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水利工程论文摘要阐述水利工程与水域生态的关系介绍了生态水利规划的基本原则工程安全性与经济性原则提高河流形态的空间异质性原则生态系统自设计与自我恢复原则景观尺度与整体修复原则反馈和调整设计原则关键词生态水利工程设计原则水利工程对河流生态系统的影响在社会生产过程中水利工程对经济与社会有着巨大的作用同时也要看到水利工程对河流生态系统造成了不同程度的影响人类整治河道修筑堤坝等活动人为的改变了河流的多样性连续性和流动性使水域的流速水深水温自水流边界水文规律等自然条件发生重大改变这些改变对河流生态系统造成的影响是不容忽视的未来的水利工程在权衡社会经济需求与生态系统健康需求这二者关系方面似应强调水利工程在满足人类社会需求的同时兼顾水域生态系统的健康和可持续性生态水利工程从学科发展角度看现在的水利工程学的学科基础主要是工程力学和水文学水利工程规划设计主要对象是水文系统往往忽视生命系统的现状和未来风险等问题学科的进一步发展应吸收生态学理论及方法促进水利工程学与生态学的交叉融合用以改进和完善水利工程的规划及设计理论形成水利工程学新的学科分支生态水利工程学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与可持续性需求的原理与技术方法的工程学生态水利工程的内涵是对于新建工程是指进行传统水利建设的同时如治河防洪工程兼顾河流生态修复的目标对于已建工程则是对于被严重干扰河流重点进行生态修复生态水利工程将与传统治污技术清洁生产生态产业及环境立法和资源管理一起成为河流生态建设的主要手段之一生态水利工程的规划设计原则工程安全性和经济性原则生态水利工程是一项综合性工程在河流综合治理中既要满足人的需求包括防洪灌溉供水发电航运等需求也要兼顾生态系统的可持续性生态水利工程既要符合水利工程学原理也要符合生态学原理生态水利工程的工程设施必须符合水文学和工程力学的规律以确保工程设施的安全稳定和耐久性工程设施必须在设计标准规定的范围内能够承受洪水侵蚀风暴冰冻干旱等自然力荷载按照河流地貌学原理进行河流纵横断面设计时必须充分考虑河流泥沙输移淤积及河流侵蚀冲刷等河流特征动态地研究河势变化规律保证河流修复工程的耐久性对于生态水利工程的经济合理性分析应遵循风险最小和效益最大原则由于对生态演替的过程和结果事先难以把握生态水利工程往往带有一定程度的风险这就需要在规划设计中进行方案比选更要重视生态系统的长期定点监测和评估另外充分利用河流生态系统自我恢复规律是力争以最小的投入获得最大产出的合理技术路线提高河流形态的空间异质性原则一个地区的生境空间异质性越高就意味着创造了多样的小生境能够允许更多的物种共存反之如果非生物环境变得单调生物群落多样性必然会下降生物群落的性质密度和比例等都会发生变化造成生态系统某种程度的退化由于人类活动特别是大规模治河工程的建设造成自然河流的渠道化及河流非连续化使河流生境在不同程度上单一化引起河流生态系统的不同程度退化生态水利工程的目标是恢复或提高生物群落的多样性但是并不意味着主要靠人工直接种植岸边植被或者引进鱼类鸟类和其他生物物种生态水利工程的重点应该是尽可能提高河流形态的异质性使其符合自然河流的地貌学原理为生物群落多样性的恢复创造条件在确定河流生态修复目标以后就应该对于河流进行生物调查地貌历史和现状进行勘查和评估建立河流地貌数据库和生物资源数据库遥感技术和地理信息系统是水文河流地貌和生物调查的有力工具关键的工作步骤是在以上两种调查工作的基础上确定环境因子与生物因子的相关关系必要时建立某种数学模型河流环境因子包括河流河势蜿蜒度横断面形状及材料流速水位水质水温泥沙营养盐的迁移转化水文周期变化等研究的内容包括调查单个生物因子的基本需求评估各种生物因子的相互关系和制约条件对于关键种或标志性生物的环境因子进行分类和评估在众多的环境因子中识别那些对于系统的结构和功能具有重要意义的环境因子在此基础上进行河流地貌学设计和生物栖息地的设计生态系统自设计自我恢复原则生态系统的自组织功能表现为生态系统的可持续性自组织的机理是物种的自然选择也就是说某些与生态系统友好的物种能够经受自然选择的考验寻找到相应的能源和合适的环境条件将自组织原理应用于生态水利工程时生态工程设计与传统水工设计有本质的区别像设计大坝这样的人工建筑物是一种确定性的设计建筑物的几何特征材料强度都是在人的控制之中建筑物最终可以具备人们所期望的功能河流修复工程设计与此不同生态工程设计是一种指导性的设计或者说是辅助性设计依靠生态系统自设计自组织功能可以由自然界选择合适的物种形成合理的结构从而完成设计和实现设计成功的生态工程经验表明人工与自然力的贡献各占一半传统的水利工程设计的特征是对于自然河流实施控制而设计生态水利工程时要求工程师必须放弃控制自然界的动机树立新的工程理念因为依靠人力和技术控制自然界是不可能的人们要善于利用生态系统自组织自设计这个宝贵财富实现人与自然的和谐需要强调的是地球上没有两条相同的河流每一条河流的特点都是各不相同的因此每一项生态水利工程必须因地制宜充分尊重每一条河流的自然属性和美学价值寻求最佳的生态工程方案自设计理论的适用性还取决于具体条件包括水量水质土壤地貌水文特征等生态因子也取决于生物的种类密度生物生产力群落稳定性等多种因素在利用自设计理论时需要注意充分利用乡土种引进外来物种时要持慎重态度防止生物入侵景观尺度及整体性原则河流生态修复规划和管理应该在大景观尺度长期的和保持可持续性的基础上进行而不是在小尺度短时期和零星局部的范围内进行在大景观尺度上开展的河流生态修复效率要高小范围的生态修复不但效率低而且成功率也低整体性是指从生态系统的结构和功能出发掌握生态系统各个要素间的交互作用提出修复河流生态系统的整体综合的系统方法而不是仅仅考虑河道水文系统的修复问题也不仅仅是修复单一动物或修复河岸植被景观则是指生态学中的景观尺度景观尺度包括空间尺度和时间尺度为什么在景观的大尺度上进行河流修复规划首先水域生态系统是一个大系统其子系统包括生物系统广义水文系统和人造工程设施系统广义水文系统又与生物系统交织在一起形成自然河流生态系统而人类活动和工程设施作为生境的组成部分形成对于水域生态系统的正负影响水域生态系统受到胁迫时需要对于各种胁迫因素之间的相互关系进行综合整体研究其次必须重视水域生境的易变性流动性和随机性的特点这些特点决定了生物种群的基本生存条件水域生态系统是随着降雨水文变化及潮流等条件在时间与空间中扩展或收缩的动态系统再者河流生态系统是一个开放的系统与周围生态系统随时进行能量传递和物质循环一条河流的生态修复活动不可能是孤立的还需要与相邻的流域的生态修复活动进行协调最后河流生态修复的时间尺度也十分重要河流系统的演进是一个动态过程每一个河流生态系统都有它自己的历史河流生态修复是靠时间做工作的有研究指出湿地重建或修复需要大约的时间因此对于河流生态修复项目要有长期准备同时进行长期的监测和管理反馈调整式设计原则生态系统的成长是一个过程河流修复工程需要时间从长时间尺度看自然生态系统的进化需要数百万年时间进化的趋势是结构复杂性生物群落多样性系统有序性及内部稳定性都有所增加和提高同时对外界干扰的抵抗力有所增强从较短的时间尺度看生态系统的演替即一种类型的生态系统被另一种生态系统所代替也需要若干年的时间期望河流修复能够短期奏效往往是不现实的生态水利工程规划设计主要是模仿成熟的河流生态系统的结构力求最终形成一个健康可持续的河流生态系统在河流工程项目执行以后就开始了一个自然生态演替的动态过程这个过程并不一定按照设计预期的目标发展可能出现多种可能性意识到生态系统和社会系统都不是静止的在时间与空间上常具有不确定性除了自然系统的演替以外人类系统的变化及干扰也导致了生态系统的调整这种不确定性使生态水利工程设计不同于传统工程的确定性设计方法而是一种反馈调整式的设计方法是按照设计执行包括管理监测评估调整这样一种流程以反复循环的方式进行的在这个流程中监测工作是基础监测工作包括生物监测和水文观测评估的内容是河流生态系统的结构与功能的状况及发展趋势常用的方法是参照比较方法一种是与自身河流系统的历史及项目初期状况比较一种是与自然条件类似但未进行生态修复的河流比较在反馈调整式设计过程中提倡科学家管理者和当地居民及社会各界的广泛参与通过对话协商以寻求共同利益提倡多学科的交流和融合提高设计的科学性