论水利工程设计与生态河流基本分析

【摘要】生态水利工程设计主要是模仿河流生态系统的结构，为可持续的河流生态系统。在河流工程项目执行以后，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、冲刷等河流特征，动态地研究河势变化规律，保证河流修复工程的耐久性。

【关键词】生态水利工程；设计；耐久性

生态水利工程是一项综合性工程，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。

1 生态水利工程学的内涵

1.1 传统意义的水利工程学

对于新建工程，是指进行传统水利建设的同时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。传统意义上的水利工程可以简单理解为人类为实现水资源的再分配和水资源的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：

1.1.1 提供稳定的水源（如修建水库、打井）；

1.1.2 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）。

1.1.3 提供清洁能源（修建水电站）；

1.1.4 提供水利旅游景点（如修建水库、人工湖泊等），这主要体现了水利工程的资源、经济与社会性。

1.2 生态水利工程学的概念

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和技术方法的工程学。它包含以下4个方面的科学内涵：

1.2.1 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；

1.2.2 生态水利工程强调施工过程的环境友好性，防止在施工过程中造成巨大的环境成本付出；

1.2. 3 生态水利工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；

1.2.4 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。

2 生态水利工程学的基本原则

2.1 工程安全性和经济性原则

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。必须充分考虑河流泥沙输移、淤积及河流侵蚀、冲刷等河流特征。动态地研究河势变化规律，保证河流修复工程的稳定性。对于生态水利工程的经济合理性分析，应遵循投入最小而经济效益和生态效益最大的原则。

2.2 保持和恢复河流形态的空间异质性原则

有关生物群落研究的大量资料表明，生物群落多样性与非生物环境空间异质性存在正相关关系。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耦合关系。一个地区的生境空间异质性越高，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。

2.3 生态系统自设计、自我恢复原则

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，某些与生态系统友好的物种，能够经受自然选择的考验，寻找到相应的能源与合适的环境条件。在这种情况下，生境就可以支持一个具有足够数量并能进行繁衍的种群。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1/2。在利用自设计理论时，需要注意充分利用乡土种。引进外来物种时要持慎重态度，防止生物入侵。

2.4 流域尺度及整体性原则

河流生态修复规划应该在流域尺度和长期的时间尺度上进行，而不是在河段或局部区域的空间尺度和短期的时间尺度上进行。所谓“整体性”是指从生态系统结构和功能出发，掌握生态系统各个要素间的交互作用，提出修复河流生态系统的整体、综合的系统方法，而不是仅仅考虑河道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。水域生态系统是一个大系统，其子系统包括生物系统、广义水文系统和工程设施系统。

2.5 反馈调整式设计原则

生态系统和社会系统都不是静止的，在时间与空间上常具有不确定性。除了自然系统的演替外。人类系统的变化及干扰也导致了生态系统的调整。这种不确定性使生态水利工程设计呈一种反馈调整式的设计方法。是按照“设计-执行-监测-评估-调整”流程以反复循环的方式进行的。在这个流程中，监测工作是基础。监测工作包括生物监测和水文观测，需要在项目初期建立完善的监测系统，进行长期观测。同时还需要建立一套河流健康的评估体系，用以评估河流生态系统的结构与功能的状况及发展趋势。

3 生态水利工程设计基本理论和方法

随着生态学的发展，人们对于河流治理有了新的认识，认识到水利工程除了要满足人类社会的需求外，还要满足维护生物多样性的需求，相应发展了生态工程技术和理论。生态水利工程设计应遵循如下三个方面的理论与技术路线。

3.1 以生态水文与工程水文为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。

3.2 应识别工程可能影响的关键生态敏感目标

生态水利工程的设计应当能准确识别受工程直接或间接影响的生态目标，并在工程规划阶段给予充分考虑。但当前在许多水利工程的设计中很少或没有对流域生态敏感点加以考虑。又如三江平原早期实施的防洪治涝工程中，有的地方出现了跨流域排水。

3.3 生态水利工程的设计要与环境工程设计进行有机结合

生态水利工程的设计应当充分吸收环境科学与工程的理论和技术，实现水量与水质同步科学配置的目的，尤其是应与水污染防治工程进行有机的结合。为了减缓旱田排水挟带泥沙或污染物进入下游湖泊或天然湿地，可以在进入湖泊或湿地的过渡带设计生态处理沟渠或氧化塘。对于水田排水沟渠可以充分利用其生长季节蓄水，利用人工沟渠湿地对有机污染物质进行降解，其实，人工沟渠在蓄水状况下，如果沟渠两坡生长有水生植被，对水质处理效果较为明显。所以，在缺水地区种植水稻，特别是开采地下水种植水稻的地区，应当进行以水量高效利用与水质净化为目的的生态水利工程设计。这种设计思路应该来源于水污染的自然稳定塘处理理论与工艺。

4 结语

总之，发展生态水利工程学，需要鼓励多学科的合作与融合；需要积极借鉴发达国家的经验。立足自主创新。同时还要不断改进工程规划设计理念和技术，在工程示范和实践的基础上提升理论，总结技术标准和规范.探索、发展与生态友好的水利工程技术体系。在设计过程中，要提倡科学家、管理者和当地居民及社会各界的广泛参与，通过对话、协商，以寻求共同利益。提倡多学科的交流和融合，提高设计的科学性。

【参考文献】

[1]刘正茂，吕宪国，武海涛.生态水利工程设计若干问题的探讨[J].水利水电科技进展，2008，（1）.