生态水利工程在河流廊道工程中的应用研究

韩素丽

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

传统意义上的水利工程学是通过建造堤防、坝、水库等水工建筑物对河流进行改造和控制，以满足人类发展对水资源规划利用等需求的一门工程学科，随着学科的发展，我们意识到，传统意义上的水利工程在满足社会经济发展需要的同时，不同程度地忽视了河流生态系统本身的需求，造成水体污染、生态环境恶化、生物多样性减少，甚至致使河流生态系统功能退化，严重影响到河流的可持续利用[1]。为了保证河流廊道健康，在河流廊道上开展生态工程建设迫在眉睫。未来的水利工程建设要兼顾社会经济发展对水资源规划利用的需求与维持河流水域生态系统健康的用水需求。涉河水利工程的建造不仅能满足人类防洪、灌溉、发电、航运等社会经济发展的需要，还要能保证流域生态系统可持续性发展。随着人类对工程建设和学科发展认识的不断深入，水利工程的建设汲取了生态学的理论及方法，将生态学的概念和目标融入到传统水利工程学中，进一步改进水利工程的设计理念和方法，丰富水利工程建设的内涵，形成了水利工程与生态学的交叉学科——生态水利工程学[2]。生态水利工程学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及技术方法学科[2]。生态水利工程学的理念与技术通过生态水利工程实现。对于新建工程，生态水利工程在进行水利工程建设的同时（如治河、防洪工程），兼顾河流生态系统健康发展，并通过对生物栖息地进行恢复和重建、改善水体的连通性、实施生态调度等方法减少已修建的水利工程带来的负面影响。

1 河流廊道的功能

河流是指由一定区域内地表水和地下水补给，经常或间歇地沿着狭长凹地流动的水流，而河流廊道涉及水域，岸边水利设施及护坡护岸，河岸绿化三部分，是生态环境的重要组成部分，关系着防洪排水、水利水电、灌溉、饮用水等涉及人民生命、健康、生活等方面。廊道是不同于周围基质的线状或带状景观要素[3]。河流是重要的景观自然廊道。在不同的地区，河流廊道的形成主要源于周围丰富的植被以及附近土地的构成[4]。从横向上看，河流廊道包含了河流及其两岸的河漫滩连通的森林与农田基底及池塘、湿地等斑块；从纵向上看，河流是一个线性的带状系统，连通了河流上下游，为河道内生物、物质、能量的流动及交换和信息的传递提供场所。河流廊道的功能主要体现在两个方面，一类是河流的自然廊道功能，另一类是河流的社会廊道功能。

1.1 自然廊道功能

河流廊道的自然廊道功能具体体现在以下四个方面：栖息地功能、源汇功能、通道功能和防洪功能。

1.1.1 栖息地功能

河流廊道对于栖息地价值不仅存在于它本身可以为众多动植物及微生物提供栖息场所，还在于它能够连接很多小型的栖息地，并且使野生动植物族群数量增加，为生物多样性的发展提供了空间基础。河流的曲折及落差形成了河流水力学的多样性，河流横断面形状的多样性，河床材料的复杂性等为多种生物形成了较为开放的生境条件，为生物的生存繁衍提供很好的栖息场所。河流纵向流动连通了河流上下游的湖泊、深潭、浅滩、湿地、森林及农田等斑块，造就了丰富的生境多样性，形成了多样的河流生物群落[5]。

1.1.2 源汇功能

源指的是可以通过传输介质（对河流廊道而言主要是水）为邻近的生态系统提供物质和能量，而汇指的是从相邻地方吸收物质和能量。

1.1.3 通道功能

河流廊道的通道功能主要体现在河流的纵向流动上，河流纵向流动输运水和泥沙，其它物质和生物也通过河流廊道迁移运动[3]。养分循环、径流污染物的过滤和吸收、地下水补给等过程在河流的流动中完成，鱼类的觅食、洄游、产卵等生命活动也可以通过河流提供的通道来完成。

1.1.4 防洪功能

河流廊道可以蓄集和下泄洪水，对于城市河流，河流的防洪功能非常重要。我国每个滨河城市都制订了相应的城市防洪工程规划，将其作为城市总体规划的一部分。

1.2 社会廊道功能

河流的社会廊道功能主要体现在城市河流与人类的交互作用中，主要分为景观廊道功能和经济廊道功能两个方面[7]。

1.2.1 景观廊道功能

在城市河流的景观廊道功能中，亲水功能尤其重要，城市河流为城市居民提供更多亲近自然的机会和休闲游憩的场所，它体现了城市居民对空气清新的滨河空间的需求。此外，城市河流还提供了休闲通道，滨河公园、文化广场、紧急疏散道路等公共场所也可以依河而建。我国很多城市因水而兴，河流对于城市的发展具有重要的促进作用，河流的历史往往能反映一个城市的历史，沿河岸散布着的名胜古迹或历史性建筑，是城市人文景观的重要组成部分。

1.2.2 经济廊道功能

城市河岸不仅能够带动沿河地区的经济发展，甚至对整个城市的经济发展都起到显著的提升作用。其滨水住宅带来土地价值上涨，旅游、休闲、娱乐文化对沿河地区乃至整个城市的第三产业经济发展起到重要的促进作用。此外，由河流廊道带来的自然景色及活动场所有助于城市居民身心健康发展，具有重要的潜在社会经济价值。

2 河流廊道的生态工程建设

在没有人为干扰的情况下，河流廊道的架构、形态等特征会随着自然条件而变化，但这种变化处于河流与其廊道之间交互的动态平衡之中。当人类出于防洪减灾和生产生活方面的考虑，在河流中修建水利工程以实现对河流水资源的控制和调节时，必然会对原生河流进行改造，使得河流的天然状态、河流所在地域的地形地貌发生相应的改变，甚至会对以河流为载体的能量、物质及信息产生影响。特别是大规模治河工程的建设，严重忽视了河流本身维持生态系统平衡的需要。水闸、堤坝等河道水利工程阻断了河流的连通性，造成河流形态非连续化及边界单一化，极大地破坏了河流廊道的生态功能。自然河道中的生态水利工程建设迫在眉睫。生态水利工程的重点应尽可能创造和连通河流，使其符合自然河流的地貌学原理，依靠人工种植岸边植被或引进生物物种等恢复措施，为生物群落多样性创造恢复条件[6]。本文主要从生态堤坝、生态景观及近自然鱼道工程三个方面介绍河流廊道生态水利工程的应用及发展。

2.1 生态堤坝的研究

河流的生态水利工程就是为了能使河流保持原有的自然属性，同时满足人类社会经济发展需要及河流生态系统本身健康发展的需求[8]。

2.1.1 堤坝材料

采用人工材料治理河床而忽略河流自然属性的河流治理方法已被各国逐渐淘汰[14]，而生态河堤已成为国际上堤坝建设新的焦点问题。

生态河堤把过去以混凝土等人工材料为建造主体的水工建筑物演变成为更适合生物生存和繁衍的以水、土、动植物和微生物混合为主要形式的生态护堤。生态河堤的建造不仅考虑了所用材料的强度、适用性、安全性及耐久性，还着重考虑了使用此种堤坝材料随之带来的生态效应。

河堤土壤微生物与河流水土环境间的充分交流，可达到增加河道河流水中的含氧量、净化河流水质的正面效果。此外，河堤土壤水与河流水土环境发生动态交换，同时可调节河道水量，对河道起到滞洪补枯的积极作用。

2.1.2 生态需水量

水利工程建设改变了河流的水文情势，造成河流非连续，甚至出现断流现象，通过实施生态调度能部分满足下游河道生态用水需要，从而减少水利工程建设给生态环境带来的负面影响。在堤坝设计中，生态需水量的确定是生态调度实施的基础，也是维持河流生态系统健康发展的有效措施之一。确定生态流量的方法包括：1）水文指数法，即依据历史水文资料（流量、水温、集雨面积等）确定需水量。主要有基本流量法、7Q10 法、Tennant法、（Texas）法等[9]。2）水力学法，常用的有利用水力半径公式计算的湿周法、根据湿周和流量计算的R2Cross法[9]。3）栖息地法，根据目标物种所需的水力条件确定河流流量，最常用的是IFIM法[10]。4）整体分析法，通过综合研究河流廊道生境要素与生物群落之间的响应关系确定流量范围，并要求确定的流量能满足维持整体生态功能要求，主要有南非的BBM法[11]。不同的生态需水量估算方法有其适用条件和适用范围，需结合当地水文条件及河流特性选用。

2.2 生态景观工程研究

河道护岸硬化阻断了河道与河岸土壤之间的交互，影响河道与河畔植被的水、气循环，使河岸植被和水生动植物赖以生存的基础遭到破坏。硬化护岸使河畔植被失去了生存空间，一些水生动物也因河畔植被消失而失去了生存、避难地，河流水质缺氧，并最终使河流水质恶化，恶化水质又加剧了生态系统的崩溃，河流生态系统的发展形成了恶性循环。生态景观工程不再局限于传统“两堤一河”的河道治理模式，而是将河流与周边公共绿地相结合，通过拓宽河道，增加水土交界面，运用自然材料和植被打造一个绿色的河道自然生态环境。如河北省迁西县城段滦河河道综合治理工程，通过修建溢流堰拦蓄径流形成湿地景观，改变以往防洪工程梯形段面的做法，在满足防洪要求的前提下将岸堤布置为缓坡垄岗，使地形更富于变化，创造多样的生境条件。采用当地物种及多年来适应本地自然条件的外来树种为绿化主体骨架，防止生物入侵，维护当地自然生态系统的完整性。同时，对人为破坏的河流生境进行重建，使其恢复到原有自然状态。在滏阳河生态景观设计中，充分尊重滏阳河的自然形态，保持河流生境的多样性，恢复其生气和灵气。在河道水面景观设计时，在合适的方位尽可能营造大水面，并利用曲折、变化的湖岸，设计出不同水体形态与景观特征，曲线化的河道使河岸线加长，可创造出更多的临水空间，同时最大程度地体现水的形态特征，极大丰富水脉景观，进一步提高周边土地经济价值。

2.3 仿自然鱼道工程建设的研究

鱼道是在水闸或坝上修建人工水槽供鱼类洄游时通过河流障碍物的专用水工设施，在保持河流连续性和生物种群交流方面也发挥着重要作用。原始的鱼道是对河道中的礁石等天然障碍物进行开凿和移除，以维持鱼类洄游路线畅通的沟渠，直到20世纪初期才有了现代意义上的鱼道[16]。1909—1913年间，著名工程师丹尼尔设计了第一个现代意义上鱼道，即“丹尼尔型鱼道”，之后相继出现了以通过某种具有经济价值的鱼类或珍稀宝贵鱼类为目的的水池型鱼道，随着水力学的不断发展，鱼道的结构也不断变化，先后出现了槽型鱼道、隔板型鱼道等。近几年，随着我国水电资源开发程度加大，很多河流自然生态系统遭到破坏，渔业资源严重退化，甚至国家级珍稀鱼类的生存都受到威胁。在此背景下，过鱼设施的研究和建设受到重视，一批过鱼设施已建成运行或在规划建设中[13]，同时我国也借鉴国外先进经验，加强对仿自然鱼道的研究。王猛等[12]对在长江某段拟建设的一座低水头径流式水电站不同运行方式下的鱼道进、出口流态，流速分布等水力参数进行了研究，并进行了活鱼试验，结果发现鱼道进口能被大部分过坝鱼类所察觉并找到，对于喜欢在中下层洄游的大中型鱼类效果更佳。李广宁等[14]用当地河床材料在鱼道内构建卵石隔墙模拟天然河流流态，并分析其对鱼道水力特性的改善效果。研究表明，采用卵石墙的仿自然鱼道，池室内水流流态更加丰富，能满足多种鱼类的上溯需求。朱世洪等[15]对不同结构段过鱼通道内水流平面及三维流态进行数值模拟及物理模型试验，结果表明，通过在仿自然通道内部设置消能墩、中部设置收缩段、侧壁辅以条形消能墩的新型结构可使过鱼通道水流流场实现纵向分层和横向分区，可供多种鱼类通过。实际上，鱼道的过鱼效率不仅取决于过鱼通道内的水流流态和水力学特征，还取决于过鱼对象与鱼道水流之间的协调性[16]。相对于传统鱼道，仿自然鱼道中的水流流态更为鱼类所熟悉，能满足多种鱼类的洄游需要，因此过鱼效率更高[14]。同时，仿自然鱼道很好地维系了人工河道的连续性，使有效地增加河道内包括鱼类、藻类、微生物在内的生物种群的数量与多样性。

3 展望

我国生态水利工程学领域的研究起步较晚，理论基础还很薄弱，因此要加强对相关理论基础的研究，同时，随着其它学科及相关技术的发展，水利工程的发展还要融入其它学科先进的技术和理念。

3.1 水文要素与生物响应关系的基础研究

分析河流廊道生境要素变化与生物生命过程的响应关系，开展关键物种对主要环境因子变化，如关键生物种群对栖息地的地形、水力学要素变化的敏感性研究。研究水利工程建造前后水文和水力学要素的变化特征（洪水历时、河道流量丰枯变化，季节性洪水脉冲变化，大坝高速水流下泄的掺气过饱和现象，大坝建成后库区的水温分层及低温水排放等）对河道生物的生长、发育、繁殖等生命过程的影响。开展现场监测并对生物对环境变化响应物理过程进行模拟实验，开发基于生物需求的水文过程模拟模型，探索满足各河流独特生态系统健康发展的河道生态需水量计算体系或方法。

3.2 水利工程生态影响评价

开展水利工程的生态影响评价，制定评价系统的指标体系和方法，对水利工程生态效应的科学性、统一性进行评估。大多的水利工程生态环境影响评价仍以定性评价为主，缺乏定量的、科学统一的评估方式。在制定评价体系时，应做到定性与定量结合研究，定性分析需要以现状调查为基础，从水生生态系统现有物种的种类、组成、结构和功能，预测水利工程建设后对生物群落在组成、数量、结构等方面的影响。定量评估需确定水利工程生态影响程度和经济效益大小，制定统一的、科学的、具有代表性的指标体系、评价标准和评价方法，使不同水利工程生态影响的评价结果具有科学性和可比性。

3.3 高新技术的应用

随着互联网技术的不断发展，水利工程逐渐向生态智慧水利的方向发展，为水资源的决策和调度提供参考。随着3S技术的不断发展，运用3S技术研究河流污染物的迁移规律、管理区域内水资源将会是未来新的水利研究方向。国外已经针对水资源监管不到位，导致水资源利用率过低现象，提出基于物联网技术的生态水利工程建设方法。从遥感、云计算、地理信息系统、多传感器和Web服务器，建立了用于收集和处理海量数据的大数据库，实现对对规划管理的数字化操作。此外，人工智能、神经网络等高新技术在水利行业的应用研究应该得到加强和普及。

4 总结

水利工程的建设不仅要解决人类发展需要的水资源问题，更重要的是要解决人类生存需要的健康、稳定的生态环境问题。水利工程的建设，势必要对河流生态产生影响，充分认识和了解这些影响，对社会环境、生态自然环境实施安全、经济、自然可持续的工程方案，促进水利工程在生态环境中起到积极的作用。生态水利工程引入了生态系统的理论和概念，丰富和发展了人类对水利工程建设系统结构、功能和完整性的认识，有望解决因为人类不合理的河流开发导致的生态环境破坏、人与自然之间矛盾的问题。生态水利工程的建设不仅要在外部形式上应符合人类的审美需要，更要在内部和整体结构上符合自然生态学原理和生物学特性。同时，在设计生态水利工程时，应充分考虑生态系统自我修复、反馈调整的功能特点，加强水利工程对生态恢复的引导作用；以水利工程的安全性、经济性和美观性为原则，确保建造的生态水利工程安全可靠和美观；把握好景观的尺度及整体性，统筹协调工程建设区生态系统的完整性；尊重河流形态的空间异质性，尽可能使河流保持天然稳定的状态。