生态水工学的理论框架

生态水工学的理论框架摘要:江河湖库水环境现状?我国江河、湖泊和水库普遍受到污染，至今仍在迅速发展。水污染加剧了水资源短缺，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。关键词:生态水工学的理论框架1引言1.1江河湖库水环境现状?我国江河、湖泊和水库普遍受到污染，至今仍在迅速发展。水污染加剧了水资源短缺，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。据初步估计，水污染造成的经济损失约为国民生产总值的1.5%～3%。水污染已成为不亚于洪灾、旱灾甚至更为严重的灾害。据2000年统计，我国河流水质在?11.4万公里评价河长中，符合和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7%，比上年下降3.7%。关于湖泊水质，在评价的24个湖泊中，9个湖泊水质符合或优于Ⅲ类水，4个湖泊部分水体受到污染，11个湖泊水污染严重。在对93座水库进行营养化程度评价时，处干中营养化状态的水库65座，处于富营养化状态的水库14座。这些情况说明我国江河湖库水体污染状况严重，且有明显恶化趋势。最近20余年我国经济迅猛发展，由于工业结构不合理和粗放式的发展模式，工业废水造成的水污染占水污染负荷50%以上，未经处理的工业废水排放是最重要的点污染源。农田施用化肥、农药后形成的农田径流，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之一。内源污染还会释放出蓄存的重金属、有毒有机化学品成为二次污染源，对生态和人体健康造成长期危害。解决水环境污染问题的根本方法是对污染源的?控制和治理，特别是加强源头治理。从我国生态环境的总体状况看，生态环境恶化的趋势一直未得到遏制，主要表现在：森林覆盖率低，增长缓慢，部分地区覆盖率减少；草地生态破坏加重；水土流失仍然严重；荒漠化面积扩大。为了遏制这种恶化的趋势，近年来国家已将生态环境建设提到十分重要的地位，制定规划，加大投资。生态环境建设主要包括两类内容：一类是以封育保护和植树种草为主要手段的植被建设；另一类是生态环境的综合治理，包括水土保持和荒漠化防治。这些重大举措必然对我国江河湖库水环境的改善产生深远的影响。1.2运用水利工程改善生态环境的重要实践?近几年来，为改善流域的水环境，恢复生态系统，水利部加强了流域的综合管理，通过统一调度，使黄河、塔里木河及黑河等流域的趋于恶化的生态系统得到了初步恢复。黄河全长5464公里，多年平均径流量580亿立方米，仅为长江的1/17，属资源性缺水。加之管理粗放，用水无序无度，自1972年到1999年间，有22个年份发生断流。2000年起实行统一调度管理，初步扭转黄河干流10年来持续断流的局面，使黄河三角洲地区生态系统得到明显改善。塔里木河是我国最大的内陆河，流域面积102万平方公里，全长1321公里，水资源总量429亿立方米。流域平均年降雨量仅40毫米，属于极端干旱区。加之水资源管理不善，用水无度，水资源利用效率低，导致下游大西海子以下363公里河道自70年代起断流。生态系统严重破坏，胡杨林面积减少，草场退化，沙漠化面积增加。为了抢救塔里木河下游日益恶化的生态系统，2O00年5月起，水利部组织4次向塔河下游应急输水，博斯腾湖累计输出13多亿立方米，大西海子水库下泄7亿立方米，重现台特玛湖，结束了塔河下游3O0多公里河道近30年的断流历史；挽救了濒临消亡的沙漠植被，胡杨柳复苏，天鹅返回，生态系统呈现恢复势头。《塔里木河流域综合治理方案》已经国务院批准。黑河起源于祁连山，全长821公里，跨青海、甘肃、内蒙古三省（区），处于严重干旱区。自80年代以来黑河下游河湖干涸、荒漠化趋势严重。胡杨林及下游地区林灌草甸草地面积大幅度减少，草地植物群落也由原来的草甸草地群落向荒漠草地群落演替。为了缓解生态系统恶化的局面，自2000年7月起对黑河水量实施统一调度。2002年7月第7次“全线关闭，集中下泄”调水，到达下游干涸十年之久的东居延海。随着湖区水面的形成和扩大，一群群鱼鸥和水鸭子迁徙湖区，成群的骆驼赶来饮水，生态系统出现复苏的趋势。为进一步对黑河进行综合治理，《黑河近期治理规划要点》已经批准。以上事实说明，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，流域生态系统的改善对流域的经济社会的可持?续发展作用更大。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，我们所关心的问题是：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降低对原有生态系统的负面影响，进而使水利工程建设除了能满足人对水的多种需求的同时，还能维持生态系统的完整性。2在一个健全生态系统中的水讨论的问题是：考察水质状况与生态系统的关系，考察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。为说明问题，我们先分析两个案例和一项技术。2.1河北省两座水库对比引起的思考?洋河水库位于秦皇岛市抚宁县，总库容3.586亿立方米，控制流域面积755平方公里。另从其以北的桃林口水库通过引青济秦渠道引水到洋河水库，但近年引水量减少。洋河水库的主要功能是通过管线为秦皇岛年供水5500万立方米。近年来，水库水质测验为Ⅳ-Ⅴ类，主要污染因子为COD、T-P、NH3-N，藻类（水华）浓度高，初步认为是铜绿微囊藻或是水华微囊藻，这种水对人体肝脏危害较大。洋河水库水质恶化，富营养化严重，已经引起秦皇岛市的不满，以至计划另辟供水水源。从污染源调查看，实际上水库周边并没有工矿企业，仅在秋季周边农民加工淀粉制作粉条，废水排入水库，另外就是农田面源污染及附近3个村镇的生活污水造成的轻度污染。与洋河水库形成鲜明对照的是与其相距几十公里的桃林口水库。桃林口水库水质为Ⅰ—Ⅱ类，水体清澈透明，这在海河流域实为难得。原因何在，桃林口水库周围生长着华北地区罕见的茂密森林，已经被严格封山保护，水陆交错带水生植物、陆生灌木错落有致，库区内水鸟飞翔，鱼类潜泳。再看洋河水库的生态环境。水库周围山上林木覆盖率低，不少山峰近乎是秃山。水陆交界带裸露，近乎空白。库内几乎无大型水生植物。人们不禁要问：两座水库的降雨量(600～700mm)、气温等自然条件几乎相同，为什么水质出现如此大的差异。2.2莱茵河“鲑鱼2000计划”的原由?莱茵河是欧洲的大河，流域面积18.5万km2，河流总长1320km。流域内有瑞士、德国、法国、比利时和荷兰等9国。二次大战以后莱茵河沿岸国家工业急剧发展，环境管理工作滞后，造成污染不断蔓延，污染主要来源于工业污染和生活污染。到70年代污染风险加大，专家认为“莱茵河状态近于昏迷”。大量未经处理的有机废水倾入莱茵河，导致莱茵河水的氧气含量不断降低，生物物种减少，最具代表性的鱼类—鲑鱼开始死亡。1986年，在莱茵河上游史威查豪尔（Schweizerhalle）发生了一场大火，有10吨杀虫剂随水流进入莱茵河，造成鲑鱼和小型动物大量死亡，其影响河段长达500多公里，直到莱茵河下游。事故如此突然和巨大，无疑对莱茵河如同雪上加霜。社会舆论哗然，立即成了公众的焦点。成立于1950年的莱茵河保护国际委员会（ICPR）于1987年提出了莱茵河行动计划，得到了莱茵河流域各国和欧共体的一致支持。这个计划的鲜明特点是以生态系统恢复作为莱茵河重建的主要指标，这是以流域敏感物种的种群表现对环境变化?进行评估的方法。主攻目标是：到200O年鲑鱼重返莱茵河，故将这个河流治污的长远规划命名为：“鲑鱼—2000计划”。这个规划详细提出了要使生物群落重返莱茵河及其支流所需要提供的条件，治理总目标是莱茵河要成为“一个完整的生态系统的骨干”。沿岸各国投入了数百亿美元用于治污和生态系统建设。到1995年，对行动计划的执行进行了检查。报告指出，工业生产的环境安全标准已经在严格执行；建设了大量的湿地、恢复森林植被，建立了完善的监测系统，为使鲑鱼及其它动物群落重返莱茵河，完成了一批新型鱼道建筑物的工程计划。到2000年莱茵河全面实现了预定目标，沿河森林茂密，湿地发育，水质清澈洁净。鲑鱼已经从河口洄游到上游-瑞士一带产卵，鱼类、鸟类和两栖动物重返莱茵河。莱茵河整治经验是，水环境改善的目标不是简单用若干水质指标来衡量，而是将目标确定为恢复一个完整的流域生态系统。这种目标建立在这样的理念基础之上：洁净的河流应该是一个健全生态系统的骨干。2.3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。其工作原理是：污染物与植物的茎部的接触靠电化学作用产生沉淀效果；植物的根与茎的吸收去除污染物质；附着在植物茎部和根部上的微生物的吸附分解作用对水进行净化。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。其反应过程是：基质向生物膜表面扩散；在生物膜内部扩散；微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；代谢生成物排出生物膜。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。生物操纵技术的原理主要是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，藉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。生态方法水体修复技术具有以下优点：处理效果好，工程造价相对较低，运行成本低廉，还可以结合景观改善及城市地区场所休闲建设。这种技术在国内外都已经有一些成功的工程实例。生态方法处理污水技术给我们的启示是：自然界本身对于江河湖泊就具备一种很强的净化能力，生态方法处理污水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的一种尝试。那么水体自净能力的机理是什么，生态系统自身规律又是什么。众所周知，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。在这里撓低硵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