简析大型坝之间的相互作用

2015-04-06曹鹏,蔡羽燕

水利水电快报 2015年2期

关键词：大坝河流影响

简析大型坝之间的相互作用

修建大坝对于河流的形态和功能会造成巨大的影响，修建在大型河流上的一些坝常存在坝间序列问题。这些大坝彼此之间以独特且复杂的方式相互作用，共同影响河流的自然特性。对这一特殊课题进行研究的必要性、研究实例及其研究结果作了简要介绍。

大型河流;坝;环境影响;研究案例;案例分析;美国

1 研究背景

通过对上密苏里河的状况展开研究，来自美国地质勘探局的研究人员表示,对位于大型河流上大坝的相互作用这一课题,必须投入更多的研究。

为此,美国地质勘探局的研究人员对上密苏里河大坝的一个案例进行了分析，分析结果表明,大坝上游对于下游水库壅水的河流动力特性仍起着主要控制作用。根据该调查结果，认为就大坝对河流的影响而言，必须对传统的认识加以完善，才能解释河流上大坝影响彼此间的相互作用这一事实。

美国地质勘探局水域部门的相关负责人认为,一直以来,都知道大坝对河流的形态和功能有着巨大的影响。然而，在过去,大坝的影响通常只是被作为单独的课题进行研究，而很少注意到其影响是如何沿着河流长廊产生相互作用的。

2 研究过程

先前的研究人员已经很好地记录了大坝的下游效应。处于正常状态的大坝，通常可以影响该河流数百公里的河流段。大坝的上游影响已经得到充分的考虑，特别是水库泥沙的淤积,该影响可延伸至上游以上很多公里。

根据相关作者的研究成果，当前被广泛认可的是,假设大坝的影响在时间、空间上是同时沿着大坝上游和下游逐渐减弱,直至系统达到一个新的平衡。但是考虑到衰减需要极其长的距离，该衰减会频繁地受到其他大坝的干扰。该研究着重于对加里森(Garrison)大坝和欧和(Oahe)大坝展开,并且该研究报告于2013年刊登在人类世(Anthropocene)杂志上。作者假设认为,如果大坝成纵向顺序排列，那么它们各自的影响效应以独特且复杂的方式相互作用，从而产生显著的动态地貌。

有报道称,在上密苏里河上，加里森大坝在减少水库泥沙补给的同时又在改变其粒径组成，这些泥沙将被输移到欧和水库所形成的三角洲区域。相反地，由于上游建有加里森大坝，欧和大坝的回水作用会引起区域性的泥沙淤积和颗粒的成层化。在大坝运营过程中，由于季节和年代变化而发生大的水位变化和泄流量时，该影响效应会更大。

研究中引进了一个一目了然的形态学序列，该序列被称作坝间序列。作者指出,坝间序列会同时受到大坝上游与下游的影响。坝间序列可能普遍存在于美国的大部分河流上,且也有可能在全世界的河流上都是常见的。

除了记录密苏里河上一个河流断面在2011年洪水中所发生的巨大变化以外，该项重要研究的独特贡献还在于对概念模型的发展。这个模型为未来对受一系列大坝影响的河流展开研究,构建了非常重要的框架。

基于实时的航空摄影资料、河流水位标和横截面的调查数据，对加里森和欧和大坝进行了仔细的分析之后，美国地质勘探局的研究人员提出，必须建立一个概念模型，可以利用该概念模型来模拟相互作用的大坝对一条河流的物理特性(地貌)所产生的影响。该模型应能适用于位于大型河流上的大坝，并且可以将河流划分成许多有预见性地貌的区域。

3 研究成果

通过对加里森和欧和大坝实例展开分析研究，作者证明了当下游水库开始壅水时，上游大坝的影响效应对河流的形态起着非常重要的控制作用。该研究报告指出，5个具有独特的渐变地貌的河段被认定为加里森河段，其中2个河段只受上游大坝的控制,而另外3个河段均由大坝的相互作用所控制。

研究人员也对美国本土的66条主要河流上的大坝所在区域的地理状况展开了分析(列举出来作为一个标准的专业参考)，从而确定了经过多长时间大坝会以序列形式出现。在对66条主要河流进行分析之后，明确了有404座大坝坐落于56条河流的主河道上;在50条河流上存在不止一座大坝，这说明总共有373座可能会以序列形式出现的大坝。这些大坝间的平均距离为99 km，32%的大坝间距为25 km或更小；41%的大坝间距小于100 km；26%的大坝与相邻大坝的间距在1 000 km以内。只有一个坝间序列的距离被确定是超过了1 000 km。

上述结果表明，有许多大型坝是按一定序列存在于美国的河流上。由于大坝之间的相互作用，如果大坝下游水体要恢复到上游的水体状态,则会需要数百公里的距离才能实现，而这些大坝彼此之间的距离则远远小于所需的距离。