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【技术分享】生态水利工程学:河湖生态修复措施和技术工具箱

2023-10-24 09:33:55

来源:CHES生态水利工程学专委会

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[摘要] 生态水利工程学Eco-Hydraulic Engineering生态水利工程学(Eco-Hydraulic Engineering)简称生态水工学,是在生态保护的大背景下产生和发展起来的新兴交叉学科,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及技术方法的工程学。

生态水利工程学

Eco-Hydraulic Engineering

生态水利工程学(Eco-Hydraulic Engineering)简称生态水工学,是在生态保护的大背景下产生和发展起来的新兴交叉学科,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及技术方法的工程学。

 

2003年,董哲仁教授首先提出了生态水工学的理论框架,倡导生态水工学的科学研究与工程实践。他提出水利工程学要吸收生态学的原理和方法,完善水利工程的规划设计理论,以实现人与自然和谐的目标

 

自学科创立以来,董哲仁教授和他的团队开展了大量的研究工作,取得了丰富的成果,特别是在水利水电工程生态影响机理、河流生态修复规划方法、河流健康定量评价方法、河湖生态修复技术研发以及兼顾生态保护的水库调度方法等方面取得了显著进展。

 

图片1.png 

 

河湖生态修复措施和技术工具箱

Eco-Hydraulic Engineering

在确定了河湖生态修复的目标、任务和优先排序以后,规划工作下一个任务是选择适宜的技术和措施,本文列出可供选择的河湖生态修复工程措施和非工程措施名录。

 

在选择这些措施时,工程措施与非工程措施应相互补充,相得益彰。需注意各类措施的应用条件,坚持因地制宜的原则。采取的各类工程措施要相互配套,具有技术整合性。通过优化比选,充分论证方案的技术可行性和经济合理性。

 

河流生态修复技术包括

水文、水质、地貌植被、

连通性、洄游鱼类保护和动植物保护

6大类

5-5-1列出了各项技术的要点和原理

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5-5-1 河流生态修复技术工具箱

 

 

技术

技术要点

原理/法规

水文

河道生态基流维持

通过调控手段维持河道生态基流

环境流计算;自然水流范式;水文情势变化生态响应模型

兼顾生态保护的水库调度

建立指示物种,改善水库调度规则,按照环境流标准下泄水流

环境流计算;自然水流范式;恢复下游鱼类生存繁殖条件;最优化方法;适应性管理方法

梯级水电站联合调度

兼顾生态保护的梯级水电站联合调度

梯级开发的生态累积效应

水库分层取水

分层取水保持自然水温

水库水温计算;恢复鱼类产卵水温条件

污染防控闸坝群联合调度

基于时空变量的闸坝群联合调度

考虑河道水污染扩散时空变化与水文条件的耦合

应急生态补水

特枯年份对重要湖泊、湿地实施补水

湖泊、湿地生态水位阈值

地下水补水

对长期超采地下水地区实施补水

地下水采补平衡

水质

污染控制

1)入河污染物总量控制;2)排污口控制;3)跨境断面水质监测管理;4)水功能区达标

水污染防治和管理

流域面源污染控制

养殖业管理;农村厕所改建和垃圾处理;高污染小型企业治理

面源污染控制

清洁小流域

小流域水土保持、环境整治、生态保护综合治理

生态系统完整性

人工湿地

表面流人工湿地、潜流人工湿地、复合流人工湿地

生态系统自设计、自组织原则;

稳定塘技术

好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘

利用自然净化能力,通过生物综合作用,使有机污染物降解

合并净化槽技术

厌氧/好氧工艺(A/O水处理技术)。解决分散户厕所、生活污水处理问题

好氧处理前,增加厌氧生物处理过程。同时去除碳水化合物和氨氮

土壤渗滤技术

在人工控制条件下,污水通过土壤-微生物-植物的生态系统,进行物理、化学、生物化学的净化过程,使污水净化,实现污水二、三级深度处理

土壤颗粒间孔隙截留、过滤作用;土壤表面的生物膜分解作用;植物根部吸收作用;土壤颗粒吸附固磷

地貌植被

河流蜿蜒性恢复

深潭-浅滩序列;多级小型跌水序列

河流形态多样性-生物多样性正相关关系

岸线管理

清除滩区建筑物、道路、设施;退田还河;拓展堤距,恢复滩区原貌;挖沙管理

贯彻《防洪法》保障行洪;生态红线

生态型护岸

石笼、土工合成材料、植物梢料、生态型挡土墙、植物纤维垫

保持岸坡稳定,防止坍岸、崩岸;适于鱼类产卵;维持地表水地下水交换条件

河滨带保护

利用本地物种植被重建,植被配置;重建河滨带栖息地;增加遮阴功能

建立缓冲带,减少外源污染负荷

河道内栖息地修复与加强

砾石群;掩蔽圆木;叠木支撑;堰坝;挑流丁坝

形成多样化地貌和水流条件;二链并一网”食物网结构;避难所;遮蔽物

连通性

河湖连通性

恢复河湖连通通道;拆除闸坝;改善闸坝调度计划

改善湖泊水文条件;缩短水体置换周期;恢复洄游鱼类通道

水系连通性

恢复水系连通通道;拆除闸坝;改善闸坝调度计划

增加水动力,促进物种流、信息流、物质流的流动

河道侧向连通性

扩展堤距,恢复滩区湿地、水塘

漫滩流量、水位;洪

洄游鱼类保护

溯河洄游过鱼设施

鱼道

1)槽式鱼道;2)池式鱼道

满足鱼类习性的水力学条件;消能设施改变流态

仿自然通道

绕过障碍物并模仿自然河流形态的鱼道

不仅提供洄游通道,而且提供适宜栖息地

鱼闸

由闸室和上下游闸门组成。闸门操作分诱鱼阶段、充水阶段、驱鱼阶段、过渡阶段

类似船闸原理

升鱼机

用水槽作为输送装置置于水底,安装有关闭或翻转的闸门,用水流引导鱼类进出。

符合鱼类习性的水力学条件

降河洄游

物理屏蔽

水轮机前设置筛网阻止鱼类进入,辅助通道引导鱼类进入下游河道

符合鱼类习性的水力学条件

行为屏蔽

气泡幕、声屏、光屏、水力栅栏等屏蔽

控制鱼群分布,防止进入水轮机室

旁路通道

利用加速水流,把鱼引入辅助通道

符合鱼类习性的水力学条件

增殖放流

对野生亲本捕捞、运输、驯养、人工繁殖和苗种培养、苗种标记,实施放流

需研究对种群遗传多样性的影响

迁地保护

主要环节:引种、驯养、繁育和野化

需研究对种群遗传多样性的影响

动植物保护

重要湿地保护

建立湿地自然保护区;防止湿地退化;保护生物多样性,杜绝非法捕杀行为;防止水源污染

中国国际重要湿地保护名录,国家级、省级湿地自然保护区

濒危、珍稀、特有物种保护

保护野生动物的主要生息繁衍的地区和水域,划定自然保护区,加强野生动物及栖息地保护管理,保护野生植物的生长条件。

《中华人民共和国野生动物保护法》、《中华人民共和国水生野生动物保护实施条例》、《中华人民共和国野生植物保护条例》

鱼类越冬场、产卵场、索饵场的保护和改善

布置卵石或圆木结构,圆木群结构,植被覆盖,利于产卵的砾石,恢复河道复蜿蜒型,开辟新的河漫滩栖息地

鱼类生活史环境需求;生境多样性

生物监测系统建设

1)监测设施,传输系统,处理系统,发布系统;

2)采样技术;实验室处理;生物参数评价;数据处理质量控制

监测网络系统技术;相关生物监测技术标准

 

图片2.png 

 

湖泊生态修复技术

包括物理控制、化学控制、生物控制、

水文控制和地貌植被5大类

5-5-2列出了各项技术的

要点、原理及可能产生的风险

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5-5-2 湖泊生态修复技术工具箱

 

 

技术

技术描述

原理

风险

物理控制

曝气或增氧

1)用机械方法向不同深度底层水体补充空气或氧气;

2)抽取底层水体,曝气后再排入底层

1)有氧环境促进磷的沉淀;

2)减少可溶性Fe、Mn、NH3+和P的产生

1)可能干扰各分层鱼类群落

2)成本高

水力循环

用机械方法或压缩空气,增加水动力

破坏热分层,减少藻类表面堆积;干扰某些藻类生长;改善鱼类栖息地

可能对下游有不利影响

疏浚

1)干式挖掘;2)湿式挖掘;3)水力绞吸

针对内污染源为主的湖泊,将污染区域的沉积物移出脱水,控制藻类过度生长

破坏沉积层,污染环境;可能摧毁鱼类群落和底栖动物;疏浚物污染

机械移出

机械打捞藻类、收割沉水植物、挺水植物、漂浮植物

移出藻类及营养物质

收集的藻类需脱水等后处理;成本较高

化学控制

生物化学处理

1)除藻剂(如硫酸铜)、2)磷钝化剂(液体或粉状铝盐、铁盐、钙盐)

1)控制目标藻类增长;2)降低水柱中的磷浓度

对非目标物种的影响

底泥氧化

添加pH调节剂、氧化剂、黏结剂

氧化表层底泥,减少内源磷释放,改变水柱的氮磷比

影响底栖生物;长期效果不确定

生物控制

生物操纵

1)强化牧食作用,2)去除底层捕食鱼类

1)通过生物组成操纵,增强对藻类的牧食作用;2)减少底层鱼类扰动和排泄作用

1)可能引入外来物种;2)对底层鱼类难以控制

水生植物竞争

1)水生植物竞争营养物质,限制藻类生长;2)浮叶植物产生遮光效应;3)产生化学抑制剂

1)重建有根植物主导的生态系统;2)大型维管束植物易于管理和收割

可能造成维管束植物泛滥;降低溶解氧水平对非目标物种产生影响

外来入侵物种控制

预防(国家口岸检查拦截、船舶压载水置换);管理(及早发现和根除);扩散控制(机械控制、化学控制、生物控制、生境管理)

重视国际协议和国家立法的作用。遵循早发现,早预防,早根除的原则,预防与控制及缓解相结合

 

水文控制

前置库和湿地

河流入湖前设置前置库和湿地

减少入湖污染物,净化水体

 

选择性排水

选择性排泄某一层或某一区域污染水体

抽排低氧或高污染的底层水体;改变温跃层;改变水体热容量

可能影响某些鱼类生境;可能影响下游水质

水位控制

降低特定水域水位

降低水位,底泥暴露,促进底泥氧化、干化和压缩

可能影响湿地连通性;可能影响越冬两栖动物

稀释

引入水质较好水体,稀释营养物质

在不削减营养负荷的情况下,稀释可以降低营养物浓度

不能根本解决污染源问题

地貌与植被

湖滨带

利用本地物种植被重建,植被配置

建立缓冲带,减少外源污染负荷;重建湖滨带栖息地

 

截污槽

截断污水,防止汇入湖内

减少外源污染,降低营养负荷

 

生态型护坡

石笼、土工合成材料、植物梢料、生态型挡土墙、植物纤维垫

保持岸坡稳定,防止坍岸、崩岸;适于鱼类产卵;维持地表水与地下水交换条件

 

河湖连通

恢复河湖连通通道;拆除闸门;改善闸门调度计划

改善湖泊水文条件;缩短水体置换周期;恢复洄游鱼类通道

污染转移;外来入侵物种;病原体进入

湖泊面积恢复

退田还湖,退渔还湖,清除湖滨非法建筑物和其他设施

恢复湖泊自然面貌 

图片3.png 河湖生态修复非工程措施

包括管理制度、体制机制、

监测评估和能力建设4大类

见表5-5-3

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5-5-3 河湖生态修复非工程措施工具箱

 

管理制度

 体制机制

监测评估

 能力建设

生态保护管理制度

保护区划定与管理

环境执法监督

河长制和管理机构

跨部门协调机制

公众参与机制

监测网络建设管理

评价方法和数据共享

人员培训

跨学科科研合作

知识传播普及

信息化建设 

管理制度建设方面,包括法制和制度建设及执法监督。制定和完善不同层次的水生态保护与修复的法律、法规和部门规章,促使水生态修复行动走上法制轨道。对于水土保持和小流域治理、自然保护区划定和管理、重要湿地划定和保护、生态修复建设和管理、水利工程建设环境影响评价、水环境与水生态保护以及水景观建设等,都应制定相应的法规和规章。

 

当前,要充分重视河道岸线管理。在生态修复规划和其他相关规划中,要确定河道的岸线和堤线,确定河道管理的控制线。堤线布置应留出足够的河道宽度,既可蓄滞洪水,又可保护河漫滩栖息地。严格禁止任何侵占河湖滩区的非法行为,如房地产开发、旅游设施、耕地、道路。要清除滩区违法建筑物,退田还湖、退渔还湖、退田还河。严格管理采砂活动,防止河道采砂影响河势稳定以及破坏栖息地。保护和恢复河漫滩湿地、水塘和植被。

 

图片4.png

 

体制机制改革与创新方面,首先要提倡水资源综合管理。所谓“水资源综合管理”,是指以公平的方式,在不损害重要生态系统可持续性的条件下,促进水、土及相关资源的协调开发和管理,以使经济和社会财富最大化。水资源综合管理强调以流域为单元管理水资源。在流域内以水文循环为脉络,在各个水文环节的实行综合管理。这包括上中下游和左右岸、河流径流与土壤水、地表水与地下水、水量与水质、土地利用与水管理等的综合管理。水资源综合管理是力图在经济发展 ,社会公平和环境保护这三者间寻求平衡。其中“经济和社会财富的最大化”的核心是提高水资源的利用效率,实行最严格的水资源管理制度,大力推行全面节水。社会公平的目标是保障所有人都能获得生存所需要的足量的、安全的饮用水的基本权利,高度关注贫困人口和儿童的饮水安全问题。“不损害重要生态系统可持续性”的原则,主要是限定河湖的开发程度,加强污染控制,保护生物多样性,维护河湖健康和可持续性。

 

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要建立河湖生态环境保护的共同参与机制。河湖生态修复必然涉及到各个政府部门,包括经济计划、水利、水电、环保、国土、林业、农业、交通、城建和旅游等部门。在处理开发与保护、不同开发目标之间利益冲突时,需要建立解决矛盾的协调机制和评价体系。在河湖的管理者、开发者及社会公众之间达成河湖健康标准共识。

 

水环境治理和生态保护关系到流域环境质量和人居环境,与全流域居民的切身利益息息相关。需要扩大公众参与的范围和深度,保障公众的知情权、参与权、表达权和监督权。参与方式包括向社会发布河湖环境与生态状况公报;公布河湖生态修复规划征求意见;通过问卷调查了解社会公众对于人居环境的满意程度;面向社会公众,召开环境立法、规划、立项等各类听证会和咨询会,接受公众的监督。广泛传播促进人与自然和谐的先进理念,建立河流湖泊博物馆、展览室,对社会公众特别是青少年开展热爱自然、保护生态的科普教育。推动当地居民和青少年开展保护生态环境的志愿者行动。

 

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由于水生态系统是一个动态系统,只有掌握系统的变化过程,才能把握系统的演进方向,进行适应性管理。因此,生态系统的监测与评估要贯穿于河湖生态系统修复的全过程。自生态修复项目立项之初,就应该着手建立生态监测系统。生态修复建设过程中的监测与评估是鉴别规划措施是否适合特定河湖生态系统的依据。项目建成后的监测与评估是评价生态修复工程有效性的基础。河湖生态系统修复规划中,应包括建立长期生态监测与评估的规划,不仅包括监测网络布置、监测项目、仪器设备和方法,也应包括人员和管理费用概算。

 

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能力建设方面,有计划地开展管理人员的技术培训,掌握岗位技能。针对生态修复的重大课题,开展跨学科的科学研究。加强信息化建设,应用信息技术,包括网络、遥感、地理信息系统和全球定位系统,实现生态系统的实时监测和预警。

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