摘要：文章簡要分析了紅河流域西河治理工程對于河流生態(tài)系統(tǒng)脅迫問題，提出應(yīng)重視紅河生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的需求。生態(tài)水利工程學是水利工程學與生態(tài)學相融合產(chǎn)生的新分支學科，目的是改進和完善水利工程的規(guī)劃設(shè)計方法。本文試述了生態(tài)水利工程在河道治理中應(yīng)注意的五個問題，它們是：工程安全性和經(jīng)濟性，提高河流形態(tài)的空間異質(zhì)性;生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計與自恢復：景觀尺度與整體修復;反饋和調(diào)整設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞：紅河流域,西河,生態(tài)水利,工程

　　一、概述

　　西河是縱貫巍山縣盆地的主流，發(fā)源于上、下花盤，由北向南經(jīng)洗澡塘流出盆地，是紅河的氣段。流域狹長，支溝發(fā)育，形似“樹葉”狀，東西寬14-12km，南北長約40km，四面環(huán)山，中位巍山盆地，流域面積784km2，壩區(qū)主河長48.9km，支流四十余條，水庫55座，構(gòu)成呈“羽狀”水系，水草、魚、蛙、水生昆蟲自樂其中，區(qū)內(nèi)羊子江源頭最高海拔3006.9m，洗澡塘出口處海拔1678.9m，最高落差為1328m，盆地外圍是綿延起伏的山脈，山高谷深，綠樹紅花廣泛分布，飛鳥走獸游梭其里，水路、陸路交錯相通，鳥獸蛇蟲構(gòu)成了一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)。

　　二、西河流域治理現(xiàn)狀

　　主流西河設(shè)有攔河壩一座，用于福慶水庫本區(qū)引流及汛期蓄水沖砂。沿攔河壩以下治理了11.22 km，河堤沿河漫灘裁彎改直，迎水面用C15砼護面，堤高2-3 m , 河底寬18-38m，河底沿程50m、100m、150m、200m四種間距設(shè)平底“v”型固床梁，堤外坡種草植樹。東西支流建水庫55座，攔砂壩等人工建筑物，西河治理段保護沿河兩岸55個村莊3325戶25262人和16648畝良田、集貿(mào)市場、橋梁、水利工程等價值2.68億元固定資產(chǎn)的安全。其經(jīng)濟、社會效益十分可觀。

　　三、西河流域治理工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫

　　巍山縣西河流域治理工程對巍山經(jīng)濟與社會發(fā)展的巨大作用勿庸置疑。但是也必須看到西河流域治理工程對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的干擾。該工程對于西河流域生態(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。包括河道橫斷面兒何規(guī)則化，即把自然河流的復雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規(guī)則兒何斷面。還包括河床和邊坡材料的硬質(zhì)化，即河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。筑壩是順水流方向的河流非連續(xù)化，流動的河流生態(tài)系統(tǒng)變成了相對靜止的水庫，流速、水深、水溫及水流邊界條件都發(fā)生了重大變化。庫區(qū)內(nèi)原來的森林、草地或農(nóng)田系統(tǒng)淹沒水底。陸生動物被迫遷徙。水庫形成后也改變了原來河流營養(yǎng)鹽輸移轉(zhuǎn)化的規(guī)律。由于水庫截留河流的營養(yǎng)物質(zhì)，氣溫較高時，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空間使之萎縮，而死亡的藻類沉入水底，在腐爛的同時還消耗氧氣。溶解氧含量低的水體會使水生生物“窒息而死”。由于水庫的水深高于河流，在深水處陽光微弱，光合作用也弱，導致水庫的生態(tài)系統(tǒng)比河流的生物生產(chǎn)量低，相對要脆弱，自我恢復能力弱。河流泥沙在水庫淤積，而壩下清水下泄又加劇了對河道的沖蝕，這些變化都大幅度改變了生境。由于靠水庫進行人工徑流調(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，大壩對于生物的上下連通是致命的屏障。另一類非連續(xù)化是西河流兩岸建設(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。原來可能擴散到灘地和洪泛區(qū)的水、泥沙和營養(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。魚類無法進入灘地產(chǎn)卵和覓食，也失去了避難所。魚類、無脊椎動物等會減少，導致灘區(qū)和洪泛區(qū)的生態(tài)功能退化。并且兩岸動物老死不相往來。

　　概況地講，被改造過的西河生態(tài)系統(tǒng)是由三個子系統(tǒng)組成。即:由動物、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、上地、氣候系統(tǒng)等。再有就是西河流域工程設(shè)施系統(tǒng)，這是人們改造河流的結(jié)果。后面兩個子系統(tǒng)組成生境，是生命支持系統(tǒng)。由于西河流域治理工程系統(tǒng)改變了西河形態(tài)，水庫調(diào)度運行又改變了原有的水文規(guī)律，造成西河流域生態(tài)系統(tǒng)的生境變化，其結(jié)果可能造成西河流域生態(tài)系統(tǒng)生物群落多樣性的下降，使生態(tài)系統(tǒng)退化。

　　四、生態(tài)水利工程的概念

　　對于西河流域治理工程對西河流域生態(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作為一門重要的工程學科，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)代科學發(fā)展使我們認識到，傳統(tǒng)意義上的水利工程學在力圖滿足人的需求時，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，也會給人們的長遠利益帶來損害。未來的西河流域治理在權(quán)衡社會經(jīng)濟需求與生態(tài)系統(tǒng)健康需求這二者關(guān)系方面，應(yīng)強調(diào)西河流域工程在滿足人們社會需求的同時，兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性。從學科發(fā)展角度看，現(xiàn)在的水利工程學的學科基礎(chǔ)主要是工程力學和水文學，水利工程規(guī)劃設(shè)計主要對象是水文系統(tǒng)，往往忽視生命系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來風險等問題。學科的進一步發(fā)展應(yīng)吸收生態(tài)學的理論及方法，促進水利工程學與生態(tài)學的交叉融合，用以改進和完善水利工程的規(guī)劃及設(shè)計理論，形成水利工程學的新的學科分支一生態(tài)水利工程學。生態(tài)水利工程學作為水利工程學的一個新的分支，是研究水利工程在滿足人類社會需求的同時，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。生態(tài)水利工程的內(nèi)涵是:對于新建工程，是指進行傳統(tǒng)水利建設(shè)的同時(如治河、防洪工程)，兼顧河流生態(tài)修復的目標。對于已建工程，則是對于被嚴重干擾河流重點進行生態(tài)修復。

　　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。

　　五、西河流域治理存在的幾個生態(tài)問題論述

　　1.工程安全性和經(jīng)濟性

　　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、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原理，也要符合生態(tài)學原理。生態(tài)水利工程的工程設(shè)施必須符合水文學和工程力學的規(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)計標準規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠承受洪水、侵蝕、風暴、冰凍、干旱等自然力荷載。按照河流地貌學原理進行河流縱、橫斷面設(shè)計時，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，動態(tài)地研究河勢變化規(guī)律，保證工程的耐久性。

　　對于生態(tài)水利工程的經(jīng)濟合理性分析，應(yīng)遵循風險最小和效益最大原則。由于對生態(tài)演替的過程和結(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險。這就需要在規(guī)劃設(shè)計中需要進行方案比選，更要重視生態(tài)系統(tǒng)的長期定點監(jiān)測和評估。另外，充分利用河流生態(tài)系統(tǒng)自我恢復規(guī)律，是力爭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

　　生物群落多樣性與非生物環(huán)境的空間異質(zhì)性，存在正相關(guān)關(guān)系。這里所說的“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。實際上，生物群落多樣性問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}r}合關(guān)系。西河流域的生境空間異質(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下降，生物群落的性質(zhì)、密度和比例等都會發(fā)生變化，造成生態(tài)系統(tǒng)的某種程度的退化。

　　西河流域生態(tài)系統(tǒng)生境的主要特點是:水一陸兩相和水一氣兩相的聯(lián)系緊密性;土中下游的生境異質(zhì)性;西河縱向的蜿蜒性;西河橫斷面形狀的多樣性;河床材料的透水性等。水一陸兩相和水一氣兩相的緊密關(guān)系，形成了較為開放的生境條件;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;西河縱向的蜿蜒性形成了急流與緩流相間;西河的橫斷面形狀多樣性，表現(xiàn)為深潭與淺灘交錯;河床材料的透水性為生物提供了棲息所。由于西河形態(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，提高西河形態(tài)異質(zhì)性是提高生物群落多樣性的重要前提之一。

　　由于人類活動，特別是西河流域治理工程的建設(shè)，造成西河的渠道化及河流非連續(xù)化，使西河流域生境在不同程度上單一化，引起西河流域生態(tài)系統(tǒng)的不同程度的退化。生態(tài)水利工程的目標是恢復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魚類、鳥類和其它生物物種，生態(tài)水利工程的重點應(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原理，為生物群落多樣性的恢復創(chuàng)造條件。

　　3.重視生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計、自我恢復

　　在西河流域治理中重視生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計，自我恢復。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)學用自組織功能來解釋物種分布的豐富性現(xiàn)象，也用來說明食物網(wǎng)隨時間的發(fā)展過程。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。自組織的機理是物種的自然選擇，也就是說某些與生態(tài)系統(tǒng)友好的物種，能夠經(jīng)受自然選擇的考驗，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能具有足夠數(shù)量并能進行繁殖的種群。

　　生態(tài)系統(tǒng)的自組織功能對于生態(tài)工程學的意義是什么呢?生態(tài)工程時，生態(tài)工程設(shè)計與傳統(tǒng)水工設(shè)計有本質(zhì)的區(qū)別。像設(shè)計大壩這樣的人工建筑物是一種確定性的設(shè)計，建筑物的兒何特征、材料強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。河流修復工程設(shè)計與此不同，生態(tài)工程設(shè)計是一種“指導性”的設(shè)計，或者說是輔助性設(shè)計。依靠生態(tài)系統(tǒng)自設(shè)計、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)計和實現(xiàn)設(shè)計。成功的生態(tài)工程經(jīng)驗表明，人工與自然力的貢獻各占一半。

　　我國古代傳統(tǒng)哲學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”(《管氏地理指蒙》)，“雖由人作，宛自天開”(《園冶》)，都提倡一種效法自然，依靠自然的思想。

　　傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計的特征是對于自然河流實施控制。而設(shè)計生態(tài)水利工程時，要求工程師必須放棄控制自然界的動機，樹立新的工程理念。因為依靠人力和技術(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)計這個寶貴財富，實現(xiàn)人與自然的和諧。需要強調(diào)的是，每一條河流的特點都是各不相同的。因此，對西河流域的治理照搬照用，對每一項生態(tài)水利工程必須因地制宜，充分尊重西河的自然屬性和美學價值，尋求最佳的生態(tài)工程方案。

　　4.景觀尺度及整體性

　　西河流域治理工程規(guī)劃和管理應(yīng)該在大景觀尺度、長期的和保持可持續(xù)性的基礎(chǔ)上進行，而不是在小尺度、短時期和零星局部的范圍內(nèi)進行。

　　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)各個要素間的交互作用，提出西河流域生態(tài)系統(tǒng)的整體、綜合的系統(tǒng)方法，而不是僅僅考慮西河流域水文系統(tǒng)的修復問題，也不僅僅是修復單一動物或修復河岸植被。

　　這里說的“景觀”是指生態(tài)學中的景觀尺度。尺度和層次是生態(tài)學發(fā)展的關(guān)鍵。目前生態(tài)學理論把生物圈劃分為11個層次，依次是生物圈、生物群系、景觀、生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個體、組織、細胞、基因和分子。景觀尺度包括空間尺度和時間尺度。

　　首先，水域生態(tài)系統(tǒng)是一個大系統(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)。廣義水文系統(tǒng)又與生物系統(tǒng)交織在一起，形成西河流域生態(tài)系統(tǒng)。而人類活動和工程設(shè)施作為生境的組成部分，形成對于水域生態(tài)系統(tǒng)的正負影響。

　　其次，必須重視水域生境的易變性、流動性和隨機性的特點，表現(xiàn)為流量、水位和水量的水文周期變化和隨機變化，也表現(xiàn)為河流淤積與侵蝕的交替變化造成河勢的擺動。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間與空間中擴展或收縮的動態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的變化范圍從生境受到限制時期的高度臨界狀態(tài)到生境擴張時期的冗余狀態(tài)。

　　最后，要考慮生境邊界的動態(tài)擴展問題。由于動物遷徙和植物的隨機擴散，生境邊界也隨之發(fā)生動態(tài)變動。西河流域生態(tài)系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，與周圍生態(tài)系統(tǒng)隨時進行能量傳遞和物質(zhì)循環(huán)，西河流域的生態(tài)活動不可能是孤立的，還需要與相鄰流域的生態(tài)修復活動進行協(xié)調(diào)。

　　5.反饋調(diào)整式設(shè)計

　　西河流域生態(tài)系統(tǒng)的成長是一個過程，西河生態(tài)治理工程需要時間。從長時間尺度看，自然生態(tài)系統(tǒng)的進化需要數(shù)百萬年時間。進化的趨勢是結(jié)構(gòu)復雜性、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，同時對外界干擾的抵抗力有所增強。從較短的時間尺度看，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間，期望河流修復能夠短期奏效往往是不現(xiàn)實的。

　　西河流域生態(tài)水利工程設(shè)計主要是模仿成熟的河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，力求最終形成一個健康、可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)。在治理工程項目執(zhí)行以后，就開始了一個自然生態(tài)演替的動態(tài)過程。這個過程并不一定按照設(shè)計預期的目標發(fā)展，可能出現(xiàn)多種可能性。最頂層的理想狀態(tài)應(yīng)是沒有外界脅迫的自然生態(tài)演進狀態(tài)。在西河流域生態(tài)治理工程中，恢復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)是自然生杰演進的極限狀態(tài)上限。如果沒有生態(tài)治理工程，在人類活動的脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的進一步惡化，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)治理存在著多種可能性。針對具體一項生態(tài)治理工程實施以后，一種理想的可能是:監(jiān)測到的各生態(tài)變量是現(xiàn)有科學水平可能達到的最優(yōu)值，表示生態(tài)演進的趨勢是理想的。另一種差的情況是，監(jiān)測到的各生態(tài)變量是人們可接受的最低值。在這兩種極端狀態(tài)之間，形成了一個包絡(luò)圖。

　　意識到生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都不是靜止的，在時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)計不同于傳統(tǒng)工程的確定性設(shè)計方法，而是一種反饋調(diào)整式的設(shè)計方法。是按照“設(shè)計—執(zhí)行(包括管理)—監(jiān)測—評估一調(diào)整”這樣一種流程以反復循環(huán)的方式進行的。在這個流程中，監(jiān)測工作是基礎(chǔ)。監(jiān)測工作包括生物監(jiān)測和水文觀測。這就需要在項目初期建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)，進行長期觀測。依靠完整的歷史資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行階段性的評估。評估的內(nèi)容是西河流域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的狀況及發(fā)展趨勢。常用的方法是參照比較方法，一種是西河流域自身系統(tǒng)的歷史及項目初期狀況比較，一種是與自然條件類似但未進行生態(tài)的河流比較。評估的結(jié)果不外乎有兒種可能:1)生態(tài)系統(tǒng)大體按照預定目標演進，不需要設(shè)計變更;2)需要局部調(diào)整設(shè)計，適應(yīng)新的狀況:3)原來制定的目標需要重大調(diào)整，相應(yīng)進行設(shè)計。

　　在反饋調(diào)整式設(shè)計過程中，提倡科學家、管理者和當?shù)鼐用窦吧鐣�各界的廣泛參與，通過對話、協(xié)商，以尋求共同利益。提倡多學科的交流和融合，提高設(shè)計的科學性。

　　綜上所述，整個西河治理中，我們的目標是建立一個砂清水靜，風景宜人，人景相融，人物相融，各種生物其樂融融，生機勃勃的共同促進，共同發(fā)展的一個生態(tài)環(huán)境。