水利工程论文-美国基西米河生态恢复工程的启示.doc

水利工程论文-美国基西米河生态恢复工程的启示摘要：文章介绍了美国迄今为止规模最大的河流恢复工程基西米河生态恢复工程的概况，该工程是按照生态系统整体恢复理念设计的工程文中分析了进行河流恢复的目的以及工程设计原则基西莱河生态恢复工程的经验告诉我们，按照传统的水利工程设计方法造成河流渠道化，会对河流生态系统带来诸多负面影响；为减轻对于河流生态系统的压力采取的河流恢复工程措施，又会付出很高的代价我国的水利工程建设应避免重走西方国家的弯路，改进水利工程规划设计方法，实现人与自然的和谐关键词：生态系统河流恢复工程生态系统整体恢复基西米河美国基西米河的生态恢复工程是美国迄今为止规模最大的河流恢复工程，从规划论证阶段至今已经经历20余年。它也是按照生态系统整体恢复理念设计的工程从20世纪70年代开始科学工作者就对基西米河渠道化工程引起生态系统的退化进行了长期的观测研究，同时组织了论证与评估，研究如何采取工程措施和管理措施对于河流生态系统进行修复自1984年开始进行试验性建设，1998年正式开工，工程将延续到2010年结束。基西米河生态恢复工程的经验告诉我们，按照传统的水利工程设计方法造成河流渠道化，会对河流生态系统带来哪些负面影响，为减轻对于河流生态系统9压力采取的河流恢复工程措施，又会付出多高的代赞。我国正处在水利水电建设高潮，大批新建工程正在兴建，为了避免走弯路，西方国家的经验教训值得我们思考与借鉴。1改造前基西米河的自然状况11基本自然状况美国基西米河(Kissimmee)位于佛罗里达州中部，由基西米湖流出，向南注入美国第二大淡水湖奥基乔比湖，全长166km，流域面积7800km2流域内包括有26个湖泊；河流洪泛区长90km，宽15-3km，还有20个支流沼泽，流域内湿地面积18000hm2。12历史上基西米河地貌形态的多样性历史上的基西米河地貌形态是多样的从纵向看，河流的纵坡降为0。00007，是一条“辫子”状的蜿蜒型的河流从横断面形状看，无论是冲刷河段或是淤积河段，河流横断面都具有不同的形状在蜿蜒段内侧形成沙洲或死水潭和泥沼等，这些水潭和泥沼内的大量有机淤积物成为生物良好的生境条件原有自自然河流提供的湿地生境，其能力可支持300多种鱼类和野生动物种群栖息这些生物资源的多样性是由流域水文条件和河流地貌多样性提供的在20世纪50年代建设堤防堤防以前，由于平原地貌特征及没有沿河的天然的河滩阶地，河道与洪泛区（包括泥沼、死水潭和湿地)之间具有良好的水流侧向联通性洪泛区是鱼类和无脊椎动物良好的栖息地，是产卵、觅食和幼鱼成长的场所在汛期干流洪水漫溢到泛洪区，干流与河汊、水潭和泥沼相互联通，小鱼游到泛洪区避难小鱼、无脊椎动物在退水时从洪泛区进于流另外，原有河道植被茂盛，植被的遮阴对于融解氧的温度效应起缓冲作用13水文条件在对河流进行人工改造之前，河流的水文条件基本上是自然状态的年内的水量丰枯变化形成了脉冲式的生境条件据水文资料统计，平均流量从上游的33m3/s到河口的54m3/s历史记录最大洪水为487m3/s，平均流速为0.42m/s在流量达到4057m3/s河流溢流漫滩时，流速不超过0.6m/s在人工改造前，洪水在通过茂密的湿地植被时流速变缓，又由于纵坡缓加之蜿蜒性河道等因素，导致行洪缓慢。退水时水流归槽的时间也相应延长在历史记录中有76的年份中，有77面积的洪泛区被淹没退水时水位下降速率较慢，小于0.03m/d每年的洪水期，各种淡水生物有足够的时间和机会进行物质交换和能量传递洪水漫溢后，各种有机物随着泥沙沉淀在洪泛区里，为生物留下了丰富的养分由于河流地貌形态的多样性和近于自然的水文条件，为河流生物群落多样性提供了基本条件原有自然河流提供的湿地生境，其能力可支持300多种鱼类和野生动物种群栖息2水利工程对生态系统的胁迫21水利工程建设概况为促进佛罗里达州农业的发展，1962年到1971年期间对在基西米河流上兴建了一批水利工程这些工程的目的：一是通过兴建泄洪新河及构筑堤防提高流域的防洪能力；二是通过排水工程开发耕地工程包括挖掘了一条90km长的C-38号泄洪运河以代替天然河流，运河为直线型，横断面为梯形，尺寸为深9m、宽64105m。运河设计过流能力为672m3/s另外，建设了6座水闸以控制水流同时，大约2/3的洪泛区湿地经排水改造这样，直线型的人工运河取代了原来109km具有蜿蜒性的自然河道连续的基西米河就被分割为若干非连续的阶梯水库，同时，农田面积的扩大造成湿地面积的缩小(图1)22水利工程对生态系统的胁迫从1976年到1983年，进行了历时7年的研究在此基础上对于水利工程对基西米河生态系统的影响进行了重新评估评估结果认为水利工程对生物栖息地造成了严重破坏这种对于生态系统的干扰在生态学中称为“胁迫”主要表现在以下方面(1)自然河流的渠道化使生境单调化直线型的人工运河取代了原来具有蜿蜒性的自然河道，人工运河的横断面为简单的梯形断面原来由深潭与沙洲相间，急流与缓流交错的多样格局，可以支持多样化的生物群落渠道化以后河流的生境变得单调，生物群落种类明显减少新开挖的人工运河把河流变成了相对静止的具有稳定水位的水库，水库的水深加大，出现温度分层现象，深层水的光合作用微弱，生物生产力下降(2)水流侧向联通性受到阻隔建设了人工运河后，堤防又把水流完全限定在运河以内，洪水漫溢到滩区已经没有可能性运河的兴建切断了河流与洪泛区的侧向水流联通性，隔断了干流与河汊、滩区和死水潭的联系，使得河流附近水流旁路湿地的营养物质过滤和吸收过程受到阻碍。这主要表现为：一是鱼类和无脊椎动物失去了产卵、觅食和避难的环境；二是干流携带的有机物质无法淤积在洪泛区，而这些物质正是淡水生物所不可缺少的养分新建的运河行洪能力强，减少了行洪时间，平均从ll.4d减少到11d这不仅使淡水食物网中能量传递和物质交换的机会减少，而且急剧的退水速率会造成fc量鱼类因水中溶解氧缺乏而死亡(3)溶解氧模式变化造成生物退化由于运河为宽深式渠道，其表面积与体积之比要小，曝气率低运河水深加大，出现分层现象，水深大于1m处溶解氧明显降低原有河道植被茂密具有遮阴功能，对于溶解氧的温度效应起缓冲作用而人工运河完全暴露在阳光下，水中溶解氧含量低另外，人工运河为直线型，水流平顺，对水流的干扰和掺混作用能力弱这些因素都使运河的溶解氧含量下降溶解氧含量低的水体会使水生生物“窒息而死”(4)通过水闸人工调节，使流量均一化，改变了原来脉冲式的自然水文周期变化自然状态的水文条件随年周期循环变化，河流廊道湿地也呈周期变化在洪水季节水生植物种群占优势水位下降后，水生植物让位给湿生植物种群，是种脉冲式的生物群落化模式，显示出一种多样性湖特点而流量均化使生境条件单调(5)原有河道的退化渠化显著地改变了水位和水流特点，使得2100hm2的洪泛区湿地消失，严重影响了鱼类和野生群落原来自然河道虽然被保存下来，但是由于主流转入人工运河，使得原有河道流量大幅度减少，引起河床退化大量水生的植物如睡莲、莴苣、水葫芦等阻塞了这些的自然河段以上这些综合结果是生境质量的大幅度降低据统计，保存下来的天然河道的鱼类和野生动物栖息地数量减少了40人工开挖的C-38运河，其栖息地数量比历史自然河道减少了67其结果是生物群落多样性的大幅度下降据调查，导致减少了92的过冬水鸟，鱼类种群数量也大幅度下降3河流恢复工程31河流恢复工程概况基西米河被渠道化建成以后引起的河流生态系统退化的现象引起了社会的普遍关注自1976年开始对于重建河道生物栖息地进行了规划和评估，经过7年的研究工作，提出了基西米河的被渠道化的河道的恢复工程规划报告，并经佛罗里达州议会作为法案审查批准规划提出的工程任务是重建自然河道和恢复自然水文过程，将恢复包括宽叶林沼泽地、草地和湿地等多种生物栖息地，最终目的是恢复洪泛平原的整个生态系统为进行工程准备1983年州政府征购了河流洪泛平原的大部分私人土地在工程的预备阶段，于1984至1989年开展了科研工作，重点是研究回填人工运河的稳定性以及对于满足地方水资源的需求问题，采用一维及二维数学模型分析和模型试验相结合的研究方法模型试验采用的模型尺寸为Ob和33m宽的水槽，垂直比尺为1：40，水平比尺为1：60，为定床试验模拟范围为人工运河、原有保留河道和洪泛平原模型试验结果与现场河道控制泄流试验(最大流量为280m3s)的实测数据相对照32河流恢复主要工程项目(1)试验工程1984-1989年开展的试验工程位于水库B，为一条长195lan渠道化运河重点工程是在人工运河中建设座钢板桩堰，将运河拦腰截断，迫使水流重新流入原自然河道示范工程还包括重建水流季节性波动变化，以及重建洪泛平原的排水系统同时还布置了生物监测系统，评估恢复工程对于生物资源的影响对于钢板桩堰运行情况进行了观测观测资料表明，一方面水流重新流入原来自然河道达9km,导致了河流地貌发生了一定程度的有利变化但是，钢板桩堰建成后，在附近的河道水力梯度比历史记录值高5倍，在大流量泄流期间，测量的流速为0.9m/s，这样的高能量水流对河床具有较强的冲蚀能力另外，在示范工程区域内，退水时水位每天下降速率超过0.2m/d，淹没的洪泛区排水时间为27d地表水和地下水急剧回流，水中的溶解氧水平很低，导致大量鱼类因缺氧而死亡为此又进行了模型试验研究，最后的结论是：仅仅用钢板桩堰拦断人工运河还是不够的，需要连续长距离回填人工运河最终方案是连续回填C-38号运河共38km，拆除2座水闸，重新开挖14km原有河道回填材料用原来疏浚的材料，运河回填高度为恢复到运河建设前的地面高程同时重新连接24km原有河流，恢复35000hm2原有洪泛区，实施新的水源放水制度，恢复季节性水流波动和重建类似自然河流的水文条件.(2)第一期工程从1998年开始第一期主体工程，包括连续回填C-38号运河共38km重建类似于历史的水文条件，扩大蓄滞洪区，减轻洪水灾害至2001年2月由地方管区和美国陆军工程师团已经完成了第一阶段的重建工程在运河回填后，开挖了新的河道以重新联结原有自然河道。这些新开挖的河道完全复制原有河道的形态，包括长度、断面面积、断面形状、纵坡降、河湾数目、河湾半径、自然坡度控制以及河岸形状建设中又加强了干流与洪泛区的联通性为鱼类和野生动物提供了丰富的栖息地2001年6月恢复了河流的联通性，随着自然河流的恢复，水流在干旱季节流人弯曲的主河道，在多雨季节则溢流进入洪泛区恢复的河流将季节性地淹没洪泛区，恢复了基西米河湿地这些措施已引起河道洪泛区栖息地物理、化学和生物的重大变化，提高了溶解氧水平，改善了鱼类生存条件重建宽叶林沼泽栖息地，使涉水禽和水鸟可以充分利用洪泛区湿地图2表示了人工运河回填前后河流含氧量和鱼类生存区域(3)第二期工程计划在21世纪前10年进行更大规模的生态工程，重新开挖144km的河道和恢复300多种野生生物的栖息地恢复10360hm2的洪泛区和沼泽地，过滤营养物质，为奥基乔比湖和下游河口及沼泽地生态系统提供优良水质。(4)河流走廊生态恢复监测与评估在工程的预备阶段，就布置了完整的生物监测系统在收集大量监测资料的基础上，对于生态恢复工程的成效进行评估，目的是判断达到期望目标的程度该项工程制定了评估的定量标准。以60分为期望值，各个因子分别为：栖息地特性(含地貌、水文和水质)