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(tǒng)是地球上的大動(dòng)脈，在維系地球的水循環(huán)，能量平衡、氣候變化和生態(tài)發(fā)展中具有極其重要的作用[1]。同時(shí)人類社會(huì)的發(fā)展以及人類社會(huì)文明的形成都同大的河流系統(tǒng)具有密切的聯(lián)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(xiàn)了河流系統(tǒng)對(duì)人類文明起源的重要作用[2]。河流為人類提供了食物、工農(nóng)業(yè)及生活用水，同時(shí)還為我們提供了商業(yè)、交通、休閑娛樂等諸多服務(wù)功能。因此，世界各地人民都把當(dāng)?shù)氐闹饕恿鞣Q為自己的母親河[3]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)河流的依賴程度也越來越大。人類為了自身的發(fā)展，僅僅將河流看做是服務(wù)于人類的資源，對(duì)河流進(jìn)行了各種方式的開發(fā)利用，其中大壩建設(shè)是現(xiàn)今人類改造河流最為重要的活動(dòng)之一。人類建壩已有幾千年的歷史，利用水壩來控制洪水，發(fā)電，提供飲用水、工業(yè)用水和灌溉用水。從20世紀(jì)50年代開始，由于人口的激增和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，各國建造的水壩數(shù)量呈上升趨勢(shì)，平均每天就有兩座大壩建成[4][5d]。根據(jù)國際大壩委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，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(gè)國家中，其中，中國建有15m以上大壩25800座，約占世界大壩總數(shù)的一半，30m以上大壩4694座，約占世界大壩總數(shù)的37%，是世界上建壩數(shù)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(shè)工程。

大壩工程建設(shè)推動(dòng)了人類社會(huì)進(jìn)步，在防洪、發(fā)電、灌溉、供水和航運(yùn)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(zāi)害發(fā)生，保護(hù)了人類生命財(cái)產(chǎn)安全；全世界有1/3國家的一半以上的供電是依靠水力發(fā)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(zhèn)生活用水、工業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)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(shè)，基本上滿足了人類的發(fā)展需求；目前，全球50%的大壩是專門為提供灌溉服務(wù)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(jù)估計(jì)，大壩為直接提供了大約12%～16%的糧食產(chǎn)量[5]。

大壩工程一方面為人類社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，另一方面，他們又是人類影響河流生態(tài)環(huán)境最顯著、最廣泛、最嚴(yán)重的事件之一[10]。根據(jù)世界大壩學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，目前全世界有36000座大中型水壩在運(yùn)行，控制著全球20%左右的徑流量[11]，對(duì)于建壩所造成的生態(tài)環(huán)境問題一般在20～25年后才開始出現(xiàn)，然后才逐漸被人們所重視[12]。在《大壩與發(fā)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(huì)明確提出：“大壩對(duì)人類發(fā)展貢獻(xiàn)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(jià)，特別是社會(huì)和環(huán)境方面的代價(jià)。以‘一個(gè)群體之所得，抵另一個(gè)群體之所失’的資產(chǎn)負(fù)債表式的方法來評(píng)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(hù)人權(quán)和可持續(xù)發(fā)展的背景下。”[5a]

大壩工程建設(shè)改變了原有的生態(tài)系統(tǒng)平衡，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)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(duì)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(dòng)、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(tài)環(huán)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(yán)重改變了魚類和野生動(dòng)物的棲息地及其數(shù)量，棲息地的減少和破壞直接導(dǎo)致魚類和鳥類的數(shù)量下降，此外，下游徑流量減少，造成河口環(huán)境嚴(yán)重惡化。在澳大利亞，大壩工程引起的河流水流情勢(shì)變化是河流及其洪泛區(qū)平原生態(tài)系統(tǒng)惡化的一個(gè)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(jié)構(gòu)的改變，無脊椎動(dòng)物、魚類和水鳥數(shù)量和物種多樣性的降低以及一些無脊椎動(dòng)物的滅絕[19]。伏爾加河流域由于大量大壩修建，嚴(yán)重改變了河流徑流情勢(shì)，給生物群落和魚類生物棲息帶來極為嚴(yán)重的影響[20]。在我國，大壩程建設(shè)取得了舉世矚目的成就，同時(shí)也對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生了不良影響。據(jù)調(diào)查，黑河流域的大壩建設(shè)導(dǎo)致了下游地區(qū)生態(tài)環(huán)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(zāi)害的無窮后果；云南曼灣電站淹沒大量農(nóng)田，引發(fā)庫區(qū)毀林開荒、陡坡開荒，導(dǎo)致水土流失，加劇生態(tài)破壞，等等[21][22]。

總之，大壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響，主要表現(xiàn)為河流的物質(zhì)輸送功能大大降低，改變了河流原有的物質(zhì)場、能量場、化學(xué)場和生物場，直接影響生源要素在河流中的生物地球化學(xué)行為（生源要素輸送通量、賦存形態(tài)、組成比例等），進(jìn)而改變河流生態(tài)系統(tǒng)的物種構(gòu)成、棲息地分布以及相應(yīng)的生態(tài)功能[23][24]。如果生境條件的改變超過生物自我調(diào)節(jié)恢復(fù)能力，物種將面臨衰退、瀕危和絕跡的威脅，影響生態(tài)系統(tǒng)健康。魚類作為河流系統(tǒng)中最為重要的生物資源，已有研究表明，近百年來，大壩建設(shè)是造成全球魚類生物遭受滅絕、受威脅或?yàn)l危的主要原因[25][26]。

近年來大壩建設(shè)引起的河流生態(tài)問題已逐漸引起了各國政府和科學(xué)家的重視。人們意識(shí)到要實(shí)現(xiàn)河流系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展，必須在開發(fā)利用的同時(shí)開展河流保護(hù)與修復(fù)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(hù)河流系統(tǒng)健康，實(shí)現(xiàn)人水和諧，已經(jīng)成為各大流域江河治理的新思路。為了減輕大壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，國內(nèi)外開展了大量相關(guān)研究，研究表明，大壩對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)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(bǔ)償。尋找相對(duì)優(yōu)化的技術(shù)路線是解決問題的合理思維方式[38]。其中，改進(jìn)水庫調(diào)度方式，制定合理的大壩調(diào)度規(guī)程的方法，以彌補(bǔ)或減緩其造成的生態(tài)環(huán)境問題，是當(dāng)前國內(nèi)外大型河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的主要措施，也是近年來學(xué)術(shù)界以及有關(guān)管理部門一直關(guān)注的問題[18a]。

1.1.2 研究意義

現(xiàn)行的水庫調(diào)度主要是圍繞發(fā)電、防洪、灌溉、供水、航運(yùn)、排沙等綜合利用效益所進(jìn)行的，通常是根據(jù)水庫的主要開發(fā)任務(wù)分配水資源，在滿足安全、綜合利用需求基礎(chǔ)上，以謀求經(jīng)濟(jì)利益最大化。在這種情況下，對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境保護(hù)方面的調(diào)度要求考慮較少，由此也帶來諸多不利環(huán)境影響[39]。因此，考慮基于河流健康的水庫調(diào)度運(yùn)行模式，提出科學(xué)有效的生態(tài)調(diào)度方案，對(duì)于保障河流健康可持續(xù)發(fā)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(duì)長江水資源的開發(fā)利用，如在干流和支流上已經(jīng)和正在興建的許多大型水利工程，特別是20世紀(jì)80年代長江葛洲壩水利工程修建后，國家一級(jí)保護(hù)動(dòng)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(chǎn)卵繁殖，長江上游產(chǎn)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(chǎn)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(dòng)態(tài)，改變水溫及營養(yǎng)物質(zhì)的輸移特征，不僅直接影響了長江河床演變和河道內(nèi)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(lián)系引起通江湖泊（如洞庭湖和鄱陽湖）和河口水情的變化，對(duì)湖區(qū)、河口的水生生物資源、灘地資源產(chǎn)生顯著和潛在的影響。水利工程建設(shè)造成生境條件的突然改變，若超過生物的自我調(diào)節(jié)恢復(fù)能力，物種將面臨衰退、瀕危和絕跡的威脅。

三峽水庫對(duì)生態(tài)與環(huán)境的影響一直是備受國內(nèi)外各界廣泛爭論和密切關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題[5b]。三峽工程作為一項(xiàng)舉世矚目的大型水利水電工程，是治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等巨大的綜合效益，將對(duì)我國社會(huì)主義建設(shè)發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。但與此同時(shí)，三峽工程也將部分改變長江水文情勢(shì)，對(duì)其上下游一定范圍的生態(tài)與環(huán)境帶來不利影響。因此，在充分發(fā)揮三峽工程社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能的同時(shí)，又減少其不利影響，成為當(dāng)前迫切需要解決的重大問題。

本研究結(jié)合國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目資助課題（30490235）《大型水利工程對(duì)重要生物資源不利影響的補(bǔ)償途徑》，分析三峽水庫蓄水后河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)響應(yīng)情況，進(jìn)而研究水庫下游河道內(nèi)環(huán)境流量，為三峽水庫生態(tài)調(diào)度奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的水庫調(diào)度規(guī)則，考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需求，通過調(diào)整三峽水庫調(diào)度方式，恢復(fù)或改善被破壞的河流生態(tài)系統(tǒng)，以維持良好的生態(tài)系統(tǒng)和保障生物資源永續(xù)利用。