应用生态工程原理解决水利工程施工中的环境问题

摘要：本文应用生态工程有关基本原理，结合传统的水利工程施工理论，提出了解决水利工程施工环境问题的一些基本原则，根据生态经济学理论和水利工程施工的特点，建立了水利工程施工生态工程系统。运用大系统递阶分析原理与方法，结合水利工程施工管理有关理论与规程规范，阐述了水利工程施工生态工程系统的分析方法，并应用这些理论，笔者在实际工程中解决了采料、弃碴、临建等施工用地的规划与管理问题。

作者简介：程飞(1960-)，男，江西乐平人，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为水资源及技术经济。

在水利工程施工中，所遇到的环境问题非常广泛，并且十分具体。例如：(1)土地利用：在施工中乱堆弃碴、乱修临建，挤占耕地，造成土地浪费；开挖堆弃不处理，造成水土流失，淤塞河道。(2)水流控制：截流蓄水影响下游用水量，施工废水和生活污水影响下游水质。(3)爆破与噪音：水利工程开山劈地，爆破作业，影响到施工人员和当地居民的安全；爆炸机器噪声，影响到施工人员和当地居民的生活。(4)大气污染：水泥、粉煤灰、沙石土料等运输和开挖爆破产生的尘灰以及机器运转排出的废气，影响到施工人员和当地居民的健康等。水利工程施工对环境的影响非常广泛，许多影响具有长期性和不可逆性，应引起高度重视。生态工程是一门崭新的学科，是我国现代化和可持续发展的重要工艺技术。为解决施工中的环境问题，工程建设必须服从生态经济区域的整体规划，并从系统思想出发，按照生态学原理、经济学原理及生态经济学原理，运用现代科技成果和现代管理手段，特别是生态工程这一重要工艺技术以及传统工程管理的有效经验，以期获得较高的工程效益、生态效益和社会效益。应用生态工程原理解决水利工程施工中的环境问题，不但可以获得较好的生态经济效益，还丰富了水利工程施工理论和生态工程理论。

1.1 生态环境效益与社会经济效益协同发展原则 在水利开发中要处理好工程与人类、自然和环境保护的关系，保证生态系统和经济系统的良性循环，以求得社会经济的持续发展。所以，水利工程施工生态工程系统必须按照生态环境效益与社会经济效益协同发展原则，从对人类和社会可持续发展负责的高度来进行这种经济活动，从过去单纯的施工管理转变为施工、生态环境、安全生产的全面管理，从过去单纯考虑工程效益转变为寻求工程效益与生态效益的最优组合。在水利工程施工中，应做到把对环境的不利影响减少到最小程度，并结合工程建设，寻求生态环境的后发效益，如向下游提供可靠优质的生态用水、发展水利旅游业等。

1.2 共生互补原则 所谓共生，是指一种合作共存、互利互惠的现象。工程在处理施工或运行与生态环境问题上采用多种手段共存的方法，对它们进行规划与协调，建立工程与自然环境和谐平等的相互关系，以期达到效益的最优组合，这就是共生互补原则。工程建设的土地利用问题就是一个典型例子。工程基础开挖的大量弃碴，需要占地堆放，工程运行的生产与生活场所，又需占地建设，若分开考虑，将形成割裂开的两个土地占用系统(图1)，造成土地资源的严重浪费，若结合考虑，形成共生土地利用系统(图2)，不仅可节约土地资源，而且还可节约劳力和资金。

1.3 循环再生综合利用的原则 在施工中要充分利用再生循环过程中产生的材料，运用循环再生的原则，处理施工垃圾，变废为宝，保护生态环境，创造经济效益。

1.4 主体空间利用原则 主体空间利用原则是应用生态工程的生物种群分布原则，结合水利工程施工理论而提出的。我们知道生物种群分布主要有平面和垂直两种分布格局，根据生态工程对象和目的，合理地安排生物种群，将有助于实现工程的预定效益。主体空间利用原则主要是为了解决水利工程施工总体布置中施工区域的空间组织问题，同时统筹兼顾施工区域有关土地的合理利用、水流的有效控制、周围的最小干扰等生态环境问题，全面规划，科学安排。

1.5 时程需求协调原则 机能节律与时间节律配合原则是指生态系统的诸多环境因子的量值随着时间变化而变化，同时生物种群在生长发育渐进变化的每一个过程中对环境因子量值的要求也是不尽相同的。应用这个原理将水利工程施工期间对环境因子量值的需求与施工期以及运行期各阶段的工程实施进行统筹兼顾，以提高工程的生产能力。如工程临时建筑物与永久建筑物的相结合，既可减少临建投资，又可以减少土地占用和恢复费用，并且还可以提高施工进度。

2.1 系统总目标 人的施工活动与周围社会经济环境通过人口流、物质流、能量流和价值流的流通取得联系，形成水利施工区生态工程系统。系统的总目标为工程效益与生态效益的最佳组合，即MAX{工程效益，生态环境效益｝。工程施工的工程效益主要从解决工程问题促使工程投资减少或施工进度加快而获得，生态效益主要从减少对环境不利影响及结合工程施工进行生态环境建设而形成的生态环境资源中取得。

2.2 系统结构优化 生态工程系统是工程区域生态系统和工程系统构成的复杂大系统，它以工程为中心，顺应自然，遵循经济规律与生态学原理，立足于运行目标，实现生态工程系统结构的最优化(图3)。良好的生态工程系统结构，才能保证生态系统和工程系统之间正常的物质循环和能量流动，从而保证生态系统和工程系统的协调发展，提高生态工程效益。如由于开挖而产生的弃碴将污染环境，以及开挖本身将造成的水土流失，通过填峪整平形成新的生产与生活用地(物流)和机械与动力的应用(新的能源)，通过环保法规要求(信息流)，对水土流失进行治理产生新的生态资源等。

图3 生态工程系统结构

2.3 系统边界的确认 系统边界有生态稳定条件，主要是土地面积、下游用水、环境质量等；施工管理，主要是资金、人力、进度、质量等；还有法律法规和政策方面的要求。

2.4 系统的层次性分析 本系统采取多层递阶控制结构，每层又分若干个区(图4).

　　第一层为直接控制层或调节层，如临建工程和主体工程的各分部工程。它根据最优控制层的指令，直接控制被控对象的运行状态或生产过程，力图把过程的有关变量维持在预先给定的设计值上，如在各区概算范围内，各区可以很快决策，若超出概算，则提交高一层优化，然后再返回一个控制值；第二层为最优控制层或监控层，如临建工程和主体工程的各单位工程。它根据给定的目标函数、约束条件和系统数学模型，进行最优控制，以便规定直接控制各控制器的设定值；第三层为自适应层，如整个临建工程和整个主体工程。根据对象特征或运行情况变化的观测，对最优层的数学模型进行适当修正或辩识模型参数，以便保持系统最优运行；第四层为自组织层，如整体工程和生态效益。根据大系统控制的总目标，考虑环境条件变化，选择下层所采用的模型结构和控制策略，以及计划协调和组织管理。

图4 多层递阶控制结构

2.5 系统控制变量的识别 根据水利工程建设的特点，影响生态环境的要素主要有水流、土地、资金、施工活动(人的因素)，其中土地利用和水流控制是要优先考虑的控制性因素。系统的输入变量主要有上游径流和下游用水量、工程用料和开挖弃渣量、永久与临时工程征地量等。为解决下游用水和改善环境质量需要增加工程费用，但工程的开挖圈地、弃碴占地、临建用地、水流控制影响到施工用地，甚至因环境质量问题也会引起移民征地，所以系统控制变量主要还是土地面积。通过土地的合理征用和综合治理等成本与效益的经济分析，输出量为工程与生态效益的经济指标。

3.1 问题的提出 大坳水利枢纽工程是江西省一座重点工程，由大坝、溢洪道、放空洞、发电洞、厂房、升压站等建筑物组成，水库总库容2.76亿m3，电站总装机4万kW，其中大坝为面板堆石坝，最大坝高91.4m，块石填筑总方量140万m3.由于工程开挖与填筑方量大，工程用地紧张，所以施工用地规划与管理就显得尤其重要。为此，大坳工程对采料场、弃料场和临建布置(见图5，图中虚线部分为原设计方案)等进行了分析论证，取得了较好的生态经济效益。

3.2 上、下游料场合二为一方案 原设计根据“低料低用，高料高用”的原则，将大坝填筑块石料场分为上、下游两个，但下游料场距占家村太近，施工道路占用大量水田，将引起300户占家村民的搬迁，一座跨河大桥也将耗资百万，并且分两个料场，势必造成料场达不到有效规模，使大型挖掘和装载设备发挥不到应有的优势而影响施工强度，使用两套临建系统也将增加工程造价。采用二料场合并方案，在工程效益方面可节约投资904.75万元，提高施工效益近一倍；在生态效益方面可减少移民征地并避免了对村民正常生活的严重影响，还可以为规划的旅游业创造条件。

3.3 堆碴场地、临建用地统一规划方案 由于原设计存在着占地面积大、施工干扰严重等问题，所以在多层递阶控制结构中，要将第一层的堆碴场地与临建分部工程的方案提交到第二层进行优化，甚至要在第三层进行协调，对堆碴场地、临建用地进行统一规划。

图5 采料场、弃料场与部分临建布置

如按最终设计要求控制1^#、2^#堆料场堆放高程，合理分流大坝、厂房的开挖弃碴，在厂区附近一冲沟处新增一个堆碴场，并堆填形成一5000m²的平地；应用共生互补与时程需求协调等原理，将原安排在山坡上的土建机修厂、钢木加工厂、沙石料场和混凝土拌合楼以及机电安装办公生活区等临建分别布置在1^#堆料场和新增堆碴场，将原安排在1^#堆料场的垫层加工厂就近布置在合而为一的采料场附近。由于弃碴运距的缩短、施工占地的减少等，节约资金30万元；由于厂坝区弃料的合理分流，避免了施工的严重干扰，为工程的按时截流和大坝的安全渡汛打下了基础；由于工程的建成，土地现已升值，生态环境效益大幅度增加。

(1)施工现场的生态环境保护是工程施工顺利进行的重要保证。保护和改善施工环境是保证人们身体健康的需要，是现代化大生产和保证工程质量的客观要求，是工程施工顺利进行的重要保证，所以在水利工程施工过程中必须采取有力措施，使工程建设的投资、进度与质量能得到有效控制，如采用较好施工路面、封闭式专用垃圾道、散灰罐等以防止大气污染；积极使用先进设备和工艺，妥善安排作业时间以防止噪音污染；严格处理有毒弃物和生产与生活污水以防止水源污染；合理选择工程措施和实施时机(如水库下闸时间)，以解决水流控制和下游用水等生态环境问题。(2)工程建设应与生态环境建设进行有机的结合。生态环境也是一种资源，与其它资源一样具有价值，污染生态环境就意味着消耗了生态环境这种资源，而在工程建设过程中，与生态环境建设进行有机的结合，既可以从解决施工中的生态环境问题中取得可观的工程效益，又可以提高资金的利用率和避免今后的重复建设，并通过水土资源的合理开发获得巨大的生态环境效益，如在大坳工程中上游料场就与旅游娱乐设施开发有机地结合起来了。(3)土地综合利用是水利工程施工生态环境管理的核心。施工组织设计是对工程施工整个时空的安排，施工总体布置是对施工区域内施工空间的总体规划，所以说，土地综合利用是水利工程施工生态环境管理的核心。按生态理论的共生原理，可变废为宝，化害为利，如利用弃碴填沟平地，既可减少工程造价，又可以增加生态效益；按时程需求协调原则，可使土地多重利用，如根据施工计划，不断调整场地的服务功能，根据长远规划，有效地衔接临时建筑与永久性建筑同样可以减少用地和降低成本。

[2] 冯尚友。水资源系统工程[M]。武汉：湖北科学技术出版社，1991.

[3] 武汉水利电力学院，成都科学技术大学。水利工程施工[M]。北京：水利出版社，1980.

[4] 水利部，能源部。水利水电工程环境影响评价规范[M]。北京：水利水电出版社，1989.

[5] 赵深山。正确处理发展水电与生态环境的关系[J]。水力发电，1997，(3).