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生态水工学-人与自然和谐的工程学(董哲仁)
  2002-10-29 13:42  

 水利部国科司司长 董哲仁


摘要:在健全的生态系统中水体与生物群落相互依存,相互作用,形成了江河湖泊的自净能力。水工学应吸收、融合生态学的理论,建立和发展生态水工学,在满足人们对水的各种不同需求的同时,还应满足水域生态系统完整性、依存性的要求,恢复与建设洁净的水环境,实现人与自然的和谐。

1. 关注江河湖库水环境现状
我国江河、湖泊和水库普遍受到污染,至今仍在迅速发展。水污染加剧了水资源短缺,直接威胁着饮用水的安全和人民的健康,影响到工农业生产和农作物安全,造成的经济损失约为国民生产总值的1.5%~3%。水污染已成为不亚于洪灾、旱灾甚至更为严重的灾害。
据2000年统计,我国河流水质在11.4万公里评价河长中,符合和优于Ⅲ类水的河长占评价河长的58.7%,比上年下降3.7%。关于湖泊水质,在评价的24个湖泊中,9个湖泊水质符合或优于Ⅲ类水,4个湖泊部分水体受到污染,11个湖泊水污染严重。其中,滇池水质劣于Ⅴ类,处于富营养状态。关于水库水质,在评价的139座主要水库中,有118座达到Ⅱ、Ⅲ类水质标准,在未达到Ⅲ类水标准的水库中,有8座劣于Ⅴ类水。在对93座水库进行营养化程度评价时,处于中营养化状态的水库65座,处于富营养化状态的水库14座。这些情况说明我国江河湖库水体污染状况严重,且有明显恶化趋势。
我国最近20余年经济迅猛发展,由于工业结构不合理和粗放式的发展模式,工业废水造成水污染占我国水污染负荷50%以上,未经处理的工业废水排放是最重要的点污染源。由于农田施用化肥、农药形成的农田径流,畜禽养殖业排放的废水、废物,是我国水环境的重要面污染源。湖泊、水库、河流、海湾的底部沉积物蓄积着多年来排入的大量污染物,称为内污染源,目前已是水体富营养化和赤潮形成的重要因素。内源污染还会释放出蓄存的重金属、有毒有机化学品成为二次污染源,对生态和人体健康造成长期危害。
从我国生态环境的总体状况看,生态环境恶化的趋势一直未得到遏制,主要表现在:森林覆盖率低,增长缓慢,部分地区覆盖率减少;草地生态破坏加重;水土流失仍然严重;荒漠化面积扩大。为了遏制这种恶化的趋势,国家已将生态环境建设提到十分重要的地位。生态环境建设主要包括两类内容:一类是以封育保护和植树种草为主要手段的植被建设;另一类是生态环境的综合治理,包括水土保持和荒漠化防治。这些重大举措必然对我国江河湖库水环境的改善产生深远的影响。
在国家重视生态环境建设的大环境下,现在我们提出的问题是,为了防洪、供水、发电及航运的需求,在江河、湖泊中修建了大量的水利、水电和航运工程(以下统称水利工程),这些水利工程为改善江河湖泊的水质状况能够发挥什么作用?新建的水利工程应该怎样实现人类与自然相和谐的目标?
这就是本文要讨论的课题。

2. 在一个健全生态系统中的水
为说明问题,我们先分析2个案例。
2.1. 河北省两座水库对比引起的思考
洋河水库位于秦皇岛市抚宁县,总库容3.586亿立方米,控制流域面积755平方公里。另从其以北的桃林口水库通过引青济秦渠道引水到洋河水库,但近年引水量减少。洋河水库的主要功能是通过管线为秦皇岛年供水5500万立方米。近年来,水库水质测验为Ⅳ-Ⅴ类,主要污染因子为COD、T-P、NH3-N,藻类(水华)浓度高,初步认为是铜绿微囊藻或是水华微囊藻,这种水对人体肝脏危害大。洋河水库水质恶化,富营养化严重,已经引起秦皇岛市的不满,以至计划另辟供水水源。从污染源调查看,实际上水库周边并没有工矿企业,仅在秋季周边农民加工淀粉制作粉条,废水排入水库,另外就是农田面源污染及附近3个村镇的生活污水造成的轻度污染。
与洋河水库形成鲜明对照的是与其相距几十公里的桃林口水库。桃林口水库水质为I类,水体清澈透明,这在海河流域实为难得。原因何在?桃林口水库周围生长着华北地区罕见的茂密森林,已经被严格封山保护,水陆交错带水生植物、陆生灌木错落有致,库区内水鸟飞翔,鱼类潜泳。再看洋河水库的生态环境。水库周围山上林木覆盖率低,不少山峰近乎秃山。水陆交界带裸露,近乎空白。库内几乎无大型水生植物,水库水体属“藻型水体”。人们不禁要问:两座水库的降雨量(600-700毫米)、气温等自然条件几乎相同,为什么水质出现如此大的差异?
2.2. 生态方法修复水体技术带给我们的启示
生态方法水体修复技术,是利用培育的植物、动物或培养、接种的微生物的生命活动,对水中污染物进行转移、转化及降解作用,从而使水体得到净化的技术。生态方法水体修复技术包括:人工湿地处理技术、生物膜法处理技术、土地处理技术及生物操纵技术等。人工湿地的原理是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。生物膜法是指用天然材料(如卵石)、合成材料(如纤维)为载体,在其表面形成一种特殊的生物膜,可为微生物提供较大的附着表面,有利于加强对污染物的降解作用。土地处理技术是以土地为处理设施,利用土壤-植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能,达到某种程度对水的净化。生物操纵技术是利用营养级链状效应,在湖库中投放选择的鱼类,吞食另一类小型鱼类,借以保护某些浮游动物不被小型鱼类吞食,这些浮游动物的食物正是人们所讨厌的藻类。生态方法水体修复技术具有以下优点:处理效果好,工程造价相对较低,运行成本低廉,不会形成二次污染,还可以结合景观改善及城市地区场所休闲建设。这种技术在国内外都已经有一些成功的工程实例。深圳一家高尔夫球场生活污水处理厂是一块1200平方米的人工湿地,种植再力花、纸莎草、美人蕉和富贵竹等,使发臭的污水变成清水。韩国的汉江支流良才川地下生物廊道,利用河卵石表面形成的生物膜,使河流的BOD、SS等处理率达到75%。研究结果表明:挺水植物如慈菇、茭白、水花生以及沉水植物伊乐藻对水体中的氮的去除率达75%,茭白、伊乐藻对水体中的磷的去除率达75%,芦苇、慈菇对磷的去除率为65%。
如果要问,生态方法处理污水的技术原理是什么呢?可以说自然界本身对于江河湖泊就具备一种很强的净化能力,这种技术不过是对自净能力的一种强化,是人们遵循生态系统自身规律的一种尝试。
“生态系统自身规律”是什么呢?大家知道,所谓生态系统(Ecosystem),是指一定空间中的生物群落(动物、植物、微生物)与其环境组成的系统,其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个有组织的功能复合体。在这里“系统”一词有两层基本含义:一是它由一些相互依赖、相互作用的部分所组成;二是这些部分按照一定的规律组织在一起,从而使这个整体具备了统一的功能特性。
生态系统是一个很广的概念,可以是从含有藻类和原生动物的一滴水到巨大的长江流域,甚至是地球本身。不论系统巨大或微小,其相互依存性、整体性、规律性和功能性都是一样的。下面可以举温室效应来说明这个规律。由于工业社会对化石燃料的高消耗,到1950年全球碳排放量达到16亿吨,已经超过当时大气层中二氧化碳的水平。到2000年达到63亿吨,是1950年的4倍。碳排放量剧增是地球变暖的温室效应的根源。在过去30年地球的平均温度从13.99℃上升到14.43℃。而且,自有记录以来最暖和的14个年份都出现在1980年以后。由于生态系统是相互关联、相互依存的,气温升高的影响发生在生态系统的各个方面。先是北冰洋的冰融化,其厚度从1960年的2米厚降到2001年的1米厚,而面积缩小了6%。南极半岛两侧的冰架全面后缩,近50年内减少了7000平方公里。由于热扩散和冰雪融化使得海平面在20世纪升高了10-20厘米,造成海洋扩展,海水泛滥,咸水入侵。海洋表层温度升高,辐射到大气层中会造成更多的破坏性风暴,使得热带和亚热带地区台风和飓风频繁发生。更进一步讲,在正常情况,冰雪覆盖大地时,由于强大的反射作用,照射到地球表面上的阳光大部分返回宇宙空间。一旦冰雪大量融化,反射面积减少,会有更多的阳光热量被吸收,这使得格陵兰的陆地冰盖会不可挽回的逐渐融化。而温室效应造成升温引起森林火灾频繁发生,而林火排放大量二氧化碳又加剧温室效应。这是所谓的“正反馈循环”,其实就是恶性循环。以上分析告诉我们,任何一个生态系统中各个部分之间都是相互关联、相互依存、相互制约的。
我们再回到生态系统中水的话题。我们知道,水,是生态系统的重要组成部分,河流、湖泊中的水与数以百万计的物种(包括动物、植物、微生物)共存, 处于复杂的平衡之中。通过食物链、养分循环、能量交换、水文循环以及气候系统,相互交织在一起。我们水利工程师对于在地球生物圈中水在气候系统中的运动,以及在水文循环中,水的迁移转换规律有较多的研究和深刻的认识,但是对于水在生态系统中与生物群落之间进行的能量交换、食物链、养分循环关心甚少。实际上,生物之间存在食物链(或食物网)的相互联系。太阳能由绿色植物光合作用转换为生物能,并借食物链(或食物网)流向动物和微生物;水和营养物质(碳、氧、氢、磷等)通过食物链(食物网)不断地合成和分解,在环境与生物之间反复地进行着生物—地球—化学的循环作用。以生物为核心的能量流动和物质循环,是生态系统最基本的功能和特征。在一个健全的水生态系统中,动物、植物、微生物又处于一种食物链的复杂关系,是一种相生相克的平衡制约关系。任何一种物种(如某些藻类)的疯长,都会被其它生物所抑制。
水是生物群落生命的载体,又是能量流动和物质循环的介质。可以说,水,是生态系统的组成部分,与动物、植物、微生物共生共存,水为生物群落提供生命之源,反过来,生物群落又净化了水,使得流水不腐,清水长流,形成了自然界的特殊功能,也形成了水体自然净化的机制。早在人类出现以前,大自然就是依此规律运行,使得江河湖泊保持着洁净。历史发展到了农业社会,那时还没有工业社会的污染,人类也没有现代社会“改造自然”的雄心壮志,基本保留了生态系统的原貌,才使水域环境如诗如画,才使高山流水一直成为我国古代文学与绘画的风骨,才有了古人诗词中 “舍南舍北皆春水,但见群鸥日日来”(杜甫:《客至》),“日出江花红胜火,春来江水绿如蓝”(白居易:《忆江南》)这些描述一个健全的水域生态系统的优美诗句,体现出具有生命的江河湖泊的美学价值。
生态系统是一个整体,任何一种因素的减少,都会引起生态系统的失衡。人类要尊重生态系统的平衡,更要防止由于人类的自身活动破坏这种平衡。在失衡的条件下,人类要竭尽努力恢复这种平衡。江河湖库的水体也不例外,水必须与生物群落共存,水不能从水生态系统中分割出来,更不能离开它的好朋友-生物群落(动物、植物和微生物)。在一个健全的生态系统中,水质洁净是必然的结果。

3. 水工学需要与生态学结合
现在的水利工程学简称水工学(Hydraulic Engineering),是以对水流的控制为目标建造水工建筑物,经过计算设计保证水工建筑物承载的安全性(强度、稳定及耐久性),以满足人们对于供水、防洪、水力发电、航运等需求。
水利工程满足了人们对于水的各种不同的需求,但是水体自身的需求往往被忽视。水的需求是它喜欢留在一个完整的、健全的生态系统之中。人们为了控制水流,把水从生态系统中分割出来,放到了一个在空间由人工设定的特定的或规则的形状中,再用人工材料如混凝土、金属、塑料等材料为水体制作出的某种人工环境。在这样的人工环境中,水体脱离了生物群落,自净能力降低,稍有外界干扰因素的出现,比如污水加入,水体的腐败就将是时日早晚的问题。
具体地说,目前的水工学的不足是:
 忽略了河流形态的多样化。在我国江南河网化地区,裁弯取直设计把河流自然状态的弯曲形状改变成直线,使自然河流中主流、浅滩和急流相间的格局改变。这导致浅滩中的湿地消失,而喜欢在急流中游泳的鱼类减少甚至绝迹。在横断面上,改造过的河床常用输水性能好又便于施工的梯形断面,使得水流流速均一化。另外,河道疏浚工程,主要关注清除淤积工程量,往往忽视原有河道断面的生态合理性,也使得河道断面出现均一化倾向。需要强调的是,河流形态的多样化是生物物种多样化的前提。河流形态的均一化,在某种程度上往往对生物多样性造成影响。
忽略了河流湖泊与岸上生态系统的有机联系。河流整治工程着眼于河道本身,忽视了河流周围的生物群落的存在,更忽视了整治后原有生物群落的恢复。
渠道或改造过的河道断面、江河堤防迎水坡面采用硬质材料,如混凝土、浆砌块石等,使得植物难以生长,进而又影响到鱼类、两栖类动物和昆虫的栖息,而这些动物又是鸟类的食物,于是食物链就此中断。
人们为争取土地,江河两岸堤防间距缩窄,使得河流失去浅滩和湿地。 浅滩具有曝气作用,使水净化,又增加氧气供给,为无脊椎动物生存提供方便。浅滩又为鱼类产卵提供栖息地。
城市为建筑停车场,采用了大量沥青或混凝土的硬质不透水路面,不但植物无法生长,也隔断了补给地下水的通道。
在城市水域整治中,重视景观建设是经济发展的某种标志。但是往往将水流置于诸如楼台亭阁的人工环境之中,以使人们赏心悦目,但是忽略了水流的自然生态系统的需要,也使河流失去了自身的美学价值,失去了在自然环境中生机勃勃的河流的生命。

4. 人类与自然和谐共处的工程理念
在不久前闭幕的讨论可持续发展的联合国约翰内斯堡峰会上,水问题被列为全球可持续发展五大问题之一,全球范围的水资源短缺、洪水威胁和饮水安全问题成为世界关注的焦点。为解决这些难题,各国特别是发展中国家计划建设不同类型的水利工程是一种不可避免的选择。但是,在不少国家,当某一项水利工程计划一旦提出,立即面临来自以环保组织为核心的非政府组织等各界强大的社会压力。主要反对意见是认为水利工程破坏了环境,改变了生态系统。这些批评往往带有很大的片面性,在权衡利弊方面失之偏颇。本来一项除水害、兴水利可持续发展的好项目往往在襁褓中夭折。在世界范围的频频发生的这种社会现象,不能不引起我国水利工程界的反思。设想当我国社会进步到一定阶段,公众对社会事务的参与程度不断提高,那时我国水利工程立项是否也会面临类似的问题?抛开某些片面甚至极端的观点,客观地思考从生态保护角度对一些水利工程计划的批评,我认为不少客观的科学观点值得水利工程师研究和借鉴。在面对环境保护方面的批评,与其被动地解释说明水利工程的效益,不如主动地扩展与更新水利工程自身的工程理念。进一步讲,时至今日,传统意义上的水工学需要革新,或者说在水工学的基础上,吸收、融合生态学的理论,建立和发展新的工程学科,作为水工学的一个分支,不妨称之为“生态水工学”。(英文是否可译为Ecological-Hydraulic Engineering, 简称为Eco-Hydraulic Engineering)。
有人会问,我国对于新建水利工程项目不是需要进行环境评估吗?的确,对水利工程进行环评,是工程观念的进步。但是坦率地讲,水利工程设计往往是以一种过关的心态对待环评工作。在可持续发展的历史阶段,水利工程建设应主动以环境保护为己任,以生态系统建设为主要目标之一。
还有人会问,现在城市水利设计不是也进行景观设计吗?客观地说,景观设计目的是取悦于人的感官,生态水工设计是取悦于水和生物群落,满足了水对于一个健全生态系统的需求,从长远看,人们也会从良好的环境中受益无穷。
人与自然和谐共处是生态水工学的指导思想。未来的水利工程既能够实现人们期望的开发利用水的功能价值,又能兼顾建设一个健全的河流湖泊生态系统,实现水的可持续利用。未来的水利工程不仅是满足人们对水需求的工程,也是有利于改善和恢复健全的生态系统工程,是有利于环境保护的可持续发展工程。
我们能否可以对生态水工学的框架作一些粗线条的设想呢?
现有的水工学的理论基础,除了规划阶段以水文学为基础以外,主要是以水力学、结构力学、岩土力学等工程力学为基础。生态水工学则是以工程力学和生态学为其理论基础。
生态水工学运用技术手段协调人们在供水、防洪、发电、航运效益与生态系统建设的关系。利用已建水利工程的调度、管理等手段,为江河湖库的水生态系统恢复提供支持。
水工学中以满足人对水的开发利用的需求为目标,而在生态水工学中,在满足人对水的开发利用的需求同时,还要兼顾水体本身存在于一个健全生态系统之中的需求。
把江河湖泊中的水体看作是生态系统中的重要组成部分。不但要掌握水在气候系统、水文循环中的运移转换规律,还要掌握在特定的生态系统中,特定的生物群落与水体的相互依存的关系。
除进行常规的水文、地质的测验勘查外,加强相关范围的生态系统调查,重点是生物群落(动物、植物、微生物)的历史与现状调查。
在开发利用水流时,明确河流与其上下游、左右岸的生物群落处于一个完整的生态系统中,进行统一的规划、设计。
尽可能保留江河湖泊的自然形态(包括其纵横断面),保留或恢复其多样性,即保留或恢复湿地、河湾、急流和浅滩。
为当地野生的水生与陆生植物、鱼类与鸟类等动物的栖息繁衍提供方便条件,提供相应的技术方法和工程材料。
规划设计有利于提高水体自净能力的库区或河岸、湖岸的植被种植和水生动物的放养,在充分利用当地野生生物物种的同时,慎重地引进可以提高水体自净能力的其它物种。
在水利工程建设中,提倡公众对于水环境保护的积极参与。工程设施要造成一种人与自然亲近的环境,注意保留江河湖泊天然的美学价值。
水利工程结合生态建设,是一个发展的必然趋势。在实践上,要根据我国国情逐步实现,特别是依据国家的经济不同发展阶段以及不同地区的实际情况分步实施。但是,作为一门新兴学科生态水工学应该超前开展研究。生态水工学将是一门交叉学科,需要水利工程界与环保界、生物界的密切合作,通过科学研究、典型设计、工程示范、总结经验和制定技术规范从而得到发展完善。在欧美、日、韩等国,“与自然亲近的治河工程”理念已经提出,一些示范性工程正在建设。其中包括新的河道整治工程设计,如可为鱼类及动物提供繁衍生息的空间的护岸工程设计和新型材料;具有曝气作用又有利于鱼类产卵栖息的新型丁坝;为鱼类和无脊椎动物提供栖息地的人工岛等。一些河流生态工程咨询与技术开发公司也应运而生,他们提供建筑产品,如用于堤防渠道护岸工程的生态型建筑砌块,生态型的城市雨洪利用排水系统,生态型水体净化系统等。这些局部的进展,说明以水利工程为骨干的河流湖泊生态系统建设方兴未艾。在这样的背景下,生态水工学将有可能较为系统、更为科学地得到发展。我国作为世界上的水利大国,对此应做出应有的贡献。

作者简介:董哲仁,1943年生于北京,满族,工学博士,教授级高级工程师,博士生导师。1966年毕业于清华大学水利工程系。历任中国水利水电科学研究院结构材料研究所所长、副院长等职,现任水利部科学技术委员会副主任,水利部国际合作与科技司司长,中国水利学会常务理事,清华大学、大连理工大学、四川大学、河海大学、华北水利水电学院兼职教授。
主要研究领域为水工建筑物结构分析。出版专著有:《钢筋混凝土非线性有限元法原理和应用》,《钢衬钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析》,《水工结构分析论文集》等。

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