水利工程論文-美國(guó)基西米河生態(tài)恢復(fù)工程的啟示.doc

水利工程論文-美國(guó)基西米河生態(tài)恢復(fù)工程的啟示摘要：文章介紹了美國(guó)迄今為止規(guī)模最大的河流恢復(fù)工程基西米河生態(tài)恢復(fù)工程的概況，該工程是按照生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)理念設(shè)計(jì)的工程文中分析了進(jìn)行河流恢復(fù)的目的以及工程設(shè)計(jì)原則基西萊河生態(tài)恢復(fù)工程的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，按照傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計(jì)方法造成河流渠道化，會(huì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)諸多負(fù)面影響；為減輕對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的壓力采取的河流恢復(fù)工程措施，又會(huì)付出很高的代價(jià)我國(guó)的水利工程建設(shè)應(yīng)避免重走西方國(guó)家的彎路，改進(jìn)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)河流恢復(fù)工程生態(tài)系統(tǒng)整體恢復(fù)基西米河美國(guó)基西米河的生態(tài)恢復(fù)工程是美國(guó)迄今為止規(guī)模最大的河流恢復(fù)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(fù)理念設(shè)計(jì)的工程從20世紀(jì)70年代開(kāi)始科學(xué)工作者就對(duì)基西米河渠道化工程引起生態(tài)系統(tǒng)的退化進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)研究，同時(shí)組織了論證與評(píng)估，研究如何采取工程措施和管理措施對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)自1984年開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)性建設(shè)，1998年正式開(kāi)工，工程將延續(xù)到2010年結(jié)束?；髅缀由鷳B(tài)恢復(fù)工程的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，按照傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計(jì)方法造成河流渠道化，會(huì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)哪些負(fù)面影響，為減輕對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)9壓力采取的河流恢復(fù)工程措施，又會(huì)付出多高的代贊。我國(guó)正處在水利水電建設(shè)高潮，大批新建工程正在興建，為了避免走彎路，西方國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)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(guó)基西米河(Kissimmee)位于佛羅里達(dá)州中部，由基西米湖流出，向南注入美國(guó)第二大淡水湖奧基喬比湖，全長(zhǎng)166km，流域面積7800km2流域內(nèi)包括有26個(gè)湖泊；河流洪泛區(qū)長(zhǎng)90km，寬15-3km，還有20個(gè)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(wú)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(cè)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(jī)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(yú)類(lèi)和野生動(dòng)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(jì)50年代建設(shè)堤防堤防以前，由于平原地貌特征及沒(méi)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(cè)向聯(lián)通性洪泛區(qū)是魚(yú)類(lèi)和無(wú)脊椎動(dòng)物良好的棲息地，是產(chǎn)卵、覓食和幼魚(yú)成長(zhǎng)的場(chǎng)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(yú)游到泛洪區(qū)避難小魚(yú)、無(wú)脊椎動(dòng)物在退水時(shí)從洪泛區(qū)進(jìn)于流另外，原有河道植被茂盛，植被的遮陰對(duì)于融解氧的溫度效應(yīng)起緩沖作用13水文條件在對(duì)河流進(jìn)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(jì)，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(dá)到4057m3/s河流溢流漫灘時(shí)，流速不超過(guò)0.6m/s在人工改造前，洪水在通過(guò)茂密的濕地植被時(shí)流速變緩，又由于縱坡緩加之蜿蜒性河道等因素，導(dǎo)致行洪緩慢。退水時(shí)水流歸槽的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)在歷史記錄中有76的年份中，有77面積的洪泛區(qū)被淹沒(méi)退水時(shí)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(shí)間和機(jī)會(huì)進(jìn)行物質(zhì)交換和能量傳遞洪水漫溢后，各種有機(jī)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(yú)類(lèi)和野生動(dòng)物種群棲息2水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫21水利工程建設(shè)概況為促進(jìn)佛羅里達(dá)州農(nóng)業(yè)的發(fā)展，1962年到1971年期間對(duì)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(guò)興建泄洪新河及構(gòu)筑堤防提高流域的防洪能力；二是通過(guò)排水工程開(kāi)發(fā)耕地工程包括挖掘了一條90km長(zhǎng)的C-38號(hào)泄洪運(yùn)河以代替天然河流，運(yùn)河為直線(xiàn)型，橫斷面為梯形，尺寸為深9m、寬64105m。運(yùn)河設(shè)計(jì)過(guò)流能力為672m3/s另外，建設(shè)了6座水閘以控制水流同時(shí)，大約2/3的洪泛區(qū)濕地經(jīng)排水改造這樣，直線(xiàn)型的人工運(yùn)河取代了原來(lái)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(kù)，同時(shí)，農(nóng)田面積的擴(kuò)大造成濕地面積的縮小(圖1)22水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫從1976年到1983年，進(jìn)行了歷時(shí)7年的研究在此基礎(chǔ)上對(duì)于水利工程對(duì)基西米河生態(tài)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了重新評(píng)估評(píng)估結(jié)果認(rèn)為水利工程對(duì)生物棲息地造成了嚴(yán)重破壞這種對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的干擾在生態(tài)學(xué)中稱(chēng)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(xiàn)型的人工運(yùn)河取代了原來(lái)具有蜿蜒性的自然河道，人工運(yùn)河的橫斷面為簡(jiǎn)單的梯形斷面原來(lái)由深潭與沙洲相間，急流與緩流交錯(cuò)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(lèi)明顯減少新開(kāi)挖的人工運(yùn)河把河流變成了相對(duì)靜止的具有穩(wěn)定水位的水庫(kù)，水庫(kù)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(cè)向聯(lián)通性受到阻隔建設(shè)了人工運(yùn)河后，堤防又把水流完全限定在運(yùn)河以?xún)?nèi)，洪水漫溢到灘區(qū)已經(jīng)沒(méi)有可能性運(yùn)河的興建切斷了河流與洪泛區(qū)的側(cè)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)濾和吸收過(guò)程受到阻礙。這主要表現(xiàn)為：一是魚(yú)類(lèi)和無(wú)脊椎動(dòng)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(jī)物質(zhì)無(wú)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(yùn)河行洪能力強(qiáng)，減少了行洪時(shí)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(jī)會(huì)減少，而且急劇的退水速率會(huì)造成fc量魚(yú)類(lèi)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(yùn)河為寬深式渠道，其表面積與體積之比要小，曝氣率低運(yùn)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(duì)于溶解氧的溫度效應(yīng)起緩沖作用而人工運(yùn)河完全暴露在陽(yáng)光下，水中溶解氧含量低另外，人工運(yùn)河為直線(xiàn)型，水流平順，對(duì)水流的干擾和摻混作用能力弱這些因素都使運(yùn)河的溶解氧含量下降溶解氧含量低的水體會(huì)使水生生物“窒息而死”(4)通過(guò)水閘人工調(diào)節(jié)，使流量均一化，改變了原來(lái)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(shì)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(diǎn)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(diǎn)，使得2100hm2的洪泛區(qū)濕地消失，嚴(yán)重影響了魚(yú)類(lèi)和野生群落原來(lái)自然河道雖然被保存下來(lái)，但是由于主流轉(zhuǎn)入人工運(yùn)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(jié)果是生境質(zhì)量的大幅度降低據(jù)統(tǒng)計(jì)，保存下來(lái)的天然河道的魚(yú)類(lèi)和野生動(dòng)物棲息地?cái)?shù)量減少了40人工開(kāi)挖的C-38運(yùn)河，其棲息地?cái)?shù)量比歷史自然河道減少了67其結(jié)果是生物群落多樣性的大幅度下降據(jù)調(diào)查，導(dǎo)致減少了92的過(guò)冬水鳥(niǎo)，魚(yú)類(lèi)種群數(shù)量也大幅度下降3河流恢復(fù)工程31河流恢復(fù)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(huì)的普遍關(guān)注自1976年開(kāi)始對(duì)于重建河道生物棲息地進(jìn)行了規(guī)劃和評(píng)估，經(jīng)過(guò)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(fù)工程規(guī)劃報(bào)告，并經(jīng)佛羅里達(dá)州議會(huì)作為法案審查批準(zhǔn)規(guī)劃提出的工程任務(wù)是重建自然河道和恢復(fù)自然水文過(guò)程，將恢復(fù)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(fù)洪泛平原的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)為進(jìn)行工程準(zhǔn)備1983年州政府征購(gòu)了河流洪泛平原的大部分私人土地在工程的預(yù)備階段，于1984至1989年開(kāi)展了科研工作，重點(diǎn)是研究回填人工運(yùn)河的穩(wěn)定性以及對(duì)于滿(mǎn)足地方水資源的需求問(wèn)題，采用一維及二維數(shù)學(xué)模型分析和模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法模型試驗(yàn)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(yàn)?zāi)M范圍為人工運(yùn)河、原有保留河道和洪泛平原模型試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)河道控制泄流試驗(yàn)(最大流量為280m3s)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)照32河流恢復(fù)主要工程項(xiàng)目(1)試驗(yàn)工程1984-1989年開(kāi)展的試驗(yàn)工程位于水庫(kù)B，為一條長(zhǎng)195lan渠道化運(yùn)河重點(diǎn)工程是在人工運(yùn)河中建設(shè)座鋼板樁堰，將運(yùn)河攔腰截?cái)?，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(dòng)變化，以及重建洪泛平原的排水系統(tǒng)同時(shí)還布置了生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，評(píng)估恢復(fù)工程對(duì)于生物資源的影響對(duì)于鋼板樁堰運(yùn)行情況進(jìn)行了觀(guān)測(cè)觀(guān)測(cè)資料表明，一方面水流重新流入原來(lái)自然河道達(dá)9km,導(dǎo)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(cè)量的流速為0.9m/s，這樣的高能量水流對(duì)河床具有較強(qiáng)的沖蝕能力另外，在示范工程區(qū)域內(nèi)，退水時(shí)水位每天下降速率超過(guò)0.2m/d，淹沒(méi)的洪泛區(qū)排水時(shí)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(dǎo)致大量魚(yú)類(lèi)因缺氧而死亡為此又進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，最后的結(jié)論是：僅僅用鋼板樁堰攔斷人工運(yùn)河還是不夠的，需要連續(xù)長(zhǎng)距離回填人工運(yùn)河最終方案是連續(xù)回填C-38號(hào)運(yùn)河共38km，拆除2座水閘，重新開(kāi)挖14km原有河道回填材料用原來(lái)疏浚的材料，運(yùn)河回填高度為恢復(fù)到運(yùn)河建設(shè)前的地面高程同時(shí)重新連接24km原有河流，恢復(fù)35000hm2原有洪泛區(qū)，實(shí)施新的水源放水制度，恢復(fù)季節(jié)性水流波動(dòng)和重建類(lèi)似自然河流的水文條件.(2)第一期工程從1998年開(kāi)始第一期主體工程，包括連續(xù)回填C-38號(hào)運(yùn)河共38km重建類(lèi)似于歷史的水文條件，擴(kuò)大蓄滯洪區(qū)，減輕洪水災(zāi)害至2001年2月由地方管區(qū)和美國(guó)陸軍工程師團(tuán)已經(jīng)完成了第一階段的重建工程在運(yùn)河回填后，開(kāi)挖了新的河道以重新聯(lián)結(jié)原有自然河道。這些新開(kāi)挖的河道完全復(fù)制原有河道的形態(tài)，包括長(zhǎng)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(shè)中又加強(qiáng)了干流與洪泛區(qū)的聯(lián)通性為魚(yú)類(lèi)和野生動(dòng)物提供了豐富的棲息地2001年6月恢復(fù)了河流的聯(lián)通性，隨著自然河流的恢復(fù)，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(jìn)入洪泛區(qū)恢復(fù)的河流將季節(jié)性地淹沒(méi)洪泛區(qū)，恢復(fù)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(xué)和生物的重大變化，提高了溶解氧水平，改善了魚(yú)類(lèi)生存條件重建寬葉林沼澤棲息地，使涉水禽和水鳥(niǎo)可以充分利用洪泛區(qū)濕地圖2表示了人工運(yùn)河回填前后河流含氧量和魚(yú)類(lèi)生存區(qū)域(3)第二期工程計(jì)劃在21世紀(jì)前10年進(jìn)行更大規(guī)模的生態(tài)工程，重新開(kāi)挖144km的河道和恢復(fù)300多種野生生物的棲息地恢復(fù)10360hm2的洪泛區(qū)和沼澤地，過(guò)濾營(yíng)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(fù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估在工程的預(yù)備階段，就布置了完整的生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在收集大量監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)于生態(tài)恢復(fù)工程的成效進(jìn)行評(píng)估，目的是判斷達(dá)到期望目標(biāo)的程度該項(xiàng)工程制定了評(píng)估的定量標(biāo)準(zhǔn)。以60分為期望值，各個(gè)因子分別為：棲息地特性(含地貌、水文和水質(zhì))