水利工程論文-美國基西米河生態(tài)恢復工程的啟示.doc

水利工程論文-美國基西米河生態(tài)恢復工程的啟示摘要：文章介紹了美國迄今為止規(guī)模最大的河流恢復工程基西米河生態(tài)恢復工程的概況，該工程是按照生態(tài)系統(tǒng)整體恢復理念設計的工程文中分析了進行河流恢復的目的以及工程設計原則基西萊河生態(tài)恢復工程的經(jīng)驗告訴我們，按照傳統(tǒng)的水利工程設計方法造成河流渠道化，會對河流生態(tài)系統(tǒng)帶來諸多負面影響；為減輕對于河流生態(tài)系統(tǒng)的壓力采取的河流恢復工程措施，又會付出很高的代價我國的水利工程建設應避免重走西方國家的彎路，改進水利工程規(guī)劃設計方法，實現(xiàn)人與自然的和諧關鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)河流恢復工程生態(tài)系統(tǒng)整體恢復基西米河美國基西米河的生態(tài)恢復工程是美國迄今為止規(guī)模最大的河流恢復工程，從規(guī)劃論證階段至今已經(jīng)經(jīng)歷20余年。它也是按照生態(tài)系統(tǒng)整體恢復理念設計的工程從20世紀70年代開始科學工作者就對基西米河渠道化工程引起生態(tài)系統(tǒng)的退化進行了長期的觀測研究，同時組織了論證與評估，研究如何采取工程措施和管理措施對于河流生態(tài)系統(tǒng)進行修復自1984年開始進行試驗性建設，1998年正式開工，工程將延續(xù)到2010年結束。基西米河生態(tài)恢復工程的經(jīng)驗告訴我們，按照傳統(tǒng)的水利工程設計方法造成河流渠道化，會對河流生態(tài)系統(tǒng)帶來哪些負面影響，為減輕對于河流生態(tài)系統(tǒng)9壓力采取的河流恢復工程措施，又會付出多高的代贊。我國正處在水利水電建設高潮，大批新建工程正在興建，為了避免走彎路，西方國家的經(jīng)驗教訓值得我們思考與借鑒。1改造前基西米河的自然狀況11基本自然狀況美國基西米河(Kissimmee)位于佛羅里達州中部，由基西米湖流出，向南注入美國第二大淡水湖奧基喬比湖，全長166km，流域面積7800km2流域內(nèi)包括有26個湖泊；河流洪泛區(qū)長90km，寬15-3km，還有20個支流沼澤，流域內(nèi)濕地面積18000hm2。12歷史上基西米河地貌形態(tài)的多樣性歷史上的基西米河地貌形態(tài)是多樣的從縱向看，河流的縱坡降為0。00007，是一條“辮子”狀的蜿蜒型的河流從橫斷面形狀看，無論是沖刷河段或是淤積河段，河流橫斷面都具有不同的形狀在蜿蜒段內(nèi)側形成沙洲或死水潭和泥沼等，這些水潭和泥沼內(nèi)的大量有機淤積物成為生物良好的生境條件原有自自然河流提供的濕地生境，其能力可支持300多種魚類和野生動物種群棲息這些生物資源的多樣性是由流域水文條件和河流地貌多樣性提供的在20世紀50年代建設堤防堤防以前，由于平原地貌特征及沒有沿河的天然的河灘階地，河道與洪泛區(qū)（包括泥沼、死水潭和濕地)之間具有良好的水流側向聯(lián)通性洪泛區(qū)是魚類和無脊椎動物良好的棲息地，是產(chǎn)卵、覓食和幼魚成長的場所在汛期干流洪水漫溢到泛洪區(qū)，干流與河汊、水潭和泥沼相互聯(lián)通，小魚游到泛洪區(qū)避難小魚、無脊椎動物在退水時從洪泛區(qū)進于流另外，原有河道植被茂盛，植被的遮陰對于融解氧的溫度效應起緩沖作用13水文條件在對河流進行人工改造之前，河流的水文條件基本上是自然狀態(tài)的年內(nèi)的水量豐枯變化形成了脈沖式的生境條件據(jù)水文資料統(tǒng)計，平均流量從上游的33m3/s到河口的54m3/s歷史記錄最大洪水為487m3/s，平均流速為0.42m/s在流量達到4057m3/s河流溢流漫灘時，流速不超過0.6m/s在人工改造前，洪水在通過茂密的濕地植被時流速變緩，又由于縱坡緩加之蜿蜒性河道等因素，導致行洪緩慢。退水時水流歸槽的時間也相應延長在歷史記錄中有76的年份中，有77面積的洪泛區(qū)被淹沒退水時水位下降速率較慢，小于0.03m/d每年的洪水期，各種淡水生物有足夠的時間和機會進行物質(zhì)交換和能量傳遞洪水漫溢后，各種有機物隨著泥沙沉淀在洪泛區(qū)里，為生物留下了豐富的養(yǎng)分由于河流地貌形態(tài)的多樣性和近于自然的水文條件，為河流生物群落多樣性提供了基本條件原有自然河流提供的濕地生境，其能力可支持300多種魚類和野生動物種群棲息2水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫21水利工程建設概況為促進佛羅里達州農(nóng)業(yè)的發(fā)展，1962年到1971年期間對在基西米河流上興建了一批水利工程這些工程的目的：一是通過興建泄洪新河及構筑堤防提高流域的防洪能力；二是通過排水工程開發(fā)耕地工程包括挖掘了一條90km長的C-38號泄洪運河以代替天然河流，運河為直線型，橫斷面為梯形，尺寸為深9m、寬64105m。運河設計過流能力為672m3/s另外，建設了6座水閘以控制水流同時，大約2/3的洪泛區(qū)濕地經(jīng)排水改造這樣，直線型的人工運河取代了原來109km具有蜿蜒性的自然河道連續(xù)的基西米河就被分割為若干非連續(xù)的階梯水庫，同時，農(nóng)田面積的擴大造成濕地面積的縮小(圖1)22水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫從1976年到1983年，進行了歷時7年的研究在此基礎上對于水利工程對基西米河生態(tài)系統(tǒng)的影響進行了重新評估評估結果認為水利工程對生物棲息地造成了嚴重破壞這種對于生態(tài)系統(tǒng)的干擾在生態(tài)學中稱為“脅迫”主要表現(xiàn)在以下方面(1)自然河流的渠道化使生境單調(diào)化直線型的人工運河取代了原來具有蜿蜒性的自然河道，人工運河的橫斷面為簡單的梯形斷面原來由深潭與沙洲相間，急流與緩流交錯的多樣格局，可以支持多樣化的生物群落渠道化以后河流的生境變得單調(diào)，生物群落種類明顯減少新開挖的人工運河把河流變成了相對靜止的具有穩(wěn)定水位的水庫，水庫的水深加大，出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，深層水的光合作用微弱，生物生產(chǎn)力下降(2)水流側向聯(lián)通性受到阻隔建設了人工運河后，堤防又把水流完全限定在運河以內(nèi)，洪水漫溢到灘區(qū)已經(jīng)沒有可能性運河的興建切斷了河流與洪泛區(qū)的側向水流聯(lián)通性，隔斷了干流與河汊、灘區(qū)和死水潭的聯(lián)系，使得河流附近水流旁路濕地的營養(yǎng)物質(zhì)過濾和吸收過程受到阻礙。這主要表現(xiàn)為：一是魚類和無脊椎動物失去了產(chǎn)卵、覓食和避難的環(huán)境；二是干流攜帶的有機物質(zhì)無法淤積在洪泛區(qū)，而這些物質(zhì)正是淡水生物所不可缺少的養(yǎng)分新建的運河行洪能力強，減少了行洪時間，平均從ll.4d減少到11d這不僅使淡水食物網(wǎng)中能量傳遞和物質(zhì)交換的機會減少，而且急劇的退水速率會造成fc量魚類因水中溶解氧缺乏而死亡(3)溶解氧模式變化造成生物退化由于運河為寬深式渠道，其表面積與體積之比要小，曝氣率低運河水深加大，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，水深大于1m處溶解氧明顯降低原有河道植被茂密具有遮陰功能，對于溶解氧的溫度效應起緩沖作用而人工運河完全暴露在陽光下，水中溶解氧含量低另外，人工運河為直線型，水流平順，對水流的干擾和摻混作用能力弱這些因素都使運河的溶解氧含量下降溶解氧含量低的水體會使水生生物“窒息而死”(4)通過水閘人工調(diào)節(jié)，使流量均一化，改變了原來脈沖式的自然水文周期變化自然狀態(tài)的水文條件隨年周期循環(huán)變化，河流廊道濕地也呈周期變化在洪水季節(jié)水生植物種群占優(yōu)勢水位下降后，水生植物讓位給濕生植物種群，是種脈沖式的生物群落化模式，顯示出一種多樣性湖特點而流量均化使生境條件單調(diào)(5)原有河道的退化渠化顯著地改變了水位和水流特點，使得2100hm2的洪泛區(qū)濕地消失，嚴重影響了魚類和野生群落原來自然河道雖然被保存下來，但是由于主流轉入人工運河，使得原有河道流量大幅度減少，引起河床退化大量水生的植物如睡蓮、萵苣、水葫蘆等阻塞了這些的自然河段以上這些綜合結果是生境質(zhì)量的大幅度降低據(jù)統(tǒng)計，保存下來的天然河道的魚類和野生動物棲息地數(shù)量減少了40人工開挖的C-38運河，其棲息地數(shù)量比歷史自然河道減少了67其結果是生物群落多樣性的大幅度下降據(jù)調(diào)查，導致減少了92的過冬水鳥，魚類種群數(shù)量也大幅度下降3河流恢復工程31河流恢復工程概況基西米河被渠道化建成以后引起的河流生態(tài)系統(tǒng)退化的現(xiàn)象引起了社會的普遍關注自1976年開始對于重建河道生物棲息地進行了規(guī)劃和評估，經(jīng)過7年的研究工作，提出了基西米河的被渠道化的河道的恢復工程規(guī)劃報告，并經(jīng)佛羅里達州議會作為法案審查批準規(guī)劃提出的工程任務是重建自然河道和恢復自然水文過程，將恢復包括寬葉林沼澤地、草地和濕地等多種生物棲息地，最終目的是恢復洪泛平原的整個生態(tài)系統(tǒng)為進行工程準備1983年州政府征購了河流洪泛平原的大部分私人土地在工程的預備階段，于1984至1989年開展了科研工作，重點是研究回填人工運河的穩(wěn)定性以及對于滿足地方水資源的需求問題，采用一維及二維數(shù)學模型分析和模型試驗相結合的研究方法模型試驗采用的模型尺寸為Ob和33m寬的水槽，垂直比尺為1：40，水平比尺為1：60，為定床試驗模擬范圍為人工運河、原有保留河道和洪泛平原模型試驗結果與現(xiàn)場河道控制泄流試驗(最大流量為280m3s)的實測數(shù)據(jù)相對照32河流恢復主要工程項目(1)試驗工程1984-1989年開展的試驗工程位于水庫B，為一條長195lan渠道化運河重點工程是在人工運河中建設座鋼板樁堰，將運河攔腰截斷，迫使水流重新流入原自然河道示范工程還包括重建水流季節(jié)性波動變化，以及重建洪泛平原的排水系統(tǒng)同時還布置了生物監(jiān)測系統(tǒng)，評估恢復工程對于生物資源的影響對于鋼板樁堰運行情況進行了觀測觀測資料表明，一方面水流重新流入原來自然河道達9km,導致了河流地貌發(fā)生了一定程度的有利變化但是，鋼板樁堰建成后，在附近的河道水力梯度比歷史記錄值高5倍，在大流量泄流期間，測量的流速為0.9m/s，這樣的高能量水流對河床具有較強的沖蝕能力另外，在示范工程區(qū)域內(nèi)，退水時水位每天下降速率超過0.2m/d，淹沒的洪泛區(qū)排水時間為27d地表水和地下水急劇回流，水中的溶解氧水平很低，導致大量魚類因缺氧而死亡為此又進行了模型試驗研究，最后的結論是：僅僅用鋼板樁堰攔斷人工運河還是不夠的，需要連續(xù)長距離回填人工運河最終方案是連續(xù)回填C-38號運河共38km，拆除2座水閘，重新開挖14km原有河道回填材料用原來疏浚的材料，運河回填高度為恢復到運河建設前的地面高程同時重新連接24km原有河流，恢復35000hm2原有洪泛區(qū)，實施新的水源放水制度，恢復季節(jié)性水流波動和重建類似自然河流的水文條件.(2)第一期工程從1998年開始第一期主體工程，包括連續(xù)回填C-38號運河共38km重建類似于歷史的水文條件，擴大蓄滯洪區(qū)，減輕洪水災害至2001年2月由地方管區(qū)和美國陸軍工程師團已經(jīng)完成了第一階段的重建工程在運河回填后，開挖了新的河道以重新聯(lián)結原有自然河道。這些新開挖的河道完全復制原有河道的形態(tài)，包括長度、斷面面積、斷面形狀、縱坡降、河灣數(shù)目、河灣半徑、自然坡度控制以及河岸形狀建設中又加強了干流與洪泛區(qū)的聯(lián)通性為魚類和野生動物提供了豐富的棲息地2001年6月恢復了河流的聯(lián)通性，隨著自然河流的恢復，水流在干旱季節(jié)流人彎曲的主河道，在多雨季節(jié)則溢流進入洪泛區(qū)恢復的河流將季節(jié)性地淹沒洪泛區(qū)，恢復了基西米河濕地這些措施已引起河道洪泛區(qū)棲息地物理、化學和生物的重大變化，提高了溶解氧水平，改善了魚類生存條件重建寬葉林沼澤棲息地，使涉水禽和水鳥可以充分利用洪泛區(qū)濕地圖2表示了人工運河回填前后河流含氧量和魚類生存區(qū)域(3)第二期工程計劃在21世紀前10年進行更大規(guī)模的生態(tài)工程，重新開挖144km的河道和恢復300多種野生生物的棲息地恢復10360hm2的洪泛區(qū)和沼澤地，過濾營養(yǎng)物質(zhì)，為奧基喬比湖和下游河口及沼澤地生態(tài)系統(tǒng)提供優(yōu)良水質(zhì)。(4)河流走廊生態(tài)恢復監(jiān)測與評估在工程的預備階段，就布置了完整的生物監(jiān)測系統(tǒng)在收集大量監(jiān)測資料的基礎上，對于生態(tài)恢復工程的成效進行評估，目的是判斷達到期望目標的程度該項工程制定了評估的定量標準。以60分為期望值，各個因子分別為：棲息地特性(含地貌、水文和水質(zhì))