退役壩拆除現(xiàn)狀及其影響研究進展綜述

高玉琴， 劉云蘋， 王懷志， 張澤宇

(河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

目前，我國已擁有水庫大壩超過9.8×104座，成為世界上建壩第一大國，但這些水庫大壩中95%是20世紀80年代之前建設(shè)的老壩，其中多為20世紀50-70年代建成的，由于當時經(jīng)濟水平低下，工程建設(shè)技術(shù)尚不成熟，因而所修建的大壩中95%以上為土石壩[1]。土石壩的平均運行時間一般在50年左右，時至今日多數(shù)大壩已達到其使用壽命，出現(xiàn)了一系列不同程度的問題，如泥沙淤積、結(jié)構(gòu)受損、年久失修等，最終導致潰壩、垮壩事件時有發(fā)生，在除險加固尚不能解決的情況下，大壩退役拆除是必然趨勢。

國內(nèi)外學者針對退役壩拆除問題已進行了相關(guān)研究，國外學者Doyle等[2]和Collins等[3]研究了拆壩后水庫沉積物運輸對河道河床地貌演變影響；Foley等[4]和Doyle等[5]研究了大壩拆除帶來的生態(tài)環(huán)境影響；Foley等[6-7]、Poulos等[8]和Pess等[9]研究了拆壩后河道連通性對洄游魚類及其他魚類種群的影響；亨氏科學經(jīng)濟與環(huán)境中心等[10]和美國土木工程協(xié)會[11]對大壩拆除評估監(jiān)測進行了相關(guān)研究。我國大壩退役拆除相關(guān)研究尚處于起步階段，彭輝等[12]、向衍等[13]和成榮亮等[14]對大壩老化退役或降等的評估及決策進行了研究；王若男[15]、俞云利等[16]、向衍等[17]和方崇等[18]研究了大壩拆除對生態(tài)環(huán)境的影響。美國作為最早開始拆除大壩的國家，在此方面的研究相對較多，但也僅處于初級階段，仍缺乏系統(tǒng)的研究。本文通過綜述國內(nèi)外的大壩拆除現(xiàn)狀以及拆除后對周圍環(huán)境和社會經(jīng)濟影響的研究進展，提出當前研究所存在的問題和挑戰(zhàn)，展望未來大壩拆除的研究趨勢，為我國大壩拆除及其后期恢復管理工作提供參考。

2 國內(nèi)外大壩拆除現(xiàn)狀分析

2.1 國內(nèi)外大壩拆除現(xiàn)狀

美國最早從19世紀末20世紀初開始實施大壩退役并進行大壩拆除，其次為加拿大及歐洲等國，日本、韓國、泰國等也在一定程度上開始關(guān)注大壩退役問題。

美國是世界上拆壩數(shù)量最多的國家，截止到2015年美國拆壩數(shù)量1 300多座，其中拆除年份明確的有1 181座[4]，尤其是近10年，美國拆壩數(shù)量逐年遞增，僅在2014年就拆除72座大壩[19]，由美國各年代拆壩數(shù)量統(tǒng)計圖(圖1)可看出美國拆壩數(shù)量呈遞增趨勢，且多為壩高低于10 m的小型壩。

圖1 美國各年代拆壩數(shù)量

加拿大拆壩數(shù)量僅次于美國，2000年被拆除的Finlayson大壩是加拿大第一座記錄在案并按照計劃和制定的程序拆除的大壩[20]，截止到2005年加拿大共拆除20多座大壩。歐洲各國拆壩數(shù)量相對較少，法國已經(jīng)立法禁止建設(shè)大壩并開始拆壩，為了改善魚類生存環(huán)境，1996-1998年間位于盧瓦爾河支流上的3座大壩退役；意大利已有4座大壩被拆除，另有4座大壩計劃拆除；挪威只有4～5座與水電相關(guān)的大壩退役；其余部分國家只是開始制定法律保護河流生態(tài)并禁止修筑大壩。亞洲國家中日本、韓國、泰國逐漸開始取消大壩的建設(shè)，其中日本從2000年開始停止大壩建設(shè)，并按計劃在2012年開始Arase水電站的拆除工作[21]；韓國在2000年為保護東江流域的生態(tài)系統(tǒng)，政府宣布取消江原道的永越水壩建設(shè)計劃；泰國拆壩的方式比較獨特，并非完全的拆除大壩硬件而是完全開放水閘，從而達到恢復河流的自然流態(tài)、保護流域生態(tài)的目的。

圖2 我國部分省份水庫降等與報廢數(shù)量

圖3 我國小型病險水庫數(shù)量前10名的省份及其病險率統(tǒng)計

我國是世界上擁有大壩數(shù)量最多的國家，截止到2016年，全國(不含港澳臺地區(qū))已建水庫98 461座，其中大型水庫721座，中型水庫3 890座，小型水庫93 850座[22]。但近年來病險大壩逐漸增加，其中小型病險水庫約6萬多座，平均病險比例為53.3%，成為大壩水庫退役的主體。截止到2017年底，全國降等與報廢水庫6 539座，其中降等4 021座(中型3座、小型4 018座)，報廢2 518座(中型3座、小型2 515座)。據(jù)2002年水利部統(tǒng)計降等與報廢(報廢即退役)總數(shù)較多的省份為湖南、陜西、福建和云南等地(圖2)，陜西因泥沙淤積報廢小型水庫578座，成為水庫退役最多的省份[23]。2007年水利部大壩安全管理中心對我國各地小型病險水庫的數(shù)量進行初步統(tǒng)計排位(圖3)[24]，病險小型水庫最多的是湖南省，其次是廣東和江西省。

2.2 國內(nèi)外大壩退役拆除原因及相關(guān)政策

美國大壩拆除主要原因為生態(tài)因素，其次是安全和經(jīng)濟因素，但并未因完全盲目的追求生態(tài)而舍棄大壩所能產(chǎn)生的防洪、發(fā)電等經(jīng)濟效益。美國各州拆壩數(shù)量分布圖如圖4所示，其中拆壩數(shù)量排名前三的州是賓夕法尼亞州、威斯康星洲和加利福尼亞州，這些州的政府都承諾對拆壩給予行政方面的支持。除此之外，1997年美國土木工程師協(xié)會(ASCE)公布了《大壩及水電設(shè)施退役指南》，2002年美國亨氏科學經(jīng)濟與環(huán)境中心出版《退役壩拆除的科學與決策》，同年美國河流組織(American Rivers)和鮭鱒類保護協(xié)會(Trout Unlimited)共同編制了《退役壩拆除決策指南》，美國墾務(wù)局(USBR)和美國陸軍工程師團(USACE)也都有相應(yīng)的大壩安全管理程序[15]，以上成果為大壩退役和拆除提供了評估方法，有效地緩解了拆壩對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的影響。

圖4 美國各州拆壩數(shù)量分布圖[4]

加拿大拆除大壩的原因是大壩功能喪失，故拆除大壩以達到修復河流生態(tài)系統(tǒng)的目的[25]。加拿大拆除的大壩中50%位于安大略省，安大略省自然資源部(OMNR)在1999年形成了一套安大略準則，其中羅列出了60多項與環(huán)境相關(guān)的檢測指標；2011年OMNR又發(fā)布了《大壩退役與拆除技術(shù)通報》，其中分析了水文、水力、地質(zhì)、環(huán)境、社會、經(jīng)濟等多項與大壩退役相關(guān)的問題，并由此制定出大壩退役決策框架，為大壩退役提供了依據(jù)[15]。

歐洲拆壩的主要目的是恢復河流的生態(tài)系統(tǒng)，維護流域原有價值，部分國家開始修訂法規(guī)維護生態(tài)環(huán)境并禁止修建大壩，如瑞典禁止在四大河流上建設(shè)水電站，挪威立法禁建大壩，拉脫維亞制定專門的法律保護自然景觀和生態(tài)環(huán)境并相繼取消了兩座大壩的建設(shè)，萊茵河流域的國家也提出要讓萊茵河重新恢復自然化[25]。

我國為了規(guī)范水庫的降等與退役，在2003年出臺《水庫降等與報廢管理辦法》，2013年發(fā)布了配套技術(shù)標準《水庫降等與報廢標準》，并在2016年底發(fā)布的《水電“十三五”規(guī)劃》中提到“建立中小水電破壞生態(tài)環(huán)境懲罰退出機制”[26]。這些政策的出臺為水庫大壩降等和退役提供了依據(jù)，但這些僅是從水庫大壩運行管理方面闡述，對退役大壩拆除并未進行專業(yè)技術(shù)方面的研究，針對拆除大壩之后如何修復河道和周圍生態(tài)系統(tǒng)，以及拆壩后的社會經(jīng)濟和生態(tài)影響評價等問題并未出臺相關(guān)的政策和實施細則[12]。

2.3 國內(nèi)外大壩拆除方式及評估方法

壩型、大小、報廢程度及功能的不同都將直接影響大壩拆除方法的選取。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局拆壩科學數(shù)據(jù)庫所收錄的148座已拆壩基本信息，統(tǒng)計顯示當前國內(nèi)外大壩退役拆除的主要方法有排水與挖掘、意外拆除、分段拆除、部分拆除和瞬時拆除等[27]，須根據(jù)實際情況采取不同的拆壩措施。

拆壩措施的選取及是否拆壩，須對各種潛在工程和非工程方案進行詳細評估，目前關(guān)于大壩退役評估還未形成成熟的決策體系，仍處于探索階段。最早的大壩拆除評估方法是1997年美國土木工程學會(ASCE)提出的拆壩評估基本過程：(1)初步退役研究；(2)公眾咨詢；(3)數(shù)據(jù)收集與分析；(4)可選方案評價；(5)實施；(6)長期管理。該方法主要通過成本收益分析進行大壩退役決策，但缺乏直觀和清晰的問題構(gòu)建過程[28]。1999年安大略省自然資源部(0MNR)針對芬利森壩編制了一套拆除導則草案，該導則基本與ASCE的導則大致相同，并在芬利森壩拆除中取得成功，不同的是將公眾咨詢推遲至工作程序的第 4步[29]。2002年亨氏中心提出拆壩決策的總體框架，并提出了物理、化學、經(jīng)濟和社會等關(guān)鍵評價指標，但缺少方案比選過程[10]。2009年Brown等[30]和Corsair等[31]分別提出綜合性大壩評估模擬工具和水壩退役多準則決策分析方法，前者運用定性與定量相結(jié)合的方法，從經(jīng)濟、生態(tài)和政治三個維度對大壩拆除的成本和效益進行了評估，但缺少對決策準則層和指標權(quán)重影響的考慮；后者在亨氏中心決策框架的基礎(chǔ)上，加入多準則決策分析，通過多目標權(quán)衡，選出最優(yōu)決策方案，該決策框架較為系統(tǒng)完整，具有較高的參考價值。我國的《水庫降等與報廢評估導則》尚在研究編制中，沒有統(tǒng)一的報廢評估流程，現(xiàn)有研究多是參照國外大壩退役評估流程。

3 國內(nèi)外大壩退役拆除影響研究進展

3.1 退役壩拆除的生態(tài)環(huán)境影響研究

大壩退役拆除是對周圍生態(tài)系統(tǒng)的再次干擾，造成水庫棲息地的喪失和沉積物的移動，導致生態(tài)環(huán)境變化。研究發(fā)現(xiàn)拆壩對生態(tài)環(huán)境的影響由非生態(tài)變量逐步提高到生態(tài)變量(非生態(tài)變量是指水文、水質(zhì)、泥沙等流域特征，生態(tài)變量是指浮游植物、浮游動物、魚類等食物鏈中的生產(chǎn)者和消費者)，兩者相互作用，互相影響，主要表現(xiàn)在河流形態(tài)、泥沙運輸、水生環(huán)境和生物多樣性等方面，且影響隨時間尺度的差異產(chǎn)生不同的表現(xiàn)形式[3-4]。

3.1.1 退役壩拆除對河流形態(tài)影響研究 大壩拆除后恢復河流連通性，上游沉積物快速向下游移動，河床發(fā)生演變。Doyle等[5]對大壩拆除后河道演變進程進行研究并提出了常見的渠道演變模式(CEM)：首先是垂直侵蝕，使之形成深而窄的通道，接著是一段時間的橫向侵蝕，使之超過臨界岸灘崩塌高度，導致陡峭的岸灘崩塌，河道擴大河床抬高，最后河岸侵蝕逐步減少達到平衡狀態(tài)(河道演變過程如圖5所示)。Egan等[32]對拆壩上游河道形變進行研究，發(fā)現(xiàn)大壩上游地貌演變的初級階段主要為下切，其次是河床的侵蝕、沉積和漫灘發(fā)展；若水庫的蓄水量相對較小且寬度比上下游河道寬很多時，大壩上游的主要演變過程就變?yōu)槌练e和漫灘發(fā)展，而不再是侵蝕和切割。

圖5 渠道演變過程[32]

河道演變是一個非常復雜的過程，拆壩后河道重整時間可能要持續(xù)幾十年甚至幾百年，目前還沒有定量的地貌研究可以持續(xù)足夠長的時間來記錄大壩拆除后的平衡河道形態(tài)；拆壩后河道地貌響應(yīng)受到拆除方案、拆除時間、管理和施工策略的顯著影響，河流恢復策略的制定直接影響大壩上下游的恢復速率，而恢復策略的制定需要好的預(yù)測模型，目前CEM模型以及各種數(shù)值模型都不能很好地在拆壩前對拆壩后河流形態(tài)變化進行有效預(yù)測，主要原因是沒有長期且詳細的拆壩后河道演變數(shù)據(jù)記錄。因此在未來的研究中需要加大對大壩拆除后可能的地貌響應(yīng)的研究，構(gòu)建拆壩后地貌變化數(shù)據(jù)庫，提高預(yù)測的準確度，為拆壩方案及管理提供科學決策。

3.1.2 退役壩拆除對泥沙運輸影響研究 泥沙運動形式的變化是大壩拆除必須考慮和重視的問題，其影響主要體現(xiàn)在3個方面：(1)泥沙運輸?shù)淖兓刂屏撕拥姥葑兊倪^程，如前文中所提到的CEM模式；(2)泥沙運移速率的影響，由于沉積物數(shù)量和種類的不同、河道坡度和河流流量大小不同，泥沙沉積物的運移速率和模式隨之變化[33]；(3)沉積物污染問題，沉積物中可能存在污染物(如有機物質(zhì)和重金屬)，當水庫泥沙污染物濃度明顯高于背景濃度時需進行穩(wěn)定化處理，避免向下游釋放污染物，污染下游水質(zhì)。

針對拆壩后泥沙問題，ASCE在2011年出版了《拆壩泥沙動力學》，對水庫泥沙特征以及拆壩后河流地貌影響進行了研究，其內(nèi)容涉及現(xiàn)場研究、物理模擬與數(shù)值分析，對科研人員和河流管理者具有重要的參考價值。美國內(nèi)政部水信息咨詢委員會針對泥沙分析問題專門設(shè)立工作組，兩次召開專題研討會并著手編制《拆壩泥沙分析指南》，泥沙小組委員會在《拆壩泥沙分析指南》(2017)中提出了拆壩泥沙分析的10個步驟，為確定評價拆壩泥沙影響的數(shù)據(jù)收集、分析、模擬以及必要監(jiān)測的類型和水平提供指導。但目前的研究多集中在拆壩后泥沙量、泥沙種類和泥沙污染等方面的研究，很少有人試圖量化沉積物運移速率。

3.1.3 退役壩拆除對水生環(huán)境影響研究 拆壩對水生環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在流速、水溫、水質(zhì)、水量、溶氧量、底泥等方面[34]，大壩拆除后短期內(nèi)會對河流的生態(tài)系統(tǒng)造成強烈的擾動并產(chǎn)生一系列不利影響，但長期來看拆壩措施可使壩址以下的河道部分恢復完整性，使河流恢復天然形態(tài)(與建壩前相比并非完全相同)，對整個河流的生態(tài)影響是有利的[35]。

林育青等[35]、劉詠梅[36]認為拆壩后短期內(nèi)水庫回水效應(yīng)和頂托作用消失，泄流量增多且流速加快，上游水位降低，下游流量增加且水位升高；經(jīng)過一段時間的恢復，河流恢復穩(wěn)定，流域水環(huán)境由靜態(tài)水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)水狀態(tài)，該現(xiàn)象稱之為“逆生態(tài)環(huán)境”，河流的水文模式得到修復，水質(zhì)及水溫隨著水滯留時間和水溫分層現(xiàn)象的減少而迅速逆轉(zhuǎn)，河流流量變化重新遵循天然洪水過程。針對拆壩對水生環(huán)境的影響，國內(nèi)外的研究多集中在定性的描述，缺少定量的分析，拆壩后水溫與水質(zhì)的變化研究應(yīng)進一步將陸面過程與大氣環(huán)流模型進行耦合分析[37]，以此得到拆壩對水生環(huán)境的具體影響過程。

3.1.4 退役壩拆除對生物多樣性影響研究 大壩拆除后對生物多樣性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：(1)岸坡植被多樣性的增多；(2)魚類等生物種類的增加。

Shafroth等[38]在拆壩對河岸植物多樣性影響研究中發(fā)現(xiàn)(見圖6)，對于大壩下游的植物，短期內(nèi)泥沙向下游移動，泥沙沖刷導致部分小型植物被泥沙覆蓋而死亡，長期發(fā)展后泥沙運輸改變河床地貌形成新的臺階式裸露河岸，河流水文特征恢復自然狀態(tài)，水文條件與地貌變化的相互作用為岸坡植物的生長提供了天然的棲息地，促進了本土植物群落的恢復；大壩上游隨著水庫水排放，水位下降，部分原水庫邊界植物由于地下水位降低而死亡，被干旱性植物取代；大壩拆除后重新露出水面的水庫排干區(qū)由于具有潮濕、營養(yǎng)豐富等特點同時又富集了多種植物種子，并且這些種子普遍具有快速生長、繁殖力強的特征，對長期植物群落多樣性變化產(chǎn)生深遠的影響。

圖6 拆壩前后下游及水庫區(qū)域地貌及植被變化[38]

建壩導致的水流流速變化直接影響魚類遷移率；水庫水位升高淹沒大馬哈魚等類似魚類的產(chǎn)卵場地，影響魚類的產(chǎn)卵繁殖；水溫升高導致河流納污能力下降，水質(zhì)變差影響魚類的生殖繁衍；洄游通道的切斷，使一些需要洄游到上游進行產(chǎn)卵的魚類無法回到產(chǎn)卵棲息地，上游孵化的小魚無法回到下游發(fā)育生長，久而久之洄游魚類數(shù)量下降，種類減少[6,39-40]。大壩拆除后短期內(nèi)由于水體渾濁度增加、下游水體溶解氣體濃度超飽和，導致魚類傷亡和患氣泡病的可能性增加；但長期來看，泥沙搬運完畢并恢復穩(wěn)定后，水流夾沙量減少，下游河床地貌趨于穩(wěn)定，有利于魚類的生長與繁衍，另外河流恢復了連通性，增加了洄游魚類和溯河產(chǎn)卵魚類到達上游棲息地及產(chǎn)卵區(qū)的可能性，極大提高了洄游魚類和溯河產(chǎn)卵魚類的繁殖力。

Foley等[9]對比不同地域的拆壩生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)大壩上游40%的魚類種群和群落無明顯變化，下游魚類種群的變化未超過25%，拆壩對生物多樣性的影響因地域差異而不同，并非所有的生物都可通過拆壩措施得以恢復，另外大壩拆除常會導致半天然半水生的水生生物代替天然水生生物。目前大部分學者對拆壩提高生物多樣性的期望過高，沒有具體深入的定量研究，因此在評估拆壩對生物多樣性影響的過程中既要進行定性研究又要著重定量研究，研究開發(fā)一套切實可行的計算理論和評估方法，用科學準確的方法預(yù)測生物多樣性對拆壩行為的響應(yīng)過程。

3.2 退役壩拆除的社會經(jīng)濟影響研究

當前學者關(guān)于拆壩對社會經(jīng)濟影響的研究過少，且多為定性描述。相應(yīng)有效的社會影響評價工具和經(jīng)濟影響評價工具仍是下一階段退役壩拆除對社會經(jīng)濟影響研究的重要方向。一般認為病險大壩的修復費用是拆除費用的3～5倍[41]，拆壩可減輕當?shù)卣慕?jīng)濟負擔，增加當?shù)亟?jīng)濟增長機會，是恢復河流最高效的方法，但同時可能產(chǎn)生一系列亟待解決的社會經(jīng)濟問題、歷史文化遺產(chǎn)問題、美學與社會價值問題、土地權(quán)問題、人民公共利益問題、流域周邊房價問題、洪水安全隱患問題、經(jīng)濟復蘇問題以及公眾對拆壩決策的響應(yīng)問題等[42]。

亨氏中心在一份報告中得出結(jié)論，生態(tài)、安全和經(jīng)濟因素決定是否拆除或修復大壩，但公眾接受程度和人民滿意度是最終的決定性因素，所有的經(jīng)濟問題和幾乎所有的生態(tài)以及工程安全問題都會影響到人類，最終都可以轉(zhuǎn)化為社會問題，然而目前關(guān)于大壩拆除后的人類層面或社會科學方面的研究很少[41]。Born等[43]通過統(tǒng)計分析公眾對拆壩決策的意見評價，調(diào)查表明大部分公眾可以理解拆壩帶來的重要損失和重要收益，一半的公眾認同拆壩可使河流恢復到自然狀態(tài)，可改善河流流域生態(tài)環(huán)境，但同樣也存在著大量的不同意見。

4 結(jié) 論

隨著大多數(shù)大壩慢慢進入“老齡化”，大壩拆除或保留將成為急需解決的問題。本文通過研究國內(nèi)外大壩的拆除現(xiàn)狀，綜述拆壩對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的影響研究，發(fā)現(xiàn)由于拆壩相關(guān)數(shù)據(jù)過少，且無一套切實可行的計算理論和評估方法，導致當前關(guān)于拆壩影響的研究多為定性描述，缺乏定量分析；另外該方面的研究剛剛起步，學者多集中在單方面的影響研究，缺少綜合影響評估；除此之外，社會影響因素復雜多變，當前沒有合適的社會經(jīng)濟影響評價工具對拆壩社會經(jīng)濟影響進行定量評估，故國內(nèi)外學者多著重于生態(tài)環(huán)境影響研究，缺乏社會經(jīng)濟影響研究。

針對當前影響研究所存在的問題，在今后的研究中應(yīng)從以下幾個方面進行完善：(1)加強影響因素的定量分析，建立拆壩后河流變化詳細資料數(shù)據(jù)庫，探索可行的計算理論和評估方法，構(gòu)建科學拆壩影響預(yù)測模型；(2)耦合水動力、泥沙、生物響應(yīng)、水生環(huán)境等多方面因素，綜合考慮各因素間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建拆壩影響的綜合評估體系；(3)加強關(guān)于經(jīng)濟評價分析工具和社會影響評價工具的研究，定量地評價拆壩對社會經(jīng)濟的影響；(4)僅針對我國大壩退役規(guī)程和相關(guān)法律法規(guī)較少的情況，應(yīng)建立大壩退役導則，頒布相關(guān)的法律法規(guī)。