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生态水工学的工程理念(董哲仁)
  2003-02-15 09:46  
董哲仁

摘 要

水是生态系统的重要组成部分。河流、湖泊中的水与生物群落(包括动物、植物、微生物)共存,通过气候系统、水文循环、食物链、养分循环及能量交换相互交织在一起。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。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。水利工程学应吸收、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,水利工程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。

我国江河、湖泊和水库普遍受到污染,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, 水污染也加剧了水资源短缺。究其污染原因,未经处理的工业废水排放是最重要的点污染源,工业废水造成水污染占水污染负荷50%以上。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。 水环境整治的重点是对污染源的治理与控制,特别是抓好工业和生活废水的源头治理是解决问题的关键。

近几年来,为改善流域的水环境,恢复生态系统,水利部门加强了流域的综合管理,通过统一调度,初步扭转了黄河、塔里木河及黑河持续断流的局面。使黄河三角洲地区生态系统得到明显改善,塔里木河及黑河流域下游的胡杨林复苏,鸟类及野生水禽返回,趋于恶化的生态系统得到了初步恢复。事实说明,水利工程不但在防洪、供水等方面作用巨大,而且在改善江河湖泊流域的生态系统方面也是大有作为的。生态建设已经成了水利工作的重要任务。在这样的大背景下,我们所讨论的问题是:

一个地区,一个流域生态系统的恢复与改善,反过来对于改善水质会产生什么影响?

新建的水利工程如何避免或减少对原有生态系统的负面影响?水利工程建设除了能满足人对水的多种需求的同时,如何对流域生态系统的改善作出贡献?

1. 水在生态系统中的地位和作用

我们需要讨论的问题是:水质状况与生态系统的关系,水在生态系统中扮演的角色,进而讨论在一个健全的生态系统中的水质问题。

1.1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。这些微生物吞噬污染物分解为二氧化碳和水。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。一般用污水灌溉牧草或农作物。生物操纵技术的原理主要是是利用营养级链状效应达到净化水的目的。比如在湖泊水库中投放经选择的鱼类,用以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。这些技术在国内外都已经有一些成功的工程实例。比如深圳沙田镇人口10万人,有小工厂300余家。工业污水排入附近的田角河,造成水质严重恶化。为解决污染问题,建立人工湿地污水处理厂,种植芦苇、香蒲草和再力花等植物,日处理能力5000吨/日,使废水得到河流排放标准。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等有较高的处理率。研究结果表明:在适宜的条件下,挺水植物如慈菇、茭白以及沉水植物伊乐藻、菹草等对水体中的氮和磷都有较高的去除率。常用的芦苇对于磷的去除率达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自我修复能力或称自净能力,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达到治污目的的一种尝试。

1.2 生态系统的各要素之间的依存性与制约性

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。近年,也有学者把人类活动作为生态系统的要素。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。

生态系统内各个要素之间相互依存、相互作用是其主要的特征。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。

1.3 生态系统的五种循环与作用

那么水体的自净能力是如何形成的呢?“生态系统自身规律”又是什么呢?众所周知,生态系统中存在着五种循环与作用,这就是:气候系统、水文循环、食物链(网)、养分循环及能量交换。具体说,气候系统和水文循环为生物群落提供了生存条件。太阳能由绿色植物光合作用转换为生物能,进行着能量交换作用。生态学把各种生物划分为生产者、消费者和分解者三大功能类群。所谓生产者是能用简单无机物制造有机物的自养生物,包括所有绿色植物和某些细菌。绿色植物通过光合作用制造成碳水化合物。碳水化合物又可进一步合成脂肪和蛋白质。在这个过程中,太阳能转化为生物能。这些有机物是地球上包括人类在内的一切异养生物的食物来源。自养生物是生态系统中最基础部分。所谓消费者是不能用无机物质制造有机物的生物,他们直接或间接地依赖于生产者所制造的有机物质。这些生物属于“异养生物”。包括草食动物和肉食动物。消费者在生态系统中起重要作用。他们对初级生产物起加工、再生产的作用,也促进其它生物的生存、繁衍。所谓分解者都属于异养生物。包括细菌、真菌、放线菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物。这些异养生物在生态系统中连续地进行着分解作用,把复杂的有机物质逐步分解成简单的无机物。最终以无机物的形式回归到环境中。所以,这些异养生物又称为“还原者”。由于这三大类生物在不断作用,构成了“简单无机物质-有机物质-简单无机物质”的反复物质循环。在这个过程中食物链(或食物网)起通道作用,使能量源源不断地流向动物和微生物。水和营养物质(碳、氧、氢、磷等)又通过食物链(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。

在生态系统中一种生物不可能固定在一条食物链上,往往同时属于数条食物链,于是形成由许多食物链组成的复杂网络式结构,称为食物网。这种网络式结构保证了生态系统结构和功能的相对稳定性。如果食物网上的某一条食物链发生了障碍,食物网可在一定限度内进行调整和补偿。但是在某一条食物链严重损害的情况下,这种障碍会影响整个生态系统,形成功能的变化。正因为如此,在一个健全的生态系统中,动物、植物、微生物相互之间是一种相生相克的平衡制约关系,这种关系有可能抑制某种物种的过度生长与蔓延。生态系统内任何一种因素的减少,都会引起生态系统的失衡。试想,如果人类活动打破了这种平衡制约关系,某些特定物种(如我们所厌恶的某些藻类)就会无限制地生长蔓延造成对环境的破坏,甚至造成对人的威胁。人们要尊重生态系统的平衡,更要防止由于人们的自身活动破坏这种平衡。一旦出现失衡现象,人们要竭尽努力恢复这种平衡。

1.4 水与生物群落共生共存

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。通过气候系统、水文循环、食物链、养分循环以及能量交换相互交织在一起。从微观角度看,一切生命物质的90%成份是水。所以,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。我们可以得到一个基本规律是:在一个健全的生态系统中,水质洁净是必然的结果。

生态系统是一个整体,系统内的各个要素不能分解成独立的要素而孤立存在。如果人为将某些要素与生态系统割裂开来,那么,分割出去的要素就不具备系统整体的特点和功能。具体讲,一旦水体离开了生物群落,脱离了生态系统,生态系统赋予水体的自净功能就会削弱。水体必须与生物群落共存,水体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)。

我们在从事水利工程建设时,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较为深刻的认识。但是往往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、养分循环关心不足。随着大规模水利工程的兴建,在相关地区很大程度上改变了地球表面自然地理状况,使河流湖泊生态系统发生某些改变。水利工程与水域生态系统的关系问题才逐渐得到显现,引起了人们的关注,也启发我们去探索水与生物群落之间复杂的关系问题。

2. 水工学的不足与改善

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常被忽视。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,或者改变了自然的水生态系统,或者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。当水体在改变的生态系统中或在某种人工环境中,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。

我们不妨对目前的水工学需要改善的问题作些初步的讨论:

(1)治河工程常对河流形态的多样化重视不足。自然状态的河流多呈弯曲形状,也有不少自然状态的河流处于分岔散乱状态。在自然界长期的演变过程中,河流的河势也处于演变之中,使得弯曲与裁弯两种作用交替发生。但是弯曲或微弯是河流的主要形态。当人们为了防洪需要或对河流进行开发时,往往将散乱状态的河流集中成一条主流。对于弯曲的河流未经充分论证而实施裁弯取直工程,把河流自然状态的弯曲形状改变成直线或折线。其影响除了河段冲刷与淤积可能影响行洪外,也使自然河流中主流、浅滩和急流相间的格局改变。这导致浅滩中的湿地消失,而习性在急流中游泳或在浅滩产卵的鱼类减少甚至绝迹,也会使其它动植物种类减少。

(2)在自然河流的横断面上,浅滩与深潭相间,也显示出多样性的变化。改造过的河床常用输水性能好又便于施工的梯形断面等规则断面,使得水流流速均一化。另外,河道疏浚工程,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。这些都可能使生物群落失去栖息生长的条件。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。河流形态的规则化、均一化,会在不同程度上对生物多样性造成影响。

(3)以往的治河工程着眼于河流本身,往往忽略了河流湖泊与岸上生态系统的有机联系,忽视了河流周围的生物群落的存在,也常常忽视了整治后原有生物群落的恢复。

(4)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。

(5)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,浅滩还为鱼类产卵提供栖息地。

(6)水库建成后,对库区的植被建设重视不够,特别是恢复原有陆生及水生植物,为鱼类、鸟类及两栖动物的栖息与繁殖提供条件。

(7)在城市化进程中,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。

(8)在城市水域整治的景观建设中,往往将水流置于诸如楼台亭阁等混凝土与砌石形成的人工环境之中,目的是使人们赏心悦目,取悦于人的感官。这种人工环境也使河流失去了自身的美学价值和生机勃勃的河流的生命。

3. 人类与自然和谐的工程理念

3.1 水利工程建设面临的挑战

在2002年召开的讨论环境与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,世界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,在权衡利弊得失方面失之偏颇。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,不能不引起水利工程界的反思。随着我国社会经济的发展与进步,公众的社会参与程度会越来越高,新建水利工程的建设,有可能面临来自社会各方面的压力。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,吸收来自环保、生物界合理的意见和建议。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)。

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。

3.2 生态水工学的内涵

我们能否对生态水工学的内涵作一些粗线条的设想呢?

(1)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二者为其理论基础。

(2)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。河流湖泊治理的目标既要开发河湖的功能性,也要维护流域生态系统的完整性。洁净的河流是一个健全生态系统的动脉。

(3)需要权衡满足人的需求的经济效益与环境效益之间的关系。有必要建立起工程项目经济技术及生态环境效益评估指标体系,改变现行单一的经济技术评估指标体系。

(4)除进行常规的水文、地质的测验勘查外,还要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。不但要掌握水在气候系统、水文循环中的运移转换规律,还要研究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。

(5) 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。

(6)在对江河湖泊进行开发的同时,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。

(7)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。如开发新型护岸、丁坝、鱼道、人工浮岛及生态型的城市雨洪利用排水系统等技术和产品。

(8)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。

(9)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。

(10)水利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。现代的城市景观设计,应刻意创造环境取悦于生物群落,长远看,人群也会在一个健全的水生态系统中受益无穷。水利工程还应为公众广泛参与和对儿童进行水环境保护教育创造良好条件。如水生态公园、河流小型博物馆等。

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¾生态水工学应该超前开展研究。它不仅要提出某些技术方法,还应研究技术原理与作用机制。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。在欧美已经提出“自然设计方法”,日、韩等国提出“与自然亲近的治河工程”理念,我国台湾也正开发“生态工法”技术。世界各国一些示范性工程正在建设,一些河流生态工程咨询与技术开发公司也应运而生,他们提供技术咨询和产品。这些局部的进展,说明在国际上水利工程结合生态建设可谓是方兴未艾,渐成潮流。在这样的背景下我们可以预计,生态水工学作为一门新兴的学科有可能更为系统、更为科学地得到发展。我国作为世界上的水利大国,对此应作出应有的贡献。

(作者为: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。本文已在《中国水利》2003年第1期发表。)

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