林育青,馬君秀,陳求穩(wěn)

(1.南京水利科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究中心,江蘇 南京 210029; 2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

拆壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響及評(píng)估方法綜述

林育青1,馬君秀2,陳求穩(wěn)1

(1.南京水利科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究中心,江蘇 南京 210029; 2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

為研究拆壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成的影響,從短期和長(zhǎng)期兩個(gè)時(shí)間尺度綜合分析了河流水文情勢(shì)、地形地貌、岸邊帶植物、魚類和底棲動(dòng)物等關(guān)鍵生態(tài)因子對(duì)拆壩的響應(yīng),并總結(jié)了目前拆壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的兩種主要評(píng)估方法。認(rèn)為根據(jù)實(shí)際拆壩情況進(jìn)行評(píng)估和基于數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)測(cè)兩種評(píng)估方法中,實(shí)地觀測(cè)是最直接、最有說服力的研究方法,但受成本和一些不可控因素限制;數(shù)值模擬具有速度快、費(fèi)用低、無比尺影響等優(yōu)點(diǎn),可對(duì)拆壩影響進(jìn)行預(yù)測(cè),為管理者提供參考,但精度和準(zhǔn)確性有待提高。指出后續(xù)研究中應(yīng)綜合考慮拆壩過程中各生態(tài)因子間的耦合效應(yīng),需對(duì)不同拆壩時(shí)機(jī)和分階段拆壩方式對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響進(jìn)行深入研究。

拆壩;河貌演變;岸邊帶植物;魚類棲息地;底棲動(dòng)物;評(píng)估方法

我國(guó)已建大壩約9.8萬座,但均以小型水壩為主[1],這些水壩大多數(shù)是特殊年代、特殊條件下的產(chǎn)物,普遍存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量差、后期工程管理與運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足等問題,隨設(shè)計(jì)年限臨近,安全隱患日益突出[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2013年底,我國(guó)存在病險(xiǎn)水庫(kù)大壩總數(shù)達(dá)4萬余座,目前雖然部分大壩已采取除險(xiǎn)加固措施,但仍有相當(dāng)數(shù)量的小型病險(xiǎn)水庫(kù)大壩,這些小型病險(xiǎn)水庫(kù)不僅不能正常發(fā)揮效益,而且面臨較高的安全風(fēng)險(xiǎn),逢汛期水庫(kù)出險(xiǎn)、潰壩事故頻繁發(fā)生。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,很多大壩工程老化失修嚴(yán)重,除險(xiǎn)加固壓力不斷增大[3],其加固和維修費(fèi)用遠(yuǎn)超大壩產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益,據(jù)湖北省水利廳堤防處統(tǒng)計(jì),每座小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固費(fèi)用約需200萬元;而大壩拆除費(fèi)用一般少于除險(xiǎn)加固費(fèi)用,據(jù)統(tǒng)計(jì),拆除費(fèi)用是安全修復(fù)費(fèi)用的1/5～1/2[4-5]。此外,許多大壩下游風(fēng)險(xiǎn)區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)都比建庫(kù)時(shí)大幅增長(zhǎng),一旦潰壩造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失不可估量。從環(huán)境方面考慮,筑壩蓄水導(dǎo)致河流水動(dòng)力條件發(fā)生變化,流速減慢使大量泥沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在庫(kù)區(qū)滯留,阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向下游輸送,改變了下游河流生態(tài)系統(tǒng)的物種構(gòu)成[6];而小型水庫(kù)一般未建設(shè)魚道、升魚船、集魚機(jī)等裝置,大部分洄游魚類無法越過水壩到上游產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)卵,對(duì)魚類的生長(zhǎng)繁殖造成極大危害[7]。

因此,從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)出發(fā),針對(duì)某些安全問題突出、經(jīng)濟(jì)效益差、生態(tài)環(huán)境影響惡劣的小型水壩,實(shí)施報(bào)廢拆除是消除其安全隱患、發(fā)揮相應(yīng)效益的一種必要管理措施。目前美國(guó)針對(duì)拆壩開展了很多相關(guān)研究,如Doyle等[8]研究了拆壩后上下游河道演變;Shafroth等[9-10]研究了拆壩對(duì)岸邊帶植物的影響;Stanley等[11]對(duì)拆壩后底棲動(dòng)物群落變化進(jìn)行了研究。我國(guó)在這方面研究較少,只有少數(shù)學(xué)者如王若男等[4,12]對(duì)美國(guó)拆壩現(xiàn)象做過統(tǒng)計(jì)分析,向衍等[13-14]定性描述了某些生態(tài)變量的變化,缺乏系統(tǒng)的拆壩研究。為制定有效的大壩拆除方案,保證拆壩的實(shí)施效果,恢復(fù)河流生態(tài)健康,亟需研究拆壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。本文綜合分析了拆壩對(duì)河流水文情勢(shì)、地形地貌、岸邊帶植物、魚類和底棲動(dòng)物等關(guān)鍵生態(tài)因子的影響,總結(jié)了幾種主流評(píng)估方法及其適用情況,為我國(guó)拆壩研究及工程應(yīng)用提供理論參考。

1 拆壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

大壩建設(shè)改變了河流原有的生態(tài)環(huán)境,大壩拆除將打破新建立的生態(tài)平衡,改變上下游河流生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境,主要體現(xiàn)在河流非生態(tài)變量及生態(tài)變量變化兩個(gè)方面(非生態(tài)變量指流域水文、水量、水情、泥沙、水質(zhì)、地貌、河道形態(tài)、下層地層構(gòu)造、區(qū)域氣候等流域特征,生態(tài)變量指食物鏈中的生產(chǎn)者及消費(fèi)者)。河流非生態(tài)變量與生態(tài)變量的變化相互聯(lián)系、相互作用,這種變化依據(jù)影響深度可分為3個(gè)等級(jí),拆壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的作用首先從對(duì)非生態(tài)變量的影響開始,即第1級(jí)影響,第1級(jí)影響所產(chǎn)生的變化又與第2級(jí)影響(即對(duì)流域地形地貌和初級(jí)生產(chǎn)者的影響)有關(guān),進(jìn)而產(chǎn)生第3級(jí)影響(對(duì)食物鏈中消費(fèi)者的影響)。這種相互作用過程的復(fù)雜性從第1級(jí)到第3級(jí)逐步提高。

拆壩后短期內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)受到強(qiáng)烈擾動(dòng),拆壩將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一些不利影響,但長(zhǎng)期看拆壩將使河流重回天然狀態(tài),對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)變化是有利的,主要表現(xiàn)在河道基本的水文情勢(shì)和水力條件變化、庫(kù)區(qū)泥沙下泄造成的上下游河道變化、水流與洪泛區(qū)的再次連接引起的岸邊植物群落多樣性變化、床質(zhì)改變引起的生物棲息地變化和河流連通性恢復(fù)造成的魚類種群變化等方面。

1.1 對(duì)水文情勢(shì)和水力條件的影響

水流是河流基本特性的控制因子,筑壩改變了河流基本水文情勢(shì),包括河道徑流、水位、水溫以及地下水變化。筑壩首先改變河道徑流的年內(nèi)分配和年際分配,其對(duì)徑流調(diào)節(jié)的總體特征表現(xiàn)為汛期洪峰削減,枯、中水期流量增大,平水期延長(zhǎng),流量過程的起伏變小,一些小的洪水過程甚至消失。建壩后,水庫(kù)下游河段由于庫(kù)區(qū)的調(diào)洪作用自然水位變化趨于穩(wěn)定,不再隨流域降水量而變化[15]。同時(shí)筑壩蓄水減弱了水體紊動(dòng)摻混作用,庫(kù)區(qū)水溫分層現(xiàn)象發(fā)生,夏季庫(kù)區(qū)水深越深,溫度越低,庫(kù)區(qū)表層的水溫則由于太陽輻射相對(duì)較高,下游河道因下泄水體位于水庫(kù)底部,溫度相對(duì)較低。河流水文條件的改變也會(huì)影響到地下水的水位、水質(zhì)等,建壩后上游水庫(kù)蓄水使其周圍地下水水位抬高,同時(shí),筑壩也減少了壩下游地區(qū)地下水的補(bǔ)給來源,致使下游地下水水位下降。

水庫(kù)大壩拆除后,短期內(nèi)水庫(kù)回水效應(yīng)和頂托作用消失,上游河道的水力坡度增大,泄流能力增加,流速加快,水位降低,同時(shí)下游流量增大,水位升高。水流趨于穩(wěn)定后,因障礙物的去除，河道徑流恢復(fù)到天然狀態(tài),汛期流量增大,平、枯水期流量相應(yīng)減小,下游洪水調(diào)控能力消失,水位變化幅度增大,河漫灘重新經(jīng)歷天然洪水過程。水溫分層現(xiàn)象因水流混摻作用增強(qiáng)而消失,河道水溫趨于一致。而地表水文過程的變化也會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生一定的影響,上游庫(kù)區(qū)地下水水位降低,而下游地下水水位顯著升高[16]。

1.2 對(duì)河床地貌的影響

圖1 概念性渠道演變模型[8]

泥沙輸運(yùn)直接影響河床地貌,筑壩阻隔了泥沙輸運(yùn),導(dǎo)致大量泥沙在庫(kù)區(qū)淤積,下游河段輸沙量顯著減少。拆壩后,庫(kù)底泥沙運(yùn)動(dòng)的障礙去除,庫(kù)區(qū)靜水條件向動(dòng)水條件的轉(zhuǎn)化為庫(kù)底泥沙沖刷提供了動(dòng)力,水流挾沙能力增強(qiáng),泥沙釋放引起上下游河道迅速調(diào)整,短期內(nèi),上游河道調(diào)整遵循Doyle提出的概念性渠道演變模型(CEM)(圖1)[8]。CEM將拆壩過程中上游河道演變定性描述為6個(gè)階段:①壩未拆除時(shí),大量泥沙儲(chǔ)存在水庫(kù)中不受擾動(dòng)(圖1(a));②壩剛拆除時(shí),水面迅速下降但水庫(kù)沉積物仍未受干擾,此階段河道寬且淺,流速較小(圖1(b);③第3階段(圖(c))河床沖刷剝蝕占主導(dǎo)地位,渠道河床下切侵蝕,水流集中,河道變窄加深,流速較大,上游發(fā)生溯源侵蝕,大量表層細(xì)粒泥沙從水庫(kù)中釋放,河床降低;④當(dāng)河床沖刷下切到一定深度,超過臨界岸灘崩塌高度時(shí),岸灘崩塌引起河道加寬,標(biāo)志第4階段開始(圖1(d)),粗細(xì)顆粒泥沙同時(shí)被輸送到下游;⑤第5階段(圖1(e))由于側(cè)向和垂向河道調(diào)整,局部比降減小,上游河道侵蝕的泥沙在下游沉積,河床抬高,岸灘高度減小,庫(kù)區(qū)潛水位降低,河岸侵蝕減小;⑥第6階段(圖1(f))河道達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)[8]。下游河道由于輸沙量增加,河床高程抬高,細(xì)顆粒泥沙沉積在下游較遠(yuǎn)處,形成極易被侵蝕的洪泛區(qū),沙壩規(guī)模和數(shù)量增加[17]。總的來說,拆壩后上游河道下降,河床粗化,下游河道抬高,河床細(xì)化[18]。長(zhǎng)期而言,拆壩再次恢復(fù)河流泥沙輸運(yùn)功能,將促進(jìn)河道形態(tài)的多樣性。

拆壩后很多河道調(diào)整需要1～5 a達(dá)到新的平衡狀態(tài),同時(shí)大壩上游河道演變受庫(kù)區(qū)泥沙特性(比如粒徑尺寸、黏結(jié)性、固結(jié)水平、垂直分層等因素)和拆壩方式的影響,上游侵蝕過程的變化強(qiáng)烈控制下游河道調(diào)整的速率和量級(jí)[19]。拆壩后砂卵石沉積層侵蝕量大于細(xì)粒泥沙沉積層侵蝕量,黏性沙比無黏性沙侵蝕速度更慢,泥沙垂直分層對(duì)溯源侵蝕過程有重要影響,分層或黏性沙侵蝕過程中形成階梯式裂點(diǎn),分階段拆壩會(huì)減少庫(kù)區(qū)泥沙侵蝕量,減小沉積物輸出速率,降低上游溯源侵蝕程度[20]。同時(shí)拆壩后一些極端洪水事件也會(huì)推進(jìn)河道演變過程,重新調(diào)整泥沙和地貌狀態(tài),促進(jìn)泥沙輸運(yùn)到下游[21]。

1.3 對(duì)岸邊帶植物的影響

岸邊帶植被的主要功能包括維護(hù)河岸穩(wěn)定性,促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán),凈化水質(zhì),減弱洪水,調(diào)節(jié)流量,調(diào)節(jié)水溫、氣溫、土壤溫度,為動(dòng)植物提供避難所等。筑壩后水位變化導(dǎo)致河岸生物量和植物多樣性發(fā)生顯著變化,水壩上游形成淺水庫(kù)灣,河岸帶出現(xiàn)較多的濕生物種,而下游因大壩阻礙了繁殖體的有效擴(kuò)散、沉淀、定植與生長(zhǎng),僅有少部分繁殖體通過水流傳播到下游,導(dǎo)致下游植物主要來源于本地種子庫(kù)而不是區(qū)域種子庫(kù);同時(shí)大壩對(duì)沉積物的阻隔和沉淀作用使得下游河道變窄,最終引起沿河分布的植物生物量增加,群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,物種多樣性減少[22]。

拆壩對(duì)植物的影響分不同時(shí)間尺度考慮,短期內(nèi),拆壩后上游因庫(kù)區(qū)水位下降,大量水生植物如睡蓮、萵苣、水葫蘆等向河段下游漂流,上游河道浮游性植物大大減少;同時(shí),泥沙沖刷對(duì)大型植物根莖產(chǎn)生破壞,一些小型植物可能被淤沙覆蓋而死亡。長(zhǎng)期來看,大壩拆除后河流恢復(fù)自然流動(dòng)狀態(tài),下游河流岸棲和水生棲息地重新連接,對(duì)洪泛區(qū)依賴周期性洪水生長(zhǎng)和繁殖的植物群落產(chǎn)生有利影響,濕生植物逐漸取代水生植物種群,同時(shí)泥沙輸運(yùn)到下游為植物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分,給生物群落提供良好的生存環(huán)境,增加河流沿岸的植被多樣性[23]。上游排干庫(kù)區(qū)底部因具有裸露、潮濕、營(yíng)養(yǎng)豐富、種子庫(kù)貧乏等特性,雜草類植物快速集群,同時(shí)這些雜草類植物因繁殖能力強(qiáng)、種子產(chǎn)量高、傳播效率高而會(huì)對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長(zhǎng)期重要影響[9]。

拆壩時(shí)間對(duì)植物生長(zhǎng)繁殖也具有一定的影響,拆壩初期(泥沙大量下泄時(shí)期)發(fā)芽生長(zhǎng)的生物體會(huì)受到嚴(yán)重破壞,而泥沙初步穩(wěn)定階段生長(zhǎng)繁殖的生物體存活率最大,后期建群的生物體可能會(huì)受到種間競(jìng)爭(zhēng)作用的影響存活率降低。因此植物集群的順序、連續(xù)性以及最終群落結(jié)構(gòu)受到拆壩時(shí)間的明顯影響[10]。

1.4 對(duì)魚類和底棲動(dòng)物的影響

魚類是筑壩和拆壩河流生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的標(biāo)志,筑壩破壞了河流連通性,阻止洄游性魚類遷移;同時(shí)魚類棲息地的特性由地形地貌特征、水文水質(zhì)特征和氣象條件共同決定,筑壩對(duì)這三者造成的影響和相互作用將導(dǎo)致棲息地發(fā)生變化,最終影響魚類分布[24]。拆壩在短期內(nèi)對(duì)魚類產(chǎn)生不利影響,水流濁度增加可能導(dǎo)致魚類傷亡,同時(shí)拆壩時(shí)水位迅速下降將會(huì)導(dǎo)致下游水體中溶解氣體濃度超飽和,增加魚類得氣泡病的可能。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,拆壩恢復(fù)了河流連通性,洄游性魚類可從下游遷移到上游的棲息地,在原來的蓄水區(qū)定居,促進(jìn)洄游性魚類的繁殖[25]。美國(guó)肯納貝克河上的愛德華茲大壩的拆除重新連接了河流和海洋,一些被大壩阻隔的濱海魚類進(jìn)入到先前不能到達(dá)的水庫(kù)蓄水區(qū),促進(jìn)了許多區(qū)域種如斑紋鱸魚、大西洋短鼻鱘魚、胡瓜魚、美洲西鯡魚和黑尾青魚的生長(zhǎng)繁殖,物種數(shù)量顯著增加[26]。對(duì)于缺少魚道設(shè)施的大壩,拆壩可減少過魚過程中渦輪卷吸作用造成的傷亡[27]。同時(shí),拆壩后水庫(kù)湖泊型生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿魃鷳B(tài)環(huán)境,淺灘、彎道、急灘河段增多,造成魚類棲息環(huán)境發(fā)生變化,湖泊靜水型的魚類逐漸被河流流動(dòng)型的魚類所取代,如美國(guó)一些地區(qū),大麻哈魚、鮭魚和鱘魚等流動(dòng)型魚類因大壩拆除數(shù)量大幅增加[26]。

此外,拆壩后魚類種群恢復(fù)時(shí)間與其生物限制類型相關(guān)聯(lián)。僅受遷移限制的魚類,拆壩后1 a內(nèi)種群基本恢復(fù),但受棲息地限制的魚類,種群恢復(fù)需要3 a乃至更長(zhǎng)時(shí)間,因?yàn)檫@些物種恢復(fù)需要河流地貌變化提供適宜的棲息地環(huán)境,如美國(guó)Milwaukee河中小口黑鱸(受棲息地限制的魚類)與鯉魚(僅受遷移限制的魚類)相比,其種群恢復(fù)時(shí)間要多出3 a[28]。

底棲動(dòng)物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與河流環(huán)境因子密切相關(guān),其中河床底質(zhì)是最重要的影響因素之一,是底棲動(dòng)物生長(zhǎng)、繁殖等一切生命活動(dòng)的必備條件。底質(zhì)粒徑的大小、表面結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)組成的影響顯著[29]。拆壩后庫(kù)區(qū)沉積物的釋放將改變河流形態(tài)及河床底質(zhì),進(jìn)而改變底棲動(dòng)物的群落,上游河道侵蝕下切,河床粒徑粗化,可能增加底棲動(dòng)物密度,而下游河道淤積抬升,同時(shí)河床細(xì)化則會(huì)減小底棲動(dòng)物密度及多樣性[30]。

拆壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)生態(tài)因子的影響既存在差異又相互聯(lián)系,拆壩后動(dòng)植物種群恢復(fù)最終取決于棲息地物理環(huán)境的恢復(fù),而棲息地環(huán)境恢復(fù)受地貌調(diào)整速率的影響。因此,動(dòng)植物群落恢復(fù)時(shí)間比地貌恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng),拆壩1 a內(nèi)大幅度的地貌演變基本完成,以后可能發(fā)生微小調(diào)整;其次恢復(fù)的是底棲動(dòng)物和魚類,棲息地一旦恢復(fù),底棲動(dòng)物因其生命體周期短將迅速繁殖,與底棲動(dòng)物相比,魚類恢復(fù)較慢;恢復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)的一般是植物,岸邊帶草類集群演變到喬木類集群需要至少5 a時(shí)間。

2 拆壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的評(píng)估方法

在定性理解拆壩生態(tài)影響的基礎(chǔ)上,定量評(píng)估拆壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響更加重要,比如評(píng)估預(yù)測(cè)拆壩后淤沙無控釋放造成的河道演變、流態(tài)變化對(duì)動(dòng)植物棲息地影響等。目前評(píng)估拆壩生態(tài)影響有3種方法:根據(jù)實(shí)際拆壩情況進(jìn)行評(píng)估;根據(jù)現(xiàn)存大壩情況進(jìn)行評(píng)估;根據(jù)理論模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 對(duì)河流地貌影響的評(píng)估方法

河流地貌過程決定河流形態(tài),進(jìn)而決定河流生物的生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)。河流地貌多樣性是生物棲息地多樣性及河流健康的重要指標(biāo)之一,河道形態(tài)是河流棲息地結(jié)構(gòu)的主要控制因素,地貌過程如河岸侵蝕、泥沙沉積對(duì)動(dòng)植物棲息地有重要的生態(tài)學(xué)意義。

評(píng)估拆壩對(duì)地貌的影響主要應(yīng)用實(shí)地監(jiān)測(cè)、物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬3種方法。實(shí)地監(jiān)測(cè)方法通過選取大壩上下游典型研究斷面,同時(shí)在上游未受干擾段選取參考斷面,在拆壩前后按時(shí)間順序測(cè)量地形,將前后地形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,用斷面法定量估算泥沙侵蝕沉積體積,以縱斷面深泓線變化表示河道侵蝕沉積具體位置。同時(shí)采集河道床沙、懸沙進(jìn)行泥沙顆粒級(jí)配指標(biāo)分析,研究河道典型橫斷面的泥沙粒徑變化。如Magilligan等[31-33]對(duì)一些拆壩案例進(jìn)行拆后實(shí)地監(jiān)測(cè),所得結(jié)論驗(yàn)證了Doyle概念性河道演變模型的全部過程。

實(shí)地監(jiān)測(cè)需要拆壩前后長(zhǎng)序列數(shù)據(jù),受很多因素限制,須結(jié)合其他輔助方法如模型預(yù)測(cè)、物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析,如Doyle等[34-35]用岸坡穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)拆壩后水庫(kù)侵蝕的最大深度;Cantelli等[36-37]用物理實(shí)驗(yàn)分析河道下切侵蝕到沉積層的寬度;Rumschlag等[18,38-40]用HEC-RAS模型模擬泥沙輸運(yùn)動(dòng)態(tài)及侵蝕沉積位置,預(yù)測(cè)河道未來形態(tài)、寬度、深度和坡降等。

實(shí)地監(jiān)測(cè)地形和泥沙的變化受當(dāng)?shù)貤l件影響,包含很多不可控因素,缺乏普適性,但能直觀反映拆壩后河槽演變形態(tài),同時(shí)為模型預(yù)測(cè)提供可靠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。物理實(shí)驗(yàn)一般用來探究局部變量的影響,如壩體本身屬性(類型、尺寸、材料等)、沉積物屬性(尺寸、形狀、密度、黏聚力等)和拆壩方式對(duì)庫(kù)區(qū)沉積物釋放機(jī)制和速率以及拆壩河道演變的影響,為具有共性的一些壩體拆除提供參考。數(shù)值模型則主要服務(wù)于決策者,以便提出更好的泥沙處置策略和拆后修復(fù)措施,目前拆壩泥沙輸運(yùn)模型大多是一維的,僅考慮了縱向河床高程變化,而河道橫向拓寬也是重要的演變模式,因此二維模型和三維模型可能更適用于分析拆壩后河流地貌演變。

2.2 對(duì)岸邊帶植物影響的評(píng)估方法

定量評(píng)估拆壩對(duì)岸邊帶植物影響的傳統(tǒng)實(shí)地監(jiān)測(cè)方法主要涉及植被蓋度、植被豐富度、群落多樣性、生物量以及本土植被覆蓋率等指標(biāo)。通常選取樣帶斷面進(jìn)行植被調(diào)查采樣,計(jì)算植被蓋度、植被多樣性指數(shù)、本土植被覆蓋率等,結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析方法得出拆壩前后植被差異程度及其主要影響因素。如Orr等[41]利用統(tǒng)計(jì)方法調(diào)查了美國(guó)威斯康星州30個(gè)拆壩地點(diǎn)植被監(jiān)測(cè)情況,研究表明所有地點(diǎn)植被廣泛覆蓋而幾乎無裸露空地,最初植被恢復(fù)需要1個(gè)月并保持高覆蓋率,新拆壩地點(diǎn)禾草和雜草類占主導(dǎo)地位,喬木類在老拆壩地點(diǎn)大量集群,說明喬木群落的生長(zhǎng)與拆壩年限顯著相關(guān),同時(shí)物種多樣性和拆壩年限正相關(guān)。數(shù)值模型預(yù)測(cè)方法將水動(dòng)力模型和植物模型進(jìn)行耦合,利用水動(dòng)力模型模擬拆壩水流流場(chǎng),同時(shí)結(jié)合植物內(nèi)在生長(zhǎng)機(jī)理,預(yù)測(cè)拆壩后岸邊帶植物生長(zhǎng)分布情況。例如Kim等[17]采用數(shù)值模擬方法,用洪水水位對(duì)應(yīng)岸邊帶植物死亡,用常水位對(duì)應(yīng)岸邊帶植物入侵、生長(zhǎng)和繁殖情況,得出拆壩后1 a內(nèi)草類植物集群,10 a后喬木類數(shù)量增長(zhǎng),并用韓國(guó)Gongreung河拆壩案例進(jìn)行了驗(yàn)證。

傳統(tǒng)方法能夠獲得比較準(zhǔn)確的植物物種樣點(diǎn)數(shù)據(jù),是研究植被分布的基礎(chǔ),但是耗時(shí)、耗力，且由于區(qū)域內(nèi)地形地貌的限制,某些地方無法到達(dá),所以僅適用于有限的小空間尺度研究區(qū)域。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,使得高效獲取大范圍長(zhǎng)序列植被數(shù)據(jù)成為可能,地理信息系統(tǒng)具備超強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)分析能力,能夠作為拆壩前后植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)分析的有力工具,通過提取不同年份的遙感影像,能直觀、快速地反映植被的時(shí)空變化規(guī)律。此外,數(shù)值模型預(yù)測(cè)方法方面除了耦合水動(dòng)力模型和植物模型外,未來研究還可以考慮構(gòu)建拆壩的CA-Markov(元胞自動(dòng)機(jī)-馬爾可夫)模型,預(yù)測(cè)研究區(qū)域岸邊帶植被未來的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),因CA模型主要關(guān)注元胞局部的相互作用,因此可以利用拆壩后植物生長(zhǎng)的先后順序和種間作用機(jī)制制定相應(yīng)的元胞相互作用規(guī)則,結(jié)合Markov模型在預(yù)測(cè)狀態(tài)變化方面的優(yōu)勢(shì),模擬拆壩后岸邊帶植物分布的時(shí)空變化[42]。

2.3 對(duì)魚類和底棲動(dòng)物影響的評(píng)估方法

定量評(píng)估拆壩對(duì)魚類的影響可從種群結(jié)構(gòu)和棲息地兩方面進(jìn)行。通過斷面電擊取樣,記錄魚類數(shù)量、質(zhì)量、種類、尺寸等,計(jì)算魚類密度、生物量、物種數(shù)、豐度、重要魚類比例、Simpson指數(shù)、Shannon-Weaner指數(shù),比較拆壩前后群落結(jié)構(gòu)差異,確定其變化程度,預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)。記錄淺灘數(shù)量、基質(zhì)類型等,通過棲息地評(píng)估方法(包括水文水力學(xué)方法、河流地貌法、棲息地模擬法、綜合評(píng)估法等)對(duì)拆壩后的棲息地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[43]。美國(guó)威斯康星州Milwaukee河的Woolen Mills大壩拆除后,Kanehl等[28]用IBI指數(shù)評(píng)價(jià)河流的生物完整性,結(jié)果表明以前庫(kù)區(qū)段棲息地評(píng)分增加,高密度的非本地種鯉魚的數(shù)量大幅減少,而一些本地種如小口黑鱸魚顯著增加。Burroughs等[44]監(jiān)測(cè)了美國(guó)Pine河魚類群落對(duì)Stronach大壩逐漸拆除的生物響應(yīng),對(duì)比了拆壩前后物種組成,結(jié)果表明一些以前僅在下游河段集群的物種在上游集群,有效棲息地面積增加,物種豐度增加2倍。目前,預(yù)測(cè)拆壩水動(dòng)力條件的改變對(duì)魚類棲息地影響的常用模型是耦合水動(dòng)力模型和HSI(棲息地適宜性指數(shù))模型,以河流基質(zhì)分布、水動(dòng)力模型輸出的水位和流速作為HSI模型輸入,基于ArcGIS在所選河段評(píng)估棲息地適宜性指數(shù),如HARO等[45-46]利用這種模型研究了美國(guó)Sandusky河St. John大壩拆除后目標(biāo)魚類的恢復(fù)情況,模型結(jié)果表明拆壩后棲息地適宜性指數(shù)明顯增加。

評(píng)估拆壩造成的底棲動(dòng)物變化和評(píng)價(jià)魚類類似,但底棲動(dòng)物因其采樣成本低、活動(dòng)場(chǎng)所較固定、遷徙能力差等特點(diǎn),更能有效反應(yīng)拆壩對(duì)河流生態(tài)的影響。Stanley等[11]監(jiān)測(cè)了美國(guó)Baraboo河拆壩后底棲動(dòng)物群落的變化,發(fā)現(xiàn)1 a后庫(kù)區(qū)底棲動(dòng)物群落組成與非庫(kù)區(qū)河段類似,表明非庫(kù)區(qū)河段底棲動(dòng)物群落遷移到庫(kù)區(qū)河段;Casper[47]研究表明大壩拆除后底棲物種豐度增加。

總體而言,評(píng)估魚類和底棲動(dòng)物對(duì)拆壩的響應(yīng)在方法上有所相似,但Marzin等[48]研究發(fā)現(xiàn),魚類對(duì)水文情勢(shì)改變響應(yīng)更敏感,而大型底棲動(dòng)物對(duì)地形地貌改變響應(yīng)更敏感。

評(píng)估拆壩的影響目前主要有兩類方法:根據(jù)實(shí)際拆壩情況進(jìn)行評(píng)估和根據(jù)理論模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。國(guó)外已有了很多小型水壩拆除案例,由于以前缺乏拆壩方面的研究,因此對(duì)一些拆壩案例進(jìn)行拆后實(shí)地觀測(cè)成為最直接、最有說服力的研究手段,應(yīng)用最廣。但由于成本和一些不可控因素,加上數(shù)值模擬具有速度快、費(fèi)用低、無比尺影響、模擬能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以快速為管理者提供更好的泥沙處置策略和拆除方式參考,因此數(shù)值模擬方法也被應(yīng)用到拆壩影響評(píng)估中。這兩種方法各有利弊,應(yīng)綜合使用,利用數(shù)值模擬方法給管理者快速提供拆除策略,同時(shí)采用實(shí)地監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證研究以改善模型精度應(yīng)是最好的選擇。

3 結(jié) 語

拆壩作為一種河流修復(fù)手段受到廣泛關(guān)注,但是面臨更多的大壩拆除需求,拆壩科學(xué)理論基礎(chǔ)十分缺乏,這對(duì)制定大壩拆除行動(dòng)方案造成困難。本文在分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上,綜合概括了拆壩對(duì)水文情勢(shì)、河流地貌、岸邊帶植物、魚類和底棲動(dòng)物短期和長(zhǎng)期的影響,短期來看拆壩是有害的,但長(zhǎng)期而言,拆壩一定程度恢復(fù)了河流生態(tài)系統(tǒng);在分析拆壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上,對(duì)評(píng)估拆壩生態(tài)影響的幾種主流方法進(jìn)行了綜述,指出了各評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況,可為后續(xù)評(píng)估拆壩影響提供參考。

拆壩研究是一個(gè)涉及地貌學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等多學(xué)科的新研究領(lǐng)域,拆壩引起河流水動(dòng)力變化,庫(kù)區(qū)淤沙下泄引起地貌變化,從而對(duì)生物棲息地環(huán)境產(chǎn)生影響;反之,對(duì)河床地貌而言,生物繁衍也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響,比如岸邊帶植物生長(zhǎng)穩(wěn)固河床可以改變水流并縮短河流地貌調(diào)整時(shí)間。水文、地貌和生物要素息息相關(guān),彼此相互制約,目前很多研究?jī)H側(cè)重于一個(gè)方面,單一地分析拆壩后泥沙輸運(yùn)引起的河貌演變或拆壩對(duì)某種生物的影響,缺乏結(jié)合多個(gè)因子之間的相互作用評(píng)估拆壩影響的研究,因此可以考慮在數(shù)值模型中耦合水動(dòng)力、泥沙、生態(tài)三方面的參數(shù),綜合考慮關(guān)鍵生態(tài)要素之間的聯(lián)系,研究河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)拆壩過程的響應(yīng)。

此外,選擇良好的拆壩時(shí)機(jī)和正確的拆壩方式也是拆壩工程實(shí)施的關(guān)鍵,因此還需對(duì)拆壩時(shí)機(jī)(豐水期、平水期、枯水期)、一次性拆壩和分階段拆壩等各種工況下的長(zhǎng)短期生態(tài)影響進(jìn)行深入研究,以提供最優(yōu)拆壩實(shí)施方案,最大程度恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)。

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Researchoneffectsofdamremovalonriverecosystemandreviewofitsassessmentmethods

LIN Yuqing1, MA Junxiu2, CHEN Qiuwen1

(1.CenterforEco-EnvironmentResearch,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.SchoolofRiverandOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

To study the impacts of dam removal on river ecosystems, the response of key ecological components, such as river hydrological conditions, topography, riparian plants, fish, and zoobenthos, to dam removal are analyzed from both the short-term and long-term perspectives. Two currently used major assessment methods are summarized, including assessment of actual removal conditions and numerical modeling forecasting. Field surveying is considered the most direct and convincing research tool, but it is limited by cost and other uncontrollable factors. Numerical simulation has remarkable advantages, such as high speed, low cost, and freedom from scale effects, and can forecast the influence of dam removal and provide decision references for managers. However, the precision and accuracy of simulation need to be improved. It is pointed out that further studies should comprehensively consider the coupling effects among various ecological factors in the process of dam demolition, and the impacts of different demolition times and dam removal phases on river ecosystems require deeper examination in the future.

dam demolition; river evolution; riparian vegetation; fish habitat; benthic animal; assessment method

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(51425902);中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司科研項(xiàng)目(0704107，0704110)

林育青(1982—),女,博士,主要從事生態(tài)水力學(xué)和環(huán)境水信息學(xué)等研究。E-mail:yqlin@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.002

TV64;X820.3

：A

：1006-7647(2017)05-0009-07

2016-11-18 編輯：熊水斌)