筑坝河流的生态环境效应及对策措施研究

魏元芹 丁 毅 张先平

（长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010）

一、引 言

筑坝是人类征服大自然、开发利用水资源的重要方式。通过修建水库实现防洪、灌溉、供水、发电、航运、水产养殖、旅游等河流服务功能，已使世界范围内很多人受益。随着对生态环境作用认识水平的提高与保护意识的增强,社会各界对筑坝引起的生态环境影响问题越来越关注，如何降低筑坝对河流生态环境的影响，尽可能保留或塑造生物类似原生态环境，提高生物生存繁衍能力事关工程建设成败，更成为河流健康的重要指标。近年来，我国在水资源开发利用方面，越来越重视生态环境保护，提出了一些具有世界领先的理念和方法。比如，从维护河流健康的角度出发，逐步划定水电禁止开发区和限制开发区，限定水工程建设范围，对江河源头区、重要水源地、渔业水域及珍惜濒危水生野生动物密集分布区，天然湿地等实施有效保护。在水电规划、设计、工程建设、运行管理等各个阶段，也更加重视生态环境保护工作，将改善水环境、保护水生态作为工程建设与调度的主要目标，不断完善水利水电工程生态保护和环境影响评价指标体系等。但是筑坝对河流生态环境的影响是长期的、缓慢的、潜在的和极其复杂的，目前对单个工程投入运行后生态环境影响及多个工程的生态环境影响叠加效应评价还不强，与当前保护河流生态系统的重要性、紧迫性还不相适应。

二、筑坝对河流生态系统的影响

水流、变化的水沙动力因子以及从源头到河口运动中所塑造的河道地形，构成了河流生态系统特有的生境。筑坝使人类取得发电、航运、防洪、灌溉、供水、旅游等河流服务功能的同时，也对河流的生态功能（物理性质、能量物质输送、动植物的生长繁衍等）带来一定的影响。物理性质主要包括因河道形态改变、河流连续性、河湖联通性等变化引起的生物栖息地特征变化与径流的年内分配、流量丰枯变化形态、季节性洪水峰谷形态、洪水来水时间和长短及水温、水质等水文情势变化等。物质输送通量、赋存形态、组成比例等直接决定河流生态系统的物种构成、栖息地分布以及动植物的生长繁衍。水库调节改变了这些过程，必然产生相应的生态效应。一般有如下表现形式：

1.对河道形态的影响

自然河流具有稳定的水沙平衡关系，河势稳定。水库蓄水后库区水面比降变缓，流速显著减小，将使河道的输沙能力减弱；经调蓄后的下泄水流过程出现均一化的倾向，输沙量显著降低，将打破原来的平衡，使原来的堆积型河道在较长时间内转为侵蚀下切。上世纪70年代欧洲莱茵河干流Iffezheim枢纽建成后，曾经为减缓侵蚀下切速度，保障河床基本稳定和通航，在工程建成后即进行填沙工程，平均每年填沙17万吨，其中最高的年份（1999年）填沙27.5万吨。大坝调水拦沙，也会对河口形态造成严重影响。三角洲是经河流成百上千年携带沉积物积累压实且与海洋侵蚀相互作用下形成的。因此，三角洲和滨海地区将会因大坝对沉积物的拦截而受到严重侵蚀。埃及的阿斯旺大坝建造之前，尼罗河每年平均可将1.24亿吨泥沙带入到大海中，填海造陆作用明显，另外还在狭窄的洪泛平原和三角洲地区沉积950万吨。现在，98%以上的泥沙都进入了纳赛尔水库，沉积物几乎不进入地中海，造成河流入海口的三角洲衰退，海岸受到严重的侵蚀。

2.对栖息地特性的影响

对不同空间尺度而言，水沙过程决定着生态系统赖以存在的物理环境，从河道的几何尺度、滩槽的分布到断面水力因素、河床基质的组成，都由水流与当地的地形、地质条件所决定。藻类、水生植物、无脊椎动物、鱼类都与河流中水深、流速、基质组成等存在密切联系，水流和栖息地的这些复杂作用是决定河流生物分布、丰富度及多样性的重要因素。

河流中无脊椎动物种群的动态变化受洪水过程的影响。对于水流波动强、河底基质不稳定的河流，无脊椎动物种类少且数量不多。建库后，对近坝段受电站日调节波动影响大的区段，无脊椎动物种群多样性和数量都急剧下降，而靠近下游的缓流区则有利于无脊椎动物的繁殖。河流中鱼类产卵、摄饵多集中于浅滩、深槽边缘的缓流区，对水深、流速十分敏感，而这些与流量、河床形态均存在密切关系。建库后，流量调节，河床冲淤不但使栖息地物理特性发生变化，而且使鱼类的饵料或天敌种群发生变化，从而使鱼类的种群结构发生调整。根据美国某河流资料（Deer field River, Massachusetts），深槽与浅滩边缘的浅水域集中了90%以上的鱼类和其他物种，而建库后电站下泄水流的波动使这些物种基本灭绝。

3.对河流连续性破坏的影响

修建大坝破坏了河流纵向的连续性，使得许多水生物种无法在河流上下游自由洄游、迁徙，完成其繁殖、产卵等生命周期。同时，水库修建后，一方面流量调节使得洪峰流量和频率减小，另一方面河床的冲刷下切或展宽，扩大了河道过水面积，使得水流漫滩机率进一步减小，降低了河流的横向连续性。澳大利亚墨累河下游的Chowilla河上，上游大坝和调水工程修建后，流量的调节以及下游横断面面积扩大，使得洪水漫滩的机率显著减小。曾经平均每1.2年漫滩一次的洪水，现在变为2.5年一次，每2年一遇洪水漫滩淹没面积由原来的33%减少为5%，每10年一遇洪水漫滩淹没面积由77%减少至54%。每3年淹没一次河漫滩的大洪水，现在每10年才能出现一次，且持续时间由3个月减少为2个月。洪水减小影响了河岸植被的健康。黑黄杨木曾经每10年淹没一次，能够保持其健康成长，如今每35年还不能淹没一次的黄杨木由于土壤盐碱化而死亡。岷江上游开发任务，除干流紫坪铺和支流杂古脑河狮子坪电站为混合式开发外，其他梯级均为引水式开发，导致的直接后果是干流约80km、支流约60km的河段出现时段性脱流，岷江上游干流和主要支流原生的近40种鱼类包括国家二级保护鱼类虎嘉鱼的数量和种群急剧下降，许多河段生物多样性丧失殆尽。间接后果是河床萎缩或干涸裸露，乱石堆积，两岸植被萎缩，河床沙化，汛期大水时形成的高含沙水流加剧下游河道淤积，而且因为脱流导致两岸农田无灌溉水源保证。

4.对生物生长特性的影响

无论是水生植物还是动物，其繁殖、孕育、生长的过程均受到水流因素的影响。许多水生植物种子的扩散、萌芽，乃至生长速度均与洪水过程、水位变幅存在很大的关系。鱼类在特定阶段，如产卵、孵化、鱼苗发育期，对流速、水温等水流条件也有特殊要求。天然情况下，这些活动与昼夜、季节变化是同步或相适应的，而建库后水流的天然特征很大程度上被破坏，因而许多鱼类生长过程所需要的外界条件不复存在。建库后新的环境条件将迫使生物逐渐适应环境变化，对生长历程、生长周期做出调节。各种生物对新环境适应能力差别所导致的优胜劣汰必将引起种群结构和生态多样性的变化。

三、常规降低筑坝影响的对策措施

为减小上述这些影响，恢复或塑造生物类似原生态环境，在总结人类几千年筑坝史，尤其是近几十年经验的基础上，提出了一系列的解决方案。对于生物栖息地特征变化问题主要通过河流生态修复工程（修建鱼道、河势调控等）解决，对于水文情势变化和能量物质输送问题，目前可能选择的办法是改善现行的水库调度方法, 在不影响水库的经济社会效益的前提下,实行兼顾河流生态系统需求的多目标生态调度。

1.模拟自然水文情势的水库泄流方式

即为河流重要生物繁殖、产卵和生长创造适宜的水文学和水力学条件，适当改变现行水库调度中水文过程均一化的倾向, 模拟自然水文情势的水库泄流方式。基础工作就是选择标志性物种，弄清水文过程与生态过程的相关关系，建立相应的数学模型。首先必须掌握水库建库前的水文情势, 包括流量丰枯变化形态、季节性洪水峰谷形态、洪水来水时间和长短等因子对于鱼类和其他生物的产卵、育肥、生长、洄游等生命过程的关系。调查、掌握水库建成后由于水文情势变化产生的不利生态影响。模拟过程中还需要对采取不同的水库生态调度方式影响生态过程进行敏感性分析。在综合考虑的基础上,制定合理的生态调度方案。比如根据鱼类的繁殖生物学习性, 结合来水的水文情势, 形成有利于鱼类生长的“人造洪峰”, 使之接近建坝前的水文情势,恢复鱼类产卵条件等。

2.根据水生生物的生活繁衍习性灵活调度

水库及坝下江段水位涨落频繁，对沿岸水生物管束植物、底栖动物和着生藻类等繁衍不利。特别是在产粘性卵鱼类繁殖季节，水位的频繁涨落会导致鱼类卵苗搁浅死亡。因此，水库调度时，应充分考虑这些影响，尤其是产粘性卵鱼类繁殖季节，应尽量保持水位的稳定。我国很多渔业生产水平比较高的水库，在水库调度中都采取了兼顾渔业生产的生态调度措施。如黑龙江省龙风山水库在调度上采取春汛多蓄，提前加大供水量的方式，然后在鱼类产卵期内按供水下限供水，使水库水位尽可能平稳，取得了较好的效果。

实验前对两个班学生进行实验前四项教学内容的测试以及体育课堂的学习兴趣调查，测试结果如表一所示。由于P＞0.05，两班测试成绩没有显著性差异，符合实验的条件。在实验过程中，实验班和对照班的授课均为同一体育教师，课堂所需场地器材均相同。

3.合理运用大坝孔口,控制低温水下泄

水库低温水的下泄会严重影响坝下游水生动物的产卵、繁殖和生长。可根据水库水温垂直分布结构，结合取水用途和下游河段水生生物的生物学特性，利用分层取水设施，通过下泄方式的调整，如增加表孔泄流等措施，以提高下泄水的水温，满足坝下游水生动物产卵、繁殖的需求。

4.控制下泄水体气体过饱和

高坝水库泄水，尤其是表孔和中孔泄洪，因考虑消能易导致气体过饱和，对水生生物产生不利影响，特别是鱼类繁殖期易造成仔幼鱼死亡率提高,对于成鱼易发“水泡病”。针对这个问题,可以在保证防洪安全的前提下, 延长泄洪时间,适当减少下泄最大流量。研究优化开启不同高程的泄流设施,使不同掺气量的水流掺混，做到消能与防止气体过饱和的平衡，尽量减轻气体过饱和现象的发生。另外，气体过饱和在河道内自然消减较为缓慢，需要水流汇入以快速缓解，可以通过流域干支流的联合调度，降低下泄气体过饱和水体流量比重，减轻气体过饱和对下游河段水生生物的影响。

5.水库泥沙调控及水库富营养化控制

为减缓水库淤积, 国内外通过几十年的研究和实践，已经总结出行之有效的“蓄清排浑”的水库调度运行技术。水库采取“蓄清排浑”的调度运行方式，结合调整运行水位, 利用底孔排沙等措施, 降低泥沙淤积，有效延长水库寿命。还通过改变水库的调度运行方式, 在一定的时段降低坝前蓄水位, 缓和对于库岔、库湾水位顶托的压力, 使缓流区的水体流速加大,破坏水体富营养化的条件，有效防止水库水体的富营养化。其次，中小型水库通过在一段时间内加大水库下泄量, 带动库区内水体的流动, 也达到防止水体富营养化的目的。

6.重视科学研究和新技术应用，制定科学合理的综合调度方案，充分利用水资源

例如美国田纳西河流域管理局(Tennessee Valley Authority，简称TVA)就是这方面的典范。夏、秋两季是田纳西河的非汛期，TVA的水库都蓄水发电，也为水上休闲、旅游提供服务，并通过水位的升降控制杂草、蚊蝇生长，改善环境。如在蚊虫产卵时蓄高水位，产卵后即降低水位使虫卵干死，再蓄高水位以便鱼食此卵，这样利用水位调节灭蚊就是其深入研究和利用研究成果的实例。

四、三峡工程生态保护实践

三峡工程是长江流域的大型骨干水利工程，具有巨大的防洪、发电、航运和生态效益。其建设非常关注工程建设产生的生态环境效应。从上世纪50年代就开始可行性论证工作，对有关的水生生物、鱼类资源、湖区环境、河口环境等都进行了调查研究，积累了丰富的基础资料。自工程开工建设以来，采取了生态修复和多目标生态调度相结合的措施，有效保护了河流生态。

1.采取严格的物种保护措施

对库区陆生植物的物种保护采取建立自然保护区、珍惜植物保护点和古代珍奇树种保护三类方法。相继建立了宜昌天宝三森林公园、兴山龙门河亚热带常绿阔叶林自然保护区和巫山小三峡景观生态自然保护区，万县荷叶铁线蕨、秭归蔬花水柏枝及宜昌莲沱川明参3个自然保护点及从库区5000株古代珍奇树中挑选出199株作为库区古代树种资源重点保护对象。对水生生物规划建立4个自然保护区、1个半自然保护区和建立3个人工繁殖放流站，使区、站基本形成网络，为保护对象提供了较好的自然生存环境，同时通过人工繁殖一定数量的苗种，定期向长江放流，以达到复补种群数量、保证物种生息繁衍的目的。目前长江上游已设立了中华鲟、胭脂鱼和白鲟人工繁殖放流站，长江中游设立了珍惜鱼类人工繁殖放流站。葛洲坝中华鲟研究所及沙市长江水产研究所，自1984年成功进行中华鲟人工繁殖以来，每年向长江人工放流幼鲟，部分作了标志并进行跟踪研究，经监测表明，中华鲟已在葛洲坝坝下形成的产卵场自然繁殖，保护措施取得了成效。

2.重视科学技术的研究和运用，实施洪水资源化调度

3.开展枯水期水资源和生态调度，优化水资源配置

水库修建后在干旱和枯水期,水库调蓄可增加下游水量，缓解了下游河道和湿地生态缺水。三峡水库针对枯水期下游供水、抗旱、抵御咸潮入侵及库区水华等问题进行了枯水期的水资源（水量）优化调度方式研究。针对在每年年初河口压咸、两湖补水等需求，采取设置最小下泄流量或水库降至一定水位的补偿调度方式，使三峡水库适当加大下泄流量，制定了遇特枯水年份动用库水位155m以下库容的调度原则，以及三峡库区及下游河段发生干旱灾害、发生重大水污染事件的应急调度措施。合理调整了水库调度目标，加大了枯期对下游的补偿力度，进一步明确水资源调度方式和任务。即，在每年1～2月下游最需用水时段，水库在满足发电、航运需求的基础上，再增加下泄流量400～600m3/s，使1～2月下泄流量基本可达6000m3/s。同时明确，遇来水特枯年份，应根据需要和可能，允许库水位降至155m以下。2008年10月下旬，长沙、株洲、湘潭供水紧张，三峡适时加大泄量7500～8500m3/s，从一定程度上缓解了用水紧张局面。试验性蓄水至172.8m以后，有可调节库容143亿m3，向下游补水能力大大增强，2008年12月～2009年4月中旬共向下游补水56.6亿m3，下泄流量超过5000m3/s，较天然情况有较大幅度提高。对改善水库下游地区生态环境，促进水系连通、湖泊湿地恢复，提高生物多样性作出重大贡献。

4.有效延缓洞庭湖的衰亡，有效保护湖区生态

洞庭湖跨湘、鄂两省，昔日中国第一大淡水湖因围垦、泥沙淤积等已被分割为东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖等多个部分。针对洞庭湖，国家分别成立了多个自然保护区，而且洞庭湖的各个部分也相继被列入国际重要湿地名录，保护着300余种几百万只水禽越冬和栖息。三峡工程兴建后，由于水库的调节运用，下泄径流、泥沙有所变化，水体中携带的营养物质，部分被拦截在库内。目前在洞庭湖3126亿m3的年径流量中，只有37%来自长江。然而正是这37%的长江之水带来了占入湖总量81.9%的泥沙，因此可以说现在的洞庭湖既是长江洪峰的调节器，又是长江的沉沙池。随着三峡工程的竣工投运，来自长江的泥沙量将大为减少，主要有两个方面的原因：一是长江注入洞庭湖的水量急剧减少；二是建坝后有效地控制了水土流失，长江下泄水体的泥沙含量减少。按较为保守的统计预测，建坝30年后, 湖区泥沙淤积速度将小于目前淤积速度的50%,洞庭湖的淤积速度将显著减缓, 为其寿命延长并实施综合治理创造了条件，可有效维护其生态调节功能。

五、对策措施建议

总结国内外几千年来的筑坝经验和教训，虽然在防洪减灾、调蓄水量、灌溉发电、航运旅游等方面获取了巨大的经济效益和社会效益，但也对生态环境等产生了一定影响。人们应采取相应的对策和措施,以减轻大坝工程建设可能带来的各种负面影响。提出以下对策措施建议：

一是，合理调整河流水电梯级密度及功能和目标。借鉴国内外的经验和教训，统筹考虑技术、经济、环境等各方面因素影响，确定梯级布局的原则，合理进行梯级规划布局，严格控制项目的立项审批（核准）。比如，沱江流域规划要建66座梯级水电站，已建22座，由于河道天然比降较缓，使得沱江大部分时间平均水流流速仅为0.17m/s，降低了水体的自净能力。有关专家认为要重新审视沱江的开发利用规划，不能以一个地方的尺度来进行规划，要在一个流域、区域内全面权衡，力争全流域或区域经济效益与生态效益最优化。对该流域还没有建设的水电站要慎重审批，对已建水电站的功能及目标进行调整，同时对其他有类似情况的河流也应作相应处理。

二是，加强干支流控制性水库群联合调度。由于长江上游干支流水库分属不同业主管理，大都按单库运行方式或某一支流梯级水库联合运行方式运行，这种调度方式可能会影响其他水库及三峡水库的调度运用，同时，三峡水库下泄水沙过程发生变化后，长江中下游河道及江湖关系和长江河口河道等将发生变化，从而对长江中下游防洪、河势、水生态环境、水资源利用等产生影响。因此，进行水库群联合调度，合理安排水库群的蓄、泄水时机，协调兴利与防洪、生态的关系，充分发挥整体综合效益，是十分必要和紧迫的。目前，水利部正在组织开展三峡水库优化调度和以三峡水库为核心的长江上中游干支流水库群联合调度研究，制定水库群联合调度方案，方案实施后，将有利于水资源综合效益的充分发挥。

三是，进一步加强流域综合规划法律地位，加大全流域综合规划工作力度，要以维护河流优良生态环境、保障水资源可持续利用为目标，保障全流域防洪安全、供水安全、生态安全。为减少专业规划与综合规划的矛盾，加强协作，建议水电、航运、灌溉等专业规划由国家发展改革部门与水行政主管部门联合审查审批。

四是，加强对河流生物的产卵、育肥、生长、洄游等生命过程的机理研究，进一步读懂生态过程与水文过程、生态过程与泥沙过程、生态过程与温度等方面的相关关系以及加强研究水流要素的敏感性，以便开展多目标生态调度。此外，有效的降低筑坝影响的措施离不开成熟完善的监测体系，因此，除建立常规的水文监测外，还必须加强水质、鱼类等的监测。

五是，应充分认识到人与自然和谐统一的重要性，重视河流生态环境保护。作为重要手段之一，要从综合治理的角度加强河流生态修复工程的建设。同时，要注意工程措施和非工程措施相结合，优化现有的水库调度措施。

六、结 语

水库修建后对河流上、中、下游乃至河口的生态环境都有影响，这些影响包括有利的和不利的、短期的和长期的、即时的和潜在的、可逆转的和不可逆转的。由于河流系统组成单元复杂，包括洲滩、湖泊、湿地、河口等地貌-生态系统，建库后河床变形及河湖关系变化复杂，因此，对于将来的生态环境预测及保护，一方面要继续观察和研究生物对环境变化的调整响应；另一方面要继续深入开展河流自身演变趋势的分析和研究，据此推断可能出现的栖息地变化。大坝设计者、建造者和管理者应遵循改善生态环境和可持续发展的终级目标,通过应用现代技术、深入开展环境影响评价、制定利于生态环境的大坝运作模式等手段，使每一项新建的工程综合效益都达到最优。

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