［美國(guó)］A.H.阿辛頓

大壩下游河道沖刷及水溫變化對(duì)生態(tài)的影響

［美國(guó)］A.H.阿辛頓

大壩在發(fā)揮各種效益的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)各種不利的影響。下游河道沖刷及分層型水庫(kù)下泄低溫水造成“冷水污染”，是給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響的重要方面。分析了下游河道沖刷造成支流下切、河道退化對(duì)動(dòng)植物影響的主要原因，并以南非的奧勒芬茲河和澳大利亞墨累-達(dá)令流域的河流為例，論述了冷水污染、下游過(guò)飽和氣體對(duì)魚(yú)類(lèi)造成的影響及相關(guān)國(guó)家正在研究和采取的措施。

水工建筑物;大壩;河道沖刷;水溫變化;環(huán)境影響

1 概述

大壩對(duì)河流具有最直接而明顯的調(diào)節(jié)作用，因?yàn)樗芤远喾N不同的方式蓄放枯季和洪水期的流量，并能改變河流的整個(gè)流態(tài)。天然流態(tài)的調(diào)節(jié)對(duì)河流泥沙的動(dòng)態(tài)特性、河床地貌、營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化換及其他化學(xué)工況、河流熱狀況、棲息地結(jié)構(gòu)和世界各地河流中水生和河岸物種的恢復(fù)都有極大影響。在一條特定的河流中，生態(tài)對(duì)河流流態(tài)的變化響應(yīng)，取決于河流流態(tài)的基本要素是如何隨該河的天然流態(tài)而變化的。由于河流流態(tài)的變化，不同地區(qū)同樣的人類(lèi)活動(dòng)可能會(huì)使某地原狀況發(fā)生不同程度的改變，因此造成的生態(tài)影響也就不盡相同。

2 大壩效益

每座壩都會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝土饔驙顩r、目的、設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式，以其特定的方式蓄水和泄水。例如，早在20世紀(jì)60年代，尼羅河上就建起了阿斯旺高壩，水庫(kù)為埃及約250萬(wàn)hm2的農(nóng)田提供灌溉用水，并極大緩解了埃及1979～1988年持續(xù)的旱情，以及1973年和1988年的洪澇災(zāi)害造成的影響。在美國(guó)，格林河上的弗萊明峽谷(Flaming Gorge)壩是美國(guó)西部最大的大壩之一，而格林河是猶他州科羅拉多河的一條主要支流。科羅拉多河蓄水工程借助于蓄水水庫(kù)，為科羅拉多河流域上游進(jìn)行配水和發(fā)電。弗萊明水庫(kù)是一個(gè)可供釣魚(yú)和輕潛水(自攜水下呼吸器的潛水)的極佳休閑娛樂(lè)地，從大壩可沿綠河的急流漂流而下。而在1963年弗萊明峽谷壩建成以前，河流曾多次經(jīng)歷春汛(來(lái)自雪融水)和秋冬(10月至次年3月)干旱。大壩建成后，由于削減了洪峰，旱澇頻度大為降低，發(fā)揮了防災(zāi)減災(zāi)效益。在發(fā)揮大壩生態(tài)效益、改變河流流態(tài)方面，科羅拉多河幾乎可以堪稱(chēng)典范。

3 大壩下游河道的沖刷

大壩修建后，雖然能發(fā)揮各種效益，但河道的水流條件也將隨之發(fā)生改變，涉及河道形狀和河床特性的地貌也會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整，通常包括河槽縮窄和刷深、平面形態(tài)的調(diào)整及伴隨著影響河床穩(wěn)定和河床粗化的內(nèi)河沙洲、岸灘和島嶼的開(kāi)發(fā)活動(dòng)。這些衍生而來(lái)的變化形式繁多，取決于大壩壩址、規(guī)模、用途、地貌環(huán)境、河流特性、大壩泄水策略和流量調(diào)節(jié)方式、河流泥沙特征及其利用率、后期蓄水時(shí)的泥沙輸移及特有的水流動(dòng)力特性等。大壩的這些影響可能會(huì)因河道對(duì)流域和河道內(nèi)其他地貌環(huán)境的響應(yīng)而變得復(fù)雜，如森林砍伐、岸棲植物清理、河床中原木的清除、放牧、城鎮(zhèn)化、渠化、筑堤、排水溝渠布設(shè)、清淤排沙填沙、設(shè)置橋洞橋涵、機(jī)動(dòng)游船娛樂(lè)、外來(lái)河岸和水生植物的侵入及捕捉河貍等。

由于大壩的攔沙作用，水庫(kù)的水會(huì)含有大量泥沙，給下游河段和棲息地結(jié)構(gòu)帶來(lái)許多嚴(yán)重的后果，而且這種影響可能會(huì)沿河流一路直到三角洲或河口。清水下泄，也可能帶走河道中更細(xì)的泥沙(即清水刷深)，造成河道刷深和河床降低(河床退化);相對(duì)輸入河流的泥沙量而言，這一過(guò)程反映了水流能量、剪切力或輸沙能力的過(guò)剩。河流退化會(huì)在數(shù)年時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致河床系統(tǒng)性降低，且可能對(duì)較長(zhǎng)的河段，甚至對(duì)單條河或整個(gè)河網(wǎng)造成影響，這是“打破河流系統(tǒng)平衡的一種典型特征”。

由于大壩下游河槽受到?jīng)_刷和下切，相應(yīng)的支流也難逃厄運(yùn)，這時(shí)支流可能因被沖刷而被迫前移，促使大壩下游的細(xì)泥沙荷載大增。例如密蘇里河干流上的大壩下游，因河道刷深，導(dǎo)致加里森(Garrison)壩下游數(shù)英里的河床平均高程降低3 m以上，而且沿密蘇里河眾多的支流都發(fā)生了沖刷下切。下切的原因主要?dú)w結(jié)于主河槽為滿足河床高程降低的要求而調(diào)整增大支流的坡降。

大壩下游河道退化，同時(shí)也使河流與灘區(qū)脫離了聯(lián)系，因?yàn)橹Я飨虑泻?，河水就無(wú)法達(dá)到漫過(guò)河岸的高程，沖入灘區(qū)。這樣，灘區(qū)也就失去了周期性注入地下水的水源，而且河床高程降低，河流水位下降，減少了對(duì)沖積含水層的補(bǔ)水量。為了維持含水層的水量，只得從弓形湖和濕地中補(bǔ)給。從地下水位來(lái)講，因某些物種非常喜愛(ài)地下水位高的地帶，另一些物種則喜愛(ài)低水位的地帶，而大壩泄向下游的水位變得更穩(wěn)定，改變了灘區(qū)地下水深范圍的天然變幅，使本來(lái)能促使灘區(qū)植物多樣性的特征發(fā)生了改變。還有一大影響是，由于河槽刷深引起河流退化，減少了河流走廊中河道的遷移和迂回曲折地?cái)[動(dòng)。當(dāng)河流不再能遷回到其原有范圍時(shí)，就制約了曲流下移、弓形湖及其他河槽旁和非河槽中棲息地的發(fā)展，對(duì)維持河流的生物多樣性造成影響。例如，在密蘇里河佩克堡(Fort Peck)壩的下游，由于河流水少，造成河床粗化，其年均擺動(dòng)速率已從每年7.5 m減小到1.8 m，而密蘇里河支流上的擺動(dòng)速率也隨之減小，造成白楊的再生速率下降。

泥沙沿河道的輸移和重新分布，表明沖淤兩過(guò)程之中是相互作用的，這兩過(guò)程都可能對(duì)岸棲植物造成影響，或是干擾已成形的植物，或是促成植物在盟生期和成熟期小片的移殖。泥沙沖積層可能會(huì)在植物葉片和根莖上沉積一薄層，減少光化合成作用并影響其生長(zhǎng)，而且泥沙還可能大量沉積，部分或完全地掩埋植物，使植物長(zhǎng)期受壓甚至死亡。植物偶然性的生根，繁殖生長(zhǎng)，很可能會(huì)從淤積的泥土中恢復(fù)出現(xiàn)，而局部被水源性泥沙所埋的植物，則會(huì)干擾岸區(qū)植物的正常發(fā)育、移植生長(zhǎng)及其存活過(guò)程。

4 大壩下游水溫的變化

河流熱狀況的特異性與專(zhuān)性的淡水生物，其整個(gè)生活周期在生態(tài)上是息息相關(guān)的，而河流熱狀況的整體性正如天然流態(tài)的整體性一樣重要。有了大壩，河流調(diào)節(jié)的熱效應(yīng)就會(huì)因壩的地理位置、大壩管理與運(yùn)行模式、泄水途徑和深度以及氣候和地理環(huán)境而發(fā)生改變。河流熱狀況的變化可能會(huì)延伸到壩下游較近或者極長(zhǎng)的距離，取決于與大氣的熱交換、支流在水文方面的補(bǔ)給和地下水補(bǔ)給，以及大壩水庫(kù)下泄流量的特征。在許多情況下，大壩下游的河流熱狀況變化較大，尤其是分層型水庫(kù)溫躍層(也即下層低淡水層)以下泄冷水時(shí)更是如此，這時(shí)往往會(huì)發(fā)生缺氧情形，且受納河流的水溫比正常情況下更低。冷水的河流熱狀況是通過(guò)從單一深處下層滯水層出口閥門(mén)或出流口(往往與水力發(fā)電有關(guān))泄水，或從不同水庫(kù)深度有選擇性地抽水而形成。

河流正常的熱狀況出現(xiàn)溫度下降的特征往往被稱(chēng)為“熱”(thermal)或“冷水污染”，因?yàn)樵诖合膬杉?，水溫一般地要比明流河道中的水低得多。然而在冬季月份，大壩運(yùn)行一般則有相反的效應(yīng)，即從上游或水庫(kù)庫(kù)面溫水層(溫躍層以上)向下游泄水，提高相對(duì)天然河流狀況的水溫。

例如，學(xué)者萊薩德和哈耶斯發(fā)現(xiàn)，夏季大壩下游的河水溫度平均上升2.7℃，水溫降溫不會(huì)超過(guò)10℃，升溫不會(huì)超過(guò)5.5℃。

由于水生昆蟲(chóng)和魚(yú)類(lèi)接收的是晝長(zhǎng)和日度總和同時(shí)出現(xiàn)的綜合信息，水庫(kù)向下游泄放較冷的水，就會(huì)對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的生活史過(guò)程、魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵習(xí)性及其成功率造成影響。有研究表明，河流熱模式的改變和晝長(zhǎng)信息的變化不僅會(huì)擾亂昆蟲(chóng)的顯露型式，還會(huì)減少群體性的活動(dòng)。與水電站大壩相關(guān)的水庫(kù)泄放冷水，對(duì)某些魚(yú)種來(lái)說(shuō)，可能會(huì)滯后產(chǎn)卵期達(dá)30 d。以下列出了水庫(kù)泄放冷水對(duì)魚(yú)類(lèi)造成影響的兩個(gè)實(shí)例。

(1)水溫變化帶:奧勒芬茲(Olifants)河。在南非的奧勒芬茲河，從克蘭威廉(Clanwilliam)水庫(kù)泄放的水溫溫差，對(duì)克蘭威廉黃花魚(yú)的成功產(chǎn)卵至關(guān)重要。水庫(kù)的試驗(yàn)性放水表明，湖面溫水層新鮮溫水(19～21℃)能激發(fā)魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵習(xí)性，促使其向產(chǎn)卵場(chǎng)洄游，而在水庫(kù)試驗(yàn)性的暴漲后立即泄放下層基流帶(16～18℃)的冷水，則魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵活動(dòng)當(dāng)即夭折。本研究表明，水溫必須在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵后持續(xù)維持一段時(shí)間的溫水水平，以支持黃花魚(yú)胚胎和幼體的發(fā)育及生長(zhǎng)，也就是說(shuō)，水庫(kù)下層滯水帶向下游泄水，可能會(huì)引起大壩下游相當(dāng)長(zhǎng)河段內(nèi)的易危物種無(wú)法適應(yīng)而消失。

(2)水溫變化帶:墨累-達(dá)令流域。在澳大利亞?wèn)|南部的墨累-達(dá)令流域，夏季如果河流水溫降低，其效應(yīng)會(huì)延伸到諸如馬蘭比季河、麥格里河、米塔米塔河、納莫伊河、墨累河等眾多大江河大壩下游數(shù)百公里的范圍。在奇皮特(Keepit)壩下游的納莫伊河，由于最高水溫降低，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，造成了淡水石首魚(yú)產(chǎn)卵成功率下降25％～70％，金鱸相對(duì)于建壩前的年份下降了44％～87％。在類(lèi)似的研究中也作過(guò)預(yù)測(cè)，即從米塔米塔河上的達(dá)特茅斯(Dartmouth)水庫(kù)向壩下游泄放冷水，則使最小平均雌性種群規(guī)模減少約76％，對(duì)墨累河中鱈的產(chǎn)卵后期存活率構(gòu)成很大的威脅。

學(xué)者奧爾登和奈曼作出了下列結(jié)論:大壩下游熱狀況變化特性及其影響評(píng)估對(duì)眾多的難以評(píng)估水文變化的同類(lèi)問(wèn)題是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。還有人嘗試性地探索過(guò)水流及其熱狀況變化對(duì)大壩下游魚(yú)群潛在的個(gè)性影響及其相互作用。

5 大壩下游的過(guò)飽和氣體

在大壩下游相當(dāng)長(zhǎng)的河段內(nèi)水溫降低，不僅會(huì)破壞河流的自然熱狀況，還可能影響到泄放到下游的水的化學(xué)成分和水動(dòng)力特性。大型分層型水庫(kù)(水體的垂直方向上出現(xiàn)溫度分布不均的現(xiàn)象)可能會(huì)生成下層缺氧狀態(tài)的滯水層。缺氧層并不是人們所希望的，因?yàn)橄聦訙畢^(qū)形成缺氧環(huán)境，會(huì)制約生物棲息地的利用，還可能導(dǎo)致整個(gè)水庫(kù)和壩下游的水質(zhì)退化。大量魚(yú)群的死亡，其主要原因就是因?yàn)樗畮?kù)下層缺氧狀態(tài)的水體泄到下游所致。

魚(yú)類(lèi)死亡也可能是由于過(guò)飽和氣體(特別是過(guò)飽和氮)加上大壩下游致命的魚(yú)類(lèi)氣泡病所造成。水電站設(shè)施在泄放或涌出大量含氣體水流時(shí)，水中常出現(xiàn)過(guò)飽和的溶解氣體。人們可以看到，水電站消力池的壓力是隨水深而增大的，這種壓力將大氣氣體壓入水體中，形成過(guò)飽和溶解氣體。水體中的過(guò)飽和氣體因地而異，在較深的水塘或非紊流河段，有效氣體耗散量比淺水處要少，湍急的河段則易于自然耗散氣體。為此，人們一直在努力解決水電站大壩下游的這些問(wèn)題。美國(guó)環(huán)保署于1977年制定了一項(xiàng)飽和度為110％的溶解氣體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，人們已設(shè)計(jì)出了各種設(shè)施來(lái)改變水流的動(dòng)力特性，降低過(guò)飽和氣體水平。

盡管這個(gè)老問(wèn)題在諸多的壩下游都存在，但新建的壩也仍持續(xù)有這樣的問(wèn)題。隨著“西電東送”工程的實(shí)施，中國(guó)已建成和正在建設(shè)許多水電站高壩，如紫坪鋪壩、溪洛渡壩、向家壩電站、錦屏電站等等，而且還規(guī)劃有許多高于200 m的大壩。中國(guó)的開(kāi)發(fā)者們一直致力于新老問(wèn)題的研究，包括改善氣體過(guò)飽的問(wèn)題，以保護(hù)中國(guó)西部河流中的大量本土魚(yú)種。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)大壩在發(fā)揮各種效益的同時(shí)，因下游水流條件改變，會(huì)導(dǎo)致河道形狀和河床特性的地貌特征出現(xiàn)調(diào)整。

(2)大壩下游河槽受到水流沖刷時(shí)，支流可能因被沖刷而被迫前移;因主河槽河床高程受沖刷降低，只得通過(guò)增大支流坡降進(jìn)行調(diào)整，這時(shí)支流會(huì)發(fā)生相應(yīng)的下切。這種河流的退化，會(huì)給下游生態(tài)帶來(lái)一系列影響。

(3)大壩下游的河流熱狀況變化較大，尤其是分層型水庫(kù)溫躍層以下泄放冷水時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)“冷水污染”，可能造成下游魚(yú)類(lèi)無(wú)從適應(yīng)，甚至死亡。據(jù)報(bào)道，一項(xiàng)具有創(chuàng)新性的溫控帷幕工程得到了澳大利亞“新南威爾士州河流環(huán)境修復(fù)計(jì)劃”的支助，其特點(diǎn)是溫控帷幕能上下浮動(dòng)，緊貼在水位下方，能使溫度高的水層經(jīng)由泄流閥匯入下游河道，由此減小水溫溫差，緩解冷水污染。

(4)大壩下游相當(dāng)長(zhǎng)的河段內(nèi)水溫降低，還可能導(dǎo)致下層滯水區(qū)形成缺氧環(huán)境，制約生物棲息地的利用，甚至造成壩下游的水質(zhì)退化，應(yīng)引起高度重視。

(郭欣 付湘寧 編譯)

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2015-11-02