基于水生态修复的山区小流域水利工程设计优化

摘要：本文围绕山区小流域水利工程，在深入分析水生态系统特性和传统设计弊端的基础上，系统性地提出基于水生态修复的设计优化原则与技术路径，旨在为山区小流域水利工程设计的生态化转型，提供全面的理论参考与实践指导。

关键词：山区小流域；水生态修复；水利工程设计

一、引言

山区小流域在维持区域生态平衡方面发挥着关键作用，不仅承担着涵养水源、调节径流的重任，还为丰富的生物提供了栖息地。然而，传统的山区小流域水利工程设计，多以满足防洪、灌溉等单一功能为目标，忽视了水生态系统的复杂性和整体性，导致一系列生态问题，如河流生态功能退化、生物多样性锐减等。在生态文明建设的大背景下，如何基于水生态修复理念优化水利工程设计，已成为山区小流域可持续发展的关键课题。

二、山区小流域水生态系统特征及传统设计弊端

2.1 水生态系统特征

山区小流域地形地貌复杂，高差大，使得河流水系呈现独特的形态，水流湍急，侵蚀和搬运能力强。降水时空分布不均，暴雨期短时间内形成强大的地表径流，易引发山洪灾害；而枯水期则可能出现河流水量骤减甚至断流。此外，山区小流域植被丰富，河岸带生态系统敏感且脆弱，对维护整个流域的生态平衡至关重要。这些特点决定了山区小流域水生态系统既充满活力，又十分脆弱，对人类活动的干扰较为敏感。

2.2 传统水利工程设计弊端

传统的山区小流域水利工程设计，在工程措施上常采用裁弯取直、河道硬化等方式，以提高行洪能力和灌溉效率。这些措施虽然在短期内实现了特定的工程目标，却对水生态系统造成了严重破坏。裁弯取直改变了河流的自然形态，减少了河道的蜿蜒度和粗糙度，导致水流速度和流态单一化，破坏了水生生物的栖息地。河道硬化切断了河流与河岸带之间的生态联系，阻碍了水体与土壤之间的物质和能量交换，影响了河岸带植被的生长和生物多样性。

在水资源利用方面，部分水利工程过度开发水资源，改变了河流的天然径流过程，导致下游河道流量减少，甚至断流，严重影响了水生生物的生存和繁殖。同时，传统设计对流域内的污染源管控不足，农业面源污染、生活污水和工业废水未经有效处理直接排入河道，加剧了水质恶化，进一步破坏了水生态系统的健康。

三、基于水生态修复的设计优化原则

3.1 生态优先原则

在山区小流域水利工程设计中，应将水生态修复置于首位，充分考虑工程建设对水生态系统的潜在影响。在制定工程方案时，优先选择对生态环境影响较小的技术和措施，最大程度减少对自然生态系统的破坏。在满足防洪、灌溉等基本功能的前提下，积极创造有利于水生态系统恢复和发展的条件，实现工程建设与生态保护的有机统一。

3.2 整体性原则

山区小流域是一个完整的生态系统，各组成部分之间相互关联、相互影响。因此，水利工程设计应从流域整体出发，综合考虑水文、地质、生物等多种因素，进行统筹规划。不仅要关注河道本身的生态修复，还要将流域内的生态修复、污染治理、土地利用等纳入整体规划，注重上下游、左右岸的协调，构建完整的生态系统，实现流域生态系统的整体优化。

3.3 可持续性原则

水利工程的设计和建设应具有长远的眼光，充分考虑长期的生态效益和经济效益。选择耐久性好、可维护性强的工程材料和技术，降低工程建设和运行成本，确保工程在长期运行过程中不会对水生态系统造成不可逆转的破坏。同时，通过合理的设计和管理，提高水资源的利用效率，促进水资源的可持续利用，保障工程的长期稳定运行和流域的可持续发展。

四、基于水生态修复的设计优化策略

4.1 河道形态与结构优化

4.1.1 恢复自然河道形态

尽可能恢复河道的自然弯曲形态，这有助于增加河道长度和蜿蜒度，改善水流条件，营造多样化的微生境。自然弯曲的河道可以形成不同流速和水深的区域，为各种水生生物提供适宜的栖息和繁殖场所。此外，增加的河道长度和蜿蜒度还能增强河道的自净能力，通过延长水流停留时间，促进水中污染物的降解和沉淀，提高其对洪水的调蓄能力，减少洪峰流量对下游的冲击。

4.1.2 构建生态护岸

采用生态护岸技术替代传统的硬质护岸，是改善河道生态环境的重要举措。植物护岸利用根系发达、耐水湿的植物，如芦苇、菖蒲、香根草等，通过植物根系的固土作用，增强岸坡的稳定性，同时为生物提供栖息地。石笼网护岸由金属网格和填充石料组成，具有良好的透水性，能够使水体与岸坡之间进行物质交换，为微生物和水生生物提供生存空间。生态混凝土护岸在保证护岸强度的同时，通过预留孔洞和缝隙，为植物生长创造条件，实现工程与生态的有机结合。

4.2 水质改善与水动力调控

4.2.1 面源污染拦截与净化

在河道两侧设置植被缓冲带，利用植物的吸附、过滤和微生物的降解作用，拦截和净化农业面源污染和地表径流。植被缓冲带可选择对污染物有较强吸收能力的植物，如黑麦草、三叶草等，形成多层次的植物群落，提高对污染物的去除效果。生态沟渠的建设也是有效拦截农业面源污染的重要手段，通过合理设计沟渠的坡度、流速和植物配置，对农田排水进行净化处理，减少污染物入河量。

4.2.2 水利设施生态化改造

对水库、水闸等水利设施进行生态化改造，合理调控水位和流量，保障河道的生态基流。生态基流是维持河道生态系统健康稳定的最小流量，通过设置生态泄流设施，确保在枯水期也能为河道提供足够的水量，满足水生生物的生存需求。同时，优化水利设施的运行方式，模拟自然水流节律，促进水体的自然循环和自净能力。例如，通过周期性的放水和蓄水，创造适宜的水流条件，促进水生生物的繁殖和生长。

4.3 生物多样性保护与修复

4.3.1 营造水生生物栖息地

在河道内设置人工鱼礁、产卵场等，为鱼类等水生生物提供栖息和繁殖场所。人工鱼礁可采用混凝土、石块等材料制作，通过设置不同的形状和结构，营造多样化的水流环境，吸引鱼类聚集。在适宜的河段建设鱼类产卵场，根据不同鱼类的繁殖习性，提供适合的底质和水流条件，促进鱼类繁殖。此外，还可以在河道中设置浮岛、沉水植物床等，为水生生物提供更多的生存空间。

4.3.2 恢复河岸带植被

恢复和保护河岸带植被，是提高生物多样性的重要措施。种植本土的乔木、灌木和草本植物，形成多层次的植被群落。河岸带植被不仅可以起到固土护坡的作用，减少水土流失，还能为鸟类、昆虫等生物提供食物和栖息地，促进生物多样性的恢复。同时，植被的蒸腾作用还能调节局部气候，改善生态环境。

五、结论

基于水生态修复的山区小流域水利工程设计优化，对于实现山区小流域的可持续发展具有重要意义。通过遵循生态优先、整体性和可持续性原则，采取河道形态与结构优化、水质改善与水动力调控、生物多样性保护与修复等设计优化策略，可以有效解决传统水利工程建设带来的水生态问题，实现水利工程与水生态系统的协调发展。未来，需进一步加强相关理论和技术研究，推动水生态修复理念在山区小流域水利工程设计中的广泛应用，为山区生态环境的保护和改善提供坚实的技术支撑。

参考文献

[1] 王光谦， 等. 流域水循环与水生态过程研究进展[J]. 水利学报， 2019， 50（10）： 1165-1178.

[2] 董哲仁. 河流形态多样性与生物群落多样性[J]. 水利学报， 2020， 51（3）： 269-277.

[3] 陈求稳， 等. 河流生态修复的关键技术与研究展望[J]. 水科学进展， 2021， 32（4）： 602-613.

[4崔保山， 杨志峰. 湿地生态系统健康评价的指标体系与方法[J]. 生态学报， 2020， 30（1）： 31 - 40.