高清PDF《生态水利工程学》董哲仁

生态水利工程学是研究水利工程在满足人类社会需求的同时，兼顾水生态系统健康
需求的原理与技术方法的工程学。生态水利工程学吸收生态学的理论，改进和完善传统
水利工程学的规划设计方法，为水生态系统保护与修复提供理论与技术支持。
本书阐述了水生态系统的特征和河湖生态模型基础理论；介绍了河湖调查与栖息地
评价方法：阐述了包括生态水文学、生态水力学、景观分析、环境流以及河道演变在内
的生态要素分析与计算方法，提出了水生态修复规划准则；在生态修复工程方面，详细
阐述了河流廊道自然化工程、湖泊与湿地生态修复工程、河湖水系连通工程以及鱼道工
程的规划设计方法。此外，还讨论了水库生态调度方法和生态水利工程监测与评估方
法，并辑录了许多国内外典型工程案例。
本书既有理论系统性，又有技术实用性，可供水利水电工程、生态工程、环境工
程、国土规划等领域的规划、设计、科研和管理人员参考使用，也可作高等院校相关专
业的教学参考。

水利工程学作为一门重要的传统工程学科，以建设水工建筑物为手段，
通过改造和控制河流，达到水资源和水能资源开发利用等多方面的经济社会
目标。30多年来，全球生态保护意识空前提高，保护地球家园，雏系自然生
态，提倡人与自然和谐，坚持可持续发展，已经成为当代国际社会的共识。
人们对于包括水利工程在内的基础设施建设有了新的认识。普遍认为工程建
设不但要满足人类社会的需求，还需满足维护生态系统可持续性及雏系生物
多样性的需求。在这个大背景下，新的工程学理论和概念应运而生。具有标
志性的事件是1962年著名生态学家Odum提出将生态系统自组织行为(self-
organizing activities)运用到工程之中。他首次提出“生态工程”(Ecological
Engineering)一词，旨在促进生态学与工程学相结合。Odum提出的生态工程
包括河湖、海岸带、森林、草地以及矿山等生态系统的修复工程。1993年，
美国科学院主办的生态工程研讨会根据著名生态学家Mitsch的建议，把“生
态工程学”定义为“生态工程学是可持续生态系统的设计方法，它将人类社
会与自然环境相结合并使双方受益”。

本书力求在以下四个方面有所创新：一是理论创新。以研究水利水电工
程对水生态系统胁迫的生态机理为切入点，基于生态完整性理论，从本质和
全局上把握河湖生态修复的方向和战略。在此基础上，提出了河流生态系统
结构功能整体性概念模型、3流4D连通性生态模型、河流生态状况分级系统
以及兼顾生态保护的水库调度方法等理论方法。二是推动了学科的交叉与融
合。生态水利工程学是一个全新的科技领域，涉及水利工程学、生态系统生
态学、生态水文学、生态水力学、河流地貌学、景观生态学和环境保护科学
等，具有明显的跨学科特点，本书在综合应用这些学科知识方面做了大胆尝
试。三是力求模型定量化。生态工程学是一门新兴学科，其理论、范式和模
型多为定性描述。本书尝试在生态要素计算分析、状况评价和预测分析等方
面引进更多数值分析方法和计算机模型。四是强化信息技术应用，力求在河
流生态修复中更多地应用包括遥感技术、地理信息系统和全球定位系统在内
的信息技术，期望有助于推动河湖生态修复信息化和数字化。

内容索引：

第1篇水生态系统概论
第1章水生态系统……3
1,1河流地貌形态3
1.1,1河流生态系统空间与时间尺度…5
1.1.2河流3D地貌形态特征……8
1.1,3河流自然栖息地…13
1.2河流生态过程…20
1.2.1水文过程21
1.2.2地貌过程……24
1.2.3物理化学过程…30
1.2.4生物过程…34
1,3湖泊生态系统结构和过程41
1.3.1湖泊的起源和演替41
1.3.2湖泊地貌形态…43
1.3.3湖泊生态过程45
1.3.4湖泊生态分区50
1.3.5生物多样性……55
1.4水生态系统服务56
1.4.1生态系统服务分类…56
1.4.2生态系统服务价值定量化57
1.4.3生态系统服务危机……59
1.5水生态完整性五大生态要素特征59
1.5.1水文情势时空变异性60
1.5.2河湖地貌形态空间异质性64
1.5.3河湖水系3D连通性66

1,5.4水体物理化学特性范围……………68
1.5.5食物网结构和生物多样性69
1.6水生态系统面临的胁迫…………………71
1.6.1水资源开发利用和水利水电工程71
1.6.2工业化和城市化…79
1.6.3农业与渔业………81
1.6.4矿业……………82
第2章河湖生态模型84
2.1河流生态系统研究框架84
2.1.1背景系统………………84
2.1.2生态要素………………………86
2.1.3范式和模型87
2.1,4管理战略和技术研发87
2.2河流生态模型概述……………87
2.2.1河流连续体概念88
2.2.2洪水脉冲概念89
2.2.3其他河流生态模型……93
2.2.4小结……………………95
2.3河流生态系统结构功能整体性概念模型96
2.3,1概述……………96
2.3.2河流4D连续体子模型98
2.3.3水文情势-河流生态过程耦合子模型100

2.3.4水力条件一生物生活史特征适宜性子模型……101
2,3.5地貌景观空间异质性-生物群落多样性关联子模型…103
2.3.6小结………………104
链接2.3.1赤水河地貌空间异质性对鱼类栖息地影响研究105
2.4湖泊生态系统模型………………113
2.4.1概述……………………113
2.4.2影响-负荷-敏感度模型……………114
2.4,3基于功能组的食物网模型……116
第2篇调查评价与生态要素分析计算
第3章河流湖泊调查与栖息地评价121
3.1河流湖泊调查与分析…121
3.1.1河流调查与分析………121
3.1.2湖泊调在与分析……………131
3.1.3河湖生物调查与分析……133
链接3.1.1瓯江生物调查137

3.2河流栖息地评价138
3.2.1概述……………………………………138
3.2.2河流栖息地评价方案编制原则140
3.2.3遥感影像分析143
3.2.4野外调查勘察方法………………146
3.2.5河流栖息地综合评价…………150
链接3.2.1水质生物学监测技术160
第4章生态要素分析与计算……………162
4.1生态水文分析162
4.1.1水文频率计算162
4.1.2设计洪水166
4.1.3低流量频率计算…168
4.1.4造床流量…………171
4.1.5水文情势变化与生态响应关系……173
4.2环境流计算177
4.2.1环境流概念178
4.2.2流量历时曲线分析法(FDC)181
4.2.3 Tennant法182
4.2.4湿周法183
4.2.5河流内流量增量法(IFIM)183
4.2.6基于自然水流范式的环境流185
4.2.7 EL0HA框架…………………………188

链接4.2.1美国密歇根州环境流标准………………192
链接4.2.2美国马萨诸塞州环境流标准……………194
4.2.8湖泊与湿地生态需水计算……196
4.3生态水力学计算………………199
4.3.1概述199
4.3.2生态水力学模型计算201
4.3.3栖息地适宜性分析…204
4.3.4水库水温计算207
4.4河道演变数值分析……………211
4.4.1泥沙数学模型概述………………211
4.4.2国外典型泥沙数学模型及软件…214
4.4.3河道演变及河型转化过程数值模拟.......219
4.5景观格局分析…………………220
4.5.1空间景观模式220
4.5.2景观空间异质性……………223
4.5.3景观分类………………………223

4.5.4景观格局分析方法…………………………………………224
4,5.5景观格局分析在水利水电工程中的应用228
4.5.6常用软件简介……232
第3篇生态修复工程规划设计
第5章水生态修复规划准则………………237
5.1规划设计的时空尺度……………237
5.1,1时间尺度237
5.1.2空间尺度238
5.1.3生态分区与规划单元…………238
5.2水生态修复目标和指标……240
5.2.1水生态修复定义………240
5.2.2河流生态系统现状描述和历史对比分析240
5,2,3河流生态状况分级系统……242
5.2.4河流生态修复目标定量化…246
5.3规划设计基本原则…………247
5.3.1协调发展原则247
5.3.2生态完整性原则……248
5.3.3自然化原则249
5.3.4自修复原则250
5,4流域生态修复工程优先排序251
5.4.1优先排序规划251

5.4.2优先排序准则253
5.4.3多准则优先排序法……………254
链接5.4.1多瑙河鱼类洄游连通性恢复规划255
5.5河湖生态修复措施和技术工具箱257
5.5.1河流生态修复技术工具箱……………257
5.5.2湖泊生态修复技术工具箱259
5.5.3河湖生态修复非工程措施工具箱260
5.6效益成本分析………262
5.7规划文本框架263
第6章河流廊道自然化工程…………265
6.1河流廊道自然化设计概要………………265
6,1.1河道管理理念的演变………265
6.1.2人类活动对河道的干扰………………………266
6.1.3河道自然化工程沿革……267
链接6.1.1“鲑鱼一2000计划”267
链接6.1.2美国基西米河修复工程…268

6.1.4河流廊道修复的标和任务…………269
6.1.5基本设计方法270
6.2河道自然化修复设计………271
6.2.1河道纵剖面设计…………………271
6.2.2蜿蜒型河道平面形态设计…………272
6.2.3自然型河道断面设计………275
6.2.4城市河道修复设计……282
6.2.5河岸稳定性分析…287
6.3自然型岸坡防护技术……292
6.3.1天然植物护岸292
6.3.2石笼类护岸298
6.3.3木材-块石类护岸303
6.3.4多孔透水混凝土构件…………305
6.3.5半干砌石307
6.3.6组合式护岸结构……307
6.3.7反滤层设计310
6.4河道内栖息地改善工程……312
6.4.1卵石群313
6.4.2树墩和原木构筑物…………314
6.4.3挑流丁坝316
6.4.4堰…320
6.5河漫滩与河滨带生态修复324

6.5.1概述324
6.5.2水域岸线保护红线……327
6.5.3河漫滩生态修复……329
6.5.4河滨缓冲带修复……332
6.5.5河滨带植被重建设计…334
链接6.5,1南昌市赣东大堤滨水空间营造……………339
第7章湖泊与湿地生态修复工程……………………342
7.1湖泊生态修复工程………342
7.1.1湖泊调查评价与修复目标………343
7.1.2湖泊流域污染控制……………………347
7.1.3湖泊内富营养化控制技术………350
7.1.4湖滨带生态修复………355
7,2湿地修复与重建工程……362
7.2.1概述…………………………363
7.2.2湿地调查…………364
7.2.3湿地修复目标和原则………367

链接7.2.1美国大沼泽地生态修复……………368
7.2.4河流湿地生态修复技术…………371
7.3湿地公园规划概要………………377
7.3.1概述…………………377
7,3.2湿地公园规划要点………378
7.3.3生态空间格局构建………380
7.3.4湿地公园营造技术……382
7.4人工湿地构建………………385
7.4.1概述……………………385
7.4.2表流人工湿地(FWS)……388
7.4.3潜流人工湿地(VSB)399
7.4.4人工湿地施工设计………………404
7.4.5人工湿地运行管理…………405
第8章河湖水系连通工程…………409
8.1概慨述409
8.1.13流4D连通性生态模型409
8.1.2河湖水系连通性损坏类型414
8.1.3恢复连通性的任务和措施415
链接8.1.1《鲟鱼2020一保护和恢复多瑙河鲟鱼计划》416
8.2连通性调查与分析…………………417
8.2.1连通性调查417
8.2.2连通性分析419

8.3恢复河湖水系连通性规划准则和图论方法419
8.3.1恢复河湖水系连通性规划准则……420
8.3.2基于图论的河湖水系连通性定量评价方法421
链接8.3.1扬州主城区河湖水系连通性评价分析424
8.4纵向连通性恢复………………429
8.4.1推进绿色小水电发展……………430
8.4.2大坝拆除430
8.4.3引水式电站闸坝生态改建435
链接8.4.1珠江三角洲河网区中顺大围闸泵调控计算分析441
8.5侧向连通性修复446
8.5.1恢复河湖连通446
8.5.2堤防后靠和重建………447
8.5.3连通河漫滩孤立湿地448
8.6垂向连通性恢复450
8.6.1垂向连通性的损害和恢复450
链接8.6.1济南市保护涌泉措施451

8.6.2低影响开发技术……452
8.7恢复连通性工程效果评估………464
8.7.1恢复河流-湖泊连通工程效果评估465
8.7.2恢复河流-河漫滩连通性工程效果评估466
第9章过鱼设施………………………467
9.1鱼类洄游与障碍物………467
9.1.1鱼类洄游467
9.1.2障碍物对鱼类洄游的影响………469
9.2恢复鱼类洄游通道规划要点…471
9.3鱼类保护方案及过鱼设施技术选择472
9.3.1洄游鱼类保护方案优化…472
9.3.2过鱼设施技术选择……………………473
9.4鱼道的一般技术规定……………476
9.5溯河洄游鱼类过鱼设施设计480
9.5.1旁路水道………480
9.5.2砾石缓坡483
9.5.3仿自然型鱼道水力计算…484
9.5.4堰孔组合式鱼道………486
9.5.5竖缝式鱼道490
9,5.6丹尼尔鱼道……………………495
9.5.7鱼闸、升鱼机和集运鱼系统498
9.6降河洄游鱼类保护措施……………500

9.6.1技术方案选择500
9.6.2机械屏蔽501
9.6.3行为屏藏502
9.6.4旁通系统502
9.6.5调整和替代方法……503
9.7监测与评估......503
9.7.1溯河洄游监测与评估503
9.7.2降河洄游监测与评估504
9.7.3监测评估规程505
链接9.7.1伊泰普水电站鱼道506
链接9,7.2大渡河安谷水电站过鱼设施……………………507
第10章兼顾生态保护的水库调度511
10.1概述……………511
10.2生态保护目标………………………511
10.3环境流过程线及多目标水库调度514
链接10.3.1三峡一葛洲坝梯级水库及下游河流的环境水流需求研究…516

10.4实施兼顾生态保护水库调度的适应性管理方法519
链接10.4.1三峡水库试验性生态调度519
链接10.4.2美国水库生态调度典型案例522
10.5水库分层取水……525
10.5.1下泄水体温度变化对鱼类的影响525
10.5.2水库分层取水设施...527
10.5.3分层取水结构设计527
10.5.4水库分层取水运行管理528
第11章河湖生态修复项目监测与评估531
11.1概述531
11.2监测与评估方案概要533
11.2.1提出生境-生物关系假定533
11.2.2确定监测范围533
11.2.3选择监测设计方法534
11.2.4选择监测参数536
11.2.5监测数据的质量控制537
11.2.6监测方案设计的风险、精度和置信度538
11.3河湖生态系统实时监测网络系统539
附表………541
参考文献………………551
中英文索引………558
后记……566

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