思想為統(tǒng)領(lǐng)，促進(jìn)“三生空間”優(yōu)化布局，保障“三水”用水合理配置，依據(jù)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀的優(yōu)化目標(biāo)和原則，構(gòu)建、完善生態(tài)水利規(guī)劃的理論技術(shù)體系。

（4）生態(tài)調(diào)度與生態(tài)補(bǔ)償。生態(tài)調(diào)度和生態(tài)補(bǔ)償是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效手段。在傳統(tǒng)水庫調(diào)度的基礎(chǔ)上，生態(tài)調(diào)度還應(yīng)考量系統(tǒng)生態(tài)因子的控制需求，以改善流域生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化水資源的可持續(xù)利用性。確定合理的生態(tài)因子控制目標(biāo)是當(dāng)前生態(tài)調(diào)度急需解決的問題，合理的補(bǔ)償措施和手段是促進(jìn)實(shí)施生態(tài)調(diào)度的激勵(lì)手段，生態(tài)補(bǔ)償?shù)暮诵膬?nèi)涵是以激勵(lì)機(jī)制確保生態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)施，主要研究內(nèi)容有利于補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)、補(bǔ)償條件與補(bǔ)償方式的確定。

（5）生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)。在人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中，由于認(rèn)識(shí)的局限性和片面性，因此對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康產(chǎn)生了不利影響。生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)應(yīng)結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)健康的邊界條件，以恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，確定相應(yīng)的技術(shù)手段，逐步實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境修復(fù)，并在這一過程中完善生態(tài)環(huán)境保護(hù)知識(shí)體系，指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)發(fā)展，避免對(duì)生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步破壞。

（6）生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)水利工程學(xué)在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時(shí)，不同程度地忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求，而河流生態(tài)系統(tǒng)的功能退化也損害了人類的長遠(yuǎn)利益。在生態(tài)水利學(xué)范疇，以流域的生態(tài)特性為切入點(diǎn)，完善生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的理論體系與技術(shù)方法，提出協(xié)調(diào)水利工程與生態(tài)環(huán)境間關(guān)系的生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的原理和方法，使得生態(tài)水利工程不僅能夠滿足人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，而且兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)發(fā)展需求，權(quán)衡水資源開發(fā)利用工程與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，尋找資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù)之間的平衡點(diǎn)。

（7）生態(tài)水工建筑物設(shè)計(jì)。區(qū)別于傳統(tǒng)的水利工程，生態(tài)水利工程的建設(shè)與運(yùn)行應(yīng)滿足生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展需求。因此，生態(tài)水工建筑物設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，而且應(yīng)為實(shí)現(xiàn)水利工程的生態(tài)目標(biāo)提供技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)和建設(shè)滿足水循環(huán)中生態(tài)需求的水工建筑物，實(shí)現(xiàn)水利工程建筑的生態(tài)化。

（8）生態(tài)水利價(jià)值及效益計(jì)算。以流域系統(tǒng)的生態(tài)特性為切入點(diǎn)，綜合考慮工程建設(shè)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響，量化分析生態(tài)水利工程對(duì)流域系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力與修復(fù)能力的積極作用。因此，生態(tài)水利工程的價(jià)值和效益計(jì)算必須全面反映生態(tài)水利工程建設(shè)的綜合價(jià)值。

（9）生態(tài)水利信息化。搜集河流生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，采用信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等，建立基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境健康的生態(tài)水利信息化平臺(tái)，構(gòu)建生態(tài)水利工程全面管理調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)流域水利、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)數(shù)據(jù)資料共享，有效提高河流管理工作效率，營造人與自然和諧發(fā)展的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)流域水利工程統(tǒng)一管理和生態(tài)調(diào)度。

5 生態(tài)水利學(xué)的體系框架

生態(tài)水利學(xué)橫跨自然科學(xué)、工程技術(shù)科學(xué)以及人文與社會(huì)科學(xué)三大領(lǐng)域，是生態(tài)學(xué)、水利工程、地理學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、環(huán)境科學(xué)與工程等9個(gè)一級(jí)學(xué)科的交叉，涉及生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、水文學(xué)及水資源、農(nóng)業(yè)水土工程、水土保持與荒漠化防治、水工結(jié)構(gòu)工程等21個(gè)二級(jí)學(xué)科。近年來，隨著對(duì)生態(tài)的重視，創(chuàng)建了生態(tài)水文學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)水利工程學(xué)、生態(tài)工程學(xué)等學(xué)科，諸多學(xué)科的相關(guān)理論與方法均可為生態(tài)水利學(xué)的研究提供參考。

根據(jù)生態(tài)水利學(xué)的基本原理、研究方法等，針對(duì)生態(tài)水利學(xué)的研究對(duì)象，按照基礎(chǔ)—理論—方法—應(yīng)用的邏輯主線，構(gòu)建了包含學(xué)科基礎(chǔ)、學(xué)科方向、知識(shí)體系、社會(huì)服務(wù)的生態(tài)水利學(xué)體系框架，其中知識(shí)體系為核心內(nèi)容，見圖1。

生態(tài)水利學(xué)知識(shí)體系主要包括研究對(duì)象、基本原理、研究任務(wù)、研究方法、主要內(nèi)容和實(shí)踐應(yīng)用，該知識(shí)體系體現(xiàn)了生態(tài)水利學(xué)是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用學(xué)科，具有服務(wù)于水利工程全生命周期管理、“三生空間”優(yōu)化、“三生”用水合理配置等特點(diǎn)。

以生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展為目標(biāo)，按照傳統(tǒng)水利向生態(tài)水利轉(zhuǎn)變的思路，西安理工大學(xué)在鄧銘江院士和黃強(qiáng)教授帶領(lǐng)下，已初步編寫了《旱區(qū)生態(tài)水利學(xué)（試行）》教材，并于2021年春季學(xué)期起，將其作為水利與土木類研究生的必修課，主要目的是打通水利與土木類研究生教育的壁壘，開闊視野、了解前沿、拓展專業(yè)知識(shí)面，該課程具有前沿性、科普性和通識(shí)性。通過第一學(xué)期的授課，《旱區(qū)生態(tài)水利學(xué)》課程受到了學(xué)生們的好評(píng)。

6 結(jié) 論

創(chuàng)建生態(tài)水利學(xué)是適應(yīng)國家戰(zhàn)略需要，促進(jìn)傳統(tǒng)水利向生態(tài)水利轉(zhuǎn)變的核心和必然選擇。本文在分析了1949年以來水利發(fā)展的4個(gè)階段和生態(tài)水利發(fā)展的3個(gè)階段的基礎(chǔ)上，論述了生態(tài)水利與生態(tài)水利學(xué)的關(guān)系，闡明了構(gòu)建生態(tài)水利學(xué)的目的和意義。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果和生態(tài)水利的概念，初步探討了生態(tài)水利學(xué)的定義、內(nèi)涵、特征、研究對(duì)象、基本原理與方法、研究任務(wù)與內(nèi)容等，并構(gòu)建了生態(tài)水利學(xué)體系框架。

研究表明：生態(tài)水利學(xué)是一門多學(xué)科交叉的新型課程，其橫跨自然科學(xué)、工程技術(shù)科學(xué)以及人文與社會(huì)科學(xué)三大領(lǐng)域;生態(tài)水利學(xué)的研究對(duì)象是水循環(huán)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境-水利工程組成的復(fù)合系統(tǒng)，可從流域整體性、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水利工程全生命周期、人與自然和諧和可持續(xù)發(fā)展等原理出發(fā)，采用現(xiàn)場觀測和遙感觀測、原型試驗(yàn)、物理試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬、系統(tǒng)分析等方法開展研究。本文對(duì)于推進(jìn)生態(tài)水利事業(yè)發(fā)展、提升傳統(tǒng)水利類專業(yè)教育、構(gòu)建生態(tài)流域、支撐生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

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