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| 生态水工学的理论框架 | |||||
| 作者：董哲仁 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2006-4-4 | |||||
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生态系统是一个很广的概念，可以是从含有藻类和原生动物的一滴水到巨大的长江流域，甚至是地球本身。不论系统巨大或微小，其相互依存性、整体性、规律性和功能性都是一样的。 水是生态系统的重要组成部分，河流、湖泊中的水与数以百万计的物种（包括动物、植物、微生物）共存，处于复杂的平衡之中。通过食物链、养分循环、能量交换、水文循环以及气候系统，相互交织在一起。在这五种循环和作用中，我们水利工程师对于在地球生物圈中水在气候系统中的运动，以及在水文循环中水的迁移转换规律有较多的研究和深刻的认识，但是对于水在生态系统中与生物群落之间进行的能量交换、食物链、养分循环关心不足。实际上，生物之间存在食物链（或食物网）的相互联系。太阳能由绿色植物光合作用转换为生物能，并借食物链（或食物网）流向动物和微生物；水和营养物质（碳、氧、氢、磷等）通过食物链（食物网）不断地合成和分解，在环境与生物之间反复地进行着生物-物理-化学的 循环作用。以生物为核心的能量流动和物质循环，是生态系统最基本的功能和特征。在一个健全的水生态系统中，动物、植物、微生物又处于一种食物链的复杂关系，是一种相生相克的平衡制约关系，有可能抑制某些物种（如某些藻类）的过度生长与蔓延。 水是生物群落生命的载体，又是能量流动和物质循环的介质。可以说，水，是生态系统的组成部分，与动物、植物、微生物共生共存，水为生物群落提供生命之源，反过来，生物群落又净化了水，使得流水不腐，清水长流，形成了自然界的特殊功能，也形成了水体自然净化的机制。早在人类出现以前，大自然就是依此规律运行，使得江河湖泊保持着洁净。历史发展到了农业社会，那时还没有工业社会的污染，人类也没有现代社会摳脑熳匀粩的雄心壮志，基本保留了生态系统的原貌，才使水域环境如诗如画，才使高山流水一直成为我国古代文学与绘画的风骨，才有了古人诗词中“舍南舍北皆春水，但见群鸥日日来”（杜甫：《客至》），“日出江花红胜火，春来江水绿如蓝”（白居易：《忆江南》，这些描述一个健全的水域生态系统的优美诗句，体现出具有生命的江河湖泊的美学价值。 生态系统是一个整体，任何一种要素发生变化，当其超出某种承载能力，就会引起生态系统的失衡。任何一种因素的减少，都会引起生态系统的失衡。人类要尊重生态系统的平衡，更要防止由于人类的自身活动破坏这种平衡。一旦出现失衡现象，人类要竭尽努力恢复这种平衡。江河湖库的水体也不例外，水必须与生物群落共存，水不能从水生态系统中分割出来，更不能离开它的好朋友—生物群落（动物、植物和微生物）。在一个健全的生态系统中，水质洁净是必然的结果。 3 水工学需要与生态学结合 现在的水利工程学简称水工学（Hydraulic Engineering），是以对水流的控制为目标建造水工建筑物，经过计算设计，保证水工建筑物承载的安全性（强度、稳定及耐久性),以满足人们对于供水、防洪、水力发电、航运等需求。 水利工程满足了人们对于水的各种不同的需求，但是水体自身的需求往往被忽视。水的需求是它喜欢留在一个完整的、健全的生态系统之中。人们为了控制水流，把水从生态系统中分割出来，放到了一个在空间由人工设定的特定的或规则的形状中，再用人工材料如混凝土、金属、塑料等为水体制作出的某种人工环境。在这样的人工环境中，水体脱离了生物群落，自净能力降低，如有外界干扰因素的出现，比如污水加入，水体的腐败就将是时日早晚的问题。 具体地说，目前的水工学的不足是： （1）忽略了河流形态的多样化。自然状态的河流多呈弯曲形状，也有不少自然状态的河流处于分汊散乱状态。在自然界长期的演变过程中，河流的河势也处于演变之中，使得弯曲与裁弯两种作用交替发生。但是弯曲或微弯是河流的主要形态。在自然河流的横断面上，浅滩与深潭相间，也显示出多样性的变化。当人们为了防洪需要或对河流进行开发时，往往将散乱状态的河流集中成一条主流。对于弯曲的河流未经充分论证而实施裁弯取直工程，把河流自然状态的弯曲形状改变成直线或折线。其影响除了引起河段冲淤变化，对行洪造成影响外，也使自然河流 中主流、浅滩和急流相间的格局改变。这导致浅滩中的湿地消失，而喜欢在急流中游泳的鱼类减少甚至绝迹，也会使其它动植物种类的减少。在横断面上，改造过的河床常用输水性能好又便于施工的梯形断面等规则断面，使得水流流速均一化。另外，河道疏浚工程，往往忽视原有河道断面的生态合理性，也使得河道断面出现均一化倾向。这些都可能使生物群落失去栖息生长的条件。需要强调的是，河流形态的多样化是生物物种多样化的前提。河流形态的规则化、均一化，会在不同程度上对生物多样性造成影响。 （2）忽略了河流湖泊与岸上生态系统的有机联系。河流整治工程着眼于河道本身，忽视了河流周围的生物群落的存在，更忽视了整治后原有生物群落的恢复。 （3）渠道或改造过的河道断面、江河堤防迎水坡面采用硬质材料，如混凝土、浆砌块石等，使得植物难以生长，进而又影响到鱼类、两栖类动物和昆虫的栖息，而这些动物又是鸟类的食物，于是食物链就此中断。 （4）人们为争取土地，缩窄了江河两岸堤防间距，使得河流失去浅滩和湿地。浅滩具有曝气作用，使水净化，又增加氧气供给，为无脊椎动物生存提供方便。浅滩又为鱼类产卵提供栖息地。 （5）水库建成后，有时忽略了库区的植被建设，特别是忽略了恢复原有陆生及水生植物，为鱼类、鸟类及两栖动物的栖息与繁殖提供条件。 （6）城市为建筑停车场，采用了大量沥青或混凝土的硬质不透水路面，不但植物无法生长，也隔断了补给地下水的通道。 （7）在城市水域整治的景观建设中，往往将水流置于诸如楼台亭阁等混凝土与砌石形成的人工环境之中，目的是使人们赏心悦目，取悦于人的感官。这种人工环境也使河流失去了自身的美学价值，失去了在自然环境中生机勃勃的河流的生命。 4 人类与自然和谐共处的工程理念 可持续发展已经成为全球共识的大背景下，传统意义上的水工学需要革新，或者说在水工学的基础上，吸收、融合生态学的理论，建立和发展新的工程学科，作为水工学的一个分支，不妨称之为“生态水工学”。（英文是否可译为 Ecological-Hydraulic Engineering，简称为 Eco-Hydraulic Engineering）。 人与自然和谐共处是生态水工学的指导思想。未来的水利工程既能够实现人们期望的开发利用水的功能价值，又能兼顾建设一个健全的河流湖泊生态系统，实现水的可持续利用。未来的水利工程不仅是满足人们对水需求的工程，也是有利于改善和恢复健全的生态系统工程，是有利于环境保护的可持续发展工程。 我们可以对生态水工学的框架作一些粗线条的设想： （1）现有的水工学的理论基础，除了规划阶段以水文学为基础以外，主要是以水力学、结构力学、岩土力学等工程力学为基础。生态水工学则是以工程力学和生态学为其理论基础。 （2）生态水工学运用技术手段协调人们在供水、防洪、发电、航运效益与生态系统建设的关系。利用已建水利工程的调度、管理等手段，为江河湖库的水生态系统恢复提供支持。 （3）水工学中以满足人对水的开发利用的需求为目标，而在生态水工学中，在满足人对水的开发利用的需求同时，还要兼顾水体本身存在于一个健全生态系统之中的需求。全面权衡满足人的需求的经济效益与环境效益之间的关系，正确把握两种需求的尺度。有必要建立起工程项目经济技术—生态环境效益评估指标体系，改变现行单一的经济技术评估指标体系。 （4）把江河湖泊中的水体看作是生态系统中的重要组成部分。不但要掌握水在气候系统、水文循环中的运移转换规律，还要掌握在特定的生态系统中，特定的生物群落与水体的相互依存的关系。 （5）除进行常规的水文、地质的测验勘查外，加强相关范围的生态系统调查，重点是生物群落（动物、植物、微生物）的历史与现状调查。 （6）在开发利用水流时，明确河流与其上下游、左右岸的生物群落处于一个完整的生态系统中，进行统一的规划、设计和建设。 （7）在对江河湖泊进行开发的同时，尽可能保留江河湖泊的自然形态（包括其纵横断面），保留或恢复其多样性，即保留或恢复湿地、河湾、急流和浅滩。 （8）为当地野生的水生与陆生植物、鱼类与鸟类等动物的栖息繁衍提供方便条件，提供相应的技术方法和工程材料。 （9）规划设计有利于提高水体自净能力的库区或河岸、湖岸的植被种植和水生动物的放养，在充分利用当地野生生物物种的同时，慎重地引进可以提高水体自净能力的其它物种。 （10）水利工程设施要造成一种人与自然亲近的环境，城市景观设计注意保留江河湖泊天然的美学价值。现代的景观设计，应更多地从建设一个健全的生态系统着眼，营造一个取悦于生物群落的环境，满足水对于一个健全生态系统的需求，从长远看，人们也会从良好的环境中受益无穷。水利设施还要为公众广泛参与和对学生进行环保教育创造条件。 水利工程结合生态建设，是一个发展的必然趋势。在实践上，要根据我国国情逐步实现，特别是依据国家的经济不同发展阶段以及不同地区的实际情况分步实施。但是，作为一门新兴学科—生态水工学应该超前开展研究。生态水工学是一门交叉学科，需要水利工程界与环保界、生物界的密切合作，通过科学研究、典型设计、工程示范、总结经验和制定技术规范从而得到发展完善。在欧美、日、韩等国，撚胱匀磺捉闹魏庸こ虜理念已经提出，一些示范性工程正在建设。其中包括新的河道整治工程设计，如可为鱼类及动物提供繁衍生息的空间的护岸工程设计、新型材料及新型过坝鱼道；具有曝气功能又有利于鱼类产卵栖息的新型丁坝；为鱼类和无脊椎动物提供栖息地的人工岛等。一些河流生态工程咨询与技术开发公司也应运而生，他们提供建筑产品，如用于堤防渠道护岸工程的生态型建筑砌块，生态型的城市雨洪利用排水系统，人工浮岛等生态型水体净化装置等，这些进 展，说明以水利工程为骨干的河流湖泊生态系统建 |
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