河流治理生態工程學的發展沿革與趨勢

中圖分類號：TV88 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0860(2004)01-0039-03

　　自20世紀80年代開始，面對河流治理中出現的水利工程對生態系統的某些負面影響問題，歐洲的工程界對水利工程的規劃設計理念進行了深刻的反思，認識到河流治理不但要符合工程設計原理，也要符合自然原理。特別隨著現代生態學的發展，他們進一步認識到河流治理工程還要符合生態學的原理，也就是說把河流湖泊當作生態系統的一個重要組成部分對待，不能把河流系統從自然生態系統中割裂開來進行人工化設計。在歐洲陸續有一批河流生態治理工程獲得成功，同時相應出現了一些河流治理生態工程理論和技術。這些理論、經驗和技術值得我們思考和借鑒。

1 歐洲的河流生態工程實踐

　　河流生態工程是從歐洲對山區溪流生態治理開始的。早在19世紀中期歐洲工業蓬勃發展，阿爾卑斯山區成為中歐的工業基地。由于開礦山、修公路、建電站，大規?？撤ド?，破壞植被，造成山洪、泥石流、雪崩等頻繁發生，引起了地區各國的關注，1846～1884年間制定了森林法及水資源利用法。為了與山洪和山地災害斗爭，興建了大規模的河流整治工程。經過近百年的治理，大批工程設施發揮了作用，對山洪和山地災害有所遏制。但是隨著水利工程的興建，伴隨出現了許多負面效應。特別是隨著大量移民遷入，山區旅游事業激增，這些負面效應愈顯突出。主要是傳統水利工程興建后，生物的種類和數量都明顯下降，生物多樣性降低，人居環境質量有所惡化。社會輿論要求保護阿爾卑斯山區，呼吁回歸自然。這使傳統的河流治理工程設計理念受到挑戰。工程師開始反思，認為傳統的設計方法主要側重考慮利用水土資源，防止自然災害，但是忽視了工程與河流生態系統和諧的問題，忽視了河流本身具備的自凈功能，也忽視了河流是多種動植物的棲息地，是大量生物的物種庫這些重要事實。另外，從資源開發角度看，山區溪流地區還有登山、滑雪、休閑等功能，保護生態系統也是水資源開發利用的需要。

　　至20世紀50年代德國正式創立了“近自然河道治理工程”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。

　　阿爾卑斯山區相關國家，諸如德國、瑞士、奧地利等國，在河川治理方面的生態工程建設，積累了豐富的經驗。這些國家制定的河川治理方案，注重發揮河流生態系統的整體功能；注重河流在三維空間內植物分布、動物遷徙和生態過程中相互制約與相互影響的作用；注重河流作為生態景觀和基因庫的作用。自20世紀80年代開始的“近自然河流治理”工程，至今雖然僅20多年，但是成效斐然。與傳統工程方法比較，其突出特點是流域內的生物多樣性有了明顯增長，生物生產力提高，生物種群的品種、密度都成倍增加。比如 Oichtenbach 流域“近自然治理”前后動物種類由44種增加到133種，Melk 流域在治理前的1987年每百米河段魚類個體數量150條，生物量19kg，治理后的1990年分別提高到410條和55kg。治理后另一個特點是河流自凈能力明顯提高，水質得到大幅度改善。實踐證明，充分利用河流自凈能力治污，是一種經濟、實用的技術。

　　20世紀80年代開始萊茵河的治理，又為河流的生態工程技術提供了新的經驗。萊茵河是歐洲的大河，流域面積18.5萬km2，河流總長1320km。流域內有瑞士、德國、法國、比利時和荷蘭等9國。二次大戰以后萊茵河沿岸國家工業急劇發展，造成污染不斷蔓延，污染主要來源于工業污染和生活污染。到20世紀70年代污染風險加大，大量未經處理的有機廢水傾入萊茵河，導致萊茵河水的氧氣含量不斷降低，生物物種減少，標志生物——鮭魚開始死亡。1986年，在萊茵河上游史威查豪爾 (Schweizerhalle) 發生了一場大火，有10t殺蟲劑隨水流進入萊茵河，造成鮭魚和小型動物大量死亡，其影響達500多km，直達萊茵河下游。事故如此突然和巨大，歐洲社會輿論嘩然。成立于1950年的萊茵河保護國際委員(1CPR)于1987年提出了萊茵河行動計劃，得到了萊茵河流域各國和歐共體的一致支持。這個計劃的鮮明特點是以生態系統恢復作為萊茵河重建的主要指標。主攻目標是：到2000年鮭魚重返萊茵河，所以將這個河流治理的長遠規劃命名為：“鮭魚一2000計劃”。這個規劃詳細提出了要使生物群落重返萊茵河及其支流所需要提供的條件，治理總目標是萊茵河要成為“一個完整的生態系統的骨干”。沿岸各國投入了數百億美元用于治污和生態系統建設。到2000年萊茵河全面實現了預定目標，沿河森林茂密，濕地發育，水質清澈潔凈。鮭魚已經從河口洄游到上游——瑞士一帶產卵，魚類、鳥類和兩棲動物重返萊茵河。

2 各種生態工程理論及其評價

　　追溯河流治理的自然工程理論的形成歷史，當推1938年德國Seifert首先提出“親河川整治”概念。他指出工程設施首先要具備河流傳統治理的各種功能，比如防洪、供水、水土保持等，同時還應該達到接近自然的目的。親河川工程即經濟又可保持自然景觀。使人類從物質文明進步到精神文明、從工程技術進步到工程藝術、從實用價值進步到美學價值。他特別強調河溪治理工程中美學的成分。

　　如上述，20世紀50年代德國正式創立了“近自然河道治理工程學”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理。河流治理的生態工程理論逐漸走上科學的軌道，還是在現代生態學形成和發展之后的事?，F代生態學發展始于20世紀60年代，逐步形成了自己獨特的理論體系和方法論。一系列國際研究計劃極大促進了現代生態學的發展。其中著名的20世紀60年代的“國際生物學計劃”，70年代“人與生物圈計劃”，80年代“國際地圈一生物圈計劃”等?，F代生態學的特點，首先是向宏觀研究發展，采用系統方法及多變量和非線性模型。其次，隨著學科的深入發展，一些分支學科如進化生態學、行為生態學、化學生態學和分子生態學相繼出現，擴大了生態學的領域。從應用方面看，為應對20世紀中開始出現的人口、資源與環境危機，促進了生態學與其他學科的交叉及融合。不少科學家認為，生態學是解決人類面臨的危機的科學基礎之一。這些新的交叉學科可以歸類稱為“應用生態學”。比如始于20世紀70年代生態學與人類環境問題相結合逐漸形成了環境生態學，其后保護生物學、經濟生態學、城市生態學等應運而生。而生態學與各類工程學的結合，主要是在工程設計理念中吸收生態學的原理和知識，改變傳統的工程理念和技術方法，又形成了不少新的工程理論。

　　1962年 H. T. Odum 提出將生態系統自組織行為 (Self-organizing activities) 運用到工程之中。他首次提出“生態工程”(Ecological engineering) 一詞，旨在促進生態學與工程學相結合。

　　受生態學的啟發，人們對于河流治理有了新的認識，河流治理除了要滿足人類社會的需求以外，還要滿足維護生態系統穩定性及生物多樣性的需求，同時把河流的自然狀態或原始狀態作為河流整治及人類干預的尺度，相應發展了生態工程技術和理論。

　　1971年Schlueter認為近自然治理 (near nature contr01) 的目標，首先要滿足人類對河流利用的要求，同時要維護或創造河流的生態多樣性。1983年Bidner提出河道整治首先要考慮河道的水力學特性、地貌學特點與河流的自然狀況，以權衡河道整治與對生態系統脅迫之間的尺度。1985年Holzmann把河岸植被視為具有多種小生態環境的多層結構，強調生態多樣性在生態治理的重要性，注重工程治理與自然景觀的和諧性。同年，Rossoll指出，近自然治理的思想應該以維護河流中盡可能高的生物生產力為基礎。到了1989年Pabst則強調溪流的自然特性要依靠自然力去恢復。1992年Hohmann從維護河溪生態系平衡的觀點出發，認為近自然河流治理要減輕人為活動對河流的壓力，維持河流環境多樣性、物種多樣性及其河流生態系統平衡，并逐漸恢復自然狀況。

　　河川的生態工程在德國稱為“河川生態自然工程”，日本稱為“近自然工事”，或“多自然型建設工法”。美國稱為“自然河道設計技術”(natural channel design techniques)。一些國家已經頒布了相關的技術規范和標準。

　　1989年Mitsch等對于“生態工程學”(Ecological engineering) 給出定義，Mitsch有時也使用“生態技術”(Ecotechnology) 一詞。1993年美國科學院所主辦的生態工程研討會中根據Mitsch的建議，對“生態工程學”定義為：“將人類社會與其自然環境相結合，以達到雙方受益的可持續生態系統的設計方法。”生態工程學的范圍很廣，包括河流、湖泊、濕地、礦山、森林、土地及海岸等的生態建設問題。

　　從以上簡單介紹可以看出，有關河流的生態工程理論是多種多樣的，但是可以歸納以下觀點是共同的：（1）在學科的科學基礎方面，強調工程學與生態學相結合。在河流整治方面，工程設計理論要吸收生態學的原理和知識。（2）新型的工程設施既要滿足人類社會的種種需求，也要滿足生態系統健康性的需求，實現雙贏是理想的目標。（3）河流生態工程以保護河流生態系統生物多樣性為重點。在治河工程中，尊重河流流域的自然狀況，尊重各類生物種群的生存權利。水利工程設施要為動植物的生長、繁殖、棲息提供條件。(4)認識和遵循生態系統自身的規律，充分發揮自然界自我修復和自我凈化功能，生態恢復工程強調生態系統的自我設計功能 (self-design)。(5)依據人文學理論，強調河流自然美學價值。在治河工程中，要設法保存河流的自然美，以滿足人類在長期自然歷史進化過程中形成的對自然情感的心理依賴。

3　生態水工學的內涵

　　具有各種不同目標和內容的河流治理生態工程學，是人們摒棄了“征服自然”的觀念以后，更為理智的工程科學。它反映了人類與自然和諧共存的理念，是水利工程理論和其他相關工程理論發展的一個方向。

　　河流治理生態工程是一個十分廣泛的概念。它包括水土保持、河流泥沙治理、水污染防治、地下水保護、河口治理等諸多方面。與此相對應，目前河流治理生態工程學涉及的領域也十分寬闊。 發達國家近一、二十年的工程實踐，其理論和技術方法也在不斷發展。但是畢竟是新興的工程理論，河流治理生態工程學也處于探索和發展階段。

　　生態水利工程學 (Eco-Hydraulic Engineering) 簡稱“生態水工學”，是從減輕水利工程對河流生態系統負面影響的一個側面，探討水利工程新的工程理念和技術方法。

　　筆者認為，生態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，兼顧水域生態系統健康性需求的原理與技術方法的工程學。發展生態水工學的目的，是促進人類與自然相和諧，保證水資源可持續利用。

　　生態水工學是一門交叉學科，也是一門實用的工程學。它是立足于水利工程學，吸收、融合生態學的原理和知識，用以改善水利工程的規劃與設計方法的工程學。其內涵似應包括兩部分：生態水工學的基本原理和生態水工技術。

　　生態水工學的基本原理包括研究水域生態系統的特點；不同區域水文與水質因子與生物群落的相關關系；水利工程與水域生態系統的交互作用；生態型水利工程對生態系統補償的原理和機制等。生態水工學的原理是遵循生態系統的自我設計、自我組織、自我修復和自我凈化的規律。

　　生態水工技術的任務是水利工程在滿足人對水的多種需求的同時，為保持和提高生物多樣性提供必要的生境條件。生態水工技術具體包括：河道整治、水庫工程、人工濕地及生態景觀的生態水工技術等。

　　我國發展生態水工學及開發生態水工技術，可以借鑒發達國家的經驗，但是不可能照搬。原因是自然條件不同，需要因地制宜地解決生態建設技術問題。同時，各國經濟發展水平不同，在制定生態恢復目標方面也會有所不同。從工程規劃角度看，在開發利用水流時，應明確河流與其上下游、左右岸的生物群落交織在一起共生共存，處于一個完整的生態系統中，規劃中要考慮這一重要因素。重大水利工程建設，不僅僅要解決瀕危生物或“明星生物”的棲息問題，還要從整個河流生態系統的健康性考慮問題。 從工程建設角度看，水利工程設施首先要保證結構物的安全，達到強度、穩定和耐久性的技術要求，具備完善的功能，在此基礎上，吸收生態學原理，為維持生物多樣性創造條件。

　　如同任何工程建設一樣，生態型的水利工程也要進行技術經濟論證，保證技術的可行性和經濟的合理性。生態恢復工程的經濟分析，似應根據客觀需要和實際經濟支付能力，確定合理的生態恢復目標。在生態恢復工程中，開發廉價、實用的技術最合理的技術路線就是充分利用生態系統自我設計，自我修復的功能。實際上，自然界早在人類出現以前就能夠有序地運行和演進，全靠生態系統自身的自我設計和自我修復功能。我們現在說的生態修復工程，也是遵循這些基本規律。自然界并不需要人類的“恩賜”，需要的是少一點“干預”。我們的任務是深入認識生態系統的規律，謹慎地遵循這些規律，而不需要創造什么規律。

　　生態水工學的發展需要水利工程學與生態學相結合，在學科的交叉、融合中得到發展。生態水工學將是一門實用的工程學，通過不同類型的示范工程，摸索經驗，總結提高，逐步推廣，在工程實踐的基礎上，逐步形成規范和標準。

參考文獻：

[1]  Mitsch WJ. Ecological engineering [M]. John Wiley & Sons Ltd., 1989.

[2] 董哲仁．生態水工學的理論框架 [J]．水利學報，2003，(1)．

[3] 董哲仁．生態水工學——人與自然和諧的工程學 [J]。水利水電技術，2003，(1)．

[4] 董哲仁．水利工程對生態系統的脅迫 [J]．水利水電技術，2003，(6)．

作者單位：中國水利水電科學研究院