第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

河流系统是地球上的大动脉，在维系地球的水循环，能量平衡、气候变化和生态发展中具有极其重要的作用[1]。同时人类社会的发展以及人类社会文明的形成都同大的河流系统具有密切的联系，从尼罗河的古埃及文明到两河流域的巴比伦文明，从恒河的印度文明到长江黄河的中华文明，都体现了河流系统对人类文明起源的重要作用[2]。河流为人类提供了食物、工农业及生活用水，同时还为我们提供了商业、交通、休闲娱乐等诸多服务功能。因此，世界各地人民都把当地的主要河流称为自己的母亲河[3]。

随着社会经济的发展，人类对河流的依赖程度也越来越大。人类为了自身的发展，仅仅将河流看做是服务于人类的资源，对河流进行了各种方式的开发利用，其中大坝建设是现今人类改造河流最为重要的活动之一。人类建坝已有几千年的历史，利用水坝来控制洪水，发电，提供饮用水、工业用水和灌溉用水。从20世纪50年代开始，由于人口的激增和经济发展的需要，各国建造的水坝数量呈上升趋势，平均每天就有两座大坝建成[4][5d]。根据国际大坝委员会统计，2003年世界共有15m以上大坝49697座，30m以上大坝12600座，分布在140多个国家中，其中，中国建有15m以上大坝25800座，约占世界大坝总数的一半，30m以上大坝4694座，约占世界大坝总数的37%，是世界上建坝数量最多的国家，其次是美国、日本和印度等一些国家[6]。目前，在世界主要292条大型河流中，172条河流上至少建有一座大坝[7]。其中，举世瞩目的三峡大坝是目前世界上最为宏大的水利建设工程。

大坝工程建设推动了人类社会进步，在防洪、发电、灌溉、供水和航运方面起到了重要的作用[8][9]。首先，修建拦蓄大坝，较大程度地控制了洪水灾害发生，保护了人类生命财产安全；全世界有1/3国家的一半以上的供电是依靠水力发电，而大型水坝的供电占去了世界总供电量的近1/5；而且，水库还提供了城镇生活用水、工业用水以及农业灌溉用水，近50年来，人类用水需求增长了近3倍，由于水库的建设，基本上满足了人类的发展需求；目前，全球50%的大坝是专门为提供灌溉服务而建造的，在全世界27100万hm2的水浇地中有30%～40%的面积是依靠水坝提供灌溉的。据估计，大坝为直接提供了大约12%～16%的粮食产量[5]。

大坝工程一方面为人类社会带来巨大的经济社会效益，另一方面，他们又是人类影响河流生态环境最显著、最广泛、最严重的事件之一[10]。根据世界大坝学会的统计，目前全世界有36000座大中型水坝在运行，控制着全球20%左右的径流量[11]，对于建坝所造成的生态环境问题一般在20～25年后才开始出现，然后才逐渐被人们所重视[12]。在《大坝与发展：一种新的决策框架》（Dams and Development: A New Framework for Decision-Making）中，世界大坝委员会明确提出：“大坝对人类发展贡献重大，效益显著；然而，很多情况下，为确保从大坝获取这些利益而付出了不可接受的，而通常是不必要的代价，特别是社会和环境方面的代价。以‘一个群体之所得，抵另一个群体之所失’的资产负债表式的方法来评估，大坝的成本和收益是不能接受的，特别是在各界都已承诺保护人权和可持续发展的背景下。”[5a]

大坝工程建设改变了原有的生态系统平衡，对河流生态系统产生了一定的影响。埃及尼罗河修建的阿斯旺大坝，建坝后虽然改善了灌溉、防洪条件，但对下游径流和沙量过程的改变，造成了下游河床冲刷、河道蜿蜒摆动、断流、尼罗河三角洲后退、海水入侵、海岸侵蚀，随之带来河口湿地退化、生态环境破坏等危害[13][14]。美国的密西西比河以及科罗拉多河[15]，由于大量大坝修建，严重改变了鱼类和野生动物的栖息地及其数量，栖息地的减少和破坏直接导致鱼类和鸟类的数量下降，此外，下游径流量减少，造成河口环境严重恶化。在澳大利亚，大坝工程引起的河流水流情势变化是河流及其洪泛区平原生态系统恶化的一个重要因素[18]，造成大量的湿地丧失，河岸森林减少，无水河道和湿地的植被入侵，水生植被群落结构的改变，无脊椎动物、鱼类和水鸟数量和物种多样性的降低以及一些无脊椎动物的灭绝[19]。伏尔加河流域由于大量大坝修建，严重改变了河流径流情势，给生物群落和鱼类生物栖息带来极为严重的影响[20]。在我国，大坝程建设取得了举世瞩目的成就，同时也对自然环境产生了不良影响。据调查，黑河流域的大坝建设导致了下游地区生态环境的急剧退化，天然植被明显萎缩，绿洲面积缩小；大坝引水工程威胁了青海湖的生物多样性；三门峡大型水坝抬高了渭河河床、下游段形成悬河，造成了土地盐碱化和洪水灾害的无穷后果；云南曼湾电站淹没大量农田，引发库区毁林开荒、陡坡开荒，导致水土流失，加剧生态破坏，等等[21][22]。

总之，大坝对河流生态系统影响，主要表现为河流的物质输送功能大大降低，改变了河流原有的物质场、能量场、化学场和生物场，直接影响生源要素在河流中的生物地球化学行为（生源要素输送通量、赋存形态、组成比例等），进而改变河流生态系统的物种构成、栖息地分布以及相应的生态功能[23][24]。如果生境条件的改变超过生物自我调节恢复能力，物种将面临衰退、濒危和绝迹的威胁，影响生态系统健康。鱼类作为河流系统中最为重要的生物资源，已有研究表明，近百年来，大坝建设是造成全球鱼类生物遭受灭绝、受威胁或濒危的主要原因[25][26]。

近年来大坝建设引起的河流生态问题已逐渐引起了各国政府和科学家的重视。人们意识到要实现河流系统健康可持续发展，必须在开发利用的同时开展河流保护与修复工作。随着“河流健康”[27]、“人水和谐”[36][37]等一些重要理念的提出，维护河流系统健康，实现人水和谐，已经成为各大流域江河治理的新思路。为了减轻大坝对河流生态系统的不利影响，国内外开展了大量相关研究，研究表明，大坝对于河流生态系统的负面影响，可以通过工程措施、生物措施和管理措施在一定程度上避免、减轻或补偿。寻找相对优化的技术路线是解决问题的合理思维方式[38]。其中，改进水库调度方式，制定合理的大坝调度规程的方法，以弥补或减缓其造成的生态环境问题，是当前国内外大型河流生态系统修复的主要措施，也是近年来学术界以及有关管理部门一直关注的问题[18a]。

1.1.2 研究意义

现行的水库调度主要是围绕发电、防洪、灌溉、供水、航运、排沙等综合利用效益所进行的，通常是根据水库的主要开发任务分配水资源，在满足安全、综合利用需求基础上，以谋求经济利益最大化。在这种情况下，对于河流生态系统和水环境保护方面的调度要求考虑较少，由此也带来诸多不利环境影响[39]。因此，考虑基于河流健康的水库调度运行模式，提出科学有效的生态调度方案，对于保障河流健康可持续发展具有十分重要意义。

长江是我国第一大河，有充沛的水量和丰富的物种资源，但随我国对长江水资源的开发利用，如在干流和支流上已经和正在兴建的许多大型水利工程，特别是20世纪80年代长江葛洲坝水利工程修建后，国家一级保护动物中华鲟洄游受到阻隔，无法洄游到长江上游金沙江一带产卵繁殖，长江上游产卵场、栖息地遭到彻底破坏直至消失，在葛洲坝以下江段形成新的产卵场自然繁殖。2003年三峡水库蓄水后，将显著改变长江的水、沙动态，改变水温及营养物质的输移特征，不仅直接影响了长江河床演变和河道内洄游性水生生物资源的繁衍、增殖，还通过江、湖、河口之间的紧密联系引起通江湖泊（如洞庭湖和鄱阳湖）和河口水情的变化，对湖区、河口的水生生物资源、滩地资源产生显著和潜在的影响。水利工程建设造成生境条件的突然改变，若超过生物的自我调节恢复能力，物种将面临衰退、濒危和绝迹的威胁。

三峡水库对生态与环境的影响一直是备受国内外各界广泛争论和密切关注的热点和焦点问题[5b]。三峡工程作为一项举世瞩目的大型水利水电工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益，将对我国社会主义建设发挥巨大的推动作用。但与此同时，三峡工程也将部分改变长江水文情势，对其上下游一定范围的生态与环境带来不利影响。因此，在充分发挥三峡工程社会经济功能的同时，又减少其不利影响，成为当前迫切需要解决的重大问题。

本研究结合国家自然科学基金重大项目资助课题（30490235）《大型水利工程对重要生物资源不利影响的补偿途径》，分析三峡水库蓄水后河流生态系统的生态响应情况，进而研究水库下游河道内环境流量，为三峡水库生态调度奠定基础。在此基础上，结合现有的水库调度规则，考虑河流生态系统的生态需求，通过调整三峡水库调度方式，恢复或改善被破坏的河流生态系统，以维持良好的生态系统和保障生物资源永续利用。