河流治理生態(tài)工程學(xué)的發(fā)展沿革與趨勢(shì)

1、河流治理生態(tài)工程學(xué)的發(fā)展沿革與趨勢(shì) 摘要：自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，面對(duì)河流治理中出現(xiàn)的水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的某些負(fù)面影響問(wèn)題，歐洲的工程界對(duì)水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了深刻的反思，認(rèn)識(shí)到河流治理不但要符合. 關(guān)鍵詞：河流治理生態(tài)工程學(xué)生態(tài)水工學(xué)發(fā)展沿革趨勢(shì) 自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，面對(duì)河流治理中出現(xiàn)的水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的某些負(fù)面影響問(wèn)題，歐洲的工程界對(duì)水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了深刻的反思，認(rèn)識(shí)到河流治理不但要符合工程設(shè)計(jì)原理，也要符合自然原理。特別隨著現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的發(fā)展，他們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到河流治理工程還要符合生態(tài)學(xué)的原理，也就是說(shuō)把河流湖泊當(dāng)作生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分對(duì)待，不能把河流系統(tǒng)從自然生

2、態(tài)系統(tǒng)中割裂開(kāi)來(lái)進(jìn)行人工化設(shè)計(jì)。在歐洲陸續(xù)有一批河流生態(tài)治理工程獲得成功，同時(shí)相應(yīng)出現(xiàn)了一些河流治理生態(tài)工程理論和技術(shù)。這些理論、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)值得我們思考和借鑒。 1歐洲的河流生態(tài)工程實(shí)踐 河流生態(tài)工程是從歐洲對(duì)山區(qū)溪流生態(tài)治理開(kāi)始的。早在19世紀(jì)中期歐洲工業(yè)蓬勃發(fā)展，阿爾卑斯山區(qū)成為中歐的工業(yè)基地。由于開(kāi)礦山、修公路、建電站，大規(guī)?？撤ド?，破壞植被，造成山洪、泥石流、雪崩等頻繁發(fā)生，引起了地區(qū)各國(guó)的關(guān)注，18461884年間制定了森林法及水資源利用法。為了與山洪和山地災(zāi)害斗爭(zhēng)，興建了大規(guī)模的河流整治工程。經(jīng)過(guò)近百年的治理，大批工程設(shè)施發(fā)揮了作用，對(duì)山洪和山地災(zāi)害有所遏制。但是隨著水利工程的興

3、建，伴隨出現(xiàn)了許多負(fù)面效應(yīng)。特別是隨著大量移民遷入，山區(qū)旅游事業(yè)激增，這些負(fù)面效應(yīng)愈顯突出。主要是傳統(tǒng)水利工程興建后，生物的種類和數(shù)量都明顯下降，生物多樣性降低，人居環(huán)境質(zhì)量有所惡化。社會(huì)輿論要求保護(hù)阿爾卑斯山區(qū)，呼吁回歸自然。這使傳統(tǒng)的河流治理工程設(shè)計(jì)理念受到挑戰(zhàn)。工程師開(kāi)始反思，認(rèn)為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要側(cè)重考慮利用水土資源，防止自然災(zāi)害，但是忽視了工程與河流生態(tài)系統(tǒng)和諧的問(wèn)題，忽視了河流本身具備的自凈功能，也忽視了河流是多種動(dòng)植物的棲息地，是大量生物的物種庫(kù)這些重要事實(shí)。另外，從資源開(kāi)發(fā)角度看，山區(qū)溪流地區(qū)還有登山、滑雪、休閑等功能，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)也是水資源開(kāi)發(fā)利用的需要。 至20世紀(jì)50年代

4、德國(guó)正式創(chuàng)立了“近自然河道治理工程”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。 阿爾卑斯山區(qū)相關(guān)國(guó)家，諸如德國(guó)、瑞士、奧地利等國(guó)，在河川治理方面的生態(tài)工程建設(shè)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。這些國(guó)家制定的河川治理方案，注重發(fā)揮河流生態(tài)系統(tǒng)的整體功能；注重河流在三維空間內(nèi)植物分布、動(dòng)物遷徙和生態(tài)過(guò)程中相互制約與相互影響的作用；注重河流作為生態(tài)景觀和基因庫(kù)的作用。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始的“近自然河流治理”工程，至今雖然僅20多年，但是成效斐然。與傳統(tǒng)工程方法比較，其突出特點(diǎn)是流域內(nèi)的生物多樣性有了明顯增長(zhǎng)，生物生產(chǎn)力提高，生物種群的品種、密度都成倍增加。比如Oichtenbach流域“近自然治理”前后動(dòng)物種

5、類由44種增加到133種，Melk流域在治理前的1987年每百米河段魚(yú)類個(gè)體數(shù)量150條，生物量19kg，治理后的1990年分別提高到410條和55kg。治理后另一個(gè)特點(diǎn)是河流自凈能力明顯提高，水質(zhì)得到大幅度改善。實(shí)踐證明，充分利用河流自凈能力治污，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的技術(shù)。 20世紀(jì)80年代開(kāi)始萊茵河的治理，又為河流的生態(tài)工程技術(shù)提供了新的經(jīng)驗(yàn)。萊茵河是歐洲的大河，流域面積18.5萬(wàn)km2，河流總長(zhǎng)1320km。流域內(nèi)有瑞士、德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)和荷蘭等9國(guó)。二次大戰(zhàn)以后萊茵河沿岸國(guó)家工業(yè)急劇發(fā)展，造成污染不斷蔓延，污染主要來(lái)源于工業(yè)污染和生活污染。到20世紀(jì)70年代污染風(fēng)險(xiǎn)加大，大量未經(jīng)處理的

6、有機(jī)廢水傾入萊茵河，導(dǎo)致萊茵河水的氧氣含量不斷降低，生物物種減少，標(biāo)志生物鮭魚(yú)開(kāi)始死亡。1986年，在萊茵河上游史威查豪爾(Schweizerhalle)發(fā)生了一場(chǎng)大火，有10t殺蟲(chóng)劑隨水流進(jìn)入萊茵河，造成鮭魚(yú)和小型動(dòng)物大量死亡，其影響達(dá)500多km，直達(dá)萊茵河下游。事故如此突然和巨大，歐洲社會(huì)輿論嘩然。成立于1950年的萊茵河保護(hù)國(guó)際委員(1CPR)于1987年提出了萊茵河行動(dòng)計(jì)劃，得到了萊茵河流域各國(guó)和歐共體的一致支持。這個(gè)計(jì)劃的鮮明特點(diǎn)是以生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)作為萊茵河重建的主要指標(biāo)。主攻目標(biāo)是：到2000年鮭魚(yú)重返萊茵河，所以將這個(gè)河流治理的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃命名為：“鮭魚(yú)一2000計(jì)劃”。這個(gè)規(guī)劃詳細(xì)

7、提出了要使生物群落重返萊茵河及其支流所需要提供的條件，治理總目標(biāo)是萊茵河要成為“一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)的骨干”。沿岸各國(guó)投入了數(shù)百億美元用于治污和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。到2000年萊茵河全面實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)，沿河森林茂密，濕地發(fā)育，水質(zhì)清澈潔凈。鮭魚(yú)已經(jīng)從河口洄游到上游瑞士一帶產(chǎn)卵，魚(yú)類、鳥(niǎo)類和兩棲動(dòng)物重返萊茵河。 2各種生態(tài)工程理論及其評(píng)價(jià) 追溯河流治理的自然工程理論的形成歷史，當(dāng)推1938年德國(guó)Seifert首先提出“親河川整治”概念。他指出工程設(shè)施首先要具備河流傳統(tǒng)治理的各種功能，比如防洪、供水、水土保持等，同時(shí)還應(yīng)該達(dá)到接近自然的目的。親河川工程即經(jīng)濟(jì)又可保持自然景觀。使人類從物質(zhì)文明進(jìn)步到精神文明

8、、從工程技術(shù)進(jìn)步到工程藝術(shù)、從實(shí)用價(jià)值進(jìn)步到美學(xué)價(jià)值。他特別強(qiáng)調(diào)河溪治理工程中美學(xué)的成分。 如上述，20世紀(jì)50年代德國(guó)正式創(chuàng)立了“近自然河道治理工程學(xué)”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。河流治理的生態(tài)工程理論逐漸走上科學(xué)的軌道，還是在現(xiàn)代生態(tài)學(xué)形成和發(fā)展之后的事?，F(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，逐步形成了自己獨(dú)特的理論體系和方法論。一系列國(guó)際研究計(jì)劃極大促進(jìn)了現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的發(fā)展。其中著名的20世紀(jì)60年代的“國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃”，70年代“人與生物圈計(jì)劃”，80年代“國(guó)際地圈一生物圈計(jì)劃”等?，F(xiàn)代生態(tài)學(xué)的特點(diǎn)，首先是向宏觀研究發(fā)展，采用系統(tǒng)方法及多變量和非線性模型。其次，隨著學(xué)科的深

9、入發(fā)展，一些分支學(xué)科如進(jìn)化生態(tài)學(xué)、行為生態(tài)學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)和分子生態(tài)學(xué)相繼出現(xiàn)，擴(kuò)大了生態(tài)學(xué)的領(lǐng)域。從應(yīng)用方面看，為應(yīng)對(duì)20世紀(jì)中開(kāi)始出現(xiàn)的人口、資源與環(huán)境危機(jī)，促進(jìn)了生態(tài)學(xué)與其他學(xué)科的交叉及融合。不少科學(xué)家認(rèn)為，生態(tài)學(xué)是解決人類面臨的危機(jī)的科學(xué)基礎(chǔ)之一。這些新的交叉學(xué)科可以歸類稱為“應(yīng)用生態(tài)學(xué)”。比如始于20世紀(jì)70年代生態(tài)學(xué)與人類環(huán)境問(wèn)題相結(jié)合逐漸形成了環(huán)境生態(tài)學(xué)，其后保護(hù)生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)等應(yīng)運(yùn)而生。而生態(tài)學(xué)與各類工程學(xué)的結(jié)合，主要是在工程設(shè)計(jì)理念中吸收生態(tài)學(xué)的原理和知識(shí)，改變傳統(tǒng)的工程理念和技術(shù)方法，又形成了不少新的工程理論。 1962年H.T.Odum提出將生態(tài)系統(tǒng)自組織行

10、為(Self-organizingactivities)運(yùn)用到工程之中。他首次提出“生態(tài)工程”(Ecologicalengineering)一詞，旨在促進(jìn)生態(tài)學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合。 受生態(tài)學(xué)的啟發(fā)，人們對(duì)于河流治理有了新的認(rèn)識(shí)，河流治理除了要滿足人類社會(huì)的需求以外，還要滿足維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及生物多樣性的需求，同時(shí)把河流的自然狀態(tài)或原始狀態(tài)作為河流整治及人類干預(yù)的尺度，相應(yīng)發(fā)展了生態(tài)工程技術(shù)和理論。 1971年Schlueter認(rèn)為近自然治理(nearnaturecontr01)的目標(biāo)，首先要滿足人類對(duì)河流利用的要求，同時(shí)要維護(hù)或創(chuàng)造河流的生態(tài)多樣性。1983年Bidner提出河道整治首先要考慮河

11、道的水力學(xué)特性、地貌學(xué)特點(diǎn)與河流的自然狀況，以權(quán)衡河道整治與對(duì)生態(tài)系統(tǒng)脅迫之間的尺度。1985年Holzmann把河岸植被視為具有多種小生態(tài)環(huán)境的多層結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)生態(tài)多樣性在生態(tài)治理的重要性，注重工程治理與自然景觀的和諧性。同年，Rossoll指出，近自然治理的思想應(yīng)該以維護(hù)河流中盡可能高的生物生產(chǎn)力為基礎(chǔ)。到了1989年P(guān)abst則強(qiáng)調(diào)溪流的自然特性要依靠自然力去恢復(fù)。1992年Hohmann從維護(hù)河溪生態(tài)系平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為近自然河流治理要減輕人為活動(dòng)對(duì)河流的壓力，維持河流環(huán)境多樣性、物種多樣性及其河流生態(tài)系統(tǒng)平衡，并逐漸恢復(fù)自然狀況。 河川的生態(tài)工程在德國(guó)稱為“河川生態(tài)自然工程”，日本稱

12、為“近自然工事”，或“多自然型建設(shè)工法”。美國(guó)稱為“自然河道設(shè)計(jì)技術(shù)”(naturalchanneldesigntechniques)。一些國(guó)家已經(jīng)頒布了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。 1989年Mitsch等對(duì)于“生態(tài)工程學(xué)”(Ecologicalengineering)給出定義，Mitsch有時(shí)也使用“生態(tài)技術(shù)”(Ecotechnology)一詞。1993年美國(guó)科學(xué)院所主辦的生態(tài)工程研討會(huì)中根據(jù)Mitsch的建議，對(duì)“生態(tài)工程學(xué)”定義為：“將人類社會(huì)與其自然環(huán)境相結(jié)合，以達(dá)到雙方受益的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。”生態(tài)工程學(xué)的范圍很廣，包括河流、湖泊、濕地、礦山、森林、土地及海岸等的生態(tài)建設(shè)問(wèn)題。

13、從以上簡(jiǎn)單介紹可以看出，有關(guān)河流的生態(tài)工程理論是多種多樣的，但是可以歸納以下觀點(diǎn)是共同的：（1）在學(xué)科的科學(xué)基礎(chǔ)方面，強(qiáng)調(diào)工程學(xué)與生態(tài)學(xué)相結(jié)合。在河流整治方面，工程設(shè)計(jì)理論要吸收生態(tài)學(xué)的原理和知識(shí)。（2）新型的工程設(shè)施既要滿足人類社會(huì)的種種需求，也要滿足生態(tài)系統(tǒng)健康性的需求，實(shí)現(xiàn)雙贏是理想的目標(biāo)。（3）河流生態(tài)工程以保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性為重點(diǎn)。在治河工程中，尊重河流流域的自然狀況，尊重各類生物種群的生存權(quán)利。水利工程設(shè)施要為動(dòng)植物的生長(zhǎng)、繁殖、棲息提供條件。(4)認(rèn)識(shí)和遵循生態(tài)系統(tǒng)自身的規(guī)律，充分發(fā)揮自然界自我修復(fù)和自我凈化功能，生態(tài)恢復(fù)工程強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的自我設(shè)計(jì)功能(self-desi

14、gn)。(5)依據(jù)人文學(xué)理論，強(qiáng)調(diào)河流自然美學(xué)價(jià)值。在治河工程中，要設(shè)法保存河流的自然美，以滿足人類在長(zhǎng)期自然歷史進(jìn)化過(guò)程中形成的對(duì)自然情感的心理依賴。 3生態(tài)水工學(xué)的內(nèi)涵 具有各種不同目標(biāo)和內(nèi)容的河流治理生態(tài)工程學(xué)，是人們摒棄了“征服自然”的觀念以后，更為理智的工程科學(xué)。它反映了人類與自然和諧共存的理念，是水利工程理論和其他相關(guān)工程理論發(fā)展的一個(gè)方向。 河流治理生態(tài)工程是一個(gè)十分廣泛的概念。它包括水土保持、河流泥沙治理、水污染防治、地下水保護(hù)、河口治理等諸多方面。與此相對(duì)應(yīng)，目前河流治理生態(tài)工程學(xué)涉及的領(lǐng)域也十分寬闊。發(fā)達(dá)國(guó)家近一、二十年的工程實(shí)踐，其理論和技術(shù)方法也在不斷發(fā)展。但是畢竟是新

15、興的工程理論，河流治理生態(tài)工程學(xué)也處于探索和發(fā)展階段。 生態(tài)水利工程學(xué)(Eco-HydraulicEngineering)簡(jiǎn)稱“生態(tài)水工學(xué)”，是從減輕水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面影響的一個(gè)側(cè)面，探討水利工程新的工程理念和技術(shù)方法。 筆者認(rèn)為，生態(tài)水利工程學(xué)作為水利工程學(xué)的一個(gè)新的分支，是研究水利工程在滿足人類社會(huì)需求的同時(shí)，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康性需求的原理與技術(shù)方法的工程學(xué)。發(fā)展生態(tài)水工學(xué)的目的，是促進(jìn)人類與自然相和諧，保證水資源可持續(xù)利用。 生態(tài)水工學(xué)是一門(mén)交叉學(xué)科，也是一門(mén)實(shí)用的工程學(xué)。它是立足于水利工程學(xué)，吸收、融合生態(tài)學(xué)的原理和知識(shí)，用以改善水利工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)方法的工程學(xué)。其內(nèi)涵似應(yīng)包

16、括兩部分：生態(tài)水工學(xué)的基本原理和生態(tài)水工技術(shù)。 生態(tài)水工學(xué)的基本原理包括研究水域生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)；不同區(qū)域水文與水質(zhì)因子與生物群落的相關(guān)關(guān)系；水利工程與水域生態(tài)系統(tǒng)的交互作用；生態(tài)型水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)脑砗蜋C(jī)制等。生態(tài)水工學(xué)的原理是遵循生態(tài)系統(tǒng)的自我設(shè)計(jì)、自我組織、自我修復(fù)和自我凈化的規(guī)律。 生態(tài)水工技術(shù)的任務(wù)是水利工程在滿足人對(duì)水的多種需求的同時(shí)，為保持和提高生物多樣性提供必要的生境條件。生態(tài)水工技術(shù)具體包括：河道整治、水庫(kù)工程、人工濕地及生態(tài)景觀的生態(tài)水工技術(shù)等。 我國(guó)發(fā)展生態(tài)水工學(xué)及開(kāi)發(fā)生態(tài)水工技術(shù)，可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，但是不可能照搬。原因是自然條件不同，需要因地制宜地解決生態(tài)建

17、設(shè)技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，在制定生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)方面也會(huì)有所不同。從工程規(guī)劃角度看，在開(kāi)發(fā)利用水流時(shí)，應(yīng)明確河流與其上下游、左右岸的生物群落交織在一起共生共存，處于一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)中，規(guī)劃中要考慮這一重要因素。重大水利工程建設(shè)，不僅僅要解決瀕危生物或“明星生物”的棲息問(wèn)題，還要從整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康性考慮問(wèn)題。從工程建設(shè)角度看，水利工程設(shè)施首先要保證結(jié)構(gòu)物的安全，達(dá)到強(qiáng)度、穩(wěn)定和耐久性的技術(shù)要求，具備完善的功能，在此基礎(chǔ)上，吸收生態(tài)學(xué)原理，為維持生物多樣性創(chuàng)造條件。 如同任何工程建設(shè)一樣，生態(tài)型的水利工程也要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，保證技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)的合理性。生態(tài)恢復(fù)工程的經(jīng)濟(jì)分析，似應(yīng)根據(jù)客觀需要和實(shí)際經(jīng)濟(jì)支付能力，確定合理的生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)。在生態(tài)恢復(fù)工程中，開(kāi)發(fā)廉價(jià)、實(shí)用的技術(shù)最合理的技術(shù)路線就是充分利用生態(tài)系統(tǒng)自我設(shè)計(jì)，自我修復(fù)的功能。實(shí)際上，自然界早在人類出現(xiàn)以前就能夠有序地運(yùn)行和演進(jìn)，全靠生態(tài)系統(tǒng)自身的自我設(shè)計(jì)和自我修復(fù)功能。我們現(xiàn)在說(shuō)的生態(tài)修復(fù)工程，也是遵循這些基本規(guī)律。自然界并不需要人類的“恩賜”，需要的是少一點(diǎn)“干預(yù)”。我們的任務(wù)是深入認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律，謹(jǐn)慎地遵循這些