大坝下游河道冲刷及水温变化对生态的影响

［美国］A.H.阿辛顿

大坝下游河道冲刷及水温变化对生态的影响

［美国］A.H.阿辛顿

大坝在发挥各种效益的同时，也会带来各种不利的影响。下游河道冲刷及分层型水库下泄低温水造成“冷水污染”，是给生态系统带来不利影响的重要方面。分析了下游河道冲刷造成支流下切、河道退化对动植物影响的主要原因，并以南非的奥勒芬兹河和澳大利亚墨累-达令流域的河流为例，论述了冷水污染、下游过饱和气体对鱼类造成的影响及相关国家正在研究和采取的措施。

水工建筑物;大坝;河道冲刷;水温变化;环境影响

1 概述

大坝对河流具有最直接而明显的调节作用，因为它能以多种不同的方式蓄放枯季和洪水期的流量，并能改变河流的整个流态。天然流态的调节对河流泥沙的动态特性、河床地貌、营养物转化换及其他化学工况、河流热状况、栖息地结构和世界各地河流中水生和河岸物种的恢复都有极大影响。在一条特定的河流中，生态对河流流态的变化响应，取决于河流流态的基本要素是如何随该河的天然流态而变化的。由于河流流态的变化，不同地区同样的人类活动可能会使某地原状况发生不同程度的改变，因此造成的生态影响也就不尽相同。

2 大坝效益

每座坝都会根据当地的气候和流域状况、目的、设计和运行模式，以其特定的方式蓄水和泄水。例如，早在20世纪60年代，尼罗河上就建起了阿斯旺高坝，水库为埃及约250万hm2的农田提供灌溉用水，并极大缓解了埃及1979～1988年持续的旱情，以及1973年和1988年的洪涝灾害造成的影响。在美国，格林河上的弗莱明峡谷(Flaming Gorge)坝是美国西部最大的大坝之一，而格林河是犹他州科罗拉多河的一条主要支流。科罗拉多河蓄水工程借助于蓄水水库，为科罗拉多河流域上游进行配水和发电。弗莱明水库是一个可供钓鱼和轻潜水(自携水下呼吸器的潜水)的极佳休闲娱乐地，从大坝可沿绿河的急流漂流而下。而在1963年弗莱明峡谷坝建成以前，河流曾多次经历春汛(来自雪融水)和秋冬(10月至次年3月)干旱。大坝建成后，由于削减了洪峰，旱涝频度大为降低，发挥了防灾减灾效益。在发挥大坝生态效益、改变河流流态方面，科罗拉多河几乎可以堪称典范。

3 大坝下游河道的冲刷

大坝修建后，虽然能发挥各种效益，但河道的水流条件也将随之发生改变，涉及河道形状和河床特性的地貌也会呈现相应的调整，通常包括河槽缩窄和刷深、平面形态的调整及伴随着影响河床稳定和河床粗化的内河沙洲、岸滩和岛屿的开发活动。这些衍生而来的变化形式繁多，取决于大坝坝址、规模、用途、地貌环境、河流特性、大坝泄水策略和流量调节方式、河流泥沙特征及其利用率、后期蓄水时的泥沙输移及特有的水流动力特性等。大坝的这些影响可能会因河道对流域和河道内其他地貌环境的响应而变得复杂，如森林砍伐、岸栖植物清理、河床中原木的清除、放牧、城镇化、渠化、筑堤、排水沟渠布设、清淤排沙填沙、设置桥洞桥涵、机动游船娱乐、外来河岸和水生植物的侵入及捕捉河狸等。

由于大坝的拦沙作用，水库的水会含有大量泥沙，给下游河段和栖息地结构带来许多严重的后果，而且这种影响可能会沿河流一路直到三角洲或河口。清水下泄，也可能带走河道中更细的泥沙(即清水刷深)，造成河道刷深和河床降低(河床退化);相对输入河流的泥沙量而言，这一过程反映了水流能量、剪切力或输沙能力的过剩。河流退化会在数年时间内导致河床系统性降低，且可能对较长的河段，甚至对单条河或整个河网造成影响，这是“打破河流系统平衡的一种典型特征”。

由于大坝下游河槽受到冲刷和下切，相应的支流也难逃厄运，这时支流可能因被冲刷而被迫前移，促使大坝下游的细泥沙荷载大增。例如密苏里河干流上的大坝下游，因河道刷深，导致加里森(Garrison)坝下游数英里的河床平均高程降低3 m以上，而且沿密苏里河众多的支流都发生了冲刷下切。下切的原因主要归结于主河槽为满足河床高程降低的要求而调整增大支流的坡降。

大坝下游河道退化，同时也使河流与滩区脱离了联系，因为支流下切后，河水就无法达到漫过河岸的高程，冲入滩区。这样，滩区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，减少了对冲积含水层的补水量。为了维持含水层的水量，只得从弓形湖和湿地中补给。从地下水位来讲，因某些物种非常喜爱地下水位高的地带，另一些物种则喜爱低水位的地带，而大坝泄向下游的水位变得更稳定，改变了滩区地下水深范围的天然变幅，使本来能促使滩区植物多样性的特征发生了改变。还有一大影响是，由于河槽刷深引起河流退化，减少了河流走廊中河道的迁移和迂回曲折地摆动。当河流不再能迁回到其原有范围时，就制约了曲流下移、弓形湖及其他河槽旁和非河槽中栖息地的发展，对维持河流的生物多样性造成影响。例如，在密苏里河佩克堡(Fort Peck)坝的下游，由于河流水少，造成河床粗化，其年均摆动速率已从每年7.5 m减小到1.8 m，而密苏里河支流上的摆动速率也随之减小，造成白杨的再生速率下降。

泥沙沿河道的输移和重新分布，表明冲淤两过程之中是相互作用的，这两过程都可能对岸栖植物造成影响，或是干扰已成形的植物，或是促成植物在盟生期和成熟期小片的移殖。泥沙冲积层可能会在植物叶片和根茎上沉积一薄层，减少光化合成作用并影响其生长，而且泥沙还可能大量沉积，部分或完全地掩埋植物，使植物长期受压甚至死亡。植物偶然性的生根，繁殖生长，很可能会从淤积的泥土中恢复出现，而局部被水源性泥沙所埋的植物，则会干扰岸区植物的正常发育、移植生长及其存活过程。

4 大坝下游水温的变化

河流热状况的特异性与专性的淡水生物，其整个生活周期在生态上是息息相关的，而河流热状况的整体性正如天然流态的整体性一样重要。有了大坝，河流调节的热效应就会因坝的地理位置、大坝管理与运行模式、泄水途径和深度以及气候和地理环境而发生改变。河流热状况的变化可能会延伸到坝下游较近或者极长的距离，取决于与大气的热交换、支流在水文方面的补给和地下水补给，以及大坝水库下泄流量的特征。在许多情况下，大坝下游的河流热状况变化较大，尤其是分层型水库温跃层(也即下层低淡水层)以下泄冷水时更是如此，这时往往会发生缺氧情形，且受纳河流的水温比正常情况下更低。冷水的河流热状况是通过从单一深处下层滞水层出口阀门或出流口(往往与水力发电有关)泄水，或从不同水库深度有选择性地抽水而形成。

河流正常的热状况出现温度下降的特征往往被称为“热”(thermal)或“冷水污染”，因为在春夏两季，水温一般地要比明流河道中的水低得多。然而在冬季月份，大坝运行一般则有相反的效应，即从上游或水库库面温水层(温跃层以上)向下游泄水，提高相对天然河流状况的水温。

例如，学者莱萨德和哈耶斯发现，夏季大坝下游的河水温度平均上升2.7℃，水温降温不会超过10℃，升温不会超过5.5℃。

由于水生昆虫和鱼类接收的是昼长和日度总和同时出现的综合信息，水库向下游泄放较冷的水，就会对无脊椎动物的生活史过程、鱼类的产卵习性及其成功率造成影响。有研究表明，河流热模式的改变和昼长信息的变化不仅会扰乱昆虫的显露型式，还会减少群体性的活动。与水电站大坝相关的水库泄放冷水，对某些鱼种来说，可能会滞后产卵期达30 d。以下列出了水库泄放冷水对鱼类造成影响的两个实例。

(1)水温变化带:奥勒芬兹(Olifants)河。在南非的奥勒芬兹河，从克兰威廉(Clanwilliam)水库泄放的水温温差，对克兰威廉黄花鱼的成功产卵至关重要。水库的试验性放水表明，湖面温水层新鲜温水(19～21℃)能激发鱼类的产卵习性，促使其向产卵场洄游，而在水库试验性的暴涨后立即泄放下层基流带(16～18℃)的冷水，则鱼类的产卵活动当即夭折。本研究表明，水温必须在鱼类产卵后持续维持一段时间的温水水平，以支持黄花鱼胚胎和幼体的发育及生长，也就是说，水库下层滞水带向下游泄水，可能会引起大坝下游相当长河段内的易危物种无法适应而消失。

(2)水温变化带:墨累-达令流域。在澳大利亚东南部的墨累-达令流域，夏季如果河流水温降低，其效应会延伸到诸如马兰比季河、麦格里河、米塔米塔河、纳莫伊河、墨累河等众多大江河大坝下游数百公里的范围。在奇皮特(Keepit)坝下游的纳莫伊河，由于最高水温降低，持续时间延长，造成了淡水石首鱼产卵成功率下降25％～70％，金鲈相对于建坝前的年份下降了44％～87％。在类似的研究中也作过预测，即从米塔米塔河上的达特茅斯(Dartmouth)水库向坝下游泄放冷水，则使最小平均雌性种群规模减少约76％，对墨累河中鳕的产卵后期存活率构成很大的威胁。

学者奥尔登和奈曼作出了下列结论:大坝下游热状况变化特性及其影响评估对众多的难以评估水文变化的同类问题是一项挑战。还有人尝试性地探索过水流及其热状况变化对大坝下游鱼群潜在的个性影响及其相互作用。

5 大坝下游的过饱和气体

在大坝下游相当长的河段内水温降低，不仅会破坏河流的自然热状况，还可能影响到泄放到下游的水的化学成分和水动力特性。大型分层型水库(水体的垂直方向上出现温度分布不均的现象)可能会生成下层缺氧状态的滞水层。缺氧层并不是人们所希望的，因为下层滞水区形成缺氧环境，会制约生物栖息地的利用，还可能导致整个水库和坝下游的水质退化。大量鱼群的死亡，其主要原因就是因为水库下层缺氧状态的水体泄到下游所致。

鱼类死亡也可能是由于过饱和气体(特别是过饱和氮)加上大坝下游致命的鱼类气泡病所造成。水电站设施在泄放或涌出大量含气体水流时，水中常出现过饱和的溶解气体。人们可以看到，水电站消力池的压力是随水深而增大的，这种压力将大气气体压入水体中，形成过饱和溶解气体。水体中的过饱和气体因地而异，在较深的水塘或非紊流河段，有效气体耗散量比浅水处要少，湍急的河段则易于自然耗散气体。为此，人们一直在努力解决水电站大坝下游的这些问题。美国环保署于1977年制定了一项饱和度为110％的溶解气体的水质标准。为达到该标准，人们已设计出了各种设施来改变水流的动力特性，降低过饱和气体水平。

尽管这个老问题在诸多的坝下游都存在，但新建的坝也仍持续有这样的问题。随着“西电东送”工程的实施，中国已建成和正在建设许多水电站高坝，如紫坪铺坝、溪洛渡坝、向家坝电站、锦屏电站等等，而且还规划有许多高于200 m的大坝。中国的开发者们一直致力于新老问题的研究，包括改善气体过饱的问题，以保护中国西部河流中的大量本土鱼种。

6 结语

(1)大坝在发挥各种效益的同时，因下游水流条件改变，会导致河道形状和河床特性的地貌特征出现调整。

(2)大坝下游河槽受到水流冲刷时，支流可能因被冲刷而被迫前移;因主河槽河床高程受冲刷降低，只得通过增大支流坡降进行调整，这时支流会发生相应的下切。这种河流的退化，会给下游生态带来一系列影响。

(3)大坝下游的河流热状况变化较大，尤其是分层型水库温跃层以下泄放冷水时，即会出现“冷水污染”，可能造成下游鱼类无从适应，甚至死亡。据报道，一项具有创新性的温控帷幕工程得到了澳大利亚“新南威尔士州河流环境修复计划”的支助，其特点是温控帷幕能上下浮动，紧贴在水位下方，能使温度高的水层经由泄流阀汇入下游河道，由此减小水温温差，缓解冷水污染。

(4)大坝下游相当长的河段内水温降低，还可能导致下层滞水区形成缺氧环境，制约生物栖息地的利用，甚至造成坝下游的水质退化，应引起高度重视。

(郭欣 付湘宁 编译)

TV147.5

:A

1006-0081(2015)12-0010-03

2015-11-02