生态水利研究的内涵、方向和发展趋势

　　随着我国社会经济的快速发展，对水资源和电力的需求日益增加。建设水利工程、确保水资源和水电能源是社会经济发展的基本条件，因此在未来较长一段时间内，发展水电仍是解决能源短缺的重要措施[1-2].水利水电工程建设实现了发电、灌溉、供水、航运等巨大的社会经济效益，但同时也永久改变了河道的水生态环境条件，影响了河流水生态系统和水体的自净能力。水利水电工程的生态影响问题逐渐引起社会各界的关注和重视，成为当前水利水电事业发展面临的一个重大挑战。21世纪的现代水利事业将从传统的工程水利发展成为兼顾环境保护和生态平衡的生态水利[3-4].随着人们对水利工程建设与水体污染、生态环境恶化、生物多样性减少之间关系认识的深入[5],21世纪以来，衍生出了生态水利学科、生态水利专业、生态水利研究所等相关机构，对生态水利的概念、内涵、研究内容、研究的理论基础、技术方法等进行了探索。河海大学依托水文学及水资源、环境科学与工程、水利工程等优势学科，于2002年设置了生态水利专业，同年该专业被教育部批准为硕士学位和博士学位授权点。经过近几年的发展，该专业在水利工程的生态效应、水生态环境保护与修复、生态径流、生态水文、国际河流水资源保护等研究方向上取得了可喜的研究成果。

　　笔者结合多年的生态水利专业建设和课题研究的经验，在总结国内外生态水利研究现状和存在问题的基础上，论述生态水利研究的内涵、方向和发展趋势。

　　1生态水利的内涵和研究内容

　　1.1生态水利的内涵

　　生态水利是一个多学科交叉的边缘科学，是水文学、水力学、地貌学、生态学等传统学科的交叉和融合。总结国内外相关研究的基础和成果[6],生态水利可定义为：研究水利工程建设和运行对流域生态环境的影响以及在这种影响下生态系统的演变趋势，探索在水资源开发利用过程中，采取的既能满足人类社会需求，又能兼顾水生态系统健康和良性发展的各种措施和方法。

　　1.2生态水利的研究方向

　　生态水利研究可分为基础理论研究和实践应用两个方面，其中基础理论研究主要包括生态水文学、生态水力学、水利工程的生态效应等几个方面；而实践应用主要包括生态水利工程规划与设计、水利工程影响下的水生态系统修复措施、生态需水量和生态调度、水体连通性等4个方面。

　　2生态水利的基础理论研究

　　2.1生态水文学和生态水力学

　　近几年，对生态水文学的定义很多，从广义范围来看，生态水文学是研究水文过程与生物过程的耦合关系，研究范围包括陆地上的气候-土壤-植被之间的动态关系，河流水文情势及其变化对水生生物和河流生态系统的影响，以及流域尺度上水文过程和生态系统的相互关系[7].自1992年都柏林"水与环境"国际会议至今，生态水文学的内涵在不断改进和完善，其中最重要的一点在于水文要素和生物要素之间的影响和调节作用[8].从生态水利的角度来看，生态水文学研究的重点是河流水文情势及其变化对水生生物和生境条件的影响，即河流的水文过程及与生物之间的响应关系。

　　虽然人类很早就关注到了河势的演变与水动力过程对生物的影响，但有关生态水力学的概念是在1994年首届国际生态水力学学术会议后才逐渐形成。

　　生态水力学是研究水动力学和水生态系统之间相互作用的一门新兴交叉学科，它一方面研究水力条件的改变对水生态系统平衡及生物多样性的影响，另一方面研究水生态系统的演变对水力情势的反作用，从微观上探索水与生态系统之间的基础动力学过程[8].

　　目前生态水文和生态水力学主要研究地形、水温、流速、流量、流速场、含沙量和水位等水文和水力学要素变化对水生生物生活习性、繁殖能力、栖息地等所产生的影响。研究方法可归结为两大类，一类是以大量现场测试数据或室内水槽试验数据为基础的统计分析方法；另一类是将水文学与水力学、形态动力学、动植物栖息地特征以及物种生长进化联系起来的混合模拟方法。在我国，研究较多的是濒危物种和主要经济鱼类的繁殖和栖息环境的水文、水力学因素以及水利工程建设造成的这些因素改变对生物的影响，如4大家鱼产卵时的水文水动力特性、产卵场的生态水文特征；中华鲟繁殖栖息地特征、产卵场的水动力特征、水文状况与繁殖活动关系的数学模型、葛洲坝和三峡水库建设造成的地形、水温、流速、流场等因子变化对中华鲟产卵的影响等[9-12].

　　水位是湖泊和湿地生态水文过程的关键因素之一，其动态变化影响湖泊、湿地植被群落的组成、结构和生产力。水位变化与湿地植被关系的研究主要集中在水位梯度和水位波动对湿地植被的影响以及人工控湖、控河工程的生态效应研究[13].总结现有研究成果，目前还缺乏水文、水力学特征与河流水生生物的生命过程响应关系的理论基础，在调水、引水等水利工程建设造成的流速、流量、水位、水盐梯度变动对上下游河岸和河口地区生物群落的影响等方面研究较少。

　　2.2水利工程的生态效应水利工程的生态效应主要指工程建设及运行对河流生态系统组成、结构和功能的影响[14].自20世纪70年代末，我国开始对水利工程的生态环境效应进行评估和研究，主要注重以下两个方面。

　　2.2.1建设项目环境影响评价

　　建设项目环境影响评价是对拟建项目可能造成的环境影响（包括环境污染和生态破坏，也包括对环境的有利影响）进行分析、论证的过程，要求在调查、监测的基础上，通过建立数学模型等技术手段，预测和评价工程建设对周围环境和生态系统产生的影响，并在此基础上提出相应的防治措施和对策。

　　水利工程建设对生态环境的影响具有滞后性和累积性等特征，部分影响要几年或几十年才表现出来。

　　目前我国陆续开展了一些重要水利工程建设影响的后评价，对比分析水利工程建设前及运行后水生态系统的实际变化，校核环境影响评价的预测结果，评判工程项目环境影响评价方法的正确性、合理性，以及环保措施的落实程度[15].

　　2.2.2水利工程生态环境影响的评价体系研究

　　水利工程生态环境影响评价体系包括评价指标的选取、评价标准和评价方法的确定。目前水利工程生态环境效应评价指标体系的构建主要有两种模式：①基于传统的生态环境质量评价方法建立指标体系，包括层次分析法、主成分分析法、模糊评价法、灰色关联度分析法和TOPSIS分析法等。②基于压力-状态-响应模式建立指标体系，其理论基础是研究人与自然的相互关系，被广泛应用于环境管理、生态安全评价及决策制定等领域[8].

　　在水利工程生态环境效应评价中，指标体系的建立是关键。但由于影响水生态环境变化的因子很多，以及人们对于水利工程生态环境效应内涵的理解不同，不同学者提出了不同的评价指标、评价方法和标准，目前还没有一套合理的、科学的、具有代表性的指标体系和评价方法，评价结果多样且不具可比性，没有普遍的指导作用。因此，建立生态影响的量化评价标准具有十分重要的意义。

　　3生态水利的实践应用

　　随着我国经济的快速发展，对水资源和水电能源需求日渐增长，建设水利工程，开发水电资源，仍然是我国较长一段时间内保障经济发展的重要举措。如何在水利工程生态环境效应研究的基础上，在发挥水电工程的经济效益的前提下，兼顾水域生态系统健康与可持续性需求，采取生态修复、生态调度等措施，减轻和缓和水利工程对水生态系统产生的负面影响，是水生态文明建设的一部分，也是生态水利面临的巨大挑战。近几年，生态水利的实践和应用主要体现在以下几个方面。

　　3.1生态水利工程规划与设计

　　传统水利工程以建设水工建筑物为手段，目的是改造和控制河流，以满足人们防洪、发电和水资源利用等多种需求。生态水利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。对于拟建工程，在进行传统水利建设（如治河、防洪工程）的同时，兼顾河流生态修复的目标。对于已建工程，则是对被严重干扰的河流采取生态修复措施[16].生态水利工程规划和设计的原则就是尽量保持河道的自然蜿蜒性、水流纵向上的连续性、横向上的连通性以及岸边和底质材料的透水性等。我国闸坝的建设规划和设计主要关注工程对濒危物种和洄游性鱼类的影响，通过建设洄游通道、增殖放流、异地建立保护区或保护河段、模拟创造人工生境等措施保护关键水生生物[2].如葛洲坝水利枢纽中采取建设增殖放流站的措施来解决中华鲟等珍稀鱼类的保护问题。近几年，随着我国水利水电资源开发程度加大，天然渔业资源严重退化，甚至危及国家级自然保护区内的珍稀特有鱼类，过鱼设施的研究和建设受到重视，一批过鱼设施已建成运行或在规划建设中[17],如北京上庄水库鱼道[18]、西藏狮泉河鱼道[19]、珠江长滩枢纽鱼道、曹娥江大闸鱼道等。虽然《中华人民共和国水法》和《中华人民共和国渔业法》为过鱼设施的修建提供了法律依据，但目前我国过鱼设施的设计主要借鉴国外的经验，尚无规范、标准、指南可循，过鱼设施建成后的运行也缺少必要的评估、监管措施。