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1、本页面为作品封面，下载文档后可自由编辑删除！精品文档对生态水利工程设计的探讨丘红球摘要 主要阐述了生态水利工程的定义，并在分析和总结当前生态水利工程设计面临的主要问题的基础上，得出生态水利工程设计应基于以下理论与技术路线: (1)以生态水文与工程水文作为工程设计的基础，进行水文过程的分析与计算;(2)识别工程可能影响的关键生态敏感目标; (3)生态水利工程的设计要与环境工程设计进行有机结合；发表了一些个人的见解。关键词 水利工程设计 生态水利工程 生态水文学 水文过程 湿地前 言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。然而水利工程对自然生态系统的影响一般较为深远，基于水
2、利工程的性质与规模，给区域、流域或跨流域的可持续发展带来的影响程度也不一。随着工业温室气体的大量排放、地表生态系统(如森林、草原、农田和湿地等)调控CO2 平衡能力的下降，导致全球气温持续变暖；加之人类活动强烈干扰下垫面环境，使得全球水循环受人工侧支的影响越来越明显，导致水资源量分配越来越不均。人类干扰下垫面环境的一项重要内容是水利工程。但在水利工程作用下，可能更加加剧区域或流域水资源自然分配的不均一性，这使得相应的生态环境出现问题，如河道下游缺水或断流，水生生物减少或水体自净能力下降，水体功能发生变化; 湿地因生态流量减少而退化;大量引水导致水源水量减少，水质下降，维持原来水域食物网稳定的能
3、力下降等。在种种水利工程所引发的生态环境问题不断出现，并严重危及区域经济社会的可持续发展的情况下，人们开始全面深入地审视水利工程给人类及生态所带来的效应。正是在这种背景下，生态水利工程被人们提上了议程，以实现人与水和谐相处，使水利工程服务于生态系统的健康维持与恢复。黄河水资源调度、黑河流域水资源配置工程、白洋淀湿地需水工程和扎龙湿地补水工程等，应该说是生态水利工程的有效实践，已引起了人们的极大关注。例如2005年完成了5三江平原近期防洪治涝工程环境影响报告书6的编制，但在接到国家环境保护总局的正式批文时，发现批文要求在湿地用水与耕地排水发生冲突的地方，设置生态闸门，实现洪水资源化管理，首先满足
4、湿地生态用水要求。很明显，要求三江平原防洪治涝工程同时是生态水利工程。基于有限的工作实践，笔者就有关生态水利工程设计应遵循的理论与技术路线进行了初步研究，渴望与大家共同探讨和提高生态水利工程设计水平。一、水利工程与生态水利工程的区别水利工程可以简单理解为人类为实现水资源的再分配和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
5、利工程的资源、经济与社会性。而生态水利工程，可能更直接鲜明地强调水利工程的主要服务目标是生态，或者是符合生态规律要求的水利工程。有学者认为生态水利工程的内涵是: 对于新建工程，是指进行传统水利建设的同时(如治河、防洪工程)，兼顾河流生态修复的目标; 对于已建工程，则是对于被严重干扰河流进行生态修复。笔者认为生态水利工程是现代水利的标志，至少应包括以下四个方面的科学内涵: (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，防止在施工过程造
6、成巨大的环境成本付出。(3)生态水工利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。 二、生态水利工程设计的背景生态水利工程是相对于单纯的工程水利或资源水利工程而言的。主要是针对当前水利工程明显影响到所在区域或附近的生态问题，在重新评估水利工程的功能与效益时，发现其在生态功能方面的负面影响可能远远超出了其原来所预料的，人们基于经济与生态综合效益考虑
7、后提出的一种水利工程设计理念。一般而言，水利工程设施当时设计服务的目标越单一，对自然生态的影响可能越明显或越深刻; 如果当时设计考虑的目标越综合(如部分地考虑了生态系统对水文过程的要求)，对自然生态过程的影响可能相对要少些。在国内，这可能要得益于我国建设项目环境影响评价制度的建立。生态水利工程设计背景主要有两种: 第一种就是生态系统已经由于人为干扰导致水资源的分配不利于生态系统结构的维持和功能的发挥，基于区域可持续发展而有必要进行针对受损生态而开发和设计的水利工程，如扎龙湿地补水工程、洪河国家级自然保护区水资源恢复工程2和湿地保护区及周边地区退耕还湿工程3等; 第二种是由于区域经济发展相对落后
8、或者由于自然环境因子所限制导致水资源问题严重制约经济社会发展，如我国正在进行的怒江、金沙金、松花江等梯级水电或航电枢纽开发; 以及三峡、南水北调、尼尔基等大型水利水电工程等。三、生态水利工程设计面临的主要问题不管工程是否考虑生态目标，水利工程必然干扰水量与水质的时空变化过程，只是生态水利工程可防止在工程作用下出现生态环境发生根本性变化的可能。严格来讲，对于一个流域而言，天然的水文过程对维持其流域的生态过程应该说是最好的。在一个流域内由于人类的存在，必然要使该流域内的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。生态水利工程需要充分考虑生态自组织规律，力图在开发、设计、施工和
9、运行管理过程中充分降低或归避对生态的负面影响，但在实践中，生态水利工程从开发到工程实体付诸使用还面临着诸多问题。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的服务目标具有特定性和地域性。由于生态系统有地理区域的差异，必然决定具体的生态水利工程应具有因地制宜的特征。当前，对生态水利工程的功能具有一些理论评价指标和评价方法(参见表1)。但缺乏对具体的生态水利工程的可操作的评价方法与标准。这与当前水利工程对生态的影响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，国家对水利工程结构建筑物执行了一系列的强制性标准，但对工程是否基于生态服
10、务目标，还缺少规范生态水利工程设计过程的技术标准。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勘测设计院的水利工程规划与水工结构建筑设计人员由于专业上的明确分工，基于流域生态需水规律来进行设计的意识不强，水利工程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基本由水利规划和水工建筑设计人员确认以后，才进行环境影响评价，加上当前我国环评管理制度与环境影响评价咨询市场还不十分完善和规范，环评单位替业主考虑得较多，对生态目标考虑得相对较少，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
11、益不明显且负面影响相当突出，所以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，致使生态水利工程的开发与设计相对滞后。下表为生态水利工程功能评价的理论指标与方法3. 如何设计新的生态水利工程与原有水利工程设施协调运行在一个流域内，往往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(正在设计)等生态水利工程，均要借助原水利工程设施，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整等。但生态水利工程的介入必然要影响原来水利工程设施的服务对象与功能，例如影响原来工
12、程的防洪排水标准、发电效能、灌溉功能等，甚至给原有水利工程的安全运行带来一些风险。再如，原来的水利工程设施是服务于旱作耕地的排水，保护旱地农业免遭洪水危害，后来，耕地耕作方式发生改变，旱地改成水田，这时排水沟渠的功能也应该发生一些转变，由原来的单一排水应改成排蓄结合，特别是旱地改成井灌水田，对原有的沟渠更有必要进行一些改造设计，如设计一些生态控制闸门，一方面起蓄水作用，另一方面可以增加沟渠蓄水补充地下水，减缓地下水超采的速度；其次，还可以提高沟渠湿地对农田排水中有机污染物的降解和泥沙的滞留。但在做这样的生态水利工程开发时，还应考虑旱地水文与水田水文过程的差异、区域的排水量的时空变化。如生态闸门
13、设计参数的选取，由于面临着一个强烈变化的水文下垫面和受原有水利工程控制或干扰，而变得难以确定。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该全面系统考虑的问题。4 .生态水利工程设计缺少生态水文测验资料如果不能通过水文测验站的观测资料分析生态过程对水文过程的正负影响机理，我们就很难从生态系统的自组织规律出发，寻求生态水利工程的设计理论、方法与技术参数。当前，我国水文测验工作还相对落后，水文测站还不能适应当前生态水利工程设计对资料的需求。有关生态水文站方面的设计与布设工作在我国还未正式开展，在国内也少有报导，仅刘正茂等 4 曾就浓江流域湿地水文站建设进行了研究。当
14、前，生态水利工程设计要充分吸收国家有关科学研究的野外台站，如中国科学院野外生态网络观测台站，实现水利工程设计、施工和管理部门与国家科学研究机构的横向联合，开展生态工程设计示范与实践。例如，众所周知的水田作为人工湿地，尽管是季节性的，并且水稻田中生物多样性较为单一，但水田具有较大的环境功能。如果结合科学的生态水利工程的布置，可能使这种环境功能放大。水稻田由于长时间受水淹盖，可比旱田多增加地下水的补充量; 另外，水稻田间强烈蒸散作用，对区域水热平衡调节也是较为明显的。水田在流域或区域的水文调节功能方面因为其自身的规律也表征出对流域水文过程独特的贡献。如水田由于有田垄的存在，只有在排水堰处才能将田间
15、水分排出或通过灌溉渠将周边提引水注入田间。如对于井灌水田，或缺水地区的引水灌溉区域，经常会较经济地运行水稻灌溉制度，与原来天然的下垫面或原来是旱田相比，地表径流的产生量会发生明显的变化。如果能清楚地获取旱田、水田及其耕作方式转换过程中所引发的水文参数变化，将极有利于提高生态水利工程设计的科学性和精确性。四、 生态水利工程设计应遵循的理论与技术路线就生态水利工程的设计原则与理论，我国已有学者进行了卓有成效的探讨。如董哲仁1 曾提出生态水利工程的五项基本原则: (1)工程安全性与经济性原则; (2) 提高河流形态的空间异质性原则; (3)生态系统自设计与自我恢复原则; (4)景观尺度与整体修复原则
16、; (5)反馈和调整设计原则。笔者根据自身有限的工作实践与经验认为生态水利工程设计还应遵循如下三个方面的理论与技术路线。1. 应以生态水文与工程水文作为工程设计的基础，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。如正在由黑龙江农垦勘测设计研究院进行规划设计的/两江一湖0 (黑龙江、乌苏里江和兴凯湖)干流沿岸灌区工程，在其提水灌区开发与设计过程中，确实从生态水文学与工程学文学相结合的角度，充分考虑了在非灌溉期或灌溉空隙时间为
