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| 生态水工学的工程理念 | |||||
| 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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概要：水是生态系统的重要组成部分。河流、湖泊中的水与生物群落（包括动物、植物、微生物）共存通过气候系统、水文循环、食物链、养分循环及能量交换相互交织在一起。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。水体与生物群落相互依存，相互作用，形成了江河湖泊的自净能力。水利工程学应吸收、融合生态学的理论，建立和发展生态水工学。在满足人们对水的各种不同需求的同时，水利工程还应满足水域生态系统完整性、依存性的要求，恢复与建设洁净的水环境，实现人与自然的和谐。
我国江河、湖泊和水库普遍受到污染，直接威胁着饮用水的安全和人民的健康，影响到工农业生产和农作物安全水污染也加剧了水资源短缺。究其污染原因，未经处理的工业废水排放是最重要的点污染源，工业废水造成水污染占水污染负荷50％以上。由于农田施用化肥、农药形成的农田径流，畜禽养殖业排放的废水、废物，是我国水环境的重要面污染源。湖泊、水库、河流、海湾的底部沉积物蓄积着多年来排入的大量污染物，称为内污染源，目前已是水体富营养化和赤潮形成的重要因素。水环境整治的重点是对污染源的治理与控制，特别是抓好工业和生活废水的源头治理是解决问题的关键。 近几年来，为改善流域的水环境，恢复生态系统，水利部门加强了流域的综合管理，通过统一调度，初步扭转了黄河、塔里木河及黑河持续断流的局面。使黄河三角洲地区生态系统得到明显改善，塔里木河及黑河流域下游的胡杨林复苏，鸟类及野生水禽返回，趋于恶化的生态系统得到了初步恢复。事实说明，水利工程不但在防洪、供水等方面作用巨大，而且在改善江河湖泊流域的生态系统方面也是大有作为的。生态建设已经成了水利工作的重要任务。在这样的大背景下，我们所讨论的问题是： 一个地区，一个流域生态系统的恢复与改善，反过来对于改善水质会产生什么影响？ 新建的水利工程如何避免或减少对原有生态系统的负面影响？水利工程建设除了能满足人对水的多种需求的同时，如何对流域生态系统的改善作出贡献？ 一、水在生态系统中的地位和作用 我们需要讨论的问题是：水质状况与生态系统的关系，水在生态系统中扮演的角色，进而讨论在一个健全的生态系统中的水质问题。 1．生态方法修复水体技术带给我们的启示 生态方法水体修复技术，是利用培育的植物、动物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术。生态方法水体修复技术包括：人工湿地处理技术、生物膜法处理技术、土地处理技术及生物操纵技术等。人工湿地是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。这些微生物吞噬污染物分解为二氧化碳和水。土地处理技术是以土地为处理设施，利用土壤—植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化。一般用污水灌溉牧草或农作物。生物操纵技术的原理主要是利用营养级链状效应达到净化水的目的。比如在湖泊水库中投放经选择的鱼类，用以吞食另一类小型鱼类，借以保护某些浮游动物不被小型鱼类吞食，这些浮游动物的食物正是人们所讨厌的藻类。这些技术在国内外都已经有一些成功的工程实例。比如深圳沙田镇人口10万人有小工厂300余家。工业污水排入附近的田角河，造成水质严重恶化。为解决污染问题，建立人工湿地污水处理厂，种植芦苇、香蒲草和再力花等植物，日处理能力5000t/d，使废水达到河流排放标准。韩国的汉江支流良才川地下生物廊道，利用河卵石表面形成的生物膜，使河流的BOD、SS等有较高的处理率。研究结果表明：在适宜的条件下，挺水植物如慈菇、茭白以及沉水植物伊乐藻、菹草等对水体中的氮和磷都有较高的去除率。常用的芦苇对于磷的去除率达65％。 如果要问，生态方法处理污水的技术原理是什么呢？可以说自然界本身对于江河湖泊就具备一种很强的自我修复能力或称自净能力，这种技术不过是对自净能力的一种强化，是人们遵循生态系统自身规律达到治污目的的一种尝试。 2．生态系统的各要素之间的依存性与制约性 所谓生态系统（Ecosystem），是指一定空间中的生物群落（动物、植物、微生物）与其环境组成的系统，其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个有组织的功能复合体。近年，也有学者把人类活动作为生态系统的要素。在这里“系统”一词有两层基本含义：一是它由一些相互依赖、相互作用的部分所组成；二是这些部分按照一定的规律组织在一起，从而使这个整体具备了统一的功能特性。 生态系统内各个要素之间相互依存、相互作用是其主要的特征。下面可以举温室效应来说明这个规律。由于工业社会对化石燃料的高消耗，到1950年全球碳排放量达到16亿ｔ，已经超过当时大气层中二氧化碳的水平。到2000年达到63亿ｔ，是1950年的4倍。碳排放量剧增是地球变暖的温室效应的根源。在过去30年地球的平均温度从13.99℃上升到14.43℃。而且，自有记录以来最暖和的14个年份都出现在1980年以后。由于生态系统是相互关联、相互依存的，气温升高的影响发生在生态系统的各个方面。先是北冰洋的冰融化，其厚度从1960年的2ｍ厚降到2001年的1ｍ厚，而面积缩小了6％。南极半岛两侧的冰架全面后缩，近50年内减少了7000ｋｍ2。由于热扩散和冰雪融化使得海平面在２０世纪升高了10～20ｃｍ，造成海洋扩展，海水泛滥，咸水入侵。海洋表层温度升高，辐射到大气层中会造成更多的破坏性风暴，使得热带和亚热带地区台风和飓风频繁发生。更进一步讲，在正常情况，冰雪覆盖大地时，由于强大的反射作用，照射到地球表面上的阳光大部分返回宇宙空间。一旦冰雪大量融化，反射面积减少，会有更多的阳光热量被吸收，这使得格陵兰的陆地冰盖会不可挽回地逐渐融化。而温室效应造成升温引起森林火灾频繁发生，而林火排放大量二氧化碳又加剧温室效应。这是所谓的“正反馈循环”，其实就是恶性循环。以上分析告诉我们，任何一个生态系统中各个部分之间都是相互关联、相互依存、相互制约的。 3．生态系统的五种循环与作用 那么水体的自净能力是如何形成的呢？“生态系统自身规律”又是什么呢？众所周知，生态系统中存在着五种循环与作用，这就是：气候系统、水文循环、食物链（网）、养分循环及能量交换。具体说，气候系统和水文循环为生物群落提供了生存条件。太阳能由绿色植物光合作用转换为生物能，进行着能量交换作用。生态学把各种生物划分为生产者、消费者和分解者三大功能类群。所谓生产者是能用简单无机物制造有机物的自养生物，包括所有绿色植物和某些细菌。绿色植物通过光合作用制造成碳水化合物。碳水化合物又可进一步合成脂肪和蛋白质。在这个过程中，太阳能转化为生物能。这些有机物是地球上包括人类在内的一切异养生物的食物来源。自养生物是生态系统中最基础部分。所谓消费者是不能用无机物质制造有机物的生物，他们直接或间接地依赖于生产者所制造的有机物质。这些生物属于“异养生物”。包括草食动物和肉食动物。消费者在生态系统中起重要作用。他们对初级生产物起加工、再生产的作用，也促进其他生物的生存、繁衍。所谓分解者都属于异养生物。包括细菌、真菌、放线菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物。这些异养生物在生态系统中连续地进行着分解作用，把复杂的有机物质逐步分解成简单的无机物。最终以无机物的形式回归到环境中。所以，这些异养生物又称为“还原者”。由于这三大类生物在不断作用，构成了“简单无机物质—有机物质—简单无机物质”的反复物质循环。在这个过程中食物链（或食物网）起通道作用，使能量源源不断地流向动物和微生物。水和营养物质碳、氧、氢、磷等又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—地球—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。 在生态系统中一种生物不可能固定在一条食物链上，往往同时属于数条食物链，于是形成由许多食物链组成的复杂网络式结构，称为食物网。这种网络式结构保证了生态系统结构和功能的相对稳定性。如果食物网上的某一条食物链发生了障碍，食物网可在一定限度内进行调整和补偿。但是在某一条食物链严重损害的情况下，这种障碍会影响整个生态系统，形成功能的变化。正因为如此，在一个健全的生态系统中，动物、植物、微生物相互之间是一种相生相克的平衡制约关系，这种关系有可能抑制某种物种的过度生长与蔓延。生态系统内任何一种因素的减少，都会引起生态系统的失衡。试想，如果人类活动打破了这种平衡制约关系，某些特定物种（如我们所厌恶的某些藻类）就会无限制地生长蔓延造成对环境的破坏，甚至造成对人的威胁。人们要尊重生态系统的平衡，更要防止由于人们的自身活动破坏这种平衡。一旦出现失衡现象，人们要竭尽努力恢复这种平衡。 4．水与生物群落共生共存 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。通过气候系统、水文循环、食物链、养分循环以及能量交换相互交织在一起。从微观角度看，一切生命物质的90％成分是水。所以，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。我们可以得到一个基本规律是：在一个健全的生态系统中，水质洁净是必然的结果。 生态系统是一个整体，系统内的各个要素不能分解成独立的要素而孤立存在。如果人为将某些要素与生态系统割裂开来，那么，分割出去的要素就不具备系统整体的特点和功能。具体讲，一旦水体离开了生物群落，脱离了生态系统，生态系统赋予水体的自净功能就会削弱。水体必须与生物群落共存，水体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）。 我们在从事水利工程建设时，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较为深刻的认识。但是往往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。随着大规模水利工程的兴建，在相关地区很大程度上改变了地球表面自然地理状况，使河流湖泊生态系统发生某些改变。水利工程与水域生态系统的关系问题才逐渐得到显现，引起了人们的关注，也启发我们去探索水与生物群落之间复杂的关系问题。 |
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| 生态水工学的理论框架 河流治理生态工程学的发展沿 |
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