第1章 緒論

1.1 研究背景和意義

1.1.1 研究背景

河流系統是地球上的大動脈，在維系地球的水循環，能量平衡、氣候變化和生態發展中具有極其重要的作用[1]。同時人類社會的發展以及人類社會文明的形成都同大的河流系統具有密切的聯系，從尼羅河的古埃及文明到兩河流域的巴比倫文明，從恒河的印度文明到長江黃河的中華文明，都體現了河流系統對人類文明起源的重要作用[2]。河流為人類提供了食物、工農業及生活用水，同時還為我們提供了商業、交通、休閑娛樂等諸多服務功能。因此，世界各地人民都把當地的主要河流稱為自己的母親河[3]。

隨著社會經濟的發展，人類對河流的依賴程度也越來越大。人類為了自身的發展，僅僅將河流看做是服務于人類的資源，對河流進行了各種方式的開發利用，其中大壩建設是現今人類改造河流最為重要的活動之一。人類建壩已有幾千年的歷史，利用水壩來控制洪水，發電，提供飲用水、工業用水和灌溉用水。從20世紀50年代開始，由于人口的激增和經濟發展的需要，各國建造的水壩數量呈上升趨勢，平均每天就有兩座大壩建成[4][5d]。根據國際大壩委員會統計，2003年世界共有15m以上大壩49697座，30m以上大壩12600座，分布在140多個國家中，其中，中國建有15m以上大壩25800座，約占世界大壩總數的一半，30m以上大壩4694座，約占世界大壩總數的37%，是世界上建壩數量最多的國家，其次是美國、日本和印度等一些國家[6]。目前，在世界主要292條大型河流中，172條河流上至少建有一座大壩[7]。其中，舉世矚目的三峽大壩是目前世界上最為宏大的水利建設工程。

大壩工程建設推動了人類社會進步，在防洪、發電、灌溉、供水和航運方面起到了重要的作用[8][9]。首先，修建攔蓄大壩，較大程度地控制了洪水災害發生，保護了人類生命財產安全；全世界有1/3國家的一半以上的供電是依靠水力發電，而大型水壩的供電占去了世界總供電量的近1/5；而且，水庫還提供了城鎮生活用水、工業用水以及農業灌溉用水，近50年來，人類用水需求增長了近3倍，由于水庫的建設，基本上滿足了人類的發展需求；目前，全球50%的大壩是專門為提供灌溉服務而建造的，在全世界27100萬hm2的水澆地中有30%～40%的面積是依靠水壩提供灌溉的。據估計，大壩為直接提供了大約12%～16%的糧食產量[5]。

大壩工程一方面為人類社會帶來巨大的經濟社會效益，另一方面，他們又是人類影響河流生態環境最顯著、最廣泛、最嚴重的事件之一[10]。根據世界大壩學會的統計，目前全世界有36000座大中型水壩在運行，控制著全球20%左右的徑流量[11]，對于建壩所造成的生態環境問題一般在20～25年后才開始出現，然后才逐漸被人們所重視[12]。在《大壩與發展：一種新的決策框架》（Dams and Development: A New Framework for Decision-Making）中，世界大壩委員會明確提出：“大壩對人類發展貢獻重大，效益顯著；然而，很多情況下，為確保從大壩獲取這些利益而付出了不可接受的，而通常是不必要的代價，特別是社會和環境方面的代價。以‘一個群體之所得，抵另一個群體之所失’的資產負債表式的方法來評估，大壩的成本和收益是不能接受的，特別是在各界都已承諾保護人權和可持續發展的背景下。”[5a]

大壩工程建設改變了原有的生態系統平衡，對河流生態系統產生了一定的影響。埃及尼羅河修建的阿斯旺大壩，建壩后雖然改善了灌溉、防洪條件，但對下游徑流和沙量過程的改變，造成了下游河床沖刷、河道蜿蜒擺動、斷流、尼羅河三角洲后退、海水入侵、海岸侵蝕，隨之帶來河口濕地退化、生態環境破壞等危害[13][14]。美國的密西西比河以及科羅拉多河[15]，由于大量大壩修建，嚴重改變了魚類和野生動物的棲息地及其數量，棲息地的減少和破壞直接導致魚類和鳥類的數量下降，此外，下游徑流量減少，造成河口環境嚴重惡化。在澳大利亞，大壩工程引起的河流水流情勢變化是河流及其洪泛區平原生態系統惡化的一個重要因素[18]，造成大量的濕地喪失，河岸森林減少，無水河道和濕地的植被入侵，水生植被群落結構的改變，無脊椎動物、魚類和水鳥數量和物種多樣性的降低以及一些無脊椎動物的滅絕[19]。伏爾加河流域由于大量大壩修建，嚴重改變了河流徑流情勢，給生物群落和魚類生物棲息帶來極為嚴重的影響[20]。在我國，大壩程建設取得了舉世矚目的成就，同時也對自然環境產生了不良影響。據調查，黑河流域的大壩建設導致了下游地區生態環境的急劇退化，天然植被明顯萎縮，綠洲面積縮小；大壩引水工程威脅了青海湖的生物多樣性；三門峽大型水壩抬高了渭河河床、下游段形成懸河，造成了土地鹽堿化和洪水災害的無窮后果；云南曼灣電站淹沒大量農田，引發庫區毀林開荒、陡坡開荒，導致水土流失，加劇生態破壞，等等[21][22]。

總之，大壩對河流生態系統影響，主要表現為河流的物質輸送功能大大降低，改變了河流原有的物質場、能量場、化學場和生物場，直接影響生源要素在河流中的生物地球化學行為（生源要素輸送通量、賦存形態、組成比例等），進而改變河流生態系統的物種構成、棲息地分布以及相應的生態功能[23][24]。如果生境條件的改變超過生物自我調節恢復能力，物種將面臨衰退、瀕危和絕跡的威脅，影響生態系統健康。魚類作為河流系統中最為重要的生物資源，已有研究表明，近百年來，大壩建設是造成全球魚類生物遭受滅絕、受威脅或瀕危的主要原因[25][26]。

近年來大壩建設引起的河流生態問題已逐漸引起了各國政府和科學家的重視。人們意識到要實現河流系統健康可持續發展，必須在開發利用的同時開展河流保護與修復工作。隨著“河流健康”[27]、“人水和諧”[36][37]等一些重要理念的提出，維護河流系統健康，實現人水和諧，已經成為各大流域江河治理的新思路。為了減輕大壩對河流生態系統的不利影響，國內外開展了大量相關研究，研究表明，大壩對于河流生態系統的負面影響，可以通過工程措施、生物措施和管理措施在一定程度上避免、減輕或補償。尋找相對優化的技術路線是解決問題的合理思維方式[38]。其中，改進水庫調度方式，制定合理的大壩調度規程的方法，以彌補或減緩其造成的生態環境問題，是當前國內外大型河流生態系統修復的主要措施，也是近年來學術界以及有關管理部門一直關注的問題[18a]。

1.1.2 研究意義

現行的水庫調度主要是圍繞發電、防洪、灌溉、供水、航運、排沙等綜合利用效益所進行的，通常是根據水庫的主要開發任務分配水資源，在滿足安全、綜合利用需求基礎上，以謀求經濟利益最大化。在這種情況下，對于河流生態系統和水環境保護方面的調度要求考慮較少，由此也帶來諸多不利環境影響[39]。因此，考慮基于河流健康的水庫調度運行模式，提出科學有效的生態調度方案，對于保障河流健康可持續發展具有十分重要意義。

長江是我國第一大河，有充沛的水量和豐富的物種資源，但隨我國對長江水資源的開發利用，如在干流和支流上已經和正在興建的許多大型水利工程，特別是20世紀80年代長江葛洲壩水利工程修建后，國家一級保護動物中華鱘洄游受到阻隔，無法洄游到長江上游金沙江一帶產卵繁殖，長江上游產卵場、棲息地遭到徹底破壞直至消失，在葛洲壩以下江段形成新的產卵場自然繁殖。2003年三峽水庫蓄水后，將顯著改變長江的水、沙動態，改變水溫及營養物質的輸移特征，不僅直接影響了長江河床演變和河道內洄游性水生生物資源的繁衍、增殖，還通過江、湖、河口之間的緊密聯系引起通江湖泊（如洞庭湖和鄱陽湖）和河口水情的變化，對湖區、河口的水生生物資源、灘地資源產生顯著和潛在的影響。水利工程建設造成生境條件的突然改變，若超過生物的自我調節恢復能力，物種將面臨衰退、瀕危和絕跡的威脅。

三峽水庫對生態與環境的影響一直是備受國內外各界廣泛爭論和密切關注的熱點和焦點問題[5b]。三峽工程作為一項舉世矚目的大型水利水電工程，是治理和開發長江的關鍵性骨干工程，具有防洪、發電、航運等巨大的綜合效益，將對我國社會主義建設發揮巨大的推動作用。但與此同時，三峽工程也將部分改變長江水文情勢，對其上下游一定范圍的生態與環境帶來不利影響。因此，在充分發揮三峽工程社會經濟功能的同時，又減少其不利影響，成為當前迫切需要解決的重大問題。

本研究結合國家自然科學基金重大項目資助課題（30490235）《大型水利工程對重要生物資源不利影響的補償途徑》，分析三峽水庫蓄水后河流生態系統的生態響應情況，進而研究水庫下游河道內環境流量，為三峽水庫生態調度奠定基礎。在此基礎上，結合現有的水庫調度規則，考慮河流生態系統的生態需求，通過調整三峽水庫調度方式，恢復或改善被破壞的河流生態系統，以維持良好的生態系統和保障生物資源永續利用。