試論生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)的基本原則

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　　水利工程對(duì)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的巨大作用勿庸置疑。但是也必須看到水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的干擾【1】。水利工程對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫主要表現(xiàn)在兩方面：

　　一是自然河流的渠道化。包括平面布置上的河流形態(tài)直線化，即將蜿蜒曲折的天然河流改造成直線或折線型的人工河流。包括河道橫斷面幾何規(guī)則化，即把自然河流的復(fù)雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規(guī)則幾何斷面。還包括河床和邊坡材料的硬質(zhì)化，即渠道的邊坡及河床采用混凝土、砌石等硬質(zhì)材料。

　　二是指自然河流的非連續(xù)化。筑壩是順?biāo)鞣较虻暮恿鞣沁B續(xù)化，流動(dòng)的河流生態(tài)系統(tǒng)變成了相對(duì)靜止的人工湖，流速、水深、水溫及水流邊界條件都發(fā)生了重大變化。庫(kù)區(qū)內(nèi)原來(lái)的森林、草地或農(nóng)田統(tǒng)統(tǒng)淹沒(méi)水底。陸生動(dòng)物被迫遷徙。水庫(kù)形成后也改變了原來(lái)河流營(yíng)養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化的規(guī)律。由于水庫(kù)截留河流的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氣溫較高時(shí)，促使藻類在水體表層大量繁殖，產(chǎn)生水華現(xiàn)象。藻類蔓延遮蓋住大植物的生長(zhǎng)使之萎縮，而死亡的藻類沉入水底，在那里腐爛的同時(shí)還消耗氧氣。溶解氧含量低的水體會(huì)使水生生物“窒息而死”。由于水庫(kù)的水深高于河流，在深水處陽(yáng)光微弱，光合作用也弱，導(dǎo)致水庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)比河流的生物生產(chǎn)量低，相對(duì)要脆弱，自我恢復(fù)能力弱。河流泥沙在水庫(kù)淤積，而壩下清水下泄又加劇了對(duì)河道的沖蝕，這些變化都大幅度改變了生境。

　　由于靠水庫(kù)進(jìn)行人工徑流調(diào)節(jié)，改變了自然河流年內(nèi)豐枯的水文周期規(guī)律，即改變了原來(lái)隨水文周期變化形成脈沖式河流走廊生態(tài)系統(tǒng)的基本狀況。最后，眾所周知，不設(shè)魚道的大壩對(duì)于洄游魚類是致命的屏障。另一類非連續(xù)化是由于河流兩岸建設(shè)的防洪堤造成的側(cè)向水流的非連續(xù)性。堤防妨礙了汛期主流與岔流之間的溝通，阻止了水流的橫向擴(kuò)展。堤防把干流與灘地和洪泛區(qū)隔離，使岸邊地帶和洪泛區(qū)的棲息地發(fā)生改變。原來(lái)可能擴(kuò)散到灘地和洪泛區(qū)的水、泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，被限制在堤防以內(nèi)的河道內(nèi)，植被面積明顯減少。魚類無(wú)法進(jìn)入灘地產(chǎn)卵和覓食，也失去了避難所。魚類、無(wú)脊椎動(dòng)物等會(huì)減少，導(dǎo)致灘區(qū)和洪泛區(qū)的生態(tài)功能退化。

　　概況地講，被改造過(guò)的河流生態(tài)系統(tǒng)是由三個(gè)子系統(tǒng)組成。即：由動(dòng)物、植物和微生物組成的生命系統(tǒng)，這是生態(tài)系統(tǒng)的主體。廣義的水文系統(tǒng)，包括地表和地下水體、土地、氣候系統(tǒng)等。再有就是工程設(shè)施系統(tǒng)，這是人類改造河流的結(jié)果。后面兩個(gè)子系統(tǒng)組成生境，是生命支持系統(tǒng)。由于水利工程系統(tǒng)改變了河流形態(tài)，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行又改變了原有的水文規(guī)律，造成河流生態(tài)系統(tǒng)的生境變化，其結(jié)果可能造成河流生態(tài)系統(tǒng)生物群落多樣性的下降，使生態(tài)系統(tǒng)退化。

　　對(duì)于水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫，應(yīng)該采取正視而不是回避的態(tài)度。傳統(tǒng)意義上的水利工程學(xué)作為一門重要的工程學(xué)科，以建設(shè)水工建筑物為手段，目的是改造和控制河流，以滿足人們防洪和水資源利用等多種需求。現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展使我們認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)意義上的水利工程學(xué)在力圖滿足人的需求時(shí)，卻在不同程度上忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求。而河流生態(tài)系統(tǒng)的功能退化，也會(huì)給人們的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益帶來(lái)?yè)p害。未來(lái)的水利工程在權(quán)衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求與生態(tài)系統(tǒng)健康需求這二者關(guān)系方面，似應(yīng)強(qiáng)調(diào)水利工程在滿足人類社會(huì)需求的同時(shí)，應(yīng)兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性。從學(xué)科發(fā)展角度看，現(xiàn)在的水利工程學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)主要是工程力學(xué)和水文學(xué)，水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)主要對(duì)象是水文系統(tǒng)，往往忽視生命系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)吸收生態(tài)學(xué)的理論及方法，促進(jìn)水利工程學(xué)與生態(tài)學(xué)的交叉融合，用以改進(jìn)和完善水利工程的規(guī)劃及設(shè)計(jì)理論，形成水利工程學(xué)的新的學(xué)科分支－生態(tài)水利工程學(xué)（Eco-Hydraulic Engineering）。生態(tài)水利工程學(xué)作為水利工程學(xué)的一個(gè)新的分支，是研究水利工程在滿足人類社會(huì)需求的同時(shí)，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康與可持續(xù)性需求的原理與技術(shù)方法的工程學(xué)【2】 【3】。生態(tài)水利工程的內(nèi)涵是：對(duì)于新建工程，是指進(jìn)行傳統(tǒng)水利建設(shè)的同時(shí)（如治河、防洪工程），兼顧河流生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。對(duì)于已建工程，則是對(duì)于被嚴(yán)重干擾河流重點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

　　生態(tài)水利工程將與傳統(tǒng)治污技術(shù)、清潔生產(chǎn)（生態(tài)產(chǎn)業(yè)）以及環(huán)境立法和資源管理一起，成為河流生態(tài)建設(shè)的主要手段之一。圖1表示了生態(tài)水利工程在河流生態(tài)建設(shè)中的地位。圖中右側(cè)表示人類活動(dòng)對(duì)自然河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾過(guò)程，左側(cè)表示人類活動(dòng)對(duì)被干擾的河流生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)過(guò)程。

這里討論的生態(tài)水利工程學(xué)的基本原則也是生態(tài)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本原則，筆者試歸納為以下五項(xiàng)內(nèi)容。

1．工程安全性和經(jīng)濟(jì)性原則

　　生態(tài)水利工程是一種綜合性工程，在河流綜合治理中既要滿足人的需求，包括防洪、灌溉、供水、發(fā)電、航運(yùn)以及旅游等需求，也要兼顧生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的需求。生態(tài)水利工程既要符合水利工程學(xué)原理，也要符合生態(tài)學(xué)原理。生態(tài)水利工程的工程設(shè)施必須符合水文學(xué)和工程力學(xué)的規(guī)律，以確保工程設(shè)施的安全、穩(wěn)定和耐久性。工程設(shè)施必須在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠承受洪水、侵蝕、風(fēng)暴、冰凍、干旱等自然力荷載。按照河流地貌學(xué)原理進(jìn)行河流縱、橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮河流泥沙輸移、淤積及河流侵蝕、沖刷等河流特征，動(dòng)態(tài)地研究河勢(shì)變化規(guī)律，保證河流修復(fù)工程的耐久性。

圖1 生態(tài)水利工程在河流生態(tài)修復(fù)中的地位

（ 代表干擾 ， 代表恢復(fù) ）

　　對(duì)于生態(tài)水利工程的經(jīng)濟(jì)合理性分析，應(yīng)遵循風(fēng)險(xiǎn)最小和效益最大原則。由于對(duì)生態(tài)演替的過(guò)程和結(jié)果事先難以把握，生態(tài)水利工程往往帶有一定程度的風(fēng)險(xiǎn)。這就需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行方案比選，更要重視生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。另外，充分利用河流生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)規(guī)律，是力爭(zhēng)以最小的投入獲得最大產(chǎn)出的合理技術(shù)路線。

2. 提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性原則

　　有關(guān)生物群落研究的大量資料表明，生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性（spacial heterogeneity）存在正相關(guān)關(guān)系。這里所說(shuō)的“生物群落”是指在特定的空間和特定的生境下，由一定生物種類組成，與環(huán)境之間相互影響、相互作用，具有一定結(jié)構(gòu)和特定功能的生物集合體。一般所說(shuō)的“生物群落多樣性”指生物群落的結(jié)構(gòu)與功能的多樣性。實(shí)際上，生物群落多樣性問(wèn)題是在物種水平上的生物多樣性。

　　非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性與生物群落多樣性的關(guān)系反映了非生命系統(tǒng)與生命系統(tǒng)之間的依存和耦合關(guān)系。一個(gè)地區(qū)的生境空間異質(zhì)性越高，就意味著創(chuàng)造了多樣的小生境，能夠允許更多的物種共存。反之，如果非生物環(huán)境變得單調(diào)，生物群落多樣性必然會(huì)下降，生物群落的性質(zhì)、密度和比例等都會(huì)發(fā)生變化，造成生態(tài)系統(tǒng)的某種程度的退化。

　　河流生態(tài)系統(tǒng)生境的主要特點(diǎn)是：水－陸兩相和水－氣兩相的聯(lián)系緊密性；上中下游的生境異質(zhì)性；河流縱向的蜿蜒性；河流橫斷面形狀的多樣性；河床材料的透水性等。水－陸兩相和水－氣兩相的緊密關(guān)系，形成了較為開(kāi)放的生境條件；上中下游的生境異質(zhì)性，造就了豐富的流域生境多樣化條件；河流縱向的蜿蜒性 形成了急流與緩流相間；河流的橫斷面形狀多樣性，表現(xiàn)為深潭與淺灘交錯(cuò)；河床材料的透水性為生物提供了棲息所。由于河流形態(tài)異質(zhì)性形成了在流速、流量、水深、水溫、水質(zhì)、水文脈沖變化、河床材料構(gòu)成等多種生態(tài)因子的異質(zhì)性，造就了豐富的生境多樣性，形成了豐富的河流生物群落多樣性。所以說(shuō)，提高河流形態(tài)異質(zhì)性是提高生物群落多樣性的重要前提之一【4】。

　　由于人類活動(dòng)，特別是大規(guī)模治河工程的建設(shè)，造成自然河流的渠道化及河流非連續(xù)化，使河流生境在不同程度上單一化，引起河流生態(tài)系統(tǒng)的不同程度的退化。生態(tài)水利工程的目標(biāo)是恢復(fù)或提高生物群落的多樣性，但是并不意味著主要靠人工直接種植岸邊植被或者引進(jìn)魚類、鳥類和其它生物物種，生態(tài)水利工程的重點(diǎn)應(yīng)該是盡可能提高河流形態(tài)的異質(zhì)性，使其符合自然河流的地貌學(xué)原理，為生物群落多樣性的恢復(fù)創(chuàng)造條件。

　　在確定河流生態(tài)修復(fù)目標(biāo)以后，就應(yīng)該對(duì)于河流地貌歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行勘查和評(píng)估。包括河流與相關(guān)濕地、湖泊的形狀與構(gòu)成、水下地形勘測(cè)、水位變化幅度、河流平面彎曲度、河流橫斷面形狀及河床材料、急流與深潭比例、河床的穩(wěn)定性及淤積及侵蝕狀況等，建立河流地貌數(shù)據(jù)庫(kù)。河流生物調(diào)查，包括植物、魚類、鳥類、兩棲動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物等的物種分布地圖以及規(guī)模和存量，建立生物資源數(shù)據(jù)庫(kù)。遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）是水文、河流地貌和生物調(diào)查的有力工具。

　　關(guān)鍵的工作步驟是在以上兩種調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，確定環(huán)境因子與生物因子的相關(guān)關(guān)系，必要時(shí)建立某種數(shù)學(xué)模型。河流環(huán)境因子包括河流河勢(shì)、蜿蜒度、橫斷面形狀及材料、流速、水位、水質(zhì)、水溫、泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化、水文周期變化等。研究的內(nèi)容包括：調(diào)查單個(gè)生物因子的基本需求，評(píng)估各種生物因子的相互關(guān)系和制約條件，對(duì)于“關(guān)鍵種”或標(biāo)志性生物的環(huán)境因子進(jìn)行分類和評(píng)估。需要強(qiáng)調(diào)的是，在眾多的環(huán)境因子中，識(shí)別那些對(duì)于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義的環(huán)境因子，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行河流地貌學(xué)設(shè)計(jì)和生物棲息地設(shè)計(jì)。

3．生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)、自我恢復(fù)原則

　　有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的自組織功能的討論始于上世紀(jì)60年代，以后有不同學(xué)科的眾多學(xué)者涉足這個(gè)領(lǐng)域。以各種不同形式構(gòu)成的自組織功能，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要特征。

　　生態(tài)學(xué)用自組織功能來(lái)解釋物種分布的豐富性現(xiàn)象，也用來(lái)說(shuō)明食物網(wǎng)隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程。生態(tài)系統(tǒng)的自組織功能表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。自組織的機(jī)理是物種的自然選擇，也就是說(shuō)某些與生態(tài)系統(tǒng)友好的物種，能夠經(jīng)受自然選擇的考驗(yàn)，尋找到相應(yīng)的能源和合適的環(huán)境條件。在這種情況下，生境就可以支持一個(gè)能具有足夠數(shù)量并能進(jìn)行繁殖的種群。自組織功能原理與達(dá)爾文的進(jìn)化論有相似之處，只是研究的尺度不同而已。達(dá)爾文的進(jìn)化論研究是在地球生物圈所有種群的尺度上進(jìn)行的，而自組織功能是在生態(tài)系統(tǒng)中種群之間發(fā)生的。

　　生態(tài)系統(tǒng)的自組織功能對(duì)于生態(tài)工程學(xué)的意義是什么呢？ H.T.Odum 認(rèn)為：“生態(tài)工程的本質(zhì)是對(duì)自組織功能實(shí)施管理?！?（1989）【5】。Mitsch 認(rèn)為：“所謂自組織也就是自設(shè)計(jì)”（2004) 【6】。將自組織原理應(yīng)用于生態(tài)水利工程時(shí)，生態(tài)工程設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)水工設(shè)計(jì)有本質(zhì)的區(qū)別。像設(shè)計(jì)大壩這樣的人工建筑物是一種確定性的設(shè)計(jì)，建筑物的幾何特征、材料強(qiáng)度都是在人的控制之中，建筑物最終可以具備人們所期望的功能。河流修復(fù)工程設(shè)計(jì)與此不同，生態(tài)工程設(shè)計(jì)是一種“指導(dǎo)性”的設(shè)計(jì)，或者說(shuō)是輔助性設(shè)計(jì)。依靠生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)、自組織功能，可以由自然界選擇合適的物種，形成合理的結(jié)構(gòu)，從而完成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。成功的生態(tài)工程經(jīng)驗(yàn)表明，人工與自然力的貢獻(xiàn)各占一半【7】。

　　我國(guó)古代傳統(tǒng)哲學(xué)注重人與自然的和諧相處，老子主張：“人法地，地法天，天法道，道法自然”。反映了一種崇尚自然，遵循自然規(guī)律的哲學(xué)觀。在建筑理念方面，提倡“工不曰人而曰天，務(wù)全其自然之勢(shì)”（《管氏地理指蒙》），“雖由人作，宛自天開(kāi)” （《園冶》），都提倡一種效法自然，依靠自然的思想。國(guó)際生態(tài)學(xué)界一些學(xué)者認(rèn)為，系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的哲學(xué)理念應(yīng)該追溯到公元前11世紀(jì)中國(guó)的周代。其中“陰陽(yáng)五行”、萬(wàn)物競(jìng)爭(zhēng)共存和相生相克等哲學(xué)思想，體現(xiàn)了促進(jìn)與抑制，成長(zhǎng)與腐朽，合成與異化之間的平衡與轉(zhuǎn)化，這些正是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)。

　　傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計(jì)的特征是對(duì)于自然河流實(shí)施控制。而設(shè)計(jì)生態(tài)水利工程時(shí)，要求工程師必須放棄控制自然界的動(dòng)機(jī)，樹(shù)立新的工程理念。因?yàn)橐揽咳肆图夹g(shù)控制自然界是不可能的，這種一廂情愿的企圖最終往往歸于失敗。人們要善于利用生態(tài)系統(tǒng)自組織、自設(shè)計(jì)這個(gè)寶貴財(cái)富，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。需要強(qiáng)調(diào)的是，地球上沒(méi)有兩條相同的河流，每一條河流的特點(diǎn)都是各不相同的。因此，每一項(xiàng)生態(tài)水利工程必須因地制宜，充分尊重每一條河流的自然屬性和美學(xué)價(jià)值，尋求最佳的生態(tài)工程方案。

　　自設(shè)計(jì)理論的適用性還取決于具體條件。包括水量、水質(zhì)、土壤、地貌、水文特征等生態(tài)因子，也取決于生物的種類、密度、生物生產(chǎn)力、群落穩(wěn)定性等多種因素。在利用自設(shè)計(jì)理論時(shí)，需要注意充分利用鄉(xiāng)土種。引進(jìn)外來(lái)物種時(shí)要持慎重態(tài)度，防止生物入侵。

　　要區(qū)分兩類被干擾的河流生態(tài)系統(tǒng)。一類是未超過(guò)本身生態(tài)承載力的生態(tài)系統(tǒng)，是可逆的。當(dāng)去除外界干擾即卸荷以后，有可能靠自然演替實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)的目標(biāo)。另一類是被嚴(yán)重干擾的生態(tài)系統(tǒng)，它是不可逆的。在去除干擾即卸荷后，還需要輔助以人工措施創(chuàng)造生境條件，再靠發(fā)揮自然修復(fù)功能，有可能使生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某種程度的修復(fù)。這就意味著，運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)、自我恢復(fù)原則，并不排除工程師和科學(xué)家采用工程措施、生物措施和管理措施的主觀能動(dòng)性。

4．景觀尺度及整體性原則

　　河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃和管理應(yīng)該在大景觀尺度、長(zhǎng)期的和保持可持續(xù)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而不是在小尺度、短時(shí)期和零星局部的范圍內(nèi)進(jìn)行。在大景觀尺度上開(kāi)展的河流生態(tài)修復(fù)效率要高。小范圍的生態(tài)修復(fù)不但效率低，而且成功率也低。

　　所謂“整體性”是指從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)，掌握生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)要素間的交互作用，提出修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的整體、綜合的系統(tǒng)方法，而不是僅僅考慮河道水文系統(tǒng)的修復(fù)問(wèn)題，也不僅僅是修復(fù)單一動(dòng)物或修復(fù)河岸植被。

　　這里說(shuō)的“景觀”（landscape ）是指生態(tài)學(xué)中的景觀尺度。關(guān)于生態(tài)學(xué)的尺度問(wèn)題，O’Neill, 認(rèn)為：“生態(tài)學(xué)不可能建立在單一的時(shí)空尺度上，它應(yīng)該適應(yīng)所有尺度的調(diào)查研究?！保?986）【8】 。按照這種觀點(diǎn)，尺度和層次成為生態(tài)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。目前生態(tài)學(xué)理論把生物圈劃分為11個(gè)層次，依次是生物圈、生物群系、景觀、生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個(gè)體、組織、細(xì)胞、基因和分子。景觀的尺度如何掌握？景觀尺度包括空間尺度和時(shí)間尺度。

　　為什么在景觀的大尺度上進(jìn)行河流修復(fù)規(guī)劃？首先，水域生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)，其子系統(tǒng)包括生物系統(tǒng)、廣義水文系統(tǒng)和人造工程設(shè)施系統(tǒng)。一條河流的廣義水文系統(tǒng)包括從發(fā)源地直到河口的上中下游地帶的地下水與地表水系統(tǒng)，流域中由河流串聯(lián)起來(lái)的湖泊、濕地、水塘、沼澤和洪泛區(qū)。廣義水文系統(tǒng)又與生物系統(tǒng)交織在一起，形成自然河流生態(tài)系統(tǒng)。而人類活動(dòng)和工程設(shè)施作為生境的組成部分，形成對(duì)于水域生態(tài)系統(tǒng)的正負(fù)影響。水域生態(tài)系統(tǒng)受到脅迫時(shí)，需要對(duì)于各種脅迫因素之間的相互關(guān)系進(jìn)行綜合、整體研究。如果僅僅考慮河道本身的生態(tài)修復(fù)問(wèn)題，顯然是把復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)單割裂開(kāi)了。

　　其次，必須重視水域生境的易變性、流動(dòng)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，表現(xiàn)為流量、水位和水量的水文周期變化和隨機(jī)變化，也表現(xiàn)為河流淤積與侵蝕的交替變化造成河勢(shì)的擺動(dòng)。這些變化決定了生物種群的基本生存條件。水域生態(tài)系統(tǒng)是隨著降雨、水文變化及潮流等條件在時(shí)間與空間中擴(kuò)展或收縮的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的變化范圍從生境受到限制時(shí)期的高度臨界狀態(tài)到生境擴(kuò)張時(shí)期的冗余狀態(tài)。

　　再者，要考慮生境邊界的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展問(wèn)題。由于動(dòng)物遷徙和植物的隨機(jī)擴(kuò)散，生境邊界也隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變動(dòng)。Gosselink (1990)在研究水域生態(tài)系統(tǒng)物種管理的尺度問(wèn)題時(shí)認(rèn)為，對(duì)于給定需要修復(fù)的物種，考慮的范圍應(yīng)是這個(gè)物種的分布區(qū)【9】。舉例來(lái)說(shuō)，為便于理解，可以借用“流域”這個(gè)概念，比如一個(gè)地區(qū)野鴨的種群也有一個(gè)“鴨域”。所謂“鴨域”的范圍應(yīng)該包括物種個(gè)體在惡劣的條件下遷徙到的任何地方以及支持此物種的生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)范圍的邊界，應(yīng)劃定在某特定物種經(jīng)常利用的一個(gè)很大的空間內(nèi)。如果進(jìn)一步擴(kuò)展，還應(yīng)該包括所謂“臨時(shí)生境”，指在自然界對(duì)于物種產(chǎn)生脅迫的時(shí)期，成為該物種的避難所的地區(qū)。如果這個(gè)地區(qū)有若干種標(biāo)志性動(dòng)物，那么物種管理的范圍邊界將是這些物種“域”的包絡(luò)圖。另外，還要考慮流域之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題?？紤]到河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，與周圍生態(tài)系統(tǒng)隨時(shí)進(jìn)行能量傳遞和物質(zhì)循環(huán)，一條河流的生態(tài)修復(fù)活動(dòng)不可能是孤立的，還需要與相鄰的流域的生態(tài)修復(fù)活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，

　　最后，河流生態(tài)修復(fù)的時(shí)間尺度也十分重要。河流系統(tǒng)的演進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。每一個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)都有它自己的歷史。需要對(duì)歷史資料進(jìn)行收集、整理，以掌握長(zhǎng)時(shí)間尺度的河流變化過(guò)程與生態(tài)現(xiàn)狀的關(guān)系。河流生態(tài)修復(fù)是靠時(shí)間作工作的。有研究指出，濕地重建或修復(fù)需要大約15到20年的時(shí)間。因此對(duì)于河流生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目要有長(zhǎng)期準(zhǔn)備，同時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和管理。

　　需要說(shuō)明的是，對(duì)于規(guī)劃、評(píng)估、監(jiān)測(cè)這些不同的任務(wù)，工作對(duì)象的空間尺度可能是不同的。監(jiān)測(cè)工作應(yīng)該在盡可能大的尺度內(nèi)進(jìn)行。比如修復(fù)一塊濕地以吸引鳥類，經(jīng)過(guò)一年或者更長(zhǎng)的時(shí)間均告失敗。這就需要考慮是否有質(zhì)量更好的生境吸引了候鳥而改變了它們的遷徙路線，監(jiān)測(cè)工作可能在大陸的范圍內(nèi)開(kāi)展。而評(píng)估工作可能在跨流域的尺度上進(jìn)行。規(guī)劃工作的尺度可能是流域或河流廊道。所謂“河流廊道”（River corridor）泛指河流及其兩岸與生物棲息地相關(guān)的土地，也有定義其范圍為河流與對(duì)應(yīng)某一洪水頻率的洪泛區(qū)。至于河流修復(fù)工程項(xiàng)目的實(shí)施，一般在關(guān)鍵的重點(diǎn)河段內(nèi)進(jìn)行。

5． 反饋調(diào)整式設(shè)計(jì)原則

　　生態(tài)系統(tǒng)的成長(zhǎng)是一個(gè)過(guò)程，河流修復(fù)工程需要時(shí)間。從長(zhǎng)時(shí)間尺度看，自然生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化需要數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間。進(jìn)化的趨勢(shì)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、生物群落多樣性、系統(tǒng)有序性及內(nèi)部穩(wěn)定性都有所增加和提高，同時(shí)對(duì)外界干擾的抵抗力有所增強(qiáng)。從較短的時(shí)間尺度看，生態(tài)系統(tǒng)的演替，即一種類型的生態(tài)系統(tǒng)被另一種生態(tài)系統(tǒng)所代替也需要若干年的時(shí)間，期望河流修復(fù)能夠短期奏效往往是不現(xiàn)實(shí)的。

　　生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)主要是模仿成熟的河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，力求最終形成一個(gè)健康、可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)【10】。在河流工程項(xiàng)目按照設(shè)計(jì)執(zhí)行以后，就開(kāi)始了一個(gè)自然生態(tài)演替的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程并不一定按照設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo)發(fā)展，可能出現(xiàn)多種可能性。最頂層的理想狀態(tài)應(yīng)是沒(méi)有外界脅迫的自然生態(tài)演進(jìn)狀態(tài)。在河流生態(tài)修復(fù)工程中，恢復(fù)到未受人類干擾的河流原始狀態(tài)往往是不可能的，可以理解這種原始狀態(tài)是自然生態(tài)演進(jìn)的極限狀態(tài)上限。如果沒(méi)有生態(tài)修復(fù)工程，在人類活動(dòng)的脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步惡化，這種狀態(tài)則是極限狀態(tài)的下限。在這兩種極限狀態(tài)之間，生態(tài)修復(fù)存在著多種可能性。針對(duì)具體一項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施以后，一種理想的可能是：監(jiān)測(cè)到的各生態(tài)變量是現(xiàn)有科學(xué)水平可能達(dá)到的最優(yōu)值，表示生態(tài)演進(jìn)的趨勢(shì)是理想的。另一種差的情況是，監(jiān)測(cè)到的各生態(tài)變量是人們可接受的最低值。在這兩種極端狀態(tài)之間，形成了一個(gè)包絡(luò)圖。一項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施后的實(shí)際狀態(tài)都落在這個(gè)包絡(luò)圖中間。

　　意識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)都不是靜止的，在時(shí)間與空間上常具有不確定性。除了自然系統(tǒng)的演替以外，人類系統(tǒng)的變化及干擾也導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)整。這種不確定性使生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)工程的確定性設(shè)計(jì)方法，而是一種反饋調(diào)整式的設(shè)計(jì)方法。是按照“設(shè)計(jì)－執(zhí)行（包括管理）－監(jiān)測(cè)－評(píng)估－調(diào)整”這樣一種流程以反復(fù)循環(huán)的方式進(jìn)行的。在這個(gè)流程中，監(jiān)測(cè)工作是基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)工作包括生物監(jiān)測(cè)和水文觀測(cè)。這就需要在項(xiàng)目初期建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。依靠完整的歷史資料和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行階段性的評(píng)估。評(píng)估的內(nèi)容是河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的狀況及發(fā)展趨勢(shì)。常用的方法是參照比較方法，一種是與自身河流系統(tǒng)的歷史及項(xiàng)目初期狀況比較，一種是與自然條件類似但未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的河流比較。評(píng)估的結(jié)果不外乎有幾種可能：1）生態(tài)系統(tǒng)大體按照預(yù)定目標(biāo)演進(jìn)，不需要設(shè)計(jì)變更；2）需要局部調(diào)整設(shè)計(jì)，適應(yīng)新的狀況；3）原來(lái)制定的目標(biāo)需要重大調(diào)整，相應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　在反饋調(diào)整式設(shè)計(jì)過(guò)程中，提倡科學(xué)家、管理者和當(dāng)?shù)鼐用窦吧鐣?huì)各界的廣泛參與，通過(guò)對(duì)話、協(xié)商，以尋求共同利益。提倡多學(xué)科的交流和融合，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

參 考 文 獻(xiàn)

　　【1】 董哲仁，水利工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的脅迫 [J]，水利水電技術(shù)，2003年7期，P1-5

　　【2】 ASCE River Restoration Subcommittee on Urban Stream Restoration，Urban stream Restoration [J]，Journal of Hydraulic Engineering ASCE , July 2003, pp 491-493

　　【3】 董哲仁, 生態(tài)水工學(xué)的理論框架 [J], 水利學(xué)報(bào), 2003年第1期P1-6

　　【4】 董哲仁，河流形態(tài)多樣性與生物群落多樣性 [J]，水利學(xué)報(bào)，2003年第11期，P1-7

　　【5】Odum, H. T. 1989. Ecological engineering and self-organization [D]. Pages 79-101. In: W. J. Mitsch and S. E. Jorgensen, eds., Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology. Wiley, New York.

　　【6】Mitsch W. J. & Jorgensen S E.，Ecological Engineering and Ecosystem Restoration [M]. PP 134-137, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004

　　【7】董哲仁，荷蘭圍墾區(qū)生態(tài)重建的啟示[J]. 中國(guó)水利，2003年11A期，P45-47

　　【8】O’Neill, R.V., D.L.DeAngelis, J.B. Waide, and T.F.H.Allen. 1986. A Hierarchical Concept of Ecosystems [M]. Princeton University Press, Princeton, NJ.153pp

　　【9】Gosselink,J.G., 1990, Landscape Conservation in a forested Wetland Watershed[J]. Bioscience 40:588-600

　　【10】Mitsch, W.J. and J.G.Gosselink. 2000. Wetland[M], 3^rd ed. Wiley, New York. 920pp.

　　【11】董哲仁 河流生態(tài)恢復(fù)的目標(biāo)[J]. 中國(guó)水利，2004年第10期，P1-5