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水利工程對經濟與社會發展的巨大作用勿庸置疑。但是也必須看到水利工程對河流生態系統造成了不同程度的干擾【1】。水利工程對于河流生態系統的脅迫主要表現在兩方面：一是自然河流的渠道化。包括平面布置上的河流形態直線化，即將蜿蜒曲折的天然河流改造成直線或折線型的人工河流。包括河道橫斷面幾何規則化，即把自然河流的復雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規則幾何斷面。還包括河床和邊坡材料的硬質化，即渠道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質材料。二是指自然河流的非連續化。筑壩是順水流方向的河流非連續化，流動的河流生態系統變成了相對靜止的人工湖，流速、水深、水溫及水流邊界條件都發生了重大變化。庫區內原來的森林、草地或農田統統淹沒水底。陸生動物被迫遷徙。水庫形成后也改變了原來河流營養鹽輸移轉化的規律。由于水庫截留河流的營養物質，氣溫較高時，促使藻類在水體表層大量繁殖，產生水華現象。藻類蔓延遮蓋住大植物的生長使之萎縮，而死亡的藻類沉入水底，在那里腐爛的同時還消耗氧氣。溶解氧含量低的水體會使水生生物“窒息而死”。由于水庫的水深高于河流，在深水處陽光微弱，光合作用也弱，導致水庫的生態系統比河流的生物生產量低，相對要脆弱，自我恢復能力弱。河流泥沙在水庫淤積，而壩下清水下泄又加劇了對河道的沖蝕，這些變化都大幅度改變了生境。由于靠水庫進行人工徑流調節，改變了自然河流年內豐枯的水文周期規律，即改變了原來隨水文周期變化形成脈沖式河流走廊生態系統的基本狀況。最后，眾所周知，不設魚道的大壩對于洄游魚類是致命的屏障。另一類非連續化是由于河流兩岸建設的防洪堤造成的側向水流的非連續性。堤防妨礙了汛期主流與岔流之間的溝通，阻止了水流的橫向擴展。堤防把干流與灘地和洪泛區隔離，使岸邊地帶和洪泛區的棲息地發生改變。原來可能擴散到灘地和洪泛區的水、泥沙和營養物質，被限制在堤防以內的河道內，植被面積明顯減少。魚類無法進入灘地產卵和覓食，也失去了避難所。魚類、無脊椎動物等會減少，導致灘區和洪泛區的生態功能退化。

概況地講，被改造過的河流生態系統是由三個子系統組成。即：由動物、植物和微生物組成的生命系統，這是生態系統的主體。廣義的水文系統，包括地表和地下水體、土地、氣候系統等。再有就是工程設施系統，這是人類改造河流的結果。后面兩個子系統組成生境，是生命支持系統。由于水利工程系統改變了河流形態，水庫調度運行又改變了原有的水文規律，造成河流生態系統的生境變化，其結果可能造成河流生態系統生物群落多樣性的下降，使生態系統退化。

對于水利工程對河流生態系統的脅迫，應該采取正視而不是回避的態度。傳統意義上的水利工程學作為一門重要的工程學科，以建設水工建筑物為手段，目的是改造和控制河流，以滿足人們防洪和水資源利用等多種需求。現代科學發展使我們認識到，傳統意義上的水利工程學在力圖滿足人的需求時，卻在不同程度上忽視了河流生態系統本身的需求。而河流生態系統的功能退化，也會給人們的長遠利益帶來損害。未來的水利工程在權衡社會經濟需求與生態系統健康需求這二者關系方面，似應強調水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態系統的健康和可持續性。從學科發展角度看，現在的水利工程學的學科基礎主要是工程力學和水文學，水利工程規劃設計主要對象是水文系統，往往忽視生命系統的現狀和未來風險等問題。學科的進一步發展應吸收生態學的理論及方法，促進水利工程學與生態學的交叉融合，用以改進和完善水利工程的規劃及設計理論，形成水利工程學的新的學科分支－生態水利工程學（Eco-HydraulicEngineering）。生態水利工程學作為水利工程學的一個新的分支，是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，兼顧水域生態系統健康與可持續性需求的原理與技術方法的工程學【2】【3】。生態水利工程的內涵是：對于新建工程，是指進行傳統水利建設的同時（如治河、防洪工程），兼顧河流生態修復的目標。對于已建工程，則是對于被嚴重干擾河流重點進行生態修復。

生態水利工程將與傳統治污技術、清潔生產（生態產業）以及環境立法和資源管理一起，成為河流生態建設的主要手段之一。圖1表示了生態水利工程在河流生態建設中的地位。圖中右側表示人類活動對自然河流生態系統的干擾過程，左側表示人類活動對被干擾的河流生態系統的修復過程。

這里討論的生態水利工程學的基本原則也是生態水利工程規劃設計的基本原則，筆者試歸納為以下五項內容。

1．工程安全性和經濟性原則

生態水利工程是一種綜合性工程，在河流綜合治理中既要滿足人的需求，包括防洪、灌溉、供水、發電、航運以及旅游等需求，也要兼顧生態系統可持續性的需求。生態水利工程既要符合水利工程學原理，也要符合生態學原理。生態水利工程的工程設施必須符合水文學和工程力學的規律，以確保工程設施的安全、穩定和耐久性。工程設施必須在設計標準規定的范圍內，能夠承受洪水、侵蝕、風暴、冰凍、干旱等自然力荷載。按照河流地貌學原理進行河流縱、橫斷面設計時，必須充分考慮河流泥沙輸移、淤積及河流侵蝕、沖刷等河流特征，動態地研究河勢變化規律，保證河流修復工程的耐久性。

對于生態水利工程的經濟合理性分析，應遵循風險最小和效益最大原則。由于對生態演替的過程和結果事先難以把握，生態水利工程往往帶有一定程度的風險。這就需要在規劃設計中需要進行方案比選，更要重視生態系統的長期定點監測和評估。另外，充分利用河流生態系統自我恢復規律，是力爭以最小的投入獲得最大產出的合理技術路線。

2.提高河流形態的空間異質性原則

有關生物群落研究的大量資料表明，生物群落多樣性與非生物環境的空間異質性（spacialheterogeneity）存在正相關關系。這里所說的“生物群落”是指在特定的空間和特定的生境下，由一定生物種類組成，與環境之間相互影響、相互作用，具有一定結構和特定功能的生物集合體。一般所說的“生物群落多樣性”指生物群落的結構與功能的多樣性。實際上，生物群落多樣性問題是在物種水平上的生物多樣性。

非生物環境的空間異質性與生物群落多樣性的關系反映了非生命系統與生命系統之間的依存和耦合關系。一個地區的生境空間異質性越高，就意味著創造了多樣的小生境，能夠允許更多的物種共存。反之，如果非生物環境變得單調，生物群落多樣性必然會下降，生物群落的性質、密度和比例等都會發生變化，造成生態系統的某種程度的退化。

河流生態系統生境的主要特點是：水－陸兩相和水－氣兩相的聯系緊密性；上中下游的生境異質性；河流縱向的蜿蜒性；河流橫斷面形狀的多樣性；河床材料的透水性等。水－陸兩相和水－氣兩相的緊密關系，形成了較為開放的生境條件；上中下游的生境異質性，造就了豐富的流域生境多樣化條件；河流縱向的蜿蜒性形成了急流與緩流相間；河流的橫斷面形狀多樣性，表現為深潭與淺灘交錯；河床材料的透水性為生物提供了棲息所。由于河流形態異質性形成了在流速、流量、水深、水溫、水質、水文脈沖變化、河床材料構成等多種生態因子的異質性，造就了豐富的生境多樣性，形成了豐富的河流生物群落多樣性。所以說，提高河流形態異質性是提高生物群落多樣性的重要前提之一【4】。

由于人類活動，特別是大規模治河工程的建設，造成自然河流的渠道化及河流非連續化，使河流生境在不同程度上單一化，引起河流生態系統的不同程度的退化。生態水利工程的目標是恢復或提高生物群落的多樣性，但是并不意味著主要靠人工直接種植岸邊植被或者引進魚類、鳥類和其它生物物種，生態水利工程的重點應該是盡可能提高河流形態的異質性，使其符合自然河流的地貌學原理，為生物群落多樣性的恢復創造條件。

在確定河流生態修復目標以后，就應該對于河流地貌歷史和現狀進行勘查和評估。包括河流與相關濕地、湖泊的形狀與構成、水下地形勘測、水位變化幅度、河流平面彎曲度、河流橫斷面形狀及河床材料、急流與深潭比例、河床的穩定性及淤積及侵蝕狀況等，建立河流地貌數據庫。河流生物調查，包括植物、魚類、鳥類、兩棲動物和無脊椎動物等的物種分布地圖以及規模和存量，建立生物資源數據庫。遙感技術和地理信息系統（GIS）是水文、河流地貌和生物調查的有力工具。

關鍵的工作步驟是在以上兩種調查工作的基礎上，確定環境因子與生物因子的相關關系，必要時建立某種數學模型。河流環境因子包括河流河勢、蜿蜒度、橫斷面形狀及材料、流速、水位、水質、水溫、泥沙、營養鹽的遷移轉化、水文周期變化等。研究的內容包括：調查單個生物因子的基本需求，評估各種生物因子的相互關系和制約條件，對于“關鍵種”或標志性生物的環境因子進行分類和評估。需要強調的是，在眾多的環境因子中，識別那些對于系統的結構和功能具有重要意義的環境因子，在此基礎上進行河流地貌學設計和生物棲息地設計。

3．生態系統自設計、自我恢復原則

有關生態系統的自組織功能的討論始于上世紀60年代，以后有不同學科的眾多學者涉足這個領域。以各種不同形式構成的自組織功能，是自然生態系統的重要特征。

生態學用自組織功能來解釋物種分布的豐富性現象，也用來說明食物網隨時間的發展過程。生態系統的自組織功能表現為生態系統的可持續性。自組織的機理是物種的自然選擇，也就是說某些與生態系統友好的物種，能夠經受自然選擇的考驗，尋找到相應的能源和合適的環境條件。在這種情況下，生境就可以支持一個能具有足夠數量并能進行繁殖的種群。自組織功能原理與達爾文的進化論有相似之處，只是研究的尺度不同而已。達爾文的進化論研究是在地球生物圈所有種群的尺度上進行的，而自組織功能是在生態系統中種群之間發生的。

生態系統的自組織功能對于生態工程學的意義是什么呢？&nbspH.T.Odum認為：“生態工程的本質是對自組織功能實施管理。”（1989）【5】。Mitsch認為：“所謂自組織也就是自設計”（2004)【6】。將自組織原理應用于生態水利工程時，生態工程設計與傳統水工設計有本質的區別。像設計大壩這樣的人工建筑物是一種確定性的設計，建筑物的幾何特征、材料強度都是在人的控制之中，建筑物最終可以具備人們所期望的功能。河流修復工程設計與此不同，生態工程設計是一種“指導性”的設計，或者說是輔助性設計。依靠生態系統自設計、自組織功能，可以由自然界選擇合適的物種，形成合理的結構，從而完成設計和實現設計。成功的生態工程經驗表明，人工與自然力的貢獻各占一半【7】。

我國古代傳統哲學注重人與自然的和諧相處，老子主張：“人法地，地法天，天法道，道法自然”。反映了一種崇尚自然，遵循自然規律的哲學觀。在建筑理念方面，提倡“工不曰人而曰天，務全其自然之勢”（《管氏地理指蒙》），“雖由人作，宛自天開”（《園冶》），都提倡一種效法自然，依靠自然的思想。國際生態學界一些學者認為，系統生態學的哲學理念應該追溯到公元前11世紀中國的周代。其中“陰陽五行”、萬物競爭共存和相生相克等哲學思想，體現了促進與抑制，成長與腐朽，合成與異化之間的平衡與轉化，這些正是現代生態學的哲學基礎。

傳統的水利工程設計的特征是對于自然河流實施控制。而設計生態水利工程時，要求工程師必須放棄控制自然界的動機，樹立新的工程理念。因為依靠人力和技術控制自然界是不可能的，這種一廂情愿的企圖最終往往歸于失敗。人們要善于利用生態系統自組織、自設計這個寶貴財富，實現人與自然的和諧。需要強調的是，地球上沒有兩條相同的河流，每一條河流的特點都是各不相同的。因此，每一項生態水利工程必須因地制宜，充分尊重每一條河流的自然屬性和美學價值，尋求最佳的生態工程方案。

自設計理論的適用性還取決于具體條件。包括水量、水質、土壤、地貌、水文特征等生態因子，也取決于生物的種類、密度、生物生產力、群落穩定性等多種因素。在利用自設計理論時，需要注意充分利用鄉土種。引進外來物種時要持慎重態度，防止生物入侵。

要區分兩類被干擾的河流生態系統。一類是未超過本身生態承載力的生態系統，是可逆的。當去除外界干擾即卸荷以后，有可能靠自然演替實現自我恢復的目標。另一類是被嚴重干擾的生態系統，它是不可逆的。在去除干擾即卸荷后，還需要輔助以人工措施創造生境條件，再靠發揮自然修復功能，有可能使生態系統實現某種程度的修復。這就意味著，運用生態系統自設計、自我恢復原則，并不排除工程師和科學家采用工程措施、生物措施和管理措施的主觀能動性。

4．景觀尺度及整體性原則

河流生態修復規劃和管理應該在大景觀尺度、長期的和保持可持續性的基礎上進行，而不是在小尺度、短時期和零星局部的范圍內進行。在大景觀尺度上開展的河流生態修復效率要高。小范圍的生態修復不但效率低，而且成功率也低。

所謂“整體性”是指從生態系統的結構和功能出發，掌握生態系統各個要素間的交互作用，提出修復河流生態系統的整體、綜合的系統方法，而不是僅僅考慮河道水文系統的修復問題，也不僅僅是修復單一動物或修復河岸植被。

這里說的“景觀”（landscape）是指生態學中的景觀尺度。關于生態學的尺度問題，O’Neill,認為：“生態學不可能建立在單一的時空尺度上，它應該適應所有尺度的調查研究。”（1986）【8】。按照這種觀點，尺度和層次成為生態學發展的關鍵。目前生態學理論把生物圈劃分為11個層次，依次是生物圈、生物群系、景觀、生態系統、群落、種群、個體、組織、細胞、基因和分子。景觀的尺度如何掌握？景觀尺度包括空間尺度和時間尺度。

為什么在景觀的大尺度上進行河流修復規劃？首先，水域生態系統是一個大系統，其子系統包括生物系統、廣義水文系統和人造工程設施系統。一條河流的廣義水文系統包括從發源地直到河口的上中下游地帶的地下水與地表水系統，流域中由河流串聯起來的湖泊、濕地、水塘、沼澤和洪泛區。廣義水文系統又與生物系統交織在一起，形成自然河流生態系統。而人類活動和工程設施作為生境的組成部分，形成對于水域生態系統的正負影響。水域生態系統受到脅迫時，需要對于各種脅迫因素之間的相互關系進行綜合、整體研究。如果僅僅考慮河道本身的生態修復問題，顯然是把復雜系統簡單割裂開了。

其次，必須重視水域生境的易變性、流動性和隨機性的特點，表現為流量、水位和水量的水文周期變化和隨機變化，也表現為河流淤積與侵蝕的交替變化造成河勢的擺動。這些變化決定了生物種群的基本生存條件。水域生態系統是隨著降雨、水文變化及潮流等條件在時間與空間中擴展或收縮的動態系統。生態系統的變化范圍從生境受到限制時期的高度臨界狀態到生境擴張時期的冗余狀態。

再者，要考慮生境邊界的動態擴展問題。由于動物遷徙和植物的隨機擴散，生境邊界也隨之發生動態變動。Gosselink(1990)在研究水域生態系統物種管理的尺度問題時認為，對于給定需要修復的物種，考慮的范圍應是這個物種的分布區【9】。舉例來說，為便于理解，可以借用“流域”這個概念，比如一個地區野鴨的種群也有一個“鴨域”。所謂“鴨域”的范圍應該包括物種個體在惡劣的條件下遷徙到的任何地方以及支持此物種的生態系統。這個范圍的邊界，應劃定在某特定物種經常利用的一個很大的空間內。如果進一步擴展，還應該包括所謂“臨時生境”，指在自然界對于物種產生脅迫的時期，成為該物種的避難所的地區。如果這個地區有若干種標志性動物，那么物種管理的范圍邊界將是這些物種“域”的包絡圖。另外，還要考慮流域之間的協調問題。考慮到河流生態系統是一個開放的系統，與周圍生態系統隨時進行能量傳遞和物質循環，一條河流的生態修復活動不可能是孤立的，還需要與相鄰的流域的生態修復活動進行協調，

最后，河流生態修復的時間尺度也十分重要。河流系統的演進是一個動態過程。每一個河流生態系統都有它自己的歷史。需要對歷史資料進行收集、整理，以掌握長時間尺度的河流變化過程與生態現狀的關系。河流生態修復是靠時間作工作的。有研究指出，濕地重建或修復需要大約15到20年的時間。因此對于河流生態修復項目要有長期準備，同時進行長期的監測和管理。

需要說明的是，對于規劃、評估、監測這些不同的任務，工作對象的空間尺度可能是不同的。監測工作應該在盡可能大的尺度內進行。比如修復一塊濕地以吸引鳥類，經過一年或者更長的時間均告失敗。這就需要考慮是否有質量更好的生境吸引了候鳥而改變了它們的遷徙路線，監測工作可能在大陸的范圍內開展。而評估工作可能在跨流域的尺度上進行。規劃工作的尺度可能是流域或河流廊道。所謂“河流廊道”（Rivercorridor）泛指河流及其兩岸與生物棲息地相關的土地，也有定義其范圍為河流與對應某一洪水頻率的洪泛區。至于河流修復工程項目的實施，一般在關鍵的重點河段內進行。

5．反饋調整式設計原則

生態系統的成長是一個過程，河流修復工程需要時間。從長時間尺度看，自然生態系統的進化需要數百萬年時間。進化的趨勢是結構復雜性、生物群落多樣性、系統有序性及內部穩定性都有所增加和提高，同時對外界干擾的抵抗力有所增強。從較短的時間尺度看，生態系統的演替，即一種類型的生態系統被另一種生態系統所代替也需要若干年的時間，期望河流修復能夠短期奏效往往是不現實的。

生態水利工程設計主要是模仿成熟的河流生態系統的結構，力求最終形成一個健康、可持續的河流生態系統【10】【11】。在河流工程項目執行以后，就開始了一個自然生態演替的動態過程。這個過程并不一定按照設計預期的目標發展，可能出現多種可能性。最頂層的理想狀態應是沒有外界脅迫的自然生態演進狀態。在河流生態修復工程中，恢復到未受人類干擾的河流原始狀態往往是不可能的，可以理解這種原始狀態是自然生態演進的極限狀態上限。如果沒有生態修復工程，在人類活動的脅迫下生態系統的進一步惡化，這種狀態則是極限狀態的下限。在這兩種極限狀態之間，生態修復存在著多種可能性。針對具體一項生態修復工程實施以后，一種理想的可能是：監測到的各生態變量是現有科學水平可能達到的最優值，表示生態演進的趨勢是理想的。另一種差的情況是，監測到的各生態變量是人們可接受的最低值。在這兩種極端狀態之間，形成了一個包絡圖。一項生態修復工程實施后的實際狀態都落在這個包絡圖中間。

意識到生態系統和社會系統都不是靜止的，在時間與空間上常具有不確定性。除了自然系統的演替以外，人類系統的變化及干擾也導致了生態系統的調整。這種不確定性使生態水利工程設計不同于傳統工程的確定性設計方法，而是一種反饋調整式的設計方法。是按照“設計－執行（包括管理）－監測－評估－調整”這樣一種流程以反復循環的方式進行的。在這個流程中，監測工作是基礎。監測工作包括生物監測和水文觀測。這就需要在項目初期建立完善的監測系統，進行長期觀測。依靠完整的歷史資料和監測數據，進行階段性的評估。評估的內容是河流生態系統的結構與功能的狀況及發展趨勢。常用的方法是參照比較方法，一種是與自身河流系統的歷史及項目初期狀況比較，一種是與自然條件類似但未進行生態修復的河流比較。評估的結果不外乎有幾種可能：1）生態系統大體按照預定目標演進，不需要設計變更；2）需要局部調整設計，適應新的狀況；3）原來制定的目標需要重大調整，相應進行設計。

在反饋調整式設計過程中，提倡科學家、管理者和當地居民及社會各界的廣泛參與，通過對話、協商，以尋求共同利益。提倡多學科的交流和融合，提高設計的科學性。

DesignPrinciplesofEco-hydraulicsEngineering

DONGZheren

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch)

Abstract:Theconceptofeco-hydraulicengineeringisproposed.

Itintegratesthetechnologyofhydraulicengineeringwithecology.

Basedontheanalysisofstressofhydraulicengineeringonriver

ecosystemtherequirementsforensuringhealthyecosystemand

sustainabledevelopmentforriveraresuggested.Theserequirements

includetheprinciplesinfivescopes:engineeringsafetyand

economy,spatialheterogeneityofrivermorphology,self-design

andself-restorationofecosystem,landscapescaleandintegrated

riverecosystemsrestorationanddesignmethodologyprocessbased

onfeedbackandadjustment.

參考文獻

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