绿色设计理念在水利工程设计中的应用

1绿色设计的提出
绿色设计（Green Design）是20世纪80末出现的一股国际设计潮流。绿色设计反映了人们对于现代科技引起的环境及生态破坏的反思，同时也体现了设计师道德和社会责任心的回归。在漫长设计史中，工程设计为人类创造了现代生活方式和生活环境的同时，也加速了资源、能源的消耗，并对地球的生态平衡造成了很大的影响。正是在这种背景下，设计师们不得不重新思考他们的职责和作用，绿色设计也就应运而生。对于绿色设计产生直接影响的是美国设计理论家维克多•巴巴纳克（Victor Papanek）。早在20世纪60年代末，他就出版了一本引起极大争议的专著———《为真实世界而设计》（De-sign for the real world）。该书专注于设计师面临的人类需求的最紧迫的问题，强调设计师的社会及伦理价值。他认为，设计的最大作用并不是创造商业价值，而是一种适当的社会变革过程中的元素。他同时强调设计应该认真研究有限的地球资源的使用问题，并为保护地球的环境服务。对于他的观点，当时能理解的人并不多。
自从20世纪70年代“能源危机”的爆发，他的“有限资源论”才得到人们普遍的认可，绿色设计也得到了越来越多人的关注和认同。


2绿色设计的概念
绿色设计（Green Design）也称为生态设计（Ecological De-sign）、环境设计（Design for Environment）。它是指在产品及其寿命周期全过程的设计中，要充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各种相关因素，使工程建设过程中及投入使用后对环境的总体负影响减到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求，同时，对于生态修复项目要有利于保护生态环境，使生态环境得到最大程度的修复。其基本思想是：在设计阶段就着眼于人与自然的生态平衡关系，在设计过程的每一个决策中都充分考虑到环境效益，将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响减至最小。


3绿色设计产生的原因
资源、环境、人口是当今人类社会面临的3大主要问题，特别是环境问题，正对人类社会生存与发展造成严重的威胁。随着全球环境问题的日益恶化，人们愈来愈重视环境问题的研究。近年来的研究和实践使人们认识到：环境问题决不是孤立存在的，它和资源、人口两大问题有着根本性的内在联系，特别是水资源问题，它不仅涉及区域有限资源的合理利用，还是环境问题的主要根源。近30a来，北方气候变化、持续干旱、水资源短缺等问题人所共知。随着社会发展，用水量与日俱增，水利工程设计师的任务也从过去的防洪排涝工程设计转向引调水及水生态环境改善治理工程设计，因此国家水利工作重点也要从工程水利向资源水利和环境水利转变。水利工程设计师面临着设计思想观念的转变：不仅要考虑单纯的水利工程设计，还要做好其对水资源的分配引起的环境问题和生态问题设计。因此，绿色设计理念应用到水利工程设计中是当务之急，也是水利工程设计师的责任和使命。


4绿色设计在河道生态治理堤防中的应用
4.1非绿色设计理念的河流治理设计
4.1.1过分强调依靠工程措施抗拒和驯服洪水，忽略了对生态环境的破坏
人们用堤防将河流、洪水束缚在一个指定的空间，不允许其泛滥，从经济角度看是有利的，但是由于人们在建设堤防、大坝等水利工程时，很少考虑对生态环境的补偿措施，出现了由于水库、堤防的存在，而破坏河流、水陆连续性，使沿河湿地消失，从而出现沿岸生物生存环境日益恶化、河流自净能力不断退化等问题。
4.1.2盲目填没河流，使其硬化、渠化，导致雨洪增大自然河流的人工渠道化，包括平面布置上的河流形态直线化、河道横断面几何规则化、河床材料的硬质化。随着城市建设步伐的加快，出现了人水争地的矛盾，河流水面被人为侵占或缩窄，水面积急剧减少，再加上河道在治理中被裁弯取直，河岸被硬化衬砌变成人工渠道，致使河流的天然调蓄功能萎缩，产汇流规律改变，雨洪增加；另一方面，由于地下水补充减少，地下水位下降，引起地面沉降，从而加重了内涝几率的发生。
4.1.3自然河流的非连续化筑坝导致的顺水流方向的河流非连续化，筑堤引起侧向的水流连通性的破坏。
4.1.4河流污染严重，生态功能遭到破坏随着城市经济的迅猛发展，河道两岸土地的开发利用，大量工业、生活污水不经处理直接排入河道，造成河水严重污染，水质恶化，致使雨虾等生物基本绝迹，一些对人类有益的或有潜在价值的物种消失，致使河流生态环境遭到破坏。随着科学的进步，从保护生态环境的高度，人们认识到非绿色设计的水利工程对于河流生态系统可能造成不同程度的负面影响。积极采取工程措施和生物措施，对于受损河流的生态系统要予以必要的补偿，维护水域生态系统的功能，是流域生态建设的重要任务之一。


4.2绿色设计理念的河道治理设计
近年来，各地在进行防洪工程建设和河流整治工程中，已经采取了一些新技术和新材料加强河流的生态建设，比如生态型护坡技术、堤防绿化措施等。这些技术经验不仅缺乏系统的总结，还迫切需要有关技术规范和技术导则的指导，使之更具科学性和规范化。
4.2.1有关防洪工程规划的原则
应加强工程经济效益和环境效益分析，权衡经济效益与环境效益之间的关系，即进行工程项目经济技术及生态环境效益评估，改变现行的单一经济技术评估指标体系。以往的治河工程仅着眼于河流本身，往往忽略了河流湖泊与岸上生态系统的有机联系，忽视了河流周围的生物群落的存在及整治后原有生物群落的恢复。因此，在进行防洪工程的规划时，应明确河流与其上下游、左右岸的生物群落处于一个完整的生态系统中。建议按照“河流生态廊道”的范围，进行统一规划、设计和建设。在平时的设计中除说明需进行常规的水文、地质的测量勘察外，还要补充加强相关范围的生态系统调查的要求，重点是生物群落（动物、植物）的历史与现状调查，对特定生物群落与水体的相互依存关系有明确的认识。
4.2.2堤线布置及堤型选择
河流形态的多样化是生物物种多样化的前提之一，河流形态的规则化、均一化，会在不同程度上对生物多样性造成影响。因此，在堤线布置原则中，补充说明应尽可能保留江河湖泊的自然形态，保留或恢复其蜿蜒性或分汊的散乱状态，即保留或恢复湿地、河湾、急流和浅滩。在确定堤防间距时，遵循宜宽则宽的原则，要处理好行洪和生态保护要求与土地开发利用之间的矛盾，河槽和河漫滩不仅要满足设计洪水行洪要求，还要保持一定的浅滩宽度和植被空间，为生物的生长发育提供栖息地，发挥河流的自净化功能。堤型的选择原则除满足工程渗透稳定和滑动稳定等安全条件外，还应结合生态保护或恢复技术要求，尽量采用当地材料和缓坡，为植被生长创造条件，保持河流的侧向联通性。
4.2.3河流断面设计
自然河流的纵、横断面也显示出多样性的变化，浅滩与深潭相间。因此设计规范中应提出河床尽量做到非平坦化，采用非规则断面。避免因规则断面而导致流场的均一化，增加与生物的亲和力，有助于与自然风景相协调。与上述设计相对应，需要推广使用一些与非规则断面有关的水力学计算方法和配套的实用工具或计算机软件包。
4.2.4岸坡防护在河流整治
工程中，对生态系统冲击最大的因素是水陆交错带的岸坡防护结构。水陆交错带是水域中植物繁茂发育地，为动物的觅食、栖息、产卵、避难之所，也是陆生、水生动植物的生活迁移区，故其至关重要。因此，岸坡防护工程的设计应从强调人与自然和谐的生态建设要求出发，采用与周围自然景观协调的结构形式，在满足工程安全的前提下，确保生态和景观的护岸形式多种多样。在典型的岸坡防护结构中，尽可能使用具有良好反滤和垫层结构的堆石，尽可能利用多孔混凝土构件和自然材质制成的柔性结构，尽可能避免使用硬质不透水材料，如混凝土、浆砌块石等，为鱼类、两栖类动物和昆虫的栖息与繁殖及植物生长创造条件。
4.2.5景观建设
城市水域整治的景观建设中，注意保留江河湖泊天然的美学价值，避免将水流置于过多的亭台楼阁等混凝土与砌石形成的人工环境之中。水利工程设施要创造一种人与自然亲近的环境，现代的城市景观设计，应更多注重生物栖息地建设。水利工程还应为公众广泛参与和对儿童进行水环境保护教育创造良好条件，如水生态公园等。
4.2.6工程施工
在工程施工中，应对生物栖息地进行保护和恢复，避开动植物发育期进行施工。对特殊区域的物种，在施工期要采取其他辅助保护措施，如它处养育等。取料场开挖后应进行适当处理，以满足美观和环境方面的要求，合理设置排水、平整地形和改善有利于植被生长的条件。料场区应进行植被恢复，与周围景观相一致。
4.2.7工程管理
为降低施工环境对生态系统的冲击，保障工程效果的实现，并延长生态工程的寿命，宜强调加强前期的养护和后期的管理，包括维护、监测和评估，并积累数据和经验。绿色设计理念引入水利工程当中来，无疑是将水利工程简单的“防洪减灾”的功能拓展至既防洪又与城市的生态建设规划联系在一起，这也是现在水利工程的一个新特点。


5绿色设计理念在筑坝技术中的研究应用
5.1筑坝需要考虑的生态环境问题
5.1.1移民问题水库移民涉及众多领域，是一项庞大复杂的系统工程，关系到人的生存权和居住权。因此，移民问题值得高度重视。我国的水库移民相当一部分是山区水库，库区群众生活贫困，采用移民脱贫是摆脱贫困的一个途径，因此移民工作得到了库区百姓的支持。只要扎扎实实地做好工作，我国水库移民问题就能够妥善解决。
5.1.2对泥沙和河道的影响
这是目前讨论大坝与生态问题的文章中很少提及的。事实上，泥沙对于河势、河床、河口和整个河道的影响，从生态角度讲，是修建大坝产生的最根本的影响因素。在河流上建坝，阻断了天然河道，导致河道的流态发生变化，进而引发整条河流上下游和河口的水文特征发生改变，这才是建坝带来最大的生态问题，也是最令人担忧的问题。
5.1.3对大气的影响
国外舆论在谈到大坝与生态问题时，首先谈到大坝建设对大气和气候的影响。我国电站虽然很大，但多属高山狭谷型水库，并且库区几乎没有大面积的森林。林木淹没很少，不会产生大量腐烂气体来影响大气气候。
5.1.4水体变化带来的影响
河流中原本流动的水在水库里停滞后所带来的影响：①对航运的影响，譬如过船闸需要时间，对上、下行航速会带来影响；②水库水温有可能升高，水质可能变差，特别是水库的沟汊中容易发生水污染，如水华现象的出现；③水库蓄水后，随着水面的扩大，蒸发量的增加，水汽、水雾就会增多。这些都是修坝后水体变化带来的影响。
5.1.5对鱼类和生物物种的影响
鱼类和生物物种泛指动物、植物和微生物。当前社会上极为关注的是大坝建设对洄游鱼类造成的影响。事实上，洄游鱼类由于种类不同，其生存的环境也各不相同，世界各国在建坝中解决鱼类洄游问题通常采取两种办法：①采取工程措施，建鱼梯、鱼道；②对洄游鱼类进行人工繁殖。我国长江葛洲坝工程建设中，在解决中华鲟洄游问题时选择了人工繁殖的办法，事实证明是比较成功的。需要强调的是，在不同的地区、不同的河流上建坝，对鱼类和生物物种的影响是不同的，要对具体的河流进行具体分析，不能一概而论。
5.1.6对文物和景观的影响我国是历史文明古国，文物古迹极多。水库库区淹没后可能对文物和景观带来影响，这一问题也需要引起高度重视。
5.1.7地质灾害修建大坝后可能会触发地震、崩岸、滑坡、消落带等不良地质灾害。
5.1.8溃坝可能造成溃坝的原因是多方面的，如大坝运行不当，工程质量问题，或遇到超标准的负荷，也有可能是战争带来的人为破坏等。


5.2采用绿色设计理念研究解决筑坝技术生态难题
在以往的工作中，我国水利水电工作者考虑较多的是如何建大坝，对相关的生态问题考虑不够充分。现在历史赋予我们的责任是既要挑起大坝建设的担子，也要挑起生态保护的担子。我们应认识到，任何水利水电工程，从本质上说都是生态工程。如果在水利水电建设中不能正确对待和科学处理生态问题，就会影响整个国家的经济社会发展。社会各界关于筑坝带来的生态问题存在不同看法和一些难题，但因此全盘否定大坝工程建设必要性的错误观点也决不能苟同。大坝毕竟承担着防洪和水资源配置的任务。在这种情况下，必须在高度重视生态问题的同时积极进行大坝建设。发展是第一位的，是党执政兴国的第一要务，在发展中应牢记新的可持续发展的理念，以科学发展观来统领新时期水利水电事业，实现可持续发展。相信通过采用绿色设计理念，一定会解决好所带来的难题。


6结语
随着社会的迅速发展，城市规模迅速扩大，防洪问题与城市建设和经济发展的矛盾也日益突出。河道生态修复整治后，对保护城市城区的人民生命和财产安全、减少洪涝灾害以及为城市经济发展起到重要的作用，使河道成为城市的一道靓丽的风景线，以致于更好地发挥工程的社会效益和环境效益，更好地造福于子孙后代，也是绿色设计理念在水利工程设计中得以更好应用的意义所在。