河流生态工程辅助设计系统开发研究

李宏民

摘 要：为遏制日益加剧的水环境恶化和水生态系统退化，现代水利工程应该克服传统水利工程对河流形态的多样化重视不足和忽视生态环境的缺陷，遵循河流演变的客观规律，妥善处理好人与自然相互协调的关系，这就要求进行河流生态工程辅助系统的开发。文章对系统开发中的相关问题进行了探讨。

关键词：河流；生态工程；辅助设计；系统开发

1 河流生态工程辅助设计系统开发的必要性

河流防护设施在洪水的冲击下若遭到破坏，往往会威胁到河岸居民的安全。因此，在考虑居民安全的条件下，以往均以混凝土作为护岸、固床工、丁坝等构造物，虽然达到了防洪安全的目标，但却破坏了生态环境及影响生态。近年来因生活质量及环保意识提高，促使世界各国逐渐开始重视周围生态环境及稀有生物的保育，于是运用生态工法的工程设计渐趋普及。

根据生态工法的精神，各个工程的生态工法选用与施工，需考虑当地的生态环境、地形、地质、水文及材料取得等多种因素，且因地点不同而因素也有所不同。因此各个工程在做生态工法规划设计时，必须以多方面的考虑及评估后，因地制宜，研拟适合当地的工法加以施工，以期能恢复其原始生态且兼顾安全的工程方法为目标。如果对生态系统不够了解或规划不够周详，则可能导致复育计划无法达到预期效果甚至失败，因此有必要发展一决策系统以辅助生态复育。

2 河流生态工程辅助系统基本构成与设计原则

2.1 基本构成

开发河流生态工程辅助设计系统可整合的部分有：生态资料库、生态信息系统、工法成本估算、工法辅助决策、稳定性评估等。然而，想要整合各项功能，则须有一完整规划设计流程。因此，应需先确定生态工程规划与设计的流程，这一流程通常要根据赋予计划生命周期来考虑。整个复育计划的完整生命周期有规划、设计、施工、管理维护与监测等。在这些阶段中，从一开始的复育地点选择、生态环境调查与分析，到复育计划分析探讨与方案的建立等为规划与设计的阶段。其中，河流工程的开始阶段，就没有准确的定位其规划目标，这将会影响往后的设计、施工、管理维护与监测等，进而影响到整个复育计划的成效。

2.2 设计原则

工程技术方法的选定，须符合防洪安全目标，并维护或营造水域环境的生态需求，以及是否提供市民亲山、亲水游戏机能与营造休闲空间等功能。为此，整体溪沟整治工程则需仔细考量，如生态基流量、水流、生物庇护空间及栖地环境的营造等等功能。然而要达到因地制宜，顺应自然条件设计及配置，则是工程规划中最困难的部分，在规划中最重要的是，能否顺应自然条件作妥善的设计及配置，该部分是无法模仿引用的，仅能依据立地条件运用经验及规划设计时投入更多心力，才能达成目标。具体来看，如下标准应当加以重视。

一是符合法规要求。任何工程施工均应在相关法令与规范要求下进行规划与设计，如河流管理办法、河流区域种植规定等。在符合法规的条件下，应满足两种需求：（1）满足防洪需求，工程构造物应满足防洪需求，不得影响防洪功能，如计划洪水位、计划河宽及参考河床高等。（2）满足安全需求，工程构造物施设除应满足防洪需求外，本体的安全性也应考虑，以确保工程永续性。安全需求依工程破坏原因可分为水理与安定两大因素，其中，水理是指流速、剪力等水流产生外力的分析；安全性是指构造物受到水压、土压及冲刷所产生安定性分析。

二是维持河相稳定。构造物施设应避免影响河道的通水面积，尤其是具有深槽的低水护岸，避免因束缩断面而造成河床下切。固床工与丁坝施工则需避免水流经构造物产生对河岸的破坏、过度淤积或冲刷及产生侧向侵蚀。施工过程中，应注意配合生态需求，应就生态搜集资料，邀请生态专家协助分析工程施设后对生态生活史的影响，并将其他设施施工对生态环境冲击降至最低。

三是创造多样化环境。基于对生态系统复杂与动态结构的不了解，工程施工时应尽量创造多样化的生态环境，如护岸的多孔隙、植生等，并利用简易设施进行营造潭、濑、回流区等栖息环境的复育或创造，而整体生态之繁衍应由生态自我组构的机制进行重组。

四是工程经济最佳化。该部分为水利工程施工最难达成的目标，因工程设施具有保护人民生命财产与安定社会民心的目标，为政策性导向的工程，若单纯以工程及后续维护管理经费而言，一般工程经济效益均不高。此处所提工程经济最佳化系指工程施工时应考量其他非工程措施的配合（如洪泛区划设）将工程规模降至最低（工程减量）及利用科学化的工具，以增加工程成功机率，降低后续维管费用。

五是营运维护成本最小化。生态工法的水利工程，因工料上的自然限制，如不连续性或植物生长期等，失败的风险常比混凝土化的水泥工程大。然而，生态治河却是世界潮流，所以工程后续营运维护成本于设计阶段即需考量。

3 河流生态工程辅助设计系统流程构架

系统最主要的功能为规划与设计试算，借着规划与设计流程，将系统以阶段性的步骤切割，并在各阶段适时提供工程人员相关资料的参考；如选择计划河段、工址流况的分析、适用工法建议与选用、决定断面形式及安全性分析等。在工址流况分析时，有航照影像图辅助加以分析判别；初步工法布置选用时，以输入流速及选择规划之目标等，系统将提供符合条件的工法选项；安全性分析时，经验公式的分析计算则需输入各项工法所需的设计条件，系统计算完后显示是否符合安全条件。

第二项功能为案例资料库，借助规划与设计试算的操作，并执行完成工程的规划与设计案例；系统会在完成时，储存规划与设计的结果，并记录其完成的时间。主要为累积历年的工程规划与设计资料，可以提供工程人员在规划设计时，可有相关设计参考，并更了解当地发生灾害的原因，案例资料库的执行流程。其中，重新计算功能，可以在该案例中的任何阶段，重新进行分析计算，并且在完成时，自动存成一个新案例档。

第三项是生态资料库，在工法资料库中可以输入限定的条件做查询，或是选择浏览全部资料以列出全部资料，或是选择规划目标以判定适合的生态工法；生态资料库中，也可查询该河系断面编号的水理因数条件。

第四项为计划河段管理，为了避免其他使用者误编辑计划河段，故应立登入账号及密码，以防止其他使用者随意新增计划河段。

第五项为河流管理系统资料库，可查询研究区域性的基本资料，由地理空间与信息的方式，展示查询对象的地理位置与其相关属性资料，如河流断面、水系、交通等基本资料。

参考文献

[1]魏梓兴，蔡恭杰，吴阿娜，等.河流管理中引入河流健康状况评价的意义与思考[J].中国水利，2004（17）.

[2]陶沈巍.河流生态等级划分[J].中国水利，2006（10）.