使用生态水利的眼光看巍山县红河流域.doc

1、使用生态水利的眼光看巍山县红河流域摘要：文章简要分析了红河流域西河治理工程对于河流生态系统胁迫问题，提出应重视红河生态系统健康和可持续性的需求。生态水利工程学是水利工程学与生态学相融合产生的新分支学科，目的是改进和完善水利工程的规划设计方法。本文试述了生态水利工程在河道治理中应注意的五个问题，它们是：工程安全性和经济性，提高河流形态的空间异质性；生态系统自设计与自恢复：景观尺度与整体修复；反馈和调整设计。 关键词：红河流域;西河 ; 生态水利; 工程 Abstract: This paper briefly analyzes the Red River Basin river regulati

2、on project on river ecological system stress problems, we should pay more attention to the health and sustainability of river ecosystem needs. Ecological hydraulic engineering is a new branch of hydraulic engineering and ecology from the fusion, purpose is to improve and perfect the method of planni

3、ng and design of water conservancy project. This paper describes the five problems, should pay attention to in river ecological water conservancy project are: engineering safety and economy, improve the spatial heterogeneity of river morphology; ecological system design and self recovery: landscape

4、scale and overall repair; feedback and adjust the design Keywords: Red River Basin; river; ecological water conservancy project; 中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012 一、概述 西河是纵贯巍山县盆地的主流，发源于上、下花盘，由北向南经洗澡塘流出盆地，是红河的气段。流域狭长，支沟发育，形似“树叶”状，东西宽 14-12km，南北长约 40km，四面环山，中位巍山盆地，流域面积784km2，坝区主河长 48.9km，支流四十余条，水库

5、 55 座，构成呈“羽状”水系，水草、鱼、蛙、水生昆虫自乐其中，区内羊子江源头最高海拔3006.9m，洗澡塘出口处海拔 1678.9m，最高落差为 1328m，盆地外围是绵延起伏的山脉，山高谷深，绿树红花广泛分布，飞鸟走兽游梭其里，水路、陆路交错相通，鸟兽蛇虫构成了一个复杂的生态系统。 二、西河流域治理现状 主流西河设有拦河坝一座，用于福庆水库本区引流及汛期蓄水冲砂。沿拦河坝以下治理了 11.22 km，河堤沿河漫滩裁弯改直，迎水面用 C15砼护面，堤高 2-3 m , 河底宽 18-38m，河底沿程50m、100m、150m、200m 四种间距设平底“v”型固床梁，堤外坡种草植树。东西支流建

6、水库 55 座，拦砂坝等人工建筑物，西河治理段保护沿河两岸 55 个村庄 3325 户 25262 人和 16648 亩良田、集贸市场、桥梁、水利工程等价值 2.68 亿元固定资产的安全。其经济、社会效益十分可观。 三、西河流域治理工程对生态系统的胁迫 巍山县西河流域治理工程对巍山经济与社会发展的巨大作用勿庸置疑。但是也必须看到西河流域治理工程对河流生态系统造成了不同程度的干扰。该工程对于西河流域生态系统的胁迫主要表现在两方面:一是自然河流的渠道化。包括平面布置上的河流形态直线化，即将蜿蜒曲折的天然河流改造成直线或折线型的人工河流。包括河道横断面儿何规则化，即把自然河流的复杂形状变成梯形、矩形

7、及弧形等规则儿何断面。还包括河床和边坡材料的硬质化，即河道的边坡及河床采用混凝土、砌石等硬质材料。二是指自然河流的非连续化。筑坝是顺水流方向的河流非连续化，流动的河流生态系统变成了相对静止的水库，流速、水深、水温及水流边界条件都发生了重大变化。库区内原来的森林、草地或农田系统淹没水底。陆生动物被迫迁徙。水库形成后也改变了原来河流营养盐输移转化的规律。由于水库截留河流的营养物质，气温较高时，促使藻类在水体表层大量繁殖，产生水华现象。藻类蔓延遮盖住大植物的生长空间使之萎缩，而死亡的藻类沉入水底，在腐烂的同时还消耗氧气。溶解氧含量低的水体会使水生生物“窒息而死” 。由于水库的水深高于河流，在深水处阳

8、光微弱，光合作用也弱，导致水库的生态系统比河流的生物生产量低，相对要脆弱，自我恢复能力弱。河流泥沙在水库淤积，而坝下清水下泄又加剧了对河道的冲蚀，这些变化都大幅度改变了生境。由于靠水库进行人工径流调节，改变了自然河流年内丰枯的水文周期规律，即改变了原来随水文周期变化形成脉冲式河流走廊生态系统的基本状况。最后，众所周知，大坝对于生物的上下连通是致命的屏障。另一类非连续化是西河流两岸建设的防洪堤造成的侧向水流的非连续性。堤防妨碍了汛期主流与岔流之间的沟通，阻止了水流的横向扩展。堤防把干流与滩地和洪泛区隔离，使岸边地带和洪泛区的栖息地发生改变。原来可能扩散到滩地和洪泛区的水、泥沙和营养物质，被限制在

9、堤防以内的河道内，植被面积明显减少。鱼类无法进入滩地产卵和觅食，也失去了避难所。鱼类、无脊椎动物等会减少，导致滩区和洪泛区的生态功能退化。并且两岸动物老死不相往来。 概况地讲，被改造过的西河生态系统是由三个子系统组成。即:由动物、植物和微生物组成的生命系统，这是生态系统的主体。广义的水文系统，包括地表和地下水体、上地、气候系统等。再有就是西河流域工程设施系统，这是人们改造河流的结果。后面两个子系统组成生境，是生命支持系统。由于西河流域治理工程系统改变了西河形态，水库调度运行又改变了原有的水文规律，造成西河流域生态系统的生境变化，其结果可能造成西河流域生态系统生物群落多样性的下降，使生态系统退化

10、。 四、生态水利工程的概念 对于西河流域治理工程对西河流域生态系统的胁迫，应该采取正视而不是回避的态度。传统意义上的水利工程学作为一门重要的工程学科，以建设水工建筑物为手段，目的是改造和控制河流，以满足人们防洪和水资源利用等多种需求。现代科学发展使我们认识到，传统意义上的水利工程学在力图满足人的需求时，却在不同程度上忽视了河流生态系统本身的需求。而河流生态系统的功能退化，也会给人们的长远利益带来损害。未来的西河流域治理在权衡社会经济需求与生态系统健康需求这二者关系方面，应强调西河流域工程在满足人们社会需求的同时，兼顾水域生态系统的健康和可持续性。从学科发展角度看，现在的水利工程学的学科基础主要

11、是工程力学和水文学，水利工程规划设计主要对象是水文系统，往往忽视生命系统的现状和未来风险等问题。学科的进一步发展应吸收生态学的理论及方法，促进水利工程学与生态学的交叉融合，用以改进和完善水利工程的规划及设计理论，形成水利工程学的新的学科分支一生态水利工程学。生态水利工程学作为水利工程学的一个新的分支，是研究水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾水域生态系统健康与可持续性需求的原理与技术方法的工程学。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重点进行生态修复。 生态水利工程将与传统治污技术、清洁

12、生产(生态产业)以及环境立法和资源管理一起，成为河流生态建设的主要手段之一。 五、西河流域治理存在的几个生态问题论述 1.工程安全性和经济性 生态水利工程是一种综合性工程，在河流综合治理中既要满足人的需求，包括防洪、灌溉、以及旅游等需求，也要兼顾生态系统可持续性的需求。生态水利工程既要符合水利工程学原理，也要符合生态学原理。生态水利工程的工程设施必须符合水文学和工程力学的规律，以确保工程设施的安全、稳定和耐久性。工程设施必须在设计标准规定的范围内，能够承受洪水、侵蚀、风暴、冰冻、干旱等自然力荷载。按照河流地貌学原理进行河流纵、横断面设计时，必须充分考虑河流泥沙输移、淤积及河流侵蚀、冲刷等河流特

13、征，动态地研究河势变化规律，保证工程的耐久性。 对于生态水利工程的经济合理性分析，应遵循风险最小和效益最大原则。由于对生态演替的过程和结果事先难以把握，生态水利工程往往带有一定程度的风险。这就需要在规划设计中需要进行方案比选，更要重视生态系统的长期定点监测和评估。另外，充分利用河流生态系统自我恢复规律，是力争以最小的投入获得最大产出的合理技术路线。 2.提高河流形态的空间异质性 生物群落多样性与非生物环境的空间异质性，存在正相关关系。这里所说的“生物群落”是指在特定的空间和特定的生境下，由一定生物种类组成，与环境之间相互影响、相互作用，具有一定结构和特定功能的生物集合体。一般所说的“生物群落多

14、样性”指生物群落的结构与功能的多样性。实际上，生物群落多样性问题是在物种水平上的生物多样性。 非生物环境的空间异质性与生物群落多样性的关系反映了非生命系统与生命系统之间的依存和r合关系。西河流域的生境空间异质性越高，就意味着创造了多样的小生境，能够允许更多的物种共存。反之，如果非生物环境变得单调，生物群落多样性必然会下降，生物群落的性质、密度和比例等都会发生变化，造成生态系统的某种程度的退化。 西河流域生态系统生境的主要特点是:水一陆两相和水一气两相的联系紧密性;土中下游的生境异质性;西河纵向的蜿蜒性;西河横断面形状的多样性;河床材料的透水性等。水一陆两相和水一气两相的紧密关系，形成了较为开放

15、的生境条件;上中下游的生境异质性，造就了丰富的流域生境多样化条件;西河纵向的蜿蜒性形成了急流与缓流相间;西河的横断面形状多样性，表现为深潭与浅滩交错;河床材料的透水性为生物提供了栖息所。由于西河形态异质性形成了在流速、流量、水深、水温、水质、水文脉冲变化、河床材料构成等多种生态因子的异质性，造就了丰富的生境多样性，形成了丰富的河流生物群落多样性。所以说，提高西河形态异质性是提高生物群落多样性的重要前提之一。 由于人类活动，特别是西河流域治理工程的建设，造成西河的渠道化及河流非连续化，使西河流域生境在不同程度上单一化，引起西河流域生态系统的不同程度的退化。生态水利工程的目标是恢复或提高生物群落的

16、多样性，但是并不意味着主要靠人工直接种植岸边植被或者引进鱼类、鸟类和其它生物物种，生态水利工程的重点应该是尽可能提高河流形态的异质性，使其符合自然河流的地貌学原理，为生物群落多样性的恢复创造条件。 3.重视生态系统自设计、自我恢复 在西河流域治理中重视生态系统自设计，自我恢复。以各种不同形式构成的自组织功能，是自然生态系统的重要特征。生态学用自组织功能来解释物种分布的丰富性现象，也用来说明食物网随时间的发展过程。生态系统的自组织功能表现为生态系统的可持续性。自组织的机理是物种的自然选择，也就是说某些与生态系统友好的物种，能够经受自然选择的考验，寻找到相应的能源和合适的环境条件。在这种情况下，生

17、境就可以支持一个能具有足够数量并能进行繁殖的种群。 生态系统的自组织功能对于生态工程学的意义是什么呢?生态工程时，生态工程设计与传统水工设计有本质的区别。像设计大坝这样的人工建筑物是一种确定性的设计，建筑物的儿何特征、材料强度都是在人的控制之中，建筑物最终可以具备人们所期望的功能。河流修复工程设计与此不同，生态工程设计是一种“指导性”的设计，或者说是辅助性设计。依靠生态系统自设计、自组织功能，可以由自然界选择合适的物种，形成合理的结构，从而完成设计和实现设计。成功的生态工程经验表明，人工与自然力的贡献各占一半。 我国古代传统哲学注重人与自然的和谐相处，老子主张:“人法地，地法天，天法道，道法自

18、然” 。反映了一种崇尚自然，遵循自然规律的哲学观。在建筑理念方面，提倡“工不曰人而曰天，务全其自然之势”(管氏地理指蒙)， “虽由人作，宛自天开”(园冶)，都提倡一种效法自然，依靠自然的思想。 传统的水利工程设计的特征是对于自然河流实施控制。而设计生态水利工程时，要求工程师必须放弃控制自然界的动机，树立新的工程理念。因为依靠人力和技术控制自然界是不可能的，这种一厢情愿的企图最终往往归于失败。人们要善于利用生态系统自组织、自设计这个宝贵财富，实现人与自然的和谐。需要强调的是，每一条河流的特点都是各不相同的。因此，对西河流域的治理照搬照用，对每一项生态水利工程必须因地制宜，充分尊重西河的自然属性和

19、美学价值，寻求最佳的生态工程方案。 4.景观尺度及整体性 西河流域治理工程规划和管理应该在大景观尺度、长期的和保持可持续性的基础上进行，而不是在小尺度、短时期和零星局部的范围内进行。 所谓“整体性”是指从生态系统的结构和功能出发，掌握生态系统各个要素间的交互作用，提出西河流域生态系统的整体、综合的系统方法，而不是仅仅考虑西河流域水文系统的修复问题，也不仅仅是修复单一动物或修复河岸植被。 这里说的“景观”是指生态学中的景观尺度。尺度和层次是生态学发展的关键。目前生态学理论把生物圈划分为 11 个层次，依次是生物圈、生物群系、景观、生态系统、群落、种群、个体、组织、细胞、基因和分子。景观尺度包括空

20、间尺度和时间尺度。 首先，水域生态系统是一个大系统，其子系统包括生物系统、广义水文系统和人造工程设施系统。广义水文系统又与生物系统交织在一起，形成西河流域生态系统。而人类活动和工程设施作为生境的组成部分，形成对于水域生态系统的正负影响。 其次，必须重视水域生境的易变性、流动性和随机性的特点，表现为流量、水位和水量的水文周期变化和随机变化，也表现为河流淤积与侵蚀的交替变化造成河势的摆动。这些变化决定了生物种群的基本生存条件。水域生态系统是随着降雨、水文变化及潮流等条件在时间与空间中扩展或收缩的动态系统。生态系统的变化范围从生境受到限制时期的高度临界状态到生境扩张时期的冗余状态。 最后，要考虑生境

21、边界的动态扩展问题。由于动物迁徙和植物的随机扩散，生境边界也随之发生动态变动。西河流域生态系统是一个开放的系统，与周围生态系统随时进行能量传递和物质循环，西河流域的生态活动不可能是孤立的，还需要与相邻流域的生态修复活动进行协调。 5.反馈调整式设计 西河流域生态系统的成长是一个过程，西河生态治理工程需要时间。从长时间尺度看，自然生态系统的进化需要数百万年时间。进化的趋势是结构复杂性、生物群落多样性、系统有序性及内部稳定性都有所增加和提高，同时对外界干扰的抵抗力有所增强。从较短的时间尺度看，生态系统的演替，即一种类型的生态系统被另一种生态系统所代替也需要若干年的时间，期望河流修复能够短期奏效往往

22、是不现实的。 西河流域生态水利工程设计主要是模仿成熟的河流生态系统的结构，力求最终形成一个健康、可持续的河流生态系统。在治理工程项目执行以后，就开始了一个自然生态演替的动态过程。这个过程并不一定按照设计预期的目标发展，可能出现多种可能性。最顶层的理想状态应是没有外界胁迫的自然生态演进状态。在西河流域生态治理工程中，恢复到未受人类干扰的河流原始状态往往是不可能的，可以理解这种原始状态是自然生杰演进的极限状态上限。如果没有生态治理工程，在人类活动的胁迫下生态系统的进一步恶化，这种状态则是极限状态的下限。在这两种极限状态之间，生态治理存在着多种可能性。针对具体一项生态治理工程实施以后，一种理想的可能是:监测到的各生态变量是现有科学水