(生态水利)

生态水工学人与自然和谐的工程学学生：陈涛指导教师：邹盛堂副教授专业：水工结构工程福州大学研究生课程PPT2016年4月16日篇章结构•第一章生态水工学的必要性与缘起•第二章生态水工学在我国的发展•第三章生态水工学的不足与思考•第四章生态水工学在河道治理中的运用•第五章生态水工学在护坡挡墙中的运用第一章生态水工学的必要性与缘起生态水工学的定义与必要性水利工程学作为一门重要的传统工程学科，以建设水工建筑物为手段，通过改造和控制河流，以满足人们对防洪、水资源利用等多方面的社会经济需求。水利水电工程在防洪、灌溉、发电、供水、航运、养殖和旅游等诸多方面对于保障社会安全，促进经济发展发挥了巨大的作用。然而这些工程设施的建设和运行在为人类社会进步作出贡献的同时却对生态系统具有双重的影响。第一章生态水工学的必要性与缘起水利工程不但在防洪、供水等方面作用巨大，而且在改善江河湖泊流域的生态系统方面也是大有作为的，流域生态系统的改善甚至对该流域的经济社会的可持续发展作用更大。在这样的大背景下，我们所关心的是：一个地区、一个流域生态系统的恢复与改善，反过来对于改善水质有什么影响；新建的水利工程如何避免或降低对原有生态系统的负面影响，进而在满足人对水的多种需求的同时，还能维持生态系统的完整性。因此，生态水工学的研究具有重大意义。生态水工学的定义与必要性生态水工学的缘起自20世纪70年代以来，随着生态学的发展和应用，人们对于河流治理有了新的认识。水利工程除了要满足人类社会的需求以外，还需满足维护生态系统可持续性及生物多样性的需求，相应发展了生态工程技术和理论。第一章生态水工学的必要性与缘起第一章生态水工学的必要性与缘起生态水工学的缘起1971年Schlueter认为近自然治理（nearnaturecontrol)的目标,首先要满足人类对河流利用的要求，同时要维护和创造河溪的生态多样性。1962年著名生态学家Odum提出了将生态系统自组织行为（Self-organizationactivities)运用到工程之中，他首次提出了生态工程(Ecologicalengineering)一词，旨在促进生态学和工程学的结合。德国Seifet在1938年首次提出了“亲河川治理”概念，指出工程设施首先要具备河流传统治理的各种功能，比如防洪、供水、水土保持等，同时还应该达到接触自然的目标。第一章生态水工学的必要性与缘起生态水工学的缘起1989年Pabst强调溪流的自然特性要依靠自然力去恢复。1985年Hohmann把河岸植被视为具备多种小生态环境的多层结构，强调生态多样性在生态治理的重要性，注重工程治理和与自然景观的和谐性。1983年Bidner提出河道整治首先要考虑河道的水力学特性、地貌学特点与河流的自然状况，以权衡河道治理对生态系统胁迫之间的尺度第一章生态水工学的必要性与缘起生态水工学的缘起1993年根据著名生态学家Mitsch美国科学院主办的生态工程研讨会提出了“生态工程学”（Ecologicalengineering)概念并且定义为：“将人类社会与其自然环境相结合，以达到双方收益的可持续生态系统的设计方法。”河流的生态工程在德国被称为“河流生态自然工程”，日本称为“多自然型建设工法”，美国成为“自然河道设计技术。”1992年Hohmann从维护河溪生态系平衡的观点出发，认为近自然河流治理要减轻人为活动对河流的压力，维护河流环境多样性，物种多样性及河流生态系统平衡，并逐渐恢复自然状况。第二章生态水工学在我国的发展生态水工学在我国的发展（1）、水利工程不但要满足社会经济需求，也要符合生态保护的需求；（2）、生态水工学的目标是构建与生态友好的水利工程技术体系；（3）、生态水利工程学是融合水利工程学与生态学的交叉学科；（4）、淡水生态系统保护的目标是保护和恢复淡水生态系统健康和可持续性。2003年，董哲仁提出生态水工学（Eco-HydraulicEngineering）概念，并给出定义如下：生态水工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，兼顾淡水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。这个定义具有以下几层含义：第二章生态水工学在我国的发展生态水工学在我国的发展学科的发展依赖于相关行业的发展需求。水利部自2005年启动水生态系统保护与修复试点项目，2013年启动全国水生态文明城市创建工作，这些重大举措成为生态水工学发展的强大推动力。自2003年提出生态水工学概念以来，在科技界产生了广泛影响。有关生态水工学的论文引用指数在《中国期刊高被引指数》中连续五年居水利工程学科前列并进入全国作者排名百强。10多年来出版的代表性著作有：《生态水利工程原理与技术》（2007）、《探索生态水工学》（2007）和《河流生态修复》（2013）在一些科研机构和大学设置了生态水工学研究室，开设了生态水工学课程，增设了生态水工学博士招生方向。河流生态修复和水库生态调度等领域都在国家科技项目和公益行业科研专项中多有立项，许多科研单位和大学都取得了大量成果，极大丰富了生态水工学的内涵。第二章生态水工学在我国的进展水利水电工程生态影响机理研究（1）建立了河流生态系统结构功能整体性概念模型。在完善与整合现有河流生态系统结构功能概念及模型的基础上，提出了河流生态系统结构功能整体性概念模型（TheHolisticConceptModelofStructureandFunctionofRiverEcosystem，HCM。河流生态系统结构功能整体性概念模型由以下4个子模型组成：河流4维连续体模型、水文情势－河流生态过程耦合模型、地貌景观空间异质性－生物群落多样性关联模型以及水力条件－生物生活史特征适宜模型，这4个子模型的一体化整合，基本概括了河流生态系统结构功能的整体特征。第二章生态水工学在我国的发展水利水电工程生态影响机理分析•在河流上建设大坝造成了河流纵向的非连续性变化，使自然河流从源头至河口的连续体变成了串联非连续体，阻碍了物质流，能量流和信息流畅通。①在连续性方面•自然河流的水文周期有明显的枯丰变化，汛期洪水还具有脉冲特点。大坝运行期间，水库调度服从于防洪、发电或供水等需求，使年内径流趋于均一化，改变了自然河流丰枯的水文模式、也改变了河流生物群落的生长条件和规律。②在水文情势方面•治河工程往往导致自然河流被人工渠化，蜿蜒型的河流被裁弯取直成为直线或折线型河流；河流断面改变成矩形，梯形等规则几何断面；导致空间异质性下降，使栖息地数量和质量下降，生物群落多样性的降低。③在景观格局方面•水库蓄水后，水库回水影响区水流流速降低，库区近岸水域和库弯水体富营养化。由于水库存在水温分层和溶解气体过饱和现象，对于下游的物种，特别是鱼类生长繁殖会产生不同程度的影响。④水体物理化学条件方面第三章生态水工学的不足与思考生态水工学的不足①人类社会是发展的，而人类对环境的要求也在随之变化。并且，生态环境是人的主观感受，虽然能将其数字化，但也是模糊的。此外，由于生态工程涉及涵盖了多个学科，涉及范围广。所以，很难对河流及其工程进行客观、综合、准确地评估。②由于不同的地区有着不同的气候、生物种群以及人文环境，所以生态水利工程具有“多样性”。它的建设不像传统水利工程一样，有全国统一的规范。再加上工程经验的缺乏，所以生态水利工程的建设理论框架还需进一步完善。③工程目标不明确。河流生态被破坏，应该改善，但是究竟要改善到什么程度，目前尚没有统一的定论。而这一定论的缺失，正是生态水利工程发展及推广的最大障碍。。虽然生态水利工程学在近五十年来发展迅速，已经积累了丰富的理论知识和工程实践经验，但是该学科仍然存在不成熟的地方。主要表现为以下三点：第三章生态水工学的不足与思考生态水利工程与社会经济、文明之间的矛盾生态水利工程与社会经济、文明之间矛盾的焦点则是工程目标，因为工程的目标决定着工程的经济投入以及建成后对社会的影响，而这些影响多表现在经济和文明方面。所以一个合理的，符合当前技术、经济、文明的目标能直接影响到生态水利工程未来的顺利发展，甚至影响到它的存亡。当前学术界对于目标主要有着以下表述：①、完全恢复(fullrestoration，Cairns，1991)：“使生态系统的结构和功能完全恢复到干扰前的状态”。②修复(rehabilitation)：“环境质量有一定程度的改善。”③创造(creation，NationalResearchCouncil，1992)：“开发一个原来不存在的新的河流生态系统，形成新的河流地貌和河流生物群落”。④自然化(naturalization，RhoadsandHerricks，1990)：“在承认人类对于水资源利用的必要性的同时，强调要保护自然环境质量，通过河流地貌及生态多样性的恢复，达到建设一个具有河流地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统。”第三章生态水工学的不足与思考生态水利工程与社会经济、文明之间的矛盾显然，这四种目标表示着四种不同的对待自然的态度，也代表着不同的历史背景。一些学者对于“完全恢复”和“创造”提出了质疑：“完全恢复”太过于强调水利工程的缺点，没有正视这些工程的防洪作用、经济效益，以及在生态上的一些正面作用；另外，对于大多数河流来说，由于资料的缺乏，要弄清河流被干扰前的状态是十分困难的⋯。而“创造”则不符合当前的技术背景以及经济条件，也就是不得“天时”。至于“修复”和“自然化”，是“合乎理性”的，也是当前欧洲和日本在河流恢复实践上所倾向的。因为这样的目标规划，充分利用了生态系统自我设计、自我组织功能，所以只需要一些少量的、必要的人工辅助措施，而这也正好与当前社会经济和科技的发展程度相协调。比如在日本进行多自然河流治理时，最主要的工程理念就是给“生物一个生长环境”，必要时再修建人工浮岛，或种植柳树等植物。第三章生态水工学的不足与思考生态水工学的思考在规划建设生态水利工程时，应适当考虑人类因素。而这具体表现在以下三个方面：①工程更加“亲民”。比如在修建城市生态水利工程时，可适当修建游道和亲水平台，让市民亲近自然，而这也能使市民在于自然亲近的过程中形成生态意识。②在技术条件允许的条件下，可以在恢复生态的同时，使工程具有自然河流所不具有的能力，比如更强的净化能力、养殖能力等，这能让工程更加适宜于人类社会。③应当意识到，人类社会是发展的，科学技术也是发展的，而生态工程自生也是会随时间而生长的。因此应当将三者有机结合，根据不同的人文背景、科技条件来规划建造工程，使之更加符合对应的历史阶段。第四章生态水工学在河道治理中的运用我国河道治理存在的问题目前我国河流治理所存在的问题污染和遗弃水泥护堤为衬底截弯取直空间胁迫过度节流第四章生态水工学在河道治理中的运用我国河道现状河道形态多样性破坏水质恶化河道生态系统损坏第四章生态水工学在河道治理中的运用以呈贡洛龙河为例修复前后河道对比图第四章生态水工学在河道治理中的运用呈贡洛龙河的治理方案改良地形环境水土流失的治理植树造林治理沟道在坡地上要坚决退耕还林，并在坡面地修建栏、蓄、引、排相结合的水土保持工程可以扩大保水林、经济林种植面积。因地制宜修建水平沟、水窖、水柜。改善土壤吸水、养水能力，达到防治水土流失目的。通过植树种草改变植被状况，避免雨水直接冲刷坡面表土。修建拦蓄水工程，治理沟道，因地制宜地植树种草，实行立体防治。生态砌块式加筋护岸第五章生态水工学在护坡挡墙中的运用生态砌块式加筋挡墙断面示意图传统块石挡墙正面图生态砌块式加筋挡墙正面示意图生态砌块式加筋挡墙正面示意图第五章生态水工学在护坡挡墙中的运用生态砌块式加筋护岸由于生态砌块式挡墙设置生态孔，在施工期或植物未完全生长期间，较高流速水流容易通过生态孔对墙后土体进行淘刷，随着淘刷量的增大最终导致挡墙护岸失稳，因此对生态砌块式加筋挡土墙在水流冲刷以及洪水来退引起的挡墙护岸水位变化作用下的稳定性研究具有重要的意义。第五章生态水工学在护坡挡墙中的运用模型设计1、模型比尺：根据相似原理要求，本次试验水力学模型按重力相似准则设计，模型为正态