河流筑坝拦截的水环境响应-来自地球化学的视角

第18卷第4期2009年4月长江流域资源与环境ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinVol.18No.4Apr.2009文章编号:1004-8227(2009)04-0384-13河流筑坝拦截的水环境响应———来自地球化学的视角刘丛强1,汪福顺2,王雨春3,王宝利1(1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳550002;2.上海大学环境与化学工程学院,上海201800;3.中国水利水电科学研究院水环境研究所,北京100038)摘要:大规模筑坝拦截是当前世界河流普遍面临的共同趋势,“蓄水河流”在物理、化学及生物等多层次上区别于天然河流和湖泊,改变了河流水文、河流物质转化和输送通量以及河流生态环境。因此,认识和了解水库建成后河流-水库体系水环境演化的关键过程是评价水坝的水环境影响的基础。广泛综述国内外最近的一些涉及水库效应的研究成果,并结合作者对乌江流域梯级水库的初步研究,从蓄水河流水文情势改变、生源要素(磷和硅为例)形态和通量变化、温室气体释放、水生生态系统演替几个方面进行分析。认为,水能开发的巨大经济效益和面临的潜在生态风险之间的平衡关系需要进一步详尽的分析研究。关键词:筑坝拦截;水环境响应;生源要素;温室气体文献标识码:A河流是连接大陆和海洋物质循环的桥梁。全球尺度上,河流输送的溶解态物质和颗粒态物质占陆地向边缘海洋传输量的90%。河流生源要素(C、N、P、Si等)输送对海洋及流域本身的水生生态系统都具有极为重要的意义[1～3]。河流,特别是一些淡水输送量很大的河流(如亚马逊河、长江)输送的营养物质为河口海区海洋生物以及河流内部的水生生物的繁殖提供了重要营养物质保证。如:长江口冲淡水在丰水期可影响到数百千米外的济州岛附近,长江携带的营养盐对东海陆架上的渔场具有重要意义[4]。因此,自20世纪80年代以来,陆源物质通过河流向海洋输送及其对海洋环境的影响和对气候演变的响应已逐渐成为国际上全球变化科学的重点研究领域。其中,生源要素向海洋的输送通量一直是陆海相互作用研究中的关键课题之一。由于人类社会经济发展的需要,在过去的数十年中,水利大坝的拦截调蓄极大地改变了河流-海洋物质输入的数量和特点[5],并极其严重地改变和影响了河流自然环境[6～12]。从世界范围看,全球25%的河流水量正在因大量的水利工程而被控制或改变[8,13]。由于水体流动是控制江河基本特性的首要因素,筑坝拦截引起的流场调整毫无疑问会显著改变河流生态系统的结构和功能[14]。因此,筑坝形成的“水库效应”对河流生源要素生物地球化学过程的影响逐渐引起了世界各国地球科学家的广泛关注,并在近年启动一批研究计划:如LOICZ/SCOPE联合项目、美国地调局的NASQAN研究计划。国家自然科学基金委员会也资助了一批相关的面上、重点基金及重大研究计划。本文根据国内外研究报道,并结合课题组研究成果,综合分析了河流调节拦蓄过程对生源要素通量及形态变化的影响机制,并对水坝修建后可能的环境效应进行预测和分析。1河流筑坝现状及其趋势分析在整个20世纪,河流体系同时受到人类的污染及河流调蓄的共同影响。据国际大坝委员会的统计数据显示:截止1998年,全世界坝高大于15m的大坝已经超过42000座。超过800000座小型水库目前正在运行,还有部分水库仍在建设过程中[15]。收稿日期:2008-07-30;修回日期:2008-11-12基金项目:中国科学院海外合作伙伴计划项目和国家自然科学基金项目(90610037,40721002)作者简介:刘丛强(1955～),男,贵州省遵义人,研究员,主要研究方向为地表地球化学.E-mail:liucongqiang@vip.skleg.cn从图1看,大型水利工程建设在1950年后发展迅速。目前世界水库总面积为50万km2,相当于地球天然湖面的1/3。水坝的总库容接近7×104m3,其中98%为大坝库容。有效库容为4×104m3,相当于世界河流年流量的10%①。而在北美洲,平均年径流量的31%被水库滞留,在非洲则为21%[13]。图1世界大坝统计(仅坝高>5m)Fig.1LargeDamsintheWorld从各大洲水能资源分布看,全世界水能技术可开发量达14.4×104kWh/a,亚洲占了约47%,其次为南美洲(20%)。在一些发展中国家(如中国及南美一些国家),由于水电开发程度仍然较小,河流拦截将在未来一段时间会迅猛发展。中国目前的水能资源开发利用率仅24%左右,开发水平远低于发达国家60%的平均水电开发度。我国东部水电开发程度达到79.6%,中部水电开发程度也已达到32.2%,而西部地区水电开发程度很低,只有11.4%,水能富集的西南地区只有8.5%。我国水力资源的开发现状与其水力资源大