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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。
1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。
2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。
3生态水利工程的规划设计原则
3.1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。
3.2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(GIS)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。
3.3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。
3.4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15~20a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。
3.5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。
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市政工程的生态化目标与其功能是相对应的,总的来说就是利用先进的施工技术以及生态手段来完成对城市建设的优化,进而实现人与自然界之间的和谐相处以及可持续性发展。建设生态化的市政工程是保证城市生态化系统持续性发展以及稳定发展的前提。
2建设生态化市政工程系统的原则
2.1多样性原则
在建设生态化系统的时候要坚持多样性的原则,因为只有保持好市政工程项目的多样性才能最大限度地保证生态环境的多样性不会得到实质性的破坏,使市政建设的生态化得到充分的体现。
2.2自组织与能动性原则
当今我们所处的环境是人们赖以生存的基础,它为我们日常的生活提供必要的物质基础与能力来源,所以在对城市进行改造的过程中要对社会资源以及自然环境有所保护。我们不能总是站在自身当前的角度来考虑问题,要结合可持续发展战略,有规律、有计划地对其进行改造开发,只有这样才能建设处良好的生态化市政工程。例如:城市中的给排水工程是一个较为重要的市政工程,如果人们只是单纯地对雨水进行阻截或者是汇集就不会在根本上解决城市排水问题,甚至会致使整个的给排水系统出现瘫痪的现象;相反,如果人们遵循自然界的固有规律,对积水进行合理的疏通导流、合理利用,就会在解决难题的情况下为市民造福。
2.3协调平衡原则
在生态学中普遍存在着相互依存却又相互制约的规律,作为新时期的市政工程也不例外,它在结构与功能上具有时间以及空间上的异质性,从而会引起市政工程系统的进化以及动态平衡,促进系统平衡稳定发展。所以市政工程建设的协调性主要表现在系统工程内各个组分之间的协调以及其与宏观生态系统的协调。在具体的建设中要尽可能地保持城市污水处理能力与给水能力之间的平衡、交通运输系统与物流以及人流之间的平衡等。如果一旦出现及其不协调、不平衡的现象要及时进行系统调控,最终实现比较理想的目的。
2.4因地制宜原则
由于历史背景、经济发展水平以及地质条件的不同,市政工程的生态化建设内容也不是一样的,在内容构成、配置比例上存在较大差异,这都是非常正常的。所以说,在建设生态化市政工程的时候要本着因地制宜的原则来进行,充分利用当地的经济社会结构以及气候地形地貌,找出最为理想的生态化基础设施配置,最终实现市政工程项目的生态化,这也是提高市政工程生态化效率的重要内容。
3结语
1.1对生态环境的影响
在公路工程的修建中,很多动物所需的区域得到缩小,这不仅对动物的生长、栖息以及繁殖造成影响,并且也为动物的觅食、通讯造成不同程度的阻碍。在公路工程中,有很多动物为了选择生境而远离道路,从而形成生境回避现象。虽然公路工程对生境的影响是消极的,但也存在众多物种在生境旁边栖息的现象。在公路沿线中,有很多生物对生境极其喜爱,比如栖息在沟渠中的两栖动物,在混凝土碎石中生存的蝙蝠等。与此同时,公路工程在一定程度上促进了动物的运动。很多大型哺乳动物会在夜间移动,小型哺乳动物会沿着公路行驶几十公里,因此,哺乳动物将公路两旁的甬道作为爬行的道路。
1.2对景观格局的影响
道路是深人景观的重要途径,能便于人们的开发以及利用,但是,道路在发展的过程中会利用土地,使其产生变化,其中,主要表现在农田、森林以及荒漠中,在生态系统变化的同时,景观格局也会产生碎片化现象,核心斑块逐渐减少,道路曲线逐渐变直,越来越多的边缘生境由此出现。除此之外,公路工程的建设也会对周边环境的景观产生破碎化影响,这种破坏要远远大于生态环境破坏,众所周知,不同的道路级别所产生的景观影响不同,道路网络的不断变化也在一定程度上对区域景观有所影响。从景观格局变化的总体发展趋势而言,低等级公路对景观区域的变化最为显著,随着公路等级不断降低,公路的条数增加,生态系统的破碎化加重,并且景观区域的平均斑块分维数比较大,道路在进行切割的时候,斑块的形状更加复杂。
1.3对生态过程的影响
公路建设对生态环境起到驱动作用,道路在受到阻断时,生态环境会因为各种自然现象而发生改变,比如地表径流、扩散、火、散布等w。很多研究也证实过,公路工程建设会在一定程度上截断水流,会使地下径流逐渐变为地表径流,加快地表中土壤侵蚀程度。除此之外,伴随着各种侵蚀活动的产生,河流中的沉积物也会导致下游水域的变化,在大规模的冲刷中,会产生泥石流现象,对人类的生存起到重大的威胁。如果道路深入斑块的内部比较深,对内部的物种以及各种稀有物种产生重要影响,整个局部群落的生物多样性会降低,群落也会形成逆行演替。
2公路工程对环境造成的长期影响
2.1大气污染
众所周知,车辆的排放会产生各种物质,其中包括了各种气体、气溶胶以及颗粒物,如果长期处于尾气排放的环境中,便会对人们的健康、植被的生长以及动物的生存造成严重的影响,并且会改变气候模式,引发自然生态系统的变化。一般而言,很多车辆所产生的颗粒物以及大气物质会存在几年之久,在对流层的积累中,会产生区域性的影响。并且,很多具有持久性的物质在进入到大气平流层的时候,全球的气温、光照以及保护作用便会发生变化。在近几年,我国使用机动车的数量不断增加,机动车尾气所产生的CO、NO以及各种碳氧化合物都成为大气污染的源泉。比如,湖北孝感在对机动车所排放的C0、N0、碳氧化合物进行调查中,三者的比例分别为61.8%、47%、70.5%,并且在我国各大城市都出现类似的情况。
2.2土壤污染
在交通运输中所产生的土壤污染一般呈条带状分布,在公路的两侧,污染的程度会逐渐减弱,并且,公路两侧50m之内的区域是各种油料污染以及泄漏的地区。随着各种污水进入土壤中,土壤会对污染物的金属物质进行吸收,在土壤的不断积累中,如果达到一定的数量,便会引起土壤成分以及结构的变化,从而造成土壤污染。土壤污染的程度取决于交通量以及土壤类型、降雨、风力。各种污染物会通过食物链危害动物以及人们的健康,在污染自然环境、地下水以及大气的同时,也逐渐成为其污染源。
2.3废物污染
目前,我国公路运输所造成的废物污染主要表现为废旧轮胎、废旧电池以及废旧汽车。废旧轮胎是一种极其有害的物质,不仅具有抗热、抗机械的作用,并且在经过几十年的时间后也不会消除如果将废旧轮胎长期放在空地中,不仅造成土地资源的浪费,并且也会滋生各种蚊虫,传染疾病,引发火灾。废旧电池中存在着极少量的重金属,在没有经过处理的时候会造成环境的污染,长时间下去会对人体的神经系统造成危害。废旧汽车在丢弃后,不仅浪费材料,并且对环境造成影响,在发达国家废旧汽车已经成为了最为重要的危害材料。虽然该类问题在我国并不严重,但是随着我国报废汽车的不断增多,废旧汽车的回收以及处理需要引起相关部门的重视。
3结语
灌溉可以加强土地利用,增加粮食产量。农田生物圈内的生物、地质、化学总循环的重要一环是农田水循环,水循环过程是靠水资源的再生、可持续存在的能力来维持实现的。水循环提供了新鲜水,还有美化自然、净化环境的作用。农田水循环的维持、农田水量的增加都要靠灌溉来完成,然而不良的灌溉工程会产生不利于社会经济、人民健康、土壤、水状况、水质的影响。建设灌溉工程要充分考虑环境、社会、经济、物质因素,特别是在农业生态环境保护方面,要先考虑总体环境影响再进行规划和设计水利工程,在必要时做出调整,减少对农业生态环境的不利影响。
(1)由于过度灌溉出现的农业生态环境污染问题
农业用地土壤中大部分的氮素是以有机化合物状态存在,不能直接被作物利用,作物只能吸收硝态氮离子和铵离子,可是被吸收的数量是非常少的。适量灌溉能够使有机化合物加速溶解,有利于作物吸收。但是灌溉水过量的话,会使土壤中的化肥、农药、矿物质、细菌病毒、泥土颗粒、无机物离子等进入到河流或湖泊,导致农业生态环境中的地表水受到污染。在湖泊中流入的化肥、农药、土壤颗粒中的有机物,含有大量的氮、磷等营养物质,使水的富营养化过程变快,造成大面积水体环境恶化,使大量水里的生物死亡。加强农业的基本水利工程建设,改进灌溉方式、促进节水农业的发展,是农业和农业生态环境发展的根本。应将管道灌溉系统大力发展到农业灌溉系统中,并把精量施肥、施药结合进去。节水灌溉能够提升农产品品质、节水、节地,减轻污染,减少水生害虫的繁殖,还可以提高水温、地温,使农作物根系发达、抗倒伏,使肥效、药效得以充分发挥。
(2)由于过度灌溉对农业生态环境中土壤的影响
水分的运动会带动土壤盐分的运动,水分蒸发会使土壤盐分累积到土壤表层,灌溉时会使表层盐分降低,而较高的地下水位会盐分回到土壤表层,灌溉不当、排水不良、高矿物水的使用,都会加速土壤表层盐分的累积,使土壤盐碱化、土肥减退、土壤硬结。做到按需供水、精确控水,保护土壤结构。
(3)农业生态环境受到渠道混凝土或块石衬砌防渗的影响
这种方式只是减少输水损失,使灌溉输水效率得以提高的节水措施,从广义节水的内涵来看并没有节水,没有减少地表水、土壤水、地下水总体的无效蒸腾与消耗,只是减少了渗入地下的水量。农业生态环境受到渠道衬砌的影响是非常巨大的,大面积渠道的防渗衬砌使补给地下水的条件改变了,下游地区的回水总量减少,存在不利的因素对地下水和下游地区水环境;混凝土防渗渠道减少了土壤里细粒泥沙的进入,水中有害物质能够吸附到细粒泥沙上,这样对土壤的物质交换以及作物生长不利;使青蛙生存、繁殖、越冬的基本条件被改变,使大量的青蛙随灌溉水进入混凝土渠中而跳不出去,被烈日烤死;老化的混凝土衬砌板会产生大量碎块,使耕作和作物的生长受到影响。站在农业生态环境的角度来看,混凝土衬砌的形式不要采用,只有在大型输水渠道和灌溉渠道局部冲刷严重的地段上面使用。
2解决水利工程产生农业生态环境问题的方法
(1)协调好地表水、土壤水、地下水的关系,进行综合、统筹利用。要把水利工程对农田灌溉的思路进行转换,综合合理地利用好地表水、土壤水、地下水,改善农业生态环境,坚决防止农业生产和环境受土地盐碱化的影响,避免次生灾害的发生。
(2)做好节约用水工作,尽量避免水资源的浪费。我国北方干旱缺水,要做好节约用水,在北方修建的水利工程,要提高水资源的利用率和转换率,使对河流水资源的摄取得以减少,减轻由此带来的农业生态环境问题。
1.1生态保护观念意识还较为淡薄
目前大部分人生态保护观念意识都不断提高,这对环境保护和林业发展都起到了极为重要的作用。但在一些偏远地区,由于文化水平较低,对林业发展的意义还缺乏必要的认知能力,无论是观念还是环保意识方面都较为淡薄,滥砍滥伐现象较为普遍,特别是一些原始生态林业受到较大的破坏,从而导致这部分地区水土流失较为严重,一旦遇到大雨天气,则山体滑坡较为严重,给林业的发展带来了较大的阻碍。
1.2工业用地和居住用地逐渐扩大对生态林业的建设造成了阻碍
近年来,城镇化建设的速度不断加快,工业用地和居住用地不断扩张,一些林业用地大量的被征用,这不仅不利于生态林业的建设,而且还对原始生态林业带来了较大的破坏,特别是近年来房地产业的快速发展,无限制的对土地进行征用,对生态林业工程的建设所带来的影响非常严重。
1.3我国的生态林业工程建设缺乏经验
现代生态林业工程建设并不是简单的进行种树,也不是一朝一夕就可以完成的事情,不仅需要进行系统的规划,而且还需要技术上的支持。但我国生态林业工程建设还处于初步发展阶段,还缺乏经验,所以需要充分的借鉴国外的先进技术和经验,对林业工程进行有效的规划,从而更好的推动现代生态林业工程建设的快速发展。
2加强现代生态林业工程建设的具体建议
2.1加强现代生态林业工程的政策指引
应该从领导和政策的层面上加强现代生态林业工程的建设,制定现代生态林业的政策时应该兼顾各方面利益,从集体和个人共同获益的角度出发打造现代生态林业工程。在退耕还草、退耕还林、封山育林等重点工程中要平衡国家、集体、个人的利益,保护各方面的积极性,这样的政策才能具有生命力和活力,也才能为现代生态林业工程建设起到保驾护航的作用。当前应该将政策的引导作用和规范作用充分发挥出来,在生态保护、环境改良、生态防护等工作中进行现代生态林业工程的整合,通过农林工程建设、灾害生态恢复、防护林建设等具体的工程达到对现代生态林业工程价值和作用的体现。
2.2保护现代生态林业工程各主体经济利益
在现代生态林业工程的建设过程中不可避免地会触及到个人、集体和国家的经济利益,要对现代生态林业工程各方进行利益上有效的调整,在此基础上保持对现代生态林业工程的积极态度和大力支持。在政府的层面上要对现代生态林业工程做出政策、财税上的倾斜,加大和加快现代生态林业工程的建设力度和质量。要给予投资现代生态林业工程的民间资金以帮扶和支持,为现代生态林业工程建设拓宽融资渠道,形成社会对现代生态林业工程更深层次的支持。
2.3对现代生态林业工程有一个正确的认知
长期以来在我国林业工作中,更注重于单一的目标和结果之间的关系,将精力更多的放在了林业经济效益的实现上,一味的进行用材林的营造,这就传统林业意识,对现代生态林业工程的顺利开展起到了极大的阻碍作用,而且在这种传统的林业观念下,林业划分越来越细,导致很多林业工程的实施都得不到当地人民群众的支持的维护。现代生态林业工程更关注和经营技术,关心木本植物的种间和种内关系以及林分的结构功能、物流与能量流等方面的深层次相互关系,在加强宣传力度,培养人民群众的现代林业意识的基础上,使人们可以正确区分传统林业与现代林业,形成对现代生态林业工程的支撑,进而实现现代生态林业工程的综合价值。
2.4完善现代生态林业工程的相关法律制度
在当前现代生态林业工程建设过程中,各地需要根据实际情况,来对相关的法律法规进行完善和补充,确保现代生态林业工程建设能够得以顺利的开展。实践操作中,各级政府可以把现代生态林业工程建设的开展力度、开展情况、相关法律制度的完善纳入领导的工作业绩考核中来,对于由于领导方式、能力、态度等问题导致的现代生态林业工程建设工作开展不力,甚至造成工期延误的,要给予相应的惩罚;而对于能积极履行职责,能够认真协调组织好生态工程建设的实施,保障工程顺利开展的要给与适当的奖励,真正形成以现代生态林业工程建设为中心的制度体系和法律体系,推进现代生态林业工程的深化和提高。
3结语