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河流治理生态工程学的发展沿革与趋势

2006-12-20 09:08    【  【打印】【我要纠错】

  自20世纪80年代开始,面对河流治理中出现的水利工程对生态系统的某些负面影响问题,欧洲的工程界对水利工程的规划设计理念进行了深刻的反思,认识到河流治理不但要符合工程设计原理,也要符合自然原理。特别随着现代生态学的发展,他们进一步认识到河流治理工程还要符合生态学的原理,也就是说把河流湖泊当作生态系统的一个重要组成部分对待,不能把河流系统从自然生态系统中割裂开来进行人工化设计。在欧洲陆续有一批河流生态治理工程获得成功,同时相应出现了一些河流治理生态工程理论和技术。这些理论、经验和技术值得我们思考和借鉴。

  1 欧洲的河流生态工程实践

  河流生态工程是从欧洲对山区溪流生态治理开始的。早在19世纪中期欧洲工业蓬勃发展,阿尔卑斯山区成为中欧的工业基地。由于开矿山、修公路、建电站,大规模砍伐森林,破坏植被,造成山洪、泥石流、雪崩等频繁发生,引起了地区各国的关注,1846~1884年间制定了森林法及水资源利用法。为了与山洪和山地灾害斗争,兴建了大规模的河流整治工程。经过近百年的治理,大批工程设施发挥了作用,对山洪和山地灾害有所遏制。但是随着水利工程的兴建,伴随出现了许多负面效应。特别是随着大量移民迁入,山区旅游事业激增,这些负面效应愈显突出。主要是传统水利工程兴建后,生物的种类和数量都明显下降,生物多样性降低,人居环境质量有所恶化。社会舆论要求保护阿尔卑斯山区,呼吁回归自然。这使传统的河流治理工程设计理念受到挑战。工程师开始反思,认为传统的设计方法主要侧重考虑利用水土资源,防止自然灾害,但是忽视了工程与河流生态系统和谐的问题,忽视了河流本身具备的自净功能,也忽视了河流是多种动植物的栖息地,是大量生物的物种库这些重要事实。另外,从资源开发角度看,山区溪流地区还有登山、滑雪、休闲等功能,保护生态系统也是水资源开发利用的需要。

  至20世纪50年代德国正式创立了“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。

  阿尔卑斯山区相关国家,诸如德国、瑞士、奥地利等国,在河川治理方面的生态工程建设,积累了丰富的经验。这些国家制定的河川治理方案,注重发挥河流生态系统的整体功能;注重河流在三维空间内植物分布、动物迁徙和生态过程中相互制约与相互影响的作用;注重河流作为生态景观和基因库的作用。自20世纪80年代开始的“近自然河流治理”工程,至今虽然仅20多年,但是成效斐然。与传统工程方法比较,其突出特点是流域内的生物多样性有了明显增长,生物生产力提高,生物种群的品种、密度都成倍增加。比如 Oichtenbach 流域“近自然治理”前后动物种类由44种增加到133种,Melk 流域在治理前的1987年每百米河段鱼类个体数量150条,生物量19kg,治理后的1990年分别提高到410条和55kg.治理后另一个特点是河流自净能力明显提高,水质得到大幅度改善。实践证明,充分利用河流自净能力治污,是一种经济、实用的技术。   

  20世纪80年代开始莱茵河的治理,又为河流的生态工程技术提供了新的经验。莱茵河是欧洲的大河,流域面积18.5万平方公里,河流总长1320km.流域内有瑞士、德国、法国、比利时和荷兰等9国。二次大战以后莱茵河沿岸国家工业急剧发展,造成污染不断蔓延,污染主要来源于工业污染和生活污染。到20世纪70年代污染风险加大,大量未经处理的有机废水倾入莱茵河,导致莱茵河水的氧气含量不断降低,生物物种减少,标志生物——鲑鱼开始死亡。1986年,在莱茵河上游史威查豪尔 (Schweizerhalle) 发生了一场大火,有10t杀虫剂随水流进入莱茵河,造成鲑鱼和小型动物大量死亡,其影响达500多km,直达莱茵河下游。事故如此突然和巨大,欧洲社会舆论哗然。成立于1950年的莱茵河保护国际委员(1CPR)于1987年提出了莱茵河行动计划,得到了莱茵河流域各国和欧共体的一致支持。这个计划的鲜明特点是以生态系统恢复作为莱茵河重建的主要指标。主攻目标是:到2000年鲑鱼重返莱茵河,所以将这个河流治理的长远规划命名为:“鲑鱼一2000计划”。这个规划详细提出了要使生物群落重返莱茵河及其支流所需要提供的条件,治理总目标是莱茵河要成为“一个完整的生态系统的骨干”。沿岸各国投入了数百亿美元用于治污和生态系统建设。到2000年莱茵河全面实现了预定目标,沿河森林茂密,湿地发育,水质清澈洁净。鲑鱼已经从河口洄游到上游——瑞士一带产卵,鱼类、鸟类和两栖动物重返莱茵河。

  2 各种生态工程理论及其评价

  追溯河流治理的自然工程理论的形成历史,当推1938年德国Seifert首先提出“亲河川整治”概念。他指出工程设施首先要具备河流传统治理的各种功能,比如防洪、供水、水土保持等,同时还应该达到接近自然的目的。亲河川工程即经济又可保持自然景观。使人类从物质文明进步到精神文明、从工程技术进步到工程艺术、从实用价值进步到美学价值。他特别强调河溪治理工程中美学的成分。

  如上述,20世纪50年代德国正式创立了“近自然河道治理工程学”,提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。河流治理的生态工程理论逐渐走上科学的轨道,还是在现代生态学形成和发展之后的事。现代生态学发展始于20世纪60年代,逐步形成了自己独特的理论体系和方法论。一系列国际研究计划极大促进了现代生态学的发展。其中著名的20世纪60年代的“国际生物学计划”,70年代“人与生物圈计划”,80年代“国际地圈一生物圈计划”等。现代生态学的特点,首先是向宏观研究发展,采用系统方法及多变量和非线性模型。其次,随着学科的深入发展,一些分支学科如进化生态学、行为生态学、化学生态学和分子生态学相继出现,扩大了生态学的领域。从应用方面看,为应对20世纪中开始出现的人口、资源与环境危机,促进了生态学与其他学科的交叉及融合。不少科学家认为,生态学是解决人类面临的危机的科学基础之一。这些新的交叉学科可以归类称为“应用生态学”。比如始于20世纪70年代生态学与人类环境问题相结合逐渐形成了环境生态学,其后保护生物学、经济生态学、城市生态学等应运而生。而生态学与各类工程学的结合,主要是在工程设计理念中吸收生态学的原理和知识,改变传统的工程理念和技术方法,又形成了不少新的工程理论。

  1962年 H. T. Odum 提出将生态系统自组织行为 (Self-organizing activities) 运用到工程之中。他首次提出“生态工程”(Ecological engineering) 一词,旨在促进生态学与工程学相结合。

  受生态学的启发,人们对于河流治理有了新的认识,河流治理除了要满足人类社会的需求以外,还要满足维护生态系统稳定性及生物多样性的需求,同时把河流的自然状态或原始状态作为河流整治及人类干预的尺度,相应发展了生态工程技术和理论。

  1971年Schlueter认为近自然治理 (near nature contr01) 的目标,首先要满足人类对河流利用的要求,同时要维护或创造河流的生态多样性。1983年Bidner提出河道整治首先要考虑河道的水力学特性、地貌学特点与河流的自然状况,以权衡河道整治与对生态系统胁迫之间的尺度。1985年Holzmann把河岸植被视为具有多种小生态环境的多层结构,强调生态多样性在生态治理的重要性,注重工程治理与自然景观的和谐性。同年,Rossoll指出,近自然治理的思想应该以维护河流中尽可能高的生物生产力为基础。到了1989年Pabst则强调溪流的自然特性要依靠自然力去恢复。1992年Hohmann从维护河溪生态系平衡的观点出发,认为近自然河流治理要减轻人为活动对河流的压力,维持河流环境多样性、物种多样性及其河流生态系统平衡,并逐渐恢复自然状况。

  河川的生态工程在德国称为“河川生态自然工程”,日本称为“近自然工事”,或“多自然型建设工法”。美国称为“自然河道设计技术”(natural channel design techniques)。一些国家已经颁布了相关的技术规范标准

  1989年Mitsch等对于“生态工程学”(Ecological engineering) 给出定义,Mitsch有时也使用“生态技术”(Ecotechnology) 一词。1993年美国科学院所主办的生态工程研讨会中根据Mitsch的建议,对“生态工程学”定义为:“将人类社会与其自然环境相结合,以达到双方受益的可持续生态系统的设计方法。”生态工程学的范围很广,包括河流、湖泊、湿地、矿山、森林、土地及海岸等的生态建设问题。

  从以上简单介绍可以看出,有关河流的生态工程理论是多种多样的,但是可以归纳以下观点是共同的:

  (1)在学科的科学基础方面,强调工程学与生态学相结合。在河流整治方面,工程设计理论要吸收生态学的原理和知识。

  (2)新型的工程设施既要满足人类社会的种种需求,也要满足生态系统健康性的需求,实现双赢是理想的目标。

  (3)河流生态工程以保护河流生态系统生物多样性为重点。在治河工程中,尊重河流流域的自然状况,尊重各类生物种群的生存权利。水利工程设施要为动植物的生长、繁殖、栖息提供条件。

  (4)认识和遵循生态系统自身的规律,充分发挥自然界自我修复和自我净化功能,生态恢复工程强调生态系统的自我设计功能 (self-design)。

  (5)依据人文学理论,强调河流自然美学价值。在治河工程中,要设法保存河流的自然美,以满足人类在长期自然历史进化过程中形成的对自然情感的心理依赖。

  3 生态水工学的内涵

  具有各种不同目标和内容的河流治理生态工程学,是人们摒弃了“征服自然”的观念以后,更为理智的工程科学。它反映了人类与自然和谐共存的理念,是水利工程理论和其他相关工程理论发展的一个方向。

  河流治理生态工程是一个十分广泛的概念。它包括水土保持、河流泥沙治理、水污染防治、地下水保护、河口治理等诸多方面。与此相对应,目前河流治理生态工程学涉及的领域也十分宽阔。 发达国家近一、二十年的工程实践,其理论和技术方法也在不断发展。但是毕竟是新兴的工程理论,河流治理生态工程学也处于探索和发展阶段。

  生态水利工程学 (Eco-Hydraulic Engineering) 简称“生态水工学”,是从减轻水利工程对河流生态系统负面影响的一个侧面,探讨水利工程新的工程理念和技术方法。

  笔者认为,生态水利工程学作为水利工程学的一个新的分支,是研究水利工程在满足人类社会需求的同时,兼顾水域生态系统健康性需求的原理与技术方法的工程学。发展生态水工学的目的,是促进人类与自然相和谐,保证水资源可持续利用。

  生态水工学是一门交叉学科,也是一门实用的工程学。它是立足于水利工程学,吸收、融合生态学的原理和知识,用以改善水利工程的规划与设计方法的工程学。其内涵似应包括两部分:生态水工学的基本原理和生态水工技术。   

  生态水工学的基本原理包括研究水域生态系统的特点;不同区域水文与水质因子与生物群落的相关关系;水利工程与水域生态系统的交互作用;生态型水利工程对生态系统补偿的原理和机制等。生态水工学的原理是遵循生态系统的自我设计、自我组织、自我修复和自我净化的规律。

  生态水工技术的任务是水利工程在满足人对水的多种需求的同时,为保持和提高生物多样性提供必要的生境条件。生态水工技术具体包括:河道整治、水库工程、人工湿地及生态景观的生态水工技术等。

  我国发展生态水工学及开发生态水工技术,可以借鉴发达国家的经验,但是不可能照搬。原因是自然条件不同,需要因地制宜地解决生态建设技术问题。同时,各国经济发展水平不同,在制定生态恢复目标方面也会有所不同。从工程规划角度看,在开发利用水流时,应明确河流与其上下游、左右岸的生物群落交织在一起共生共存,处于一个完整的生态系统中,规划中要考虑这一重要因素。重大水利工程建设,不仅仅要解决濒危生物或“明星生物”的栖息问题,还要从整个河流生态系统的健康性考虑问题。 从工程建设角度看,水利工程设施首先要保证结构物的安全,达到强度、稳定和耐久性的技术要求,具备完善的功能,在此基础上,吸收生态学原理,为维持生物多样性创造条件。

  如同任何工程建设一样,生态型的水利工程也要进行技术经济论证,保证技术的可行性和经济的合理性。生态恢复工程的经济分析,似应根据客观需要和实际经济支付能力,确定合理的生态恢复目标。在生态恢复工程中,开发廉价、实用的技术最合理的技术路线就是充分利用生态系统自我设计,自我修复的功能。实际上,自然界早在人类出现以前就能够有序地运行和演进,全靠生态系统自身的自我设计和自我修复功能。我们现在说的生态修复工程,也是遵循这些基本规律。自然界并不需要人类的“恩赐”,需要的是少一点“干预”。我们的任务是深入认识生态系统的规律,谨慎地遵循这些规律,而不需要创造什么规律。

  生态水工学的发展需要水利工程学与生态学相结合,在学科的交叉、融合中得到发展。生态水工学将是一门实用的工程学,通过不同类型的示范工程,摸索经验,总结提高,逐步推广,在工程实践的基础上,逐步形成规范和标准。

  参考文献:

  [1] Mitsch WJ. Ecological engineering [M]. John Wiley & Sons Ltd., 1989.

  [2] 董哲仁。生态水工学的理论框架 [J].水利学报,2003,(1)。

  [3] 董哲仁。生态水工学——人与自然和谐的工程学 [J].水利水电技术,2003,(1)。

  [4] 董哲仁。水利工程对生态系统的胁迫 [J].水利水电技术,2003,(6)。

 

董哲仁

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