大壩下游河道沖刷及水溫變化對生態(tài)的影響

［美國］A.H.阿辛頓

大壩下游河道沖刷及水溫變化對生態(tài)的影響

［美國］A.H.阿辛頓

大壩在發(fā)揮各種效益的同時，也會帶來各種不利的影響。下游河道沖刷及分層型水庫下泄低溫水造成“冷水污染”，是給生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響的重要方面。分析了下游河道沖刷造成支流下切、河道退化對動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-達令流域的河流為例，論述了冷水污染、下游過飽和氣體對魚類造成的影響及相關(guān)國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

大壩對河流具有最直接而明顯的調(diào)節(jié)作用，因為它能以多種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流態(tài)。天然流態(tài)的調(diào)節(jié)對河流泥沙的動態(tài)特性、河床地貌、營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化換及其他化學工況、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都有極大影響。在一條特定的河流中，生態(tài)對河流流態(tài)的變化響應，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)同樣的人類活動可能會使某地原狀況發(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

每座壩都會根據(jù)當?shù)氐臍夂蚝土饔驙顩r、目的、設(shè)計和運行模式，以其特定的方式蓄水和泄水。例如，早在20世紀60年代，尼羅河上就建起了阿斯旺高壩，水庫為埃及約250萬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年的洪澇災害造成的影響。在美國，格林河上的弗萊明峽谷(Flaming Gorge)壩是美國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?？屏_拉多河蓄水工程借助于蓄水水庫，為科羅拉多河流域上游進行配水和發(fā)電。弗萊明水庫是一個可供釣魚和輕潛水(自攜水下呼吸器的潛水)的極佳休閑娛樂地，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)揮了防災減災效益。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呈現(xiàn)相應的調(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、岸灘和島嶼的開發(fā)活動。這些衍生而來的變化形式繁多，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、后期蓄水時的泥沙輸移及特有的水流動力特性等。大壩的這些影響可能會因河道對流域和河道內(nèi)其他地貌環(huán)境的響應而變得復雜，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、機動游船娛樂、外來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，水庫的水會含有大量泥沙，給下游河段和棲息地結(jié)構(gòu)帶來許多嚴重的后果，而且這種影響可能會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);相對輸入河流的泥沙量而言，這一過程反映了水流能量、剪切力或輸沙能力的過剩。河流退化會在數(shù)年時間內(nèi)導致河床系統(tǒng)性降低，且可能對較長的河段，甚至對單條河或整個河網(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，相應的支流也難逃厄運，這時支流可能因被沖刷而被迫前移，促使大壩下游的細泥沙荷載大增。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。下切的原因主要歸結(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，同時也使河流與灘區(qū)脫離了聯(lián)系，因為支流下切后，河水就無法達到漫過河岸的高程，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，減少了對沖積含水層的補水量。為了維持含水層的水量，只得從弓形湖和濕地中補給。從地下水位來講，因某些物種非常喜愛地下水位高的地帶，另一些物種則喜愛低水位的地帶，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擺動。當河流不再能遷回到其原有范圍時，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，表明沖淤兩過程之中是相互作用的，這兩過程都可能對岸棲植物造成影響，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，而且泥沙還可能大量沉積，部分或完全地掩埋植物，使植物長期受壓甚至死亡。植物偶然性的生根，繁殖生長，很可能會從淤積的泥土中恢復出現(xiàn)，而局部被水源性泥沙所埋的植物，則會干擾岸區(qū)植物的正常發(fā)育、移植生長及其存活過程。

4 大壩下游水溫的變化

河流熱狀況的特異性與專性的淡水生物，其整個生活周期在生態(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)的熱效應就會因壩的地理位置、大壩管理與運行模式、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延伸到壩下游較近或者極長的距離，取決于與大氣的熱交換、支流在水文方面的補給和地下水補給，以及大壩水庫下泄流量的特征。在許多情況下，大壩下游的河流熱狀況變化較大，尤其是分層型水庫溫躍層(也即下層低淡水層)以下泄冷水時更是如此，這時往往會發(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從單一深處下層滯水層出口閥門或出流口(往往與水力發(fā)電有關(guān))泄水，或從不同水庫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為“熱”(thermal)或“冷水污染”，因為在春夏兩季，水溫一般地要比明流河道中的水低得多。然而在冬季月份，大壩運行一般則有相反的效應，即從上游或水庫庫面溫水層(溫躍層以上)向下游泄水，提高相對天然河流狀況的水溫。

例如，學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℃，水溫降溫不會超過10℃，升溫不會超過5.5℃。

由于水生昆蟲和魚類接收的是晝長和日度總和同時出現(xiàn)的綜合信息，水庫向下游泄放較冷的水，就會對無脊椎動物的生活史過程、魚類的產(chǎn)卵習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信息的變化不僅會擾亂昆蟲的顯露型式，還會減少群體性的活動。與水電站大壩相關(guān)的水庫泄放冷水，對某些魚種來說，可能會滯后產(chǎn)卵期達30 d。以下列出了水庫泄放冷水對魚類造成影響的兩個實例。

(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)水庫泄放的水溫溫差，對克蘭威廉黃花魚的成功產(chǎn)卵至關(guān)重要。水庫的試驗性放水表明，湖面溫水層新鮮溫水(19～21℃)能激發(fā)魚類的產(chǎn)卵習性，促使其向產(chǎn)卵場洄游，而在水庫試驗性的暴漲后立即泄放下層基流帶(16～18℃)的冷水，則魚類的產(chǎn)卵活動當即夭折。本研究表明，水溫必須在魚類產(chǎn)卵后持續(xù)維持一段時間的溫水水平，以支持黃花魚胚胎和幼體的發(fā)育及生長，也就是說，水庫下層滯水帶向下游泄水，可能會引起大壩下游相當長河段內(nèi)的易危物種無法適應而消失。

(2)水溫變化帶:墨累-達令流域。在澳大利亞東南部的墨累-達令流域，夏季如果河流水溫降低，其效應會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)時間延長，造成了淡水石首魚產(chǎn)卵成功率下降25％～70％，金鱸相對于建壩前的年份下降了44％～87％。在類似的研究中也作過預測，即從米塔米塔河上的達特茅斯(Dartmouth)水庫向壩下游泄放冷水，則使最小平均雌性種群規(guī)模減少約76％，對墨累河中鱈的產(chǎn)卵后期存活率構(gòu)成很大的威脅。

學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估對眾多的難以評估水文變化的同類問題是一項挑戰(zhàn)。還有人嘗試性地探索過水流及其熱狀況變化對大壩下游魚群潛在的個性影響及其相互作用。

5 大壩下游的過飽和氣體

在大壩下游相當長的河段內(nèi)水溫降低，不僅會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成分和水動力特性。大型分層型水庫(水體的垂直方向上出現(xiàn)溫度分布不均的現(xiàn)象)可能會生成下層缺氧狀態(tài)的滯水層。缺氧層并不是人們所希望的，因為下層滯水區(qū)形成缺氧環(huán)境，會制約生物棲息地的利用，還可能導致整個水庫和壩下游的水質(zhì)退化。大量魚群的死亡，其主要原因就是因為水庫下層缺氧狀態(tài)的水體泄到下游所致。

魚類死亡也可能是由于過飽和氣體(特別是過飽和氮)加上大壩下游致命的魚類氣泡病所造成。水電站設(shè)施在泄放或涌出大量含氣體水流時，水中常出現(xiàn)過飽和的溶解氣體。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，形成過飽和溶解氣體。水體中的過飽和氣體因地而異，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題。美國環(huán)保署于1977年制定了一項飽和度為110％的溶解氣體的水質(zhì)標準。為達到該標準，人們已設(shè)計出了各種設(shè)施來改變水流的動力特性，降低過飽和氣體水平。

盡管這個老問題在諸多的壩下游都存在，但新建的壩也仍持續(xù)有這樣的問題。隨著“西電東送”工程的實施，中國已建成和正在建設(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。中國的開發(fā)者們一直致力于新老問題的研究，包括改善氣體過飽的問題，以保護中國西部河流中的大量本土魚種。

6 結(jié)語

(1)大壩在發(fā)揮各種效益的同時，因下游水流條件改變，會導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，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，只得通過增大支流坡降進行調(diào)整，這時支流會發(fā)生相應的下切。這種河流的退化，會給下游生態(tài)帶來一系列影響。

(3)大壩下游的河流熱狀況變化較大，尤其是分層型水庫溫躍層以下泄放冷水時，即會出現(xiàn)“冷水污染”，可能造成下游魚類無從適應，甚至死亡。據(jù)報道，一項具有創(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)境修復計劃”的支助，其特點是溫控帷幕能上下浮動，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)大壩下游相當長的河段內(nèi)水溫降低，還可能導致下層滯水區(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，應引起高度重視。

(郭欣 付湘寧 編譯)

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2015-11-02