美國退役水壩的拆壩響應(yīng)預(yù)測和生態(tài)管理

王 琦，張 晶，趙進(jìn)勇，彭文啟

（中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

美國是最先實行水壩退役的國家，隨著替代能源發(fā)展及恢復(fù)河流生境需求增長，水壩退役從一項激進(jìn)的、被民意和政治勢力裹挾的行為轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿骼鹊阑謴?fù)亟須的科學(xué)手段。 美國地質(zhì)勘探局水壩退役信息門戶網(wǎng)站（https://www.sciencebase.gov/drip）和美國河流組織門戶網(wǎng)站（https://www.americanrivers.org）是美國公布退役水壩數(shù)據(jù)的權(quán)威機(jī)構(gòu)。 目前對約130 座水壩進(jìn)行了生態(tài)或地貌評估，常見的研究參數(shù)包括沉積物粒徑、 水溫、水生無脊椎動物和魚類，其中以水壩拆除的沉積物影響最多。

我國越來越多的水壩面臨退役，關(guān)于水壩拆除策略、拆壩響應(yīng)預(yù)測及拆后修復(fù)研究尚處于起步階段。 水壩拆除需進(jìn)行科學(xué)決策和拆壩響應(yīng)預(yù)測，以將負(fù)面響應(yīng)控制在合理范圍，迅速恢復(fù)河流生境。 本文通過系統(tǒng)梳理美國退役水壩特征、決策和預(yù)測研究，匯總各類生態(tài)恢復(fù)和管理措施，旨在為我國水壩退役和小水電拆除決策提供借鑒。

一、美國退役水壩概況

1.美國退役水壩拆除原因及特征

美國國家水壩清單（NID）最新公布數(shù)據(jù)顯示，截至2020年美國共有91457 座大壩，平均服役57年，服役50年以上的大壩超過80%，小水壩數(shù)量超過200 萬座。 過去幾十年中，在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和工程安全考慮因素的驅(qū)動下，水壩和流域管理發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變，拆除過時、不安全和經(jīng)濟(jì)上不可行的水壩成為一項重要的管理和恢復(fù)戰(zhàn)略。 到2020年，美國已有1797座水壩被拆除。 拆除水壩原因包括生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、潰壩、為娛樂活動提供場所、 消除安全隱患及許可證到期、非法建造或因廢棄而擅自拆除等六類。已拆除的水壩都是“老舊小”水壩，高于20 m 的退役水壩只有14 座被拆除。 景觀背景上，這些水壩主要位于低海拔（＜500 m）、低坡度（＜5°）、流域面積?。?0～1000 km2）、生境退化風(fēng)險低的3、4 級小支流和溪溝，國家環(huán)境機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)監(jiān)管的小型私有水壩是主要的拆除對象。

2.水壩退役決策

1997年美國土木工程協(xié)會 （ASCE）公布的 《大壩及水電設(shè)施退役指南》提出的水壩退役決策基本過程包括初步退役研究、公眾咨詢、數(shù)據(jù)收集與分析、 可選方案評估與實施、長期管理。 水壩退役決策機(jī)構(gòu)的常規(guī)做法是基于各種考慮因素的優(yōu)先級，并對其進(jìn)行分析后直接決定是否拆除。 優(yōu)先級的順序是： ①降低安全風(fēng)險；②經(jīng)濟(jì)；③恢復(fù)完整自由流動的河流廊道；④提高目標(biāo)/敏感物種的生存能力。 其中“經(jīng)濟(jì)”往往是水壩拆除的決定性因素。美國河流組織（American Rivers）與紐約州環(huán)境保護(hù)局（NYSDEC）制定了拆除水壩的過程步驟，包括：①測量和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測繪；②制定泥沙管理規(guī)劃；③水文水動力模擬預(yù)測；④河道及河岸恢復(fù)規(guī)劃；⑤水壩初步拆除計劃；⑥拆除前監(jiān)測；⑦拆除實施；⑧確認(rèn)拆除許可需求；⑨拆除記錄、圖紙及拆除成本估算。

合理確定水壩退役目標(biāo)是決定拆除工作成敗的關(guān)鍵，其目的是盡量減少拆除水壩的負(fù)面影響，同時最大限度地提高河流水文地貌和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)程度，保障河流生態(tài)功能快速恢復(fù)。 水壩拆除后河流往往無法達(dá)到建壩前的狀態(tài)，大部分水壩拆除以“生態(tài)系統(tǒng)部分恢復(fù)”為目標(biāo)，只要有一些顯著變化或關(guān)鍵物種恢復(fù)就認(rèn)為拆壩是成功的。 目標(biāo)主要包括水壩拆除后水文、泥沙和河道恢復(fù)模式及化學(xué)、生物變化。 需降低的影響包括：水壩拆除對瀕危物種的潛在影響；沉積物的化學(xué)質(zhì)量問題，即儲存在水庫中的受污染沉積物的清除問題；水壩拆除對工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性或功能的影響及解決方式。 水壩拆除后造成的影響預(yù)測和評估工作是決策的主要依據(jù)，造成影響的相關(guān)利益方需共同參與決策，包括政府部門、水壩業(yè)主、相關(guān)社會組織和周邊社區(qū)等。

二、拆壩響應(yīng)預(yù)測研究

1.拆壩過程現(xiàn)象觀測

拆壩預(yù)測內(nèi)容主要包括拆壩后物理、化學(xué)和生物響應(yīng)的大小、時間和范圍。 物理響應(yīng)主要包括水文水動力變化、泥沙輸移模式、地貌形態(tài)變化等內(nèi)容；化學(xué)響應(yīng)主要指污染物擴(kuò)散等水質(zhì)惡化狀況；生物響應(yīng)包括植被、魚類、大型底棲無脊椎動物及貽貝等。 這些響應(yīng)的速度、程度、持續(xù)時間和空間范圍將取決于水壩、河流和流域的各種特征和拆除方案。 拆壩響應(yīng)具有典型的時空特征，空間上一般劃分為水庫上游、庫區(qū)、水壩下游三個區(qū)段；時間上，水文、泥沙、地貌、水溫、水質(zhì)及不同生物的響應(yīng)順序和速率決定響應(yīng)持續(xù)時間，從幾天到幾十年不等，而河道形態(tài)、新洪泛區(qū)和天然河岸植被可能需要幾年到幾十年才能趨于穩(wěn)定。

在實施拆壩期間，河流水文過程基本已接近自然狀態(tài)。 水壩拆除后普遍發(fā)生的是：上游河段泥沙粒徑基本不變，水庫河段泥沙變粗，下游泥沙變細(xì)； 上游或水庫河段濁度沒有變化，但下游有所增加；下游懸移質(zhì)濃度增加，沉積物中的粗顆粒引起下游河床淤積，產(chǎn)生階梯起伏地貌，使下游河床結(jié)構(gòu)和河道形態(tài)發(fā)生改變。 大多數(shù)細(xì)顆粒以懸移質(zhì)形式向河道下游輸送，導(dǎo)致懸移質(zhì)濃度和濁度升高，沿著河流廊道不斷沉積并深入礫石河床，或沿著廊道邊緣形成局部沙壩、覆蓋河漫灘，或輸送至更遠(yuǎn)的范圍。 沉積物的礫石含量越大、越粗，下游影響的初始空間范圍就越有限，礫石含量超過20%的沉積物影響范圍通常不超過下游5 km；而沙子和細(xì)顆粒沉積物會輸送到很遠(yuǎn)，蒙大拿州米爾敦水壩（Milltown Dam）和格林斯峽谷大壩（Glines Canyon Dam）拆除后釋放的大量礫石、沙子和泥漿向下游移動了至少15～20 km。

濁度、水溫、日照、污染物釋放等雖然屬于短期影響，但對于河流生態(tài)系統(tǒng)能否順利恢復(fù)到預(yù)期目標(biāo)具有決定性作用。 泥沙輸移會導(dǎo)致污染物（如有機(jī)物質(zhì)和重金屬）向下游釋放、濁度升高，日照減少會改變生物地球化學(xué)循環(huán)從而影響下游河道棲息地質(zhì)量。 懸移質(zhì)的沉積和濁度的提高可造成對產(chǎn)卵棲息地、魚卵、藻類及底棲生物的掩埋，阻塞魚鰓導(dǎo)致魚類窒息，降低覓食效率，導(dǎo)致其機(jī)體摩擦損傷和定向干擾，并限制光照的穿透力降低初級生產(chǎn)力。

2.預(yù)測模型研發(fā)

（1）泥沙和地貌響應(yīng)預(yù)測

控制水壩拆除影響需要對泥沙輸移和地貌變化進(jìn)行定量預(yù)測，水壩拆除計劃應(yīng)包括利用水深測量和沉積柱估算蓄水沉積物體積，確定深度和化學(xué)毒性，依據(jù)泥沙輸移機(jī)制結(jié)合現(xiàn)場水壩排水試驗等預(yù)測泥沙輸移總負(fù)荷和下游地貌調(diào)整過程。 可采用沉積柱137Cs 分布的近代沉積物測年方法估算總沉積物負(fù)荷。

水壩拆除后泥沙輸移機(jī)制大多數(shù)遵循水庫侵蝕與下游泥沙輸移和沉積的耦合響應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)描述了河流系統(tǒng)處于動態(tài)或“準(zhǔn)平衡”狀態(tài)下的地貌調(diào)整過程。 水庫上游侵蝕依據(jù)六階段河道演變模型（CEM 模型），描述了河道在水庫排水后由壩址處至上游地貌變化的時空演化過程，包括在庫區(qū)沉積層內(nèi)隨排水出現(xiàn)的沉積物侵蝕、縱剖面上侵蝕拐點向上游延伸、兩岸坍塌侵蝕溝道加寬形成新的河道全過程。 但對具有堅固基巖、低流動性巨礫、植被良好的河岸特征的河道，CEM 模型可能不適用。

下游河道地貌調(diào)整包括河道淤積、河道縱坡、寬度和河床結(jié)構(gòu)變化、形成新的自然壩和淺灘等。 水庫下游泥沙輸移和沉積機(jī)制主要依據(jù)兩個過程：一是擴(kuò)散過程，泥沙脈沖在適當(dāng)位置衰減，代表經(jīng)典擴(kuò)散過程的泥沙以衰減模式重新分布在下游；二是平移過程，以泥沙波的形式向下游傳播，振幅不減小。 實際擴(kuò)散或平移過程中這兩種形式共同存在，并隨沉積物粒徑不同有所差別。

水質(zhì)響應(yīng)預(yù)測可基于水文泥沙輸移模型，結(jié)合化學(xué)動力學(xué)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行同步預(yù)測。 同時，應(yīng)特別關(guān)注流域內(nèi)長期人類行為影響及流域土地利用狀況，確認(rèn)污染源密集分布區(qū)域，以提高預(yù)測精度。

（2）生態(tài)響應(yīng)預(yù)測

預(yù)測水壩拆除生態(tài)響應(yīng)的三種方法包括根據(jù)實際拆壩情況預(yù)測、根據(jù)現(xiàn)有水壩情況預(yù)測及根據(jù)理論模型（如沉積物輸移模型）預(yù)測。 Hart 在這三種預(yù)測方法基礎(chǔ)上提出了基于應(yīng)激源-響應(yīng)關(guān)系預(yù)測水壩拆除結(jié)果的一種概念性工具，即使用應(yīng)激源（水壩）-響應(yīng)（河流廊道生態(tài)完整性）曲線來評估水壩拆除風(fēng)險。

Bellmore 等學(xué)者認(rèn)為上下游各河段生態(tài)響應(yīng)軌跡是多個因素相互影響共同驅(qū)動的結(jié)果，假定每個河段對大壩拆除的長期和短期生態(tài)響應(yīng)是流域整體條件和時間的函數(shù)，提出生態(tài)響應(yīng)驅(qū)動和負(fù)反饋耦合模型。 耦合模型根據(jù)上游河段、庫區(qū)、水庫下游三個區(qū)域關(guān)鍵的物理化學(xué)參數(shù)，以驅(qū)動和負(fù)反饋調(diào)節(jié)路徑確定生態(tài)參數(shù)變化。 河流廊道的生態(tài)響應(yīng)是三個河段生態(tài)響應(yīng)的相互作用結(jié)果。 現(xiàn)有部分過程模型，如水力和泥沙輸移模型、棲息地適宜性模型、種群動力學(xué)模型、水生營養(yǎng)生產(chǎn)力（ATP）模型等可根據(jù)生態(tài)響應(yīng)驅(qū)動和負(fù)反饋路徑進(jìn)行耦合，實現(xiàn)關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)的響應(yīng)預(yù)測。

3.模型預(yù)測結(jié)果分析

水庫下游泥沙擴(kuò)散和平移過程的組合理論獲得了較多驗證。 相關(guān)學(xué)者的實驗研究表明，釋放的泥沙在河段尺度上覆蓋了下游河道的大部分形態(tài)，并改變了河床高程、結(jié)構(gòu)組成和空間格局，河床地形和結(jié)構(gòu)模式在不同的時間尺度上進(jìn)行調(diào)整。 理論、實驗和現(xiàn)場研究表明，當(dāng)脈沖體積相對于河道尺寸較小、粒度比下游河床細(xì)且弗勞德數(shù)較低（＜0.4）時，礫石河床河流上的沉積物脈沖通過平移而不是擴(kuò)散傳播；當(dāng)泥沙體積相對河道尺寸較大、粒度分布較寬且含有比河床粗的顆粒、弗勞德數(shù)較高（＞0.4）時，泥沙以擴(kuò)散為主。

水壩拆除策略、景觀格局和清除特征的差異性決定了預(yù)測模型的不完整性和不確定性，目前尚未量化的重要問題包括水庫排沙速度和機(jī)制、流域地貌和水文如何影響水庫排沙速率和機(jī)制、沉積物向下游輸送的距離和速度、下游沉積物將如何影響微觀河道形態(tài)和生物群落等。

三、拆壩過程的生態(tài)管理

1.沉積物管理

沉積物管理是在拆壩過程和后續(xù)修復(fù)工作中需要持續(xù)關(guān)注的核心內(nèi)容。 水壩拆除策略的一個重要目標(biāo)是將下游河流中的懸移質(zhì)含量保持在一個背景水平，以避免對下游魚類或棲息地造成直接和間接傷害。 大型水壩拆除時需采取適應(yīng)性泥沙管理手段，并在拆壩期間同步監(jiān)測，不斷調(diào)整拆除速度和緩解措施。

（1）庫區(qū)

庫區(qū)泥沙管理的核心問題是庫區(qū)侵蝕泥沙總量及泥沙輸移速度，主要解決方式是根據(jù)已有水壩拆除案例進(jìn)行合理分析預(yù)測，并科學(xué)制定拆除計劃、確定泥沙控制措施。 有學(xué)者建議水庫沉積泥沙平均寬度與原河道寬度之比大于2.5 時宜采取分階段拆除方式。 庫區(qū)沉積物處理量不大時可通過傳統(tǒng)挖掘、汽車外運方式進(jìn)行清除，但大量沉積物處理仍需要通過水流自然運輸方式逐漸清理。 水質(zhì)預(yù)測結(jié)果決定沉積物是否允許向下游釋放。 一般沉積物處理方式主要包括自然侵蝕、機(jī)械清除、穩(wěn)定化處理幾種。 其中，穩(wěn)定化處理是處理泥沙的常用方法，目的是通過在泥沙沉積區(qū)創(chuàng)造一個穩(wěn)定的水流通道后，采取穩(wěn)定邊坡、布設(shè)護(hù)岸或擋土墻和植被種植方式穩(wěn)定沉積物。 美國大多數(shù)水壩在拆除前都采取了沉積物預(yù)先挖除、拆除構(gòu)筑物并開挖人工排泄河道等控制措施以減少輸移總量，同時對短期內(nèi)不發(fā)生輸移的庫區(qū)沉積物加速固結(jié)、恢復(fù)植被。 新開挖的河道需滿足不同頻率下洪水過流要求，并恢復(fù)其天然平面形態(tài)，河道寬度以建壩前原河道寬度或水庫上游河寬為參考，平面形態(tài)上恢復(fù)河流自然蜿蜒度，構(gòu)建天然河道的深潭-淺灘系統(tǒng)，河流兩岸增加兩側(cè)護(hù)岸及植被措施以恢復(fù)橫向穩(wěn)定性。

（2）水庫上游河道管理

庫區(qū)泥沙楔形體在拆壩后順?biāo)飨蛳掠伟l(fā)生侵蝕和遷移，這個過程可能導(dǎo)致上游河道橋墩基礎(chǔ)暴露、增加泥沙荷載或發(fā)生破壞。 并且，在拆壩后發(fā)生的大洪水期間，河流如果沒有足夠的時間形成穩(wěn)定河道寬度和岸坡，可能會引起河流橫向失穩(wěn)。 但沉積物分布的不確定性決定了預(yù)測庫區(qū)泥沙侵蝕長度及最頂端位置是非常困難的，泥沙固結(jié)程度和固結(jié)速率、沉積物黏性、沿途遇到的設(shè)施基礎(chǔ)等直接影響侵蝕延伸的部位和長度。 這種情況下分階段拆除方案、拆除基礎(chǔ)設(shè)施、壩址坡度控制及加強(qiáng)即時監(jiān)測等是有效的管理手段。

（3）下游河道泥沙淤積

下游河道的泥沙淤積不但掩埋生物和水生生境，恢復(fù)后的天然水文流量過程也加大了對周邊供水、娛樂及基礎(chǔ)設(shè)施的影響，包括增加淹沒風(fēng)險、改變地表水-地下水交換模式、影響引水建筑物運行、娛樂設(shè)施難以正常發(fā)揮功能等。 水壩壩址處淤積往往最為嚴(yán)重，而下游淺灘淤積較小。 因此，壩址附近的取水口可能在拆除后最初幾年需要人工清淤，局部發(fā)生淤積的天然壩也可能成為魚類洄游的障礙。 應(yīng)特別關(guān)注原魚類產(chǎn)卵場的局部洼地，對其進(jìn)行保護(hù)，避免發(fā)生淤積和填埋。

2.污染物釋放及濁度升高

水庫泥沙污染物成分可通過流域地質(zhì)狀況、 土地利用方式和周邊工礦企業(yè)類型等因素進(jìn)行調(diào)查、預(yù)測和評估，其濃度需進(jìn)行采樣分析。預(yù)測表明泥沙釋放引起下游水質(zhì)惡化產(chǎn)生不利影響時，需對其進(jìn)行挖除或就地硬化覆蓋處理。 有專家認(rèn)為濁度響應(yīng)強(qiáng)度和持續(xù)時間與拆壩后的水文事件同步，可以通過控制拆除速度、上游庫區(qū)植被同步構(gòu)建、控制下泄排水流量等措施減少懸移質(zhì)含量，緩解濁度升高帶來的負(fù)面影響。

3.對地下水的影響

拆除水壩引起的水庫水位下降，將降低周邊地下水水位，可能會影響庫區(qū)周邊的油井、化糞池系統(tǒng)、抽水水井取水以及與地下水連通的生物棲息地。 受庫區(qū)水位降低的影響，地下水流向發(fā)生變化，淺層井可能發(fā)生水位下降、流量減少或干涸，需對已建成水井加深或遷建。 因此，應(yīng)根據(jù)庫區(qū)周邊水文地質(zhì)條件，對飲用水水井、泉水排放點、附近湖泊濕地及淺層地下水影響進(jìn)行預(yù)測，并采取相應(yīng)補(bǔ)償措施。

4.外來物種入侵

脫離了本土環(huán)境生態(tài)約束的入侵物種可能與本土物種競爭并雜交，重構(gòu)食物網(wǎng)，破壞生態(tài)系統(tǒng)多樣性和生產(chǎn)力。 地貌類型、沉積物結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)、入侵物種繁殖能力及植被控制措施是造成影響的主要因素。 拆壩后迅速種植本地物種可減少入侵物種的優(yōu)勢地位，包括庫區(qū)恢復(fù)鄉(xiāng)土植物群落、 人為進(jìn)行植物群落構(gòu)建、濱岸植被種植、 庫區(qū)水土保持林建設(shè)等，植物恢復(fù)措施是水壩拆除計劃中的硬性要求。

漁業(yè)部門的魚類引種和個體放生行為導(dǎo)致水壩拆除后入侵物種進(jìn)入上游水域，擴(kuò)大入侵范圍。 對水壩拆除風(fēng)險的預(yù)測中需要考察生境環(huán)境（如溫度和水流狀況）和生態(tài)特征（如食物資源、魚類組合）與潛在入侵者的生物特性和生活史之間的關(guān)系，以評估入侵物種擴(kuò)散風(fēng)險，這些風(fēng)險必須與重建本地物種的潛力進(jìn)行綜合權(quán)衡。

四、對我國的借鑒意義

我國水庫報廢和水壩拆除工作，主要針對具有重大安全隱患、由于淤積等原因水庫功能消失及因生態(tài)環(huán)境保護(hù)需要拆除的水壩。 近年來，出于河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)目的，在全國范圍內(nèi)對小型引水式電站進(jìn)行整頓，整頓措施包括工程改建、加強(qiáng)泄流監(jiān)控和電站拆除等。

2003年以來水利部相繼發(fā)布了《水庫降等與報廢管理辦法（試行）》、《水庫降等與報廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL 605—2013），從行政規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)兩方面規(guī)范了水庫降等與報廢工作。 在引水式電站改造方面，水利部發(fā)布了《綠色小水電評價標(biāo)準(zhǔn)》（SL 752—2017）。

美國在水壩退役方面開展的科學(xué)研究和工程實踐，為我國在此領(lǐng)域的理論與實踐方面提供大量經(jīng)驗與借鑒。 我國當(dāng)前在拆壩工程中，大多缺乏前期論證工作，包括調(diào)查監(jiān)測、水文地貌生態(tài)預(yù)測、 拆壩方案比選、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等，同時也缺乏后期的監(jiān)測、 后評估以及適應(yīng)性管理規(guī)劃。我國在拆壩工程方面的科研相對落后，處于起步階段。 在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面需要進(jìn)一步完善和細(xì)化，使之更具操作性。 為此提出以下建議：

①水行政主管部門要規(guī)范拆壩工程的規(guī)劃設(shè)計審批權(quán)限，提出工程立項、 工程論證和規(guī)劃設(shè)計大綱清單。 明確規(guī)劃設(shè)計的目的不但要達(dá)到拆壩的預(yù)期目標(biāo)，而且要把拆壩引起的負(fù)面影響降至可控范圍。

②完善和細(xì)化相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括拆壩技術(shù)、對水文地貌和生態(tài)環(huán)境影響預(yù)測方法、拆壩后修復(fù)對策及生態(tài)管理措施等。

③開展拆壩的科學(xué)研究。 重點研究拆壩的水文變化、泥沙輸移、地貌重構(gòu)、污染物擴(kuò)散以及魚類和無脊椎動物的生物響應(yīng)和植被變化，研究其規(guī)律，開發(fā)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。 可應(yīng)用3S技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析，有條件的項目可結(jié)合物理模型實驗。 科研的目的一方面是探索自然規(guī)律，另一方面是為科學(xué)制定拆壩方案和生態(tài)管理措施提供技術(shù)支持。