河流治理生態(tài)工程學的發(fā)展沿革與趨勢

中圖分類號：TV88 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0860(2004)01-0039-03

　　自20世紀80年代開始，面對河流治理中出現(xiàn)的水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的某些負面影響問題，歐洲的工程界對水利工程的規(guī)劃設(shè)計理念進行了深刻的反思，認識到河流治理不但要符合工程設(shè)計原理，也要符合自然原理。特別隨著現(xiàn)代生態(tài)學的發(fā)展，他們進一步認識到河流治理工程還要符合生態(tài)學的原理，也就是說把河流湖泊當作生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分對待，不能把河流系統(tǒng)從自然生態(tài)系統(tǒng)中割裂開來進行人工化設(shè)計。在歐洲陸續(xù)有一批河流生態(tài)治理工程獲得成功，同時相應(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)工程實踐

　　河流生態(tài)工程是從歐洲對山區(qū)溪流生態(tài)治理開始的。早在19世紀中期歐洲工業(yè)蓬勃發(fā)展，阿爾卑斯山區(qū)成為中歐的工業(yè)基地。由于開礦山、修公路、建電站，大規(guī)?？撤ド郑茐闹脖?，造成山洪、泥石流、雪崩等頻繁發(fā)生，引起了地區(qū)各國的關(guān)注，1846～1884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，興建了大規(guī)模的河流整治工程。經(jīng)過近百年的治理，大批工程設(shè)施發(fā)揮了作用，對山洪和山地災(zāi)害有所遏制。但是隨著水利工程的興建，伴隨出現(xiàn)了許多負面效應(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。社會輿論要求保護阿爾卑斯山區(qū)，呼吁回歸自然。這使傳統(tǒng)的河流治理工程設(shè)計理念受到挑戰(zhàn)。工程師開始反思，認為傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要側(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植物的棲息地，是大量生物的物種庫這些重要事實。另外，從資源開發(fā)角度看，山區(qū)溪流地區(qū)還有登山、滑雪、休閑等功能，保護生態(tài)系統(tǒng)也是水資源開發(fā)利用的需要。

　　至20世紀50年代德國正式創(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)國家，諸如德國、瑞士、奧地利等國，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。這些國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、動物遷徙和生態(tài)過程中相互制約與相互影響的作用；注重河流作為生態(tài)景觀和基因庫的作用。自20世紀80年代開始的“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，其突出特點是流域內(nèi)的生物多樣性有了明顯增長，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”前后動物種類由44種增加到133種，Melk 流域在治理前的1987年每百米河段魚類個體數(shù)量150條，生物量19kg，治理后的1990年分別提高到410條和55kg。治理后另一個特點是河流自凈能力明顯提高，水質(zhì)得到大幅度改善。實踐證明，充分利用河流自凈能力治污，是一種經(jīng)濟、實用的技術(shù)。

　　20世紀80年代開始萊茵河的治理，又為河流的生態(tài)工程技術(shù)提供了新的經(jīng)驗。萊茵河是歐洲的大河，流域面積18.5萬km2，河流總長1320km。流域內(nèi)有瑞士、德國、法國、比利時和荷蘭等9國。二次大戰(zhàn)以后萊茵河沿岸國家工業(yè)急劇發(fā)展，造成污染不斷蔓延，污染主要來源于工業(yè)污染和生活污染。到20世紀70年代污染風險加大，大量未經(jīng)處理的有機廢水傾入萊茵河，導致萊茵河水的氧氣含量不斷降低，生物物種減少，標志生物——鮭魚開始死亡。1986年，在萊茵河上游史威查豪爾 (Schweizerhalle) 發(fā)生了一場大火，有10t殺蟲劑隨水流進入萊茵河，造成鮭魚和小型動物大量死亡，其影響達500多km，直達萊茵河下游。事故如此突然和巨大，歐洲社會輿論嘩然。成立于1950年的萊茵河保護國際委員(1CPR)于1987年提出了萊茵河行動計劃，得到了萊茵河流域各國和歐共體的一致支持。這個計劃的鮮明特點是以生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)作為萊茵河重建的主要指標。主攻目標是：到2000年鮭魚重返萊茵河，所以將這個河流治理的長遠規(guī)劃命名為：“鮭魚一2000計劃”。這個規(guī)劃詳細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，治理總目標是萊茵河要成為“一個完整的生態(tài)系統(tǒng)的骨干”。沿岸各國投入了數(shù)百億美元用于治污和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。到2000年萊茵河全面實現(xiàn)了預(yù)定目標，沿河森林茂密，濕地發(fā)育，水質(zhì)清澈潔凈。鮭魚已經(jīng)從河口洄游到上游——瑞士一帶產(chǎn)卵，魚類、鳥類和兩棲動物重返萊茵河。

2 各種生態(tài)工程理論及其評價

　　追溯河流治理的自然工程理論的形成歷史，當推1938年德國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，同時還應(yīng)該達到接近自然的目的。親河川工程即經(jīng)濟又可保持自然景觀。使人類從物質(zhì)文明進步到精神文明、從工程技術(shù)進步到工程藝術(shù)、從實用價值進步到美學價值。他特別強調(diào)河溪治理工程中美學的成分。

　　如上述，20世紀50年代德國正式創(chuàng)立了“近自然河道治理工程學”，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的軌道，還是在現(xiàn)代生態(tài)學形成和發(fā)展之后的事?，F(xiàn)代生態(tài)學發(fā)展始于20世紀60年代，逐步形成了自己獨特的理論體系和方法論。一系列國際研究計劃極大促進了現(xiàn)代生態(tài)學的發(fā)展。其中著名的20世紀60年代的“國際生物學計劃”，70年代“人與生物圈計劃”，80年代“國際地圈一生物圈計劃”等。現(xiàn)代生態(tài)學的特點，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，隨著學科的深入發(fā)展，一些分支學科如進化生態(tài)學、行為生態(tài)學、化學生態(tài)學和分子生態(tài)學相繼出現(xiàn)，擴大了生態(tài)學的領(lǐng)域。從應(yīng)用方面看，為應(yīng)對20世紀中開始出現(xiàn)的人口、資源與環(huán)境危機，促進了生態(tài)學與其他學科的交叉及融合。不少科學家認為，生態(tài)學是解決人類面臨的危機的科學基礎(chǔ)之一。這些新的交叉學科可以歸類稱為“應(yīng)用生態(tài)學”。比如始于20世紀70年代生態(tài)學與人類環(huán)境問題相結(jié)合逐漸形成了環(huán)境生態(tài)學，其后保護生物學、經(jīng)濟生態(tài)學、城市生態(tài)學等應(yīng)運而生。而生態(tài)學與各類工程學的結(jié)合，主要是在工程設(shè)計理念中吸收生態(tài)學的原理和知識，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)自組織行為 (Self-organizing activities) 運用到工程之中。他首次提出“生態(tài)工程”(Ecological engineering) 一詞，旨在促進生態(tài)學與工程學相結(jié)合。

　　受生態(tài)學的啟發(fā)，人們對于河流治理有了新的認識，河流治理除了要滿足人類社會的需求以外，還要滿足維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及生物多樣性的需求，同時把河流的自然狀態(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認為近自然治理 (near nature contr01) 的目標，首先要滿足人類對河流利用的要求，同時要維護或創(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道的水力學特性、地貌學特點與河流的自然狀況，以權(quán)衡河道整治與對生態(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從維護河溪生態(tài)系平衡的觀點出發(fā)，認為近自然河流治理要減輕人為活動對河流的壓力，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)工程在德國稱為“河川生態(tài)自然工程”，日本稱為“近自然工事”，或“多自然型建設(shè)工法”。美國稱為“自然河道設(shè)計技術(shù)”(natural channel design techniques)。一些國家已經(jīng)頒布了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標準。

　　1989年Mitsch等對于“生態(tài)工程學”(Ecological engineering) 給出定義，Mitsch有時也使用“生態(tài)技術(shù)”(Ecotechnology) 一詞。1993年美國科學院所主辦的生態(tài)工程研討會中根據(jù)Mitsch的建議，對“生態(tài)工程學”定義為：“將人類社會與其自然環(huán)境相結(jié)合，以達到雙方受益的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計方法。”生態(tài)工程學的范圍很廣，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)問題。

　　從以上簡單介紹可以看出，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是共同的：（1）在學科的科學基礎(chǔ)方面，強調(diào)工程學與生態(tài)學相結(jié)合。在河流整治方面，工程設(shè)計理論要吸收生態(tài)學的原理和知識。（2）新型的工程設(shè)施既要滿足人類社會的種種需求，也要滿足生態(tài)系統(tǒng)健康性的需求，實現(xiàn)雙贏是理想的目標。（3）河流生態(tài)工程以保護河流生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性為重點。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)施要為動植物的生長、繁殖、棲息提供條件。(4)認識和遵循生態(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)工程強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的自我設(shè)計功能 (self-design)。(5)依據(jù)人文學理論，強調(diào)河流自然美學價值。在治河工程中，要設(shè)法保存河流的自然美，以滿足人類在長期自然歷史進化過程中形成的對自然情感的心理依賴。

3　生態(tài)水工學的內(nèi)涵

　　具有各種不同目標和內(nèi)容的河流治理生態(tài)工程學，是人們摒棄了“征服自然”的觀念以后，更為理智的工程科學。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)展的一個方向。

　　河流治理生態(tài)工程是一個十分廣泛的概念。它包括水土保持、河流泥沙治理、水污染防治、地下水保護、河口治理等諸多方面。與此相對應(yīng)，目前河流治理生態(tài)工程學涉及的領(lǐng)域也十分寬闊。 發(fā)達國家近一、二十年的工程實踐，其理論和技術(shù)方法也在不斷發(fā)展。但是畢竟是新興的工程理論，河流治理生態(tài)工程學也處于探索和發(fā)展階段。

　　生態(tài)水利工程學 (Eco-Hydraulic Engineering) 簡稱“生態(tài)水工學”，是從減輕水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)負面影響的一個側(cè)面，探討水利工程新的工程理念和技術(shù)方法。

　　筆者認為，生態(tài)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(tài)系統(tǒng)健康性需求的原理與技術(shù)方法的工程學。發(fā)展生態(tài)水工學的目的，是促進人類與自然相和諧，保證水資源可持續(xù)利用。

　　生態(tài)水工學是一門交叉學科，也是一門實用的工程學。它是立足于水利工程學，吸收、融合生態(tài)學的原理和知識，用以改善水利工程的規(guī)劃與設(shè)計方法的工程學。其內(nèi)涵似應(yīng)包括兩部分：生態(tài)水工學的基本原理和生態(tài)水工技術(shù)。

　　生態(tài)水工學的基本原理包括研究水域生態(tài)系統(tǒng)的特點；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)型水利工程對生態(tài)系統(tǒng)補償?shù)脑砗蜋C制等。生態(tài)水工學的原理是遵循生態(tài)系統(tǒng)的自我設(shè)計、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水的多種需求的同時，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、水庫工程、人工濕地及生態(tài)景觀的生態(tài)水工技術(shù)等。

　　我國發(fā)展生態(tài)水工學及開發(fā)生態(tài)水工技術(shù)，可以借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗，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)建設(shè)技術(shù)問題。同時，各國經(jīng)濟發(fā)展水平不同，在制定生態(tài)恢復(fù)目標方面也會有所不同。從工程規(guī)劃角度看，在開發(fā)利用水流時，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”的棲息問題，還要從整個河流生態(tài)系統(tǒng)的健康性考慮問題。 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，達到強度、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行技術(shù)經(jīng)濟論證，保證技術(shù)的可行性和經(jīng)濟的合理性。生態(tài)恢復(fù)工程的經(jīng)濟分析，似應(yīng)根據(jù)客觀需要和實際經(jīng)濟支付能力，確定合理的生態(tài)恢復(fù)目標。在生態(tài)恢復(fù)工程中，開發(fā)廉價、實用的技術(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，自我修復(fù)的功能。實際上，自然界早在人類出現(xiàn)以前就能夠有序地運行和演進，全靠生態(tài)系統(tǒng)自身的自我設(shè)計和自我修復(fù)功能。我們現(xiàn)在說的生態(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“干預(yù)”。我們的任務(wù)是深入認識生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律，謹慎地遵循這些規(guī)律，而不需要創(chuàng)造什么規(guī)律。

　　生態(tài)水工學的發(fā)展需要水利工程學與生態(tài)學相結(jié)合，在學科的交叉、融合中得到發(fā)展。生態(tài)水工學將是一門實用的工程學，通過不同類型的示范工程，摸索經(jīng)驗，總結(jié)提高，逐步推廣，在工程實踐的基礎(chǔ)上，逐步形成規(guī)范和標準。

參考文獻：

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作者單位：中國水利水電科學研究院