美国退役水坝的拆坝响应预测和生态管理

王 琦，张 晶，赵进勇，彭文启

（中国水利水电科学研究院，100038，北京）

美国是最先实行水坝退役的国家，随着替代能源发展及恢复河流生境需求增长，水坝退役从一项激进的、被民意和政治势力裹挟的行为转变为河流廊道恢复亟须的科学手段。 美国地质勘探局水坝退役信息门户网站（https://www.sciencebase.gov/drip）和美国河流组织门户网站（https://www.americanrivers.org）是美国公布退役水坝数据的权威机构。 目前对约130 座水坝进行了生态或地貌评估，常见的研究参数包括沉积物粒径、 水温、水生无脊椎动物和鱼类，其中以水坝拆除的沉积物影响最多。

我国越来越多的水坝面临退役，关于水坝拆除策略、拆坝响应预测及拆后修复研究尚处于起步阶段。 水坝拆除需进行科学决策和拆坝响应预测，以将负面响应控制在合理范围，迅速恢复河流生境。 本文通过系统梳理美国退役水坝特征、决策和预测研究，汇总各类生态恢复和管理措施，旨在为我国水坝退役和小水电拆除决策提供借鉴。

一、美国退役水坝概况

1.美国退役水坝拆除原因及特征

美国国家水坝清单（NID）最新公布数据显示，截至2020年美国共有91457 座大坝，平均服役57年，服役50年以上的大坝超过80%，小水坝数量超过200 万座。 过去几十年中，在环境、经济和工程安全考虑因素的驱动下，水坝和流域管理发生了范式转变，拆除过时、不安全和经济上不可行的水坝成为一项重要的管理和恢复战略。 到2020年，美国已有1797座水坝被拆除。 拆除水坝原因包括生态、经济、溃坝、为娱乐活动提供场所、 消除安全隐患及许可证到期、非法建造或因废弃而擅自拆除等六类。已拆除的水坝都是“老旧小”水坝，高于20 m 的退役水坝只有14 座被拆除。 景观背景上，这些水坝主要位于低海拔（＜500 m）、低坡度（＜5°）、流域面积小（10～1000 km2）、生境退化风险低的3、4 级小支流和溪沟，国家环境机构负责监管的小型私有水坝是主要的拆除对象。

2.水坝退役决策

1997年美国土木工程协会 （ASCE）公布的 《大坝及水电设施退役指南》提出的水坝退役决策基本过程包括初步退役研究、公众咨询、数据收集与分析、 可选方案评估与实施、长期管理。 水坝退役决策机构的常规做法是基于各种考虑因素的优先级，并对其进行分析后直接决定是否拆除。 优先级的顺序是： ①降低安全风险；②经济；③恢复完整自由流动的河流廊道；④提高目标/敏感物种的生存能力。 其中“经济”往往是水坝拆除的决定性因素。美国河流组织（American Rivers）与纽约州环境保护局（NYSDEC）制定了拆除水坝的过程步骤，包括：①测量和基础数据测绘；②制定泥沙管理规划；③水文水动力模拟预测；④河道及河岸恢复规划；⑤水坝初步拆除计划；⑥拆除前监测；⑦拆除实施；⑧确认拆除许可需求；⑨拆除记录、图纸及拆除成本估算。

合理确定水坝退役目标是决定拆除工作成败的关键，其目的是尽量减少拆除水坝的负面影响，同时最大限度地提高河流水文地貌和生态系统的恢复程度，保障河流生态功能快速恢复。 水坝拆除后河流往往无法达到建坝前的状态，大部分水坝拆除以“生态系统部分恢复”为目标，只要有一些显著变化或关键物种恢复就认为拆坝是成功的。 目标主要包括水坝拆除后水文、泥沙和河道恢复模式及化学、生物变化。 需降低的影响包括：水坝拆除对濒危物种的潜在影响；沉积物的化学质量问题，即储存在水库中的受污染沉积物的清除问题；水坝拆除对工程结构稳定性或功能的影响及解决方式。 水坝拆除后造成的影响预测和评估工作是决策的主要依据，造成影响的相关利益方需共同参与决策，包括政府部门、水坝业主、相关社会组织和周边社区等。

二、拆坝响应预测研究

1.拆坝过程现象观测

拆坝预测内容主要包括拆坝后物理、化学和生物响应的大小、时间和范围。 物理响应主要包括水文水动力变化、泥沙输移模式、地貌形态变化等内容；化学响应主要指污染物扩散等水质恶化状况；生物响应包括植被、鱼类、大型底栖无脊椎动物及贻贝等。 这些响应的速度、程度、持续时间和空间范围将取决于水坝、河流和流域的各种特征和拆除方案。 拆坝响应具有典型的时空特征，空间上一般划分为水库上游、库区、水坝下游三个区段；时间上，水文、泥沙、地貌、水温、水质及不同生物的响应顺序和速率决定响应持续时间，从几天到几十年不等，而河道形态、新洪泛区和天然河岸植被可能需要几年到几十年才能趋于稳定。

在实施拆坝期间，河流水文过程基本已接近自然状态。 水坝拆除后普遍发生的是：上游河段泥沙粒径基本不变，水库河段泥沙变粗，下游泥沙变细； 上游或水库河段浊度没有变化，但下游有所增加；下游悬移质浓度增加，沉积物中的粗颗粒引起下游河床淤积，产生阶梯起伏地貌，使下游河床结构和河道形态发生改变。 大多数细颗粒以悬移质形式向河道下游输送，导致悬移质浓度和浊度升高，沿着河流廊道不断沉积并深入砾石河床，或沿着廊道边缘形成局部沙坝、覆盖河漫滩，或输送至更远的范围。 沉积物的砾石含量越大、越粗，下游影响的初始空间范围就越有限，砾石含量超过20%的沉积物影响范围通常不超过下游5 km；而沙子和细颗粒沉积物会输送到很远，蒙大拿州米尔敦水坝（Milltown Dam）和格林斯峡谷大坝（Glines Canyon Dam）拆除后释放的大量砾石、沙子和泥浆向下游移动了至少15～20 km。

浊度、水温、日照、污染物释放等虽然属于短期影响，但对于河流生态系统能否顺利恢复到预期目标具有决定性作用。 泥沙输移会导致污染物（如有机物质和重金属）向下游释放、浊度升高，日照减少会改变生物地球化学循环从而影响下游河道栖息地质量。 悬移质的沉积和浊度的提高可造成对产卵栖息地、鱼卵、藻类及底栖生物的掩埋，阻塞鱼鳃导致鱼类窒息，降低觅食效率，导致其机体摩擦损伤和定向干扰，并限制光照的穿透力降低初级生产力。

2.预测模型研发

（1）泥沙和地貌响应预测

控制水坝拆除影响需要对泥沙输移和地貌变化进行定量预测，水坝拆除计划应包括利用水深测量和沉积柱估算蓄水沉积物体积，确定深度和化学毒性，依据泥沙输移机制结合现场水坝排水试验等预测泥沙输移总负荷和下游地貌调整过程。 可采用沉积柱137Cs 分布的近代沉积物测年方法估算总沉积物负荷。

水坝拆除后泥沙输移机制大多数遵循水库侵蚀与下游泥沙输移和沉积的耦合响应系统，该系统描述了河流系统处于动态或“准平衡”状态下的地貌调整过程。 水库上游侵蚀依据六阶段河道演变模型（CEM 模型），描述了河道在水库排水后由坝址处至上游地貌变化的时空演化过程，包括在库区沉积层内随排水出现的沉积物侵蚀、纵剖面上侵蚀拐点向上游延伸、两岸坍塌侵蚀沟道加宽形成新的河道全过程。 但对具有坚固基岩、低流动性巨砾、植被良好的河岸特征的河道，CEM 模型可能不适用。

下游河道地貌调整包括河道淤积、河道纵坡、宽度和河床结构变化、形成新的自然坝和浅滩等。 水库下游泥沙输移和沉积机制主要依据两个过程：一是扩散过程，泥沙脉冲在适当位置衰减，代表经典扩散过程的泥沙以衰减模式重新分布在下游；二是平移过程，以泥沙波的形式向下游传播，振幅不减小。 实际扩散或平移过程中这两种形式共同存在，并随沉积物粒径不同有所差别。

水质响应预测可基于水文泥沙输移模型，结合化学动力学相关内容进行同步预测。 同时，应特别关注流域内长期人类行为影响及流域土地利用状况，确认污染源密集分布区域，以提高预测精度。

（2）生态响应预测

预测水坝拆除生态响应的三种方法包括根据实际拆坝情况预测、根据现有水坝情况预测及根据理论模型（如沉积物输移模型）预测。 Hart 在这三种预测方法基础上提出了基于应激源-响应关系预测水坝拆除结果的一种概念性工具，即使用应激源（水坝）-响应（河流廊道生态完整性）曲线来评估水坝拆除风险。

Bellmore 等学者认为上下游各河段生态响应轨迹是多个因素相互影响共同驱动的结果，假定每个河段对大坝拆除的长期和短期生态响应是流域整体条件和时间的函数，提出生态响应驱动和负反馈耦合模型。 耦合模型根据上游河段、库区、水库下游三个区域关键的物理化学参数，以驱动和负反馈调节路径确定生态参数变化。 河流廊道的生态响应是三个河段生态响应的相互作用结果。 现有部分过程模型，如水力和泥沙输移模型、栖息地适宜性模型、种群动力学模型、水生营养生产力（ATP）模型等可根据生态响应驱动和负反馈路径进行耦合，实现关键生态指标的响应预测。

3.模型预测结果分析

水库下游泥沙扩散和平移过程的组合理论获得了较多验证。 相关学者的实验研究表明，释放的泥沙在河段尺度上覆盖了下游河道的大部分形态，并改变了河床高程、结构组成和空间格局，河床地形和结构模式在不同的时间尺度上进行调整。 理论、实验和现场研究表明，当脉冲体积相对于河道尺寸较小、粒度比下游河床细且弗劳德数较低（＜0.4）时，砾石河床河流上的沉积物脉冲通过平移而不是扩散传播；当泥沙体积相对河道尺寸较大、粒度分布较宽且含有比河床粗的颗粒、弗劳德数较高（＞0.4）时，泥沙以扩散为主。

水坝拆除策略、景观格局和清除特征的差异性决定了预测模型的不完整性和不确定性，目前尚未量化的重要问题包括水库排沙速度和机制、流域地貌和水文如何影响水库排沙速率和机制、沉积物向下游输送的距离和速度、下游沉积物将如何影响微观河道形态和生物群落等。

三、拆坝过程的生态管理

1.沉积物管理

沉积物管理是在拆坝过程和后续修复工作中需要持续关注的核心内容。 水坝拆除策略的一个重要目标是将下游河流中的悬移质含量保持在一个背景水平，以避免对下游鱼类或栖息地造成直接和间接伤害。 大型水坝拆除时需采取适应性泥沙管理手段，并在拆坝期间同步监测，不断调整拆除速度和缓解措施。

（1）库区

库区泥沙管理的核心问题是库区侵蚀泥沙总量及泥沙输移速度，主要解决方式是根据已有水坝拆除案例进行合理分析预测，并科学制定拆除计划、确定泥沙控制措施。 有学者建议水库沉积泥沙平均宽度与原河道宽度之比大于2.5 时宜采取分阶段拆除方式。 库区沉积物处理量不大时可通过传统挖掘、汽车外运方式进行清除，但大量沉积物处理仍需要通过水流自然运输方式逐渐清理。 水质预测结果决定沉积物是否允许向下游释放。 一般沉积物处理方式主要包括自然侵蚀、机械清除、稳定化处理几种。 其中，稳定化处理是处理泥沙的常用方法，目的是通过在泥沙沉积区创造一个稳定的水流通道后，采取稳定边坡、布设护岸或挡土墙和植被种植方式稳定沉积物。 美国大多数水坝在拆除前都采取了沉积物预先挖除、拆除构筑物并开挖人工排泄河道等控制措施以减少输移总量，同时对短期内不发生输移的库区沉积物加速固结、恢复植被。 新开挖的河道需满足不同频率下洪水过流要求，并恢复其天然平面形态，河道宽度以建坝前原河道宽度或水库上游河宽为参考，平面形态上恢复河流自然蜿蜒度，构建天然河道的深潭-浅滩系统，河流两岸增加两侧护岸及植被措施以恢复横向稳定性。

（2）水库上游河道管理

库区泥沙楔形体在拆坝后顺水流向下游发生侵蚀和迁移，这个过程可能导致上游河道桥墩基础暴露、增加泥沙荷载或发生破坏。 并且，在拆坝后发生的大洪水期间，河流如果没有足够的时间形成稳定河道宽度和岸坡，可能会引起河流横向失稳。 但沉积物分布的不确定性决定了预测库区泥沙侵蚀长度及最顶端位置是非常困难的，泥沙固结程度和固结速率、沉积物黏性、沿途遇到的设施基础等直接影响侵蚀延伸的部位和长度。 这种情况下分阶段拆除方案、拆除基础设施、坝址坡度控制及加强即时监测等是有效的管理手段。

（3）下游河道泥沙淤积

下游河道的泥沙淤积不但掩埋生物和水生生境，恢复后的天然水文流量过程也加大了对周边供水、娱乐及基础设施的影响，包括增加淹没风险、改变地表水-地下水交换模式、影响引水建筑物运行、娱乐设施难以正常发挥功能等。 水坝坝址处淤积往往最为严重，而下游浅滩淤积较小。 因此，坝址附近的取水口可能在拆除后最初几年需要人工清淤，局部发生淤积的天然坝也可能成为鱼类洄游的障碍。 应特别关注原鱼类产卵场的局部洼地，对其进行保护，避免发生淤积和填埋。

2.污染物释放及浊度升高

水库泥沙污染物成分可通过流域地质状况、 土地利用方式和周边工矿企业类型等因素进行调查、预测和评估，其浓度需进行采样分析。预测表明泥沙释放引起下游水质恶化产生不利影响时，需对其进行挖除或就地硬化覆盖处理。 有专家认为浊度响应强度和持续时间与拆坝后的水文事件同步，可以通过控制拆除速度、上游库区植被同步构建、控制下泄排水流量等措施减少悬移质含量，缓解浊度升高带来的负面影响。

3.对地下水的影响

拆除水坝引起的水库水位下降，将降低周边地下水水位，可能会影响库区周边的油井、化粪池系统、抽水水井取水以及与地下水连通的生物栖息地。 受库区水位降低的影响，地下水流向发生变化，浅层井可能发生水位下降、流量减少或干涸，需对已建成水井加深或迁建。 因此，应根据库区周边水文地质条件，对饮用水水井、泉水排放点、附近湖泊湿地及浅层地下水影响进行预测，并采取相应补偿措施。

4.外来物种入侵

脱离了本土环境生态约束的入侵物种可能与本土物种竞争并杂交，重构食物网，破坏生态系统多样性和生产力。 地貌类型、沉积物结构和化学性质、入侵物种繁殖能力及植被控制措施是造成影响的主要因素。 拆坝后迅速种植本地物种可减少入侵物种的优势地位，包括库区恢复乡土植物群落、 人为进行植物群落构建、滨岸植被种植、 库区水土保持林建设等，植物恢复措施是水坝拆除计划中的硬性要求。

渔业部门的鱼类引种和个体放生行为导致水坝拆除后入侵物种进入上游水域，扩大入侵范围。 对水坝拆除风险的预测中需要考察生境环境（如温度和水流状况）和生态特征（如食物资源、鱼类组合）与潜在入侵者的生物特性和生活史之间的关系，以评估入侵物种扩散风险，这些风险必须与重建本地物种的潜力进行综合权衡。

四、对我国的借鉴意义

我国水库报废和水坝拆除工作，主要针对具有重大安全隐患、由于淤积等原因水库功能消失及因生态环境保护需要拆除的水坝。 近年来，出于河流生态保护与修复目的，在全国范围内对小型引水式电站进行整顿，整顿措施包括工程改建、加强泄流监控和电站拆除等。

2003年以来水利部相继发布了《水库降等与报废管理办法（试行）》、《水库降等与报废标准》（SL 605—2013），从行政规章和技术标准两方面规范了水库降等与报废工作。 在引水式电站改造方面，水利部发布了《绿色小水电评价标准》（SL 752—2017）。

美国在水坝退役方面开展的科学研究和工程实践，为我国在此领域的理论与实践方面提供大量经验与借鉴。 我国当前在拆坝工程中，大多缺乏前期论证工作，包括调查监测、水文地貌生态预测、 拆坝方案比选、监测网络建设等，同时也缺乏后期的监测、 后评估以及适应性管理规划。我国在拆坝工程方面的科研相对落后，处于起步阶段。 在技术标准方面需要进一步完善和细化，使之更具操作性。 为此提出以下建议：

①水行政主管部门要规范拆坝工程的规划设计审批权限，提出工程立项、 工程论证和规划设计大纲清单。 明确规划设计的目的不但要达到拆坝的预期目标，而且要把拆坝引起的负面影响降至可控范围。

②完善和细化相关技术标准体系，包括拆坝技术、对水文地貌和生态环境影响预测方法、拆坝后修复对策及生态管理措施等。

③开展拆坝的科学研究。 重点研究拆坝的水文变化、泥沙输移、地貌重构、污染物扩散以及鱼类和无脊椎动物的生物响应和植被变化，研究其规律，开发相应数学模型。 可应用3S技术和大数据分析，有条件的项目可结合物理模型实验。 科研的目的一方面是探索自然规律，另一方面是为科学制定拆坝方案和生态管理措施提供技术支持。