韓素麗

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

傳統(tǒng)意義上的水利工程學(xué)是通過建造堤防、壩、水庫等水工建筑物對河流進行改造和控制，以滿足人類發(fā)展對水資源規(guī)劃利用等需求的一門工程學(xué)科，隨著學(xué)科的發(fā)展，我們意識到，傳統(tǒng)意義上的水利工程在滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需要的同時，不同程度地忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求，造成水體污染、生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性減少，甚至致使河流生態(tài)系統(tǒng)功能退化，嚴(yán)重影響到河流的可持續(xù)利用[1]。為了保證河流廊道健康，在河流廊道上開展生態(tài)工程建設(shè)迫在眉睫。未來的水利工程建設(shè)要兼顧社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源規(guī)劃利用的需求與維持河流水域生態(tài)系統(tǒng)健康的用水需求。涉河水利工程的建造不僅能滿足人類防洪、灌溉、發(fā)電、航運等社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，還要能保證流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展。隨著人類對工程建設(shè)和學(xué)科發(fā)展認(rèn)識的不斷深入，水利工程的建設(shè)汲取了生態(tài)學(xué)的理論及方法，將生態(tài)學(xué)的概念和目標(biāo)融入到傳統(tǒng)水利工程學(xué)中，進一步改進水利工程的設(shè)計理念和方法，豐富水利工程建設(shè)的內(nèi)涵，形成了水利工程與生態(tài)學(xué)的交叉學(xué)科——生態(tài)水利工程學(xué)[2]。生態(tài)水利工程學(xué)是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求的原理及技術(shù)方法學(xué)科[2]。生態(tài)水利工程學(xué)的理念與技術(shù)通過生態(tài)水利工程實現(xiàn)。對于新建工程，生態(tài)水利工程在進行水利工程建設(shè)的同時（如治河、防洪工程），兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，并通過對生物棲息地進行恢復(fù)和重建、改善水體的連通性、實施生態(tài)調(diào)度等方法減少已修建的水利工程帶來的負(fù)面影響。

1 河流廊道的功能

河流是指由一定區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補給，經(jīng)?；蜷g歇地沿著狹長凹地流動的水流，而河流廊道涉及水域，岸邊水利設(shè)施及護坡護岸，河岸綠化三部分，是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，關(guān)系著防洪排水、水利水電、灌溉、飲用水等涉及人民生命、健康、生活等方面。廊道是不同于周圍基質(zhì)的線狀或帶狀景觀要素[3]。河流是重要的景觀自然廊道。在不同的地區(qū)，河流廊道的形成主要源于周圍豐富的植被以及附近土地的構(gòu)成[4]。從橫向上看，河流廊道包含了河流及其兩岸的河漫灘連通的森林與農(nóng)田基底及池塘、濕地等斑塊；從縱向上看，河流是一個線性的帶狀系統(tǒng)，連通了河流上下游，為河道內(nèi)生物、物質(zhì)、能量的流動及交換和信息的傳遞提供場所。河流廊道的功能主要體現(xiàn)在兩個方面，一類是河流的自然廊道功能，另一類是河流的社會廊道功能。

1.1 自然廊道功能

河流廊道的自然廊道功能具體體現(xiàn)在以下四個方面：棲息地功能、源匯功能、通道功能和防洪功能。

1.1.1 棲息地功能

河流廊道對于棲息地價值不僅存在于它本身可以為眾多動植物及微生物提供棲息場所，還在于它能夠連接很多小型的棲息地，并且使野生動植物族群數(shù)量增加，為生物多樣性的發(fā)展提供了空間基礎(chǔ)。河流的曲折及落差形成了河流水力學(xué)的多樣性，河流橫斷面形狀的多樣性，河床材料的復(fù)雜性等為多種生物形成了較為開放的生境條件，為生物的生存繁衍提供很好的棲息場所。河流縱向流動連通了河流上下游的湖泊、深潭、淺灘、濕地、森林及農(nóng)田等斑塊，造就了豐富的生境多樣性，形成了多樣的河流生物群落[5]。

1.1.2 源匯功能

源指的是可以通過傳輸介質(zhì)（對河流廊道而言主要是水）為鄰近的生態(tài)系統(tǒng)提供物質(zhì)和能量，而匯指的是從相鄰地方吸收物質(zhì)和能量。

1.1.3 通道功能

河流廊道的通道功能主要體現(xiàn)在河流的縱向流動上，河流縱向流動輸運水和泥沙，其它物質(zhì)和生物也通過河流廊道遷移運動[3]。養(yǎng)分循環(huán)、徑流污染物的過濾和吸收、地下水補給等過程在河流的流動中完成，魚類的覓食、洄游、產(chǎn)卵等生命活動也可以通過河流提供的通道來完成。

1.1.4 防洪功能

河流廊道可以蓄集和下泄洪水，對于城市河流，河流的防洪功能非常重要。我國每個濱河城市都制訂了相應(yīng)的城市防洪工程規(guī)劃，將其作為城市總體規(guī)劃的一部分。

1.2 社會廊道功能

河流的社會廊道功能主要體現(xiàn)在城市河流與人類的交互作用中，主要分為景觀廊道功能和經(jīng)濟廊道功能兩個方面[7]。

1.2.1 景觀廊道功能

在城市河流的景觀廊道功能中，親水功能尤其重要，城市河流為城市居民提供更多親近自然的機會和休閑游憩的場所，它體現(xiàn)了城市居民對空氣清新的濱河空間的需求。此外，城市河流還提供了休閑通道，濱河公園、文化廣場、緊急疏散道路等公共場所也可以依河而建。我國很多城市因水而興，河流對于城市的發(fā)展具有重要的促進作用，河流的歷史往往能反映一個城市的歷史，沿河岸散布著的名勝古跡或歷史性建筑，是城市人文景觀的重要組成部分。

1.2.2 經(jīng)濟廊道功能

城市河岸不僅能夠帶動沿河地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，甚至對整個城市的經(jīng)濟發(fā)展都起到顯著的提升作用。其濱水住宅帶來土地價值上漲，旅游、休閑、娛樂文化對沿河地區(qū)乃至整個城市的第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展起到重要的促進作用。此外，由河流廊道帶來的自然景色及活動場所有助于城市居民身心健康發(fā)展，具有重要的潛在社會經(jīng)濟價值。

2 河流廊道的生態(tài)工程建設(shè)

在沒有人為干擾的情況下，河流廊道的架構(gòu)、形態(tài)等特征會隨著自然條件而變化，但這種變化處于河流與其廊道之間交互的動態(tài)平衡之中。當(dāng)人類出于防洪減災(zāi)和生產(chǎn)生活方面的考慮，在河流中修建水利工程以實現(xiàn)對河流水資源的控制和調(diào)節(jié)時，必然會對原生河流進行改造，使得河流的天然狀態(tài)、河流所在地域的地形地貌發(fā)生相應(yīng)的改變，甚至?xí)σ院恿鳛檩d體的能量、物質(zhì)及信息產(chǎn)生影響。特別是大規(guī)模治河工程的建設(shè)，嚴(yán)重忽視了河流本身維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的需要。水閘、堤壩等河道水利工程阻斷了河流的連通性，造成河流形態(tài)非連續(xù)化及邊界單一化，極大地破壞了河流廊道的生態(tài)功能。自然河道中的生態(tài)水利工程建設(shè)迫在眉睫。生態(tài)水利工程的重點應(yīng)盡可能創(chuàng)造和連通河流，使其符合自然河流的地貌學(xué)原理，依靠人工種植岸邊植被或引進生物物種等恢復(fù)措施，為生物群落多樣性創(chuàng)造恢復(fù)條件[6]。本文主要從生態(tài)堤壩、生態(tài)景觀及近自然魚道工程三個方面介紹河流廊道生態(tài)水利工程的應(yīng)用及發(fā)展。

2.1 生態(tài)堤壩的研究

河流的生態(tài)水利工程就是為了能使河流保持原有的自然屬性，同時滿足人類社會經(jīng)濟發(fā)展需要及河流生態(tài)系統(tǒng)本身健康發(fā)展的需求[8]。

2.1.1 堤壩材料

采用人工材料治理河床而忽略河流自然屬性的河流治理方法已被各國逐漸淘汰[14]，而生態(tài)河堤已成為國際上堤壩建設(shè)新的焦點問題。

生態(tài)河堤把過去以混凝土等人工材料為建造主體的水工建筑物演變成為更適合生物生存和繁衍的以水、土、動植物和微生物混合為主要形式的生態(tài)護堤。生態(tài)河堤的建造不僅考慮了所用材料的強度、適用性、安全性及耐久性，還著重考慮了使用此種堤壩材料隨之帶來的生態(tài)效應(yīng)。

河堤土壤微生物與河流水土環(huán)境間的充分交流，可達到增加河道河流水中的含氧量、凈化河流水質(zhì)的正面效果。此外，河堤土壤水與河流水土環(huán)境發(fā)生動態(tài)交換，同時可調(diào)節(jié)河道水量，對河道起到滯洪補枯的積極作用。

2.1.2 生態(tài)需水量

水利工程建設(shè)改變了河流的水文情勢，造成河流非連續(xù)，甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，通過實施生態(tài)調(diào)度能部分滿足下游河道生態(tài)用水需要，從而減少水利工程建設(shè)給生態(tài)環(huán)境帶來的負(fù)面影響。在堤壩設(shè)計中，生態(tài)需水量的確定是生態(tài)調(diào)度實施的基礎(chǔ)，也是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的有效措施之一。確定生態(tài)流量的方法包括：1）水文指數(shù)法，即依據(jù)歷史水文資料（流量、水溫、集雨面積等）確定需水量。主要有基本流量法、7Q10 法、Tennant法、（Texas）法等[9]。2）水力學(xué)法，常用的有利用水力半徑公式計算的濕周法、根據(jù)濕周和流量計算的R2Cross法[9]。3）棲息地法，根據(jù)目標(biāo)物種所需的水力條件確定河流流量，最常用的是IFIM法[10]。4）整體分析法，通過綜合研究河流廊道生境要素與生物群落之間的響應(yīng)關(guān)系確定流量范圍，并要求確定的流量能滿足維持整體生態(tài)功能要求，主要有南非的BBM法[11]。不同的生態(tài)需水量估算方法有其適用條件和適用范圍，需結(jié)合當(dāng)?shù)厮臈l件及河流特性選用。

2.2 生態(tài)景觀工程研究

河道護岸硬化阻斷了河道與河岸土壤之間的交互，影響河道與河畔植被的水、氣循環(huán)，使河岸植被和水生動植物賴以生存的基礎(chǔ)遭到破壞。硬化護岸使河畔植被失去了生存空間，一些水生動物也因河畔植被消失而失去了生存、避難地，河流水質(zhì)缺氧，并最終使河流水質(zhì)惡化，惡化水質(zhì)又加劇了生態(tài)系統(tǒng)的崩潰，河流生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展形成了惡性循環(huán)。生態(tài)景觀工程不再局限于傳統(tǒng)“兩堤一河”的河道治理模式，而是將河流與周邊公共綠地相結(jié)合，通過拓寬河道，增加水土交界面，運用自然材料和植被打造一個綠色的河道自然生態(tài)環(huán)境。如河北省遷西縣城段灤河河道綜合治理工程，通過修建溢流堰攔蓄徑流形成濕地景觀，改變以往防洪工程梯形段面的做法，在滿足防洪要求的前提下將岸堤布置為緩坡壟崗，使地形更富于變化，創(chuàng)造多樣的生境條件。采用當(dāng)?shù)匚锓N及多年來適應(yīng)本地自然條件的外來樹種為綠化主體骨架，防止生物入侵，維護當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)的完整性。同時，對人為破壞的河流生境進行重建，使其恢復(fù)到原有自然狀態(tài)。在滏陽河生態(tài)景觀設(shè)計中，充分尊重滏陽河的自然形態(tài)，保持河流生境的多樣性，恢復(fù)其生氣和靈氣。在河道水面景觀設(shè)計時，在合適的方位盡可能營造大水面，并利用曲折、變化的湖岸，設(shè)計出不同水體形態(tài)與景觀特征，曲線化的河道使河岸線加長，可創(chuàng)造出更多的臨水空間，同時最大程度地體現(xiàn)水的形態(tài)特征，極大豐富水脈景觀，進一步提高周邊土地經(jīng)濟價值。

2.3 仿自然魚道工程建設(shè)的研究

魚道是在水閘或壩上修建人工水槽供魚類洄游時通過河流障礙物的專用水工設(shè)施，在保持河流連續(xù)性和生物種群交流方面也發(fā)揮著重要作用。原始的魚道是對河道中的礁石等天然障礙物進行開鑿和移除，以維持魚類洄游路線暢通的溝渠，直到20世紀(jì)初期才有了現(xiàn)代意義上的魚道[16]。1909—1913年間，著名工程師丹尼爾設(shè)計了第一個現(xiàn)代意義上魚道，即“丹尼爾型魚道”，之后相繼出現(xiàn)了以通過某種具有經(jīng)濟價值的魚類或珍稀寶貴魚類為目的的水池型魚道，隨著水力學(xué)的不斷發(fā)展，魚道的結(jié)構(gòu)也不斷變化，先后出現(xiàn)了槽型魚道、隔板型魚道等。近幾年，隨著我國水電資源開發(fā)程度加大，很多河流自然生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，漁業(yè)資源嚴(yán)重退化，甚至國家級珍稀魚類的生存都受到威脅。在此背景下，過魚設(shè)施的研究和建設(shè)受到重視，一批過魚設(shè)施已建成運行或在規(guī)劃建設(shè)中[13]，同時我國也借鑒國外先進經(jīng)驗，加強對仿自然魚道的研究。王猛等[12]對在長江某段擬建設(shè)的一座低水頭徑流式水電站不同運行方式下的魚道進、出口流態(tài)，流速分布等水力參數(shù)進行了研究，并進行了活魚試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)魚道進口能被大部分過壩魚類所察覺并找到，對于喜歡在中下層洄游的大中型魚類效果更佳。李廣寧等[14]用當(dāng)?shù)睾哟膊牧显隰~道內(nèi)構(gòu)建卵石隔墻模擬天然河流流態(tài)，并分析其對魚道水力特性的改善效果。研究表明，采用卵石墻的仿自然魚道，池室內(nèi)水流流態(tài)更加豐富，能滿足多種魚類的上溯需求。朱世洪等[15]對不同結(jié)構(gòu)段過魚通道內(nèi)水流平面及三維流態(tài)進行數(shù)值模擬及物理模型試驗，結(jié)果表明，通過在仿自然通道內(nèi)部設(shè)置消能墩、中部設(shè)置收縮段、側(cè)壁輔以條形消能墩的新型結(jié)構(gòu)可使過魚通道水流流場實現(xiàn)縱向分層和橫向分區(qū)，可供多種魚類通過。實際上，魚道的過魚效率不僅取決于過魚通道內(nèi)的水流流態(tài)和水力學(xué)特征，還取決于過魚對象與魚道水流之間的協(xié)調(diào)性[16]。相對于傳統(tǒng)魚道，仿自然魚道中的水流流態(tài)更為魚類所熟悉，能滿足多種魚類的洄游需要，因此過魚效率更高[14]。同時，仿自然魚道很好地維系了人工河道的連續(xù)性，使有效地增加河道內(nèi)包括魚類、藻類、微生物在內(nèi)的生物種群的數(shù)量與多樣性。

3 展望

我國生態(tài)水利工程學(xué)領(lǐng)域的研究起步較晚，理論基礎(chǔ)還很薄弱，因此要加強對相關(guān)理論基礎(chǔ)的研究，同時，隨著其它學(xué)科及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，水利工程的發(fā)展還要融入其它學(xué)科先進的技術(shù)和理念。

3.1 水文要素與生物響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)研究

分析河流廊道生境要素變化與生物生命過程的響應(yīng)關(guān)系，開展關(guān)鍵物種對主要環(huán)境因子變化，如關(guān)鍵生物種群對棲息地的地形、水力學(xué)要素變化的敏感性研究。研究水利工程建造前后水文和水力學(xué)要素的變化特征（洪水歷時、河道流量豐枯變化，季節(jié)性洪水脈沖變化，大壩高速水流下泄的摻氣過飽和現(xiàn)象，大壩建成后庫區(qū)的水溫分層及低溫水排放等）對河道生物的生長、發(fā)育、繁殖等生命過程的影響。開展現(xiàn)場監(jiān)測并對生物對環(huán)境變化響應(yīng)物理過程進行模擬實驗，開發(fā)基于生物需求的水文過程模擬模型，探索滿足各河流獨特生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的河道生態(tài)需水量計算體系或方法。

3.2 水利工程生態(tài)影響評價

開展水利工程的生態(tài)影響評價，制定評價系統(tǒng)的指標(biāo)體系和方法，對水利工程生態(tài)效應(yīng)的科學(xué)性、統(tǒng)一性進行評估。大多的水利工程生態(tài)環(huán)境影響評價仍以定性評價為主，缺乏定量的、科學(xué)統(tǒng)一的評估方式。在制定評價體系時，應(yīng)做到定性與定量結(jié)合研究，定性分析需要以現(xiàn)狀調(diào)查為基礎(chǔ)，從水生生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有物種的種類、組成、結(jié)構(gòu)和功能，預(yù)測水利工程建設(shè)后對生物群落在組成、數(shù)量、結(jié)構(gòu)等方面的影響。定量評估需確定水利工程生態(tài)影響程度和經(jīng)濟效益大小，制定統(tǒng)一的、科學(xué)的、具有代表性的指標(biāo)體系、評價標(biāo)準(zhǔn)和評價方法，使不同水利工程生態(tài)影響的評價結(jié)果具有科學(xué)性和可比性。

3.3 高新技術(shù)的應(yīng)用

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，水利工程逐漸向生態(tài)智慧水利的方向發(fā)展，為水資源的決策和調(diào)度提供參考。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展，運用3S技術(shù)研究河流污染物的遷移規(guī)律、管理區(qū)域內(nèi)水資源將會是未來新的水利研究方向。國外已經(jīng)針對水資源監(jiān)管不到位，導(dǎo)致水資源利用率過低現(xiàn)象，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)水利工程建設(shè)方法。從遙感、云計算、地理信息系統(tǒng)、多傳感器和Web服務(wù)器，建立了用于收集和處理海量數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對對規(guī)劃管理的數(shù)字化操作。此外，人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用研究應(yīng)該得到加強和普及。

4 總結(jié)

水利工程的建設(shè)不僅要解決人類發(fā)展需要的水資源問題，更重要的是要解決人類生存需要的健康、穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境問題。水利工程的建設(shè)，勢必要對河流生態(tài)產(chǎn)生影響，充分認(rèn)識和了解這些影響，對社會環(huán)境、生態(tài)自然環(huán)境實施安全、經(jīng)濟、自然可持續(xù)的工程方案，促進水利工程在生態(tài)環(huán)境中起到積極的作用。生態(tài)水利工程引入了生態(tài)系統(tǒng)的理論和概念，豐富和發(fā)展了人類對水利工程建設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和完整性的認(rèn)識，有望解決因為人類不合理的河流開發(fā)導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境破壞、人與自然之間矛盾的問題。生態(tài)水利工程的建設(shè)不僅要在外部形式上應(yīng)符合人類的審美需要，更要在內(nèi)部和整體結(jié)構(gòu)上符合自然生態(tài)學(xué)原理和生物學(xué)特性。同時，在設(shè)計生態(tài)水利工程時，應(yīng)充分考慮生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)、反饋調(diào)整的功能特點，加強水利工程對生態(tài)恢復(fù)的引導(dǎo)作用；以水利工程的安全性、經(jīng)濟性和美觀性為原則，確保建造的生態(tài)水利工程安全可靠和美觀；把握好景觀的尺度及整體性，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工程建設(shè)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的完整性；尊重河流形態(tài)的空間異質(zhì)性，盡可能使河流保持天然穩(wěn)定的狀態(tài)。