杨傲，高 鹏

（1.辽宁省大伙房水库管理局，辽宁 抚顺 113007；2.抚顺县水资源管理办公室，辽宁抚顺113006）

基于实例的水利工程生态分析

杨傲1，高 鹏2

（1.辽宁省大伙房水库管理局，辽宁 抚顺 113007；2.抚顺县水资源管理办公室，辽宁抚顺113006）

本文是从生态的角度对水利工程在实践中的应用进行分析论述。以浑河调蓄水坝工程为例举对象进行水利工程生态分析，目的在于使人们认识到生态环境与生产发展相协调的重要性,从而因地制宜地建设生态水利工程，以达到平衡、和谐与可持续发展。

生态；水利工程；浑河调蓄水坝；可持续发展

水利水电工程在防洪、工农业用水、发电、航运、养殖和旅游等诸多方面起到巨大作用。但水利工程设施的建设和运行，对于河流生态系统、周边环境及水体本身产生双向干扰。当前有必要对传统的水利水电工程及其规划设计、运行理念与技术方法进行反思，将生态保护融入其中，并探索构建与生态友好的水利工程。提倡对水利水电工程的生态管理，逐步改善水利工程建设的规划及设计技术，并在施工的过程当中加强管理，注重环境保护与水体保护，进而使水利工程在满足人类社会对水的各种需求的同时也兼顾生态系统的健康和可持续发展。

1 生态系统—水资源—人类三者的关系

生态系统的破坏与退化会直、间接损害人类的可持续发展。生态系统对水有着很高的依赖性，所以保护生态系统，特别是水生态系统尤为重要，而健康的生态系统也为人类提供了健康的生产资料和自然资源，特别是人类对水资源的需求。因此应明确三者的关系：

1）水始终处于“动态→平衡→动态”交替出现的情形。稳定是一种人为干预的例外，人们要顺应这种变化加以开发利用。

2）人类应合理开发水资源。同时要认识到在许多情况下人类活动是主要威胁因素，需要主动进行修复补偿，以维护其完整性和可持续性。

3）水资源作用巨大，水资源的保护具有重要意义。合理利用与规划水资源，保护其免受污染和其他不良因素的影响是维护社会安全促进经济发展的前提。

4）水资源共享。水资源虽被人类开发利用，江河、湖泊、水生生物生存环境、陆地动植物也同样需要水资源，人类应该与之共享。

2 传统水利工程的影响

传统水利工程存在着负面影响，当水体在改变的生态系统中或在某种人工环境中，或者水体脱离了生物群落，自净能力就会降低。由于人口和经济的增长，造成水的供需矛盾突出；水环境污染，使水资源有效利用量减少；严重干旱，加剧了供水紧缺。这些都造成了水资源短缺，生态严重失衡。[1]

2.1 建设实施阶段的负面影响

水利工程的建设实施阶段中的许多施工工序对水体及周边环境产生破坏。例如爆破药物的使用，工业炸药TNT爆炸后呈负氧平衡，产生有毒的CO。陆地爆破产生的有毒物质（主要为不完全反应物及反应后产生的有毒有害物质NO2，SO2等）经水流冲刷或进入大气形成酸雨；地下开采时对地下水的污染危害更太，水下爆破时产生固体污染物使悬浮物（主要为岩体碎片或土体颗粒及反应产物颗粒等）增加，水的透明度降低，影响水生生物的呼吸及代射，甚至造成窒息死亡。除此之外，TNT、二笨胺、二甲基亚硝胺等属致瘤物，不对称TNT属致突变物。各种炸药〔主要是TNT、黑索今、太安、奥克托今、地恩梯、砒基孤)及其原材料和中间体、上述物质的降解和光解产物、酸雨、废水、废酸、废渣等都对水体及土壤产生污染。

施工爆破中产生的土壤污染指土壤中增添了某些正常情况下不存在的有害物质，使某些固有成份含量过高，破坏土壤理化性质，影响微生物生长及农作物的生产和产量；另外土壤中的某些有毒物质还会被农作物吸收，通过食物链危害人畜。矿山爆破施工中产生的有害物质残留在爆破区，在土地复垦时可能表现出土壤污染的特性。

废弃机油及沥青类材料的使用等都会对水体及周边环境产生负面影响，改变水中pH值及其他化学成分含量以及微生物数量；水利工程建设时期，隧洞开挖及导流工程等本身就破坏原有绿化及水流导向，使水体悬浮质增加，阻碍水中的光合作用及呼吸作用。

施工现场的管理欠缺也会带来污染，如清洗混凝土车的污水、废弃混凝土或水泥的随意倾倒，施工现场生活污水的任意排放等，在浪费资源的同时也对土壤及水体产生负面影响，使土壤结构变化不利于植被生长，废弃物进入河流中会产生富集作用在水生物身上，进而影响食物链中的其他生物。

2.2 地质受传统水利工程的负面影响

对于建造在岩石基础上的水利工程，微风化的硬质岩石为最优良地基，强风化的软质岩石工程性质差，其承载力低于一般卵石地基承载力。当大荷载作用在岩基上时，产生的巨大压力可能会使岩基产生节理性碎裂甚至破碎，可见水利工程建设对地质的影响巨大，无论是采用灌浆的方式还是地基改良的方式，基础的处理尤为重要，且地质的前期勘探也要十分到位。

由于水库蓄水后引起的地震，称为诱发地震。20世纪60年代以来，世界上有不少大水库在蓄水后发生了地震，例如我国新丰江水电站于1962年3月19日发生诱发地震，震级达6.1级，坝址烈度达8°。产生诱发地震的库区一般存在近期活动性地质构造，地应力较高，又局部应力集中。当水库蓄水后，岩层中空隙水压增加，使原来稳定岩体中的地应力状态发生变化，地块活动性随之增加。[2]

2.3 传统水利工程本身的负面影响

水利工程基本上都是在天然河道上修建的，水工建筑物阻断上下游的水体、水文、生态群落等的联通，后果是生物群落多样性水平下降，直接表现就是影响回游鱼类产卵，并且一些鱼道并不能很好地解决问题，鱼道过窄导致流速加快，增加鱼类回游难度。如浙江省富春江七里垄电站鱼道，自建成后几乎没有鱼、虾等通过；湖南衡东县氵 米水洋塘水轮泵水电站鱼道从1984年便废弃不用。此外水利工程蓄水后，地下水位也随之上涨，地下水中的pH值、可溶性盐种类与含量等指标都不相同，有些受污染的地下水含有重金属离子、可溶性钙盐等。当地下水位升高，含杂质地下水反浸入土体土地便会沼泽化、土壤盐渍化；而对于下游水位，由于拦河建筑物的拦截使水位下降，或由于河流、水库中超量引水，使得河流本身流量无法满足生态用水的最低需要，这样就会导致沼泽土地化，大量沼泽生物会随之消失。著名的三峡工程完全蓄水后，将淹没560余种陆生珍惜植物，虽然大多数在浸没线以上也有分布，除疏花水柏枝及荷叶铁线蕨2种完全在淹没线以下且均已迁植，且不考虑迁植后的成活率，由于三峡淹没面积过大，淹没线以下的560余种珍惜陆生植物的种群数量仍受到很大影响。

此外传统水利工程还会带来一些短期内无法体现的问题。

3 生态水利工程

3.1 内 涵

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进行生态修复。[3]生态水利工程将与河流环境立法、水资源综合管理、循环经济模式以及传统治污技术一起成为河流生态建设的主要手段之一。[4]

3.2 工程实例

2000年5 月起，水利部组织4次向塔里木河下游应急输水，博斯腾湖累计输水13多亿m3，大西海子水库下泄7亿m3，重现台特马湖。《塔里木河流域综合治理方案》已经国务院批准。2000年7月起对黑河水量实施统一调度。2002年7月第7次“全线关闭，集中下泄”调水，到达下游干涸10年之久的东居延海。黄河2000年起实行统一调度管理，初步扭转黄河干流10年持续断流的局面，使黄河三角洲地区生态得到明显改善。[5]

3.2.1 浑河调蓄水坝工程的生态分析

以浑河调蓄水坝工程为例，从生态角度进行分析。浑河发源于长白山支脉滚马岭，自东北向西南流，至营盘附近左岸纳入支流苏子河，然后流经抚顺、沈阳至黄土坎后支流蒲河由右岸汇入，最后在三岔河处与太子河汇合，一同注入大辽河。大伙房水库每年调度泄水通过河道水量2013年（洪水年）约为24.57亿m3，2014年约为8.92亿m3，2015年约为5.46亿m3，大伙房水库坝下300年以下洪水由输水洞和主溢洪道泄流共同组成，50年一遇泄流为2 995 m3/s，20年一遇泄流为1 245 m3/s。为防止快流速与大流量水体冲击河道下游，使河床过度下切，以及落闸后河道干涸断流对现有工程产生的不利影响，同时为避免浑河河道的乱采乱挖，决定利用拦河建筑物蓄水形成连续水面，从而对水体生物及周边水生与半水生植物产生有利影响，对于上下游水体连续性、生物连续性、水文连续性均有正面作用的角度建立此工程。

3.2.1.1原有河道的生态处理——河道非改性恢复方案的应用

河床本身基底结构自下而上分别为淤泥质粉质黏土层（1.4 m）、杂土层（3.0 m）、砾石层（圆砾石）（1.4 m）、强风化花岗片麻岩层（0.3～1.3 m）、中等风华花岗片麻岩层（厚度为3组钻探取样平均值，1.0～1.6 m）。

河道由于管理松懈以及乱采乱挖，多个采挖坑及大量建筑废料（拆除后，废弃的钢筋混凝土凿除块、废弃水泥、抛石等）堆积下游河道。对于该工程河床的恢复采用“原有河床非改性恢复方案”，即按原来河床自然结构恢复。

1）河道清理，清理内容包括大块碎石、拆除混凝土块、杂物及死亡植被等的清理外运；

2）河床回填，回填采砂坑与冲刷坑至87.02 m（平均高程）。回填物就地取材为上游清除的淤积材料及河漫滩处材料，淤积物进行初级筛选其中的生活垃圾及砖石等杂物清除后采用所剩的河沙及淤泥进行回填；

3）水体接触层采用圆砾石回填，有助于水生生物着床及水生生物产卵。

采用“原有河床非改性恢复方案”及河道本身材料的优点是有助于工程与环境及河道本身的快速融合，加快了河道的自然恢复速度。

3.2.1.2调蓄水坝主体及附属工程的生态部分

调蓄水坝主体及附属工程：拦河建筑物为充水橡胶坝，形成雍水水面71万m2。工程拦河总长430.0 m，坝高2.3 m。橡胶坝分为6个坝段，最大单跨长64.0 m，坝顶高程90.80 m，最高挡水位91.20 m。放水闸段长17.00 m,闸顶高程90.80 m。蓄水后不仅解决了河道断流与河床下切的问题，在调蓄入浑河水量的同时还为下游生态补给供水，形成优良景观环境。

1）施工过程中的生态管理与水土保持

工程破坏水土保持设施面积为2.2 hm2。其中永久占地1.2 hm2，临时占地1 hm2。该工程的水土流失防治责任范围为工程建设区，总面积2.6 hm2，工程建设区包括主体工程建设区、施工临时占地。为此该工程投入17.2万元专项费用，用于水土保持与生态保护，并要求实施以下绿色施工管理制度。

①建立施工生态管理机构，成立专职处理队伍对施工废料统一管理，集中处理不得任意排放；

②制定文明工地管理规程，施工期间生活废物分类外运或就地妥善处理；

③实行工程地貌生态恢复政策，工程结束后尽可能按原来生态环境配置，恢复工程建设区、管理区、生活区及临时用地的生态原貌。

2）防止浑河河道的乱采乱挖，逐步恢复河道自然生态

①加强管理，严禁下游非法采砂行为；

②利用工程本身作用，形成雍水淹没下游，防止下游河床外露，严禁非法捕捞与河边垂钓；

③禁止河边野炊、游泳等破坏水体行为，使水生生物得到休养生息。

3）维持河床纵向稳定防止过度下切

①下游河道由于橡胶坝形成雍水水体，增大入河道的水流水头损失，进而防止水头直接冲刷河床造成过度下切；

②恢复下游水生生物特别是水生植物与半水生植物，对于减缓河床水土流失起到关键作用，避免高流速水流带走过多泥沙使河床下切；

③采用圆砾石与卵石作为水流接触层，与纯河沙层相比既有利于水生动物产卵栖息，又有利于提高河床抗冲性。

图1是浑河河道大伙房下游段下切程度曲线图，是河床平均高程与治理年份的关系图表，其中河床高程为河道几组高程实测（4—10月份），未治理前的采砂坑高程不在取样范围内。图1中2005年、2010年与2013年均为洪水年，2005年全年河道下泄总水量约28.67亿m3、10年全年河道下泄总水量约为24.57亿m3、13年全年河道下泄总水量17.52亿m3，工程由2009年开工并当年竣工，运行至今，河床下切速度与2008年以前相比下降29.77%，随着工程的建成与生态运行和下游河道植被与水生环境逐年恢复，河道下切程度也有明显改善，河床过度下切现象得到遏制。

图1 浑河河道大伙房下游段下切程度曲线图

4）增加堤防稳定性

①恢复冲毁堤防及剥蚀较严重的护坡，并对薄弱处进行除险加固；

②生态植被与水生植物有助于减缓水流的流速及巨大冲击力带来的负面影响，对于增加堤防的安全性起到一定作用。与此同时，下游河道由于橡胶坝形成雍水水体，使得经过消能的水头流速A有效减小，反向提高堤防的抗冲击性能；

③对于护坡与护岸整理的主要工程内容是护坡植被恢复与凹岸冲击面修复与加固。虽然水泥护坡的经济效益与干砌石（30 cm厚）相比可节约投资60%以上，但是对于该工程凹岸处避免采用混凝土封闭式护岸或浆砌石护岸，而是采用既能提高抗冲强度又有利于水生生物栖息的半硬质材料，挑选形状规整大小适宜的废弃混凝土拆除块，以河道内清理出的淤泥作为缝隙填充物，既没有采用软弱自然河道材料填充，又避免完全采用硬质材料（浆砌石或混凝土斜坡材料），降低刚性增加柔性的同时，既防冲又有利于水生生物繁衍，与此同时降低工程成本约工程总造价的8%，节约原材料且就地取材，减少施工带来的生态污染，加快人工材料与河道本身的亲和速度。

5）改善库区下游环境及水生生态系统恢复

①河床、河漫滩、护岸经过清理与修整后，保留原有生态植被群落。未被生态覆盖的河床与河岸，采用人工辅助方式恢复，经过几年的运行，使水生生物与半水生生物自然繁衍。

②植被恢复情况监测。护坡、护岸处植被恢复为本地物种自然恢复，水陆接触处为芦苇、蒲草等水生植物，水下植物为狐尾草、金鱼藻等。2009年工程结束至今，水陆接触处的植被的自然恢复率达到100%，水下植被恢复情况受汛期与枯水期的交替影响明显。

3.2.2 管理制度

水利工程的运行与管理是对现有工程以及新建工程都有重要意义的一项内容，一个工程的运行可根据工程本身性质与管理理念的不同而向不同的方向发展，在传统的防洪、发电、灌溉、养殖等传统功能下，生态方向的管理也随之衍生。

3.2.2.1通用管理制度

因为生态水利工程也兼顾传统水利工程的一些作用，只不过是在一定程度上弱化或消除了其在某些方面的负面影响并融入生态理念。通用管理制度包括：1）调度管理制度，包括调度管理规程、水文测报制度、气象资料整编管理制度、防汛抗旱管理制度等；2）水工结构运行管理制度，包括大坝安全运行制度、输水洞管理制度、启闭机室及闸门运行管理制度、水电站的运行管理等；3）日常管理制度，包括水情管理制度、工程管理制度、账务管理制度等。

3.2.2.2专项管理制度

生态水利工程的管理或传统水利工程的生态管理则是重中之重。对于水利工程的建设融入生态概念以及传统水利工程生态管理也是社会转型及工程建设与管理的过渡阶段所采取的积极手段。对于生态水利工程及水利工程的生态运行，生态专项制度的制定与实施显得尤为重要。生态专项制度：1）水质水量监测制度，包括出入水质水量监测制度、分季节水质水量监测制度；2）生态问题应急处理制度，包括污染物泄露应急处理制度、生物污染应急处理制度、外来物种入侵应急处理制度；3）生态设施建设与管理制度，包括生态浮岛的使用与管理、人工湿地的相应管理、鱼道的建设管理等；4）现有工程对生态及水体的影响评价制度；5）水土保持及水资源保护制度，包括禁止建立墓地和掩埋动物尸体，禁止旅游、娱乐等活动，禁止建设农药、化工、造纸、制药、制革、印染、电镀、冶金、采选矿等项目，禁止排放污水、废液及倾倒固体废弃物或清洗有毒有害物品容器，禁止非法捕鱼和放养，禁止洗刷车辆、衣物或其他器具，禁止未经许可船只下水，禁止开矿、采石或破坏植被，禁止在15度以上坡耕地开垦耕作，禁止设置油库、挖沙取土等；6）污染源统计与污染程度种类分析监测制度。

4 结 论

目前国内的生态水利工程大致可分为直接型、补偿型、结合型三类。直接型即是以生态水利工程的设计准则设计工程，在建设实施阶段，以保护环境为前提，以生态理念运行管理并对工程运行进行各项生态指标监测，最终得到生态后评价的水利工程；补偿型即是在原有成型工程的条件基础上，以生态水利理念在管理上或局部改建方面进行干预，或是工程原有设计基础上向生态水利工程靠拢，或是水利工程建设实施阶段与后期运行管理阶段尽可能生态化的水利工程；结合型即是在不得不使用传统设计方案、施工工艺与管理理念的情况下建造工程，但强制性令生态水利理念占有一定比例的水利工程。就目前的国内资源与生态破坏程度来看，生态改善与资源保护迫在眉睫，当然也不是将现有的传统水利工程全盘否定，而是想提醒人们，在大力发展经济与开发水能源的同时，也应考虑到生态环境的改变与破坏对人类发展的影响，并以科学的角度来对待发展与保护之间的矛盾关系，建立人与自然和谐的生活环境与发展空间，以实现绿色、健康、可持续发展的根本目的。

［1］孙宗凤.生态水利的理论与实践［J］.水利水电技术，2003，34（4）：53—55.

［2］王金玲，龙振华，丁玉恒.水利工程对环境的影响与防治对策研究［J］.农村经济与科技，2010，21（7）：111—112.

［3］董哲仁.试论生态水利工程的基本设计原则［J］.水利学报，2004，35（10）：0001—0006.

［4］李敏，赵进勇.浙江省丽水市瓯江水生态系统保护与修复［J］.2013，29（4）：62—67.

［5］董哲仁.生态水工学探索［M］.北京：中国水利水电出版社，2007，1：284.

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2016-05-23