退役壩拆除現狀及其影響研究進展綜述

高玉琴， 劉云蘋， 王懷志， 張澤宇

(河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

目前，我國已擁有水庫大壩超過9.8×104座，成為世界上建壩第一大國，但這些水庫大壩中95%是20世紀80年代之前建設的老壩，其中多為20世紀50-70年代建成的，由于當時經濟水平低下，工程建設技術尚不成熟，因而所修建的大壩中95%以上為土石壩[1]。土石壩的平均運行時間一般在50年左右，時至今日多數大壩已達到其使用壽命，出現了一系列不同程度的問題，如泥沙淤積、結構受損、年久失修等，最終導致潰壩、垮壩事件時有發生，在除險加固尚不能解決的情況下，大壩退役拆除是必然趨勢。

國內外學者針對退役壩拆除問題已進行了相關研究，國外學者Doyle等[2]和Collins等[3]研究了拆壩后水庫沉積物運輸對河道河床地貌演變影響；Foley等[4]和Doyle等[5]研究了大壩拆除帶來的生態環境影響；Foley等[6-7]、Poulos等[8]和Pess等[9]研究了拆壩后河道連通性對洄游魚類及其他魚類種群的影響；亨氏科學經濟與環境中心等[10]和美國土木工程協會[11]對大壩拆除評估監測進行了相關研究。我國大壩退役拆除相關研究尚處于起步階段，彭輝等[12]、向衍等[13]和成榮亮等[14]對大壩老化退役或降等的評估及決策進行了研究；王若男[15]、俞云利等[16]、向衍等[17]和方崇等[18]研究了大壩拆除對生態環境的影響。美國作為最早開始拆除大壩的國家，在此方面的研究相對較多，但也僅處于初級階段，仍缺乏系統的研究。本文通過綜述國內外的大壩拆除現狀以及拆除后對周圍環境和社會經濟影響的研究進展，提出當前研究所存在的問題和挑戰，展望未來大壩拆除的研究趨勢，為我國大壩拆除及其后期恢復管理工作提供參考。

2 國內外大壩拆除現狀分析

2.1 國內外大壩拆除現狀

美國最早從19世紀末20世紀初開始實施大壩退役并進行大壩拆除，其次為加拿大及歐洲等國，日本、韓國、泰國等也在一定程度上開始關注大壩退役問題。

美國是世界上拆壩數量最多的國家，截止到2015年美國拆壩數量1 300多座，其中拆除年份明確的有1 181座[4]，尤其是近10年，美國拆壩數量逐年遞增，僅在2014年就拆除72座大壩[19]，由美國各年代拆壩數量統計圖(圖1)可看出美國拆壩數量呈遞增趨勢，且多為壩高低于10 m的小型壩。

圖1 美國各年代拆壩數量

加拿大拆壩數量僅次于美國，2000年被拆除的Finlayson大壩是加拿大第一座記錄在案并按照計劃和制定的程序拆除的大壩[20]，截止到2005年加拿大共拆除20多座大壩。歐洲各國拆壩數量相對較少，法國已經立法禁止建設大壩并開始拆壩，為了改善魚類生存環境，1996-1998年間位于盧瓦爾河支流上的3座大壩退役；意大利已有4座大壩被拆除，另有4座大壩計劃拆除；挪威只有4～5座與水電相關的大壩退役；其余部分國家只是開始制定法律保護河流生態并禁止修筑大壩。亞洲國家中日本、韓國、泰國逐漸開始取消大壩的建設，其中日本從2000年開始停止大壩建設，并按計劃在2012年開始Arase水電站的拆除工作[21]；韓國在2000年為保護東江流域的生態系統，政府宣布取消江原道的永越水壩建設計劃；泰國拆壩的方式比較獨特，并非完全的拆除大壩硬件而是完全開放水閘，從而達到恢復河流的自然流態、保護流域生態的目的。

圖2 我國部分省份水庫降等與報廢數量

圖3 我國小型病險水庫數量前10名的省份及其病險率統計

我國是世界上擁有大壩數量最多的國家，截止到2016年，全國(不含港澳臺地區)已建水庫98 461座，其中大型水庫721座，中型水庫3 890座，小型水庫93 850座[22]。但近年來病險大壩逐漸增加，其中小型病險水庫約6萬多座，平均病險比例為53.3%，成為大壩水庫退役的主體。截止到2017年底，全國降等與報廢水庫6 539座，其中降等4 021座(中型3座、小型4 018座)，報廢2 518座(中型3座、小型2 515座)。據2002年水利部統計降等與報廢(報廢即退役)總數較多的省份為湖南、陜西、福建和云南等地(圖2)，陜西因泥沙淤積報廢小型水庫578座，成為水庫退役最多的省份[23]。2007年水利部大壩安全管理中心對我國各地小型病險水庫的數量進行初步統計排位(圖3)[24]，病險小型水庫最多的是湖南省，其次是廣東和江西省。

2.2 國內外大壩退役拆除原因及相關政策

美國大壩拆除主要原因為生態因素，其次是安全和經濟因素，但并未因完全盲目的追求生態而舍棄大壩所能產生的防洪、發電等經濟效益。美國各州拆壩數量分布圖如圖4所示，其中拆壩數量排名前三的州是賓夕法尼亞州、威斯康星洲和加利福尼亞州，這些州的政府都承諾對拆壩給予行政方面的支持。除此之外，1997年美國土木工程師協會(ASCE)公布了《大壩及水電設施退役指南》，2002年美國亨氏科學經濟與環境中心出版《退役壩拆除的科學與決策》，同年美國河流組織(American Rivers)和鮭鱒類保護協會(Trout Unlimited)共同編制了《退役壩拆除決策指南》，美國墾務局(USBR)和美國陸軍工程師團(USACE)也都有相應的大壩安全管理程序[15]，以上成果為大壩退役和拆除提供了評估方法，有效地緩解了拆壩對生態環境和社會經濟的影響。

圖4 美國各州拆壩數量分布圖[4]

加拿大拆除大壩的原因是大壩功能喪失，故拆除大壩以達到修復河流生態系統的目的[25]。加拿大拆除的大壩中50%位于安大略省，安大略省自然資源部(OMNR)在1999年形成了一套安大略準則，其中羅列出了60多項與環境相關的檢測指標；2011年OMNR又發布了《大壩退役與拆除技術通報》，其中分析了水文、水力、地質、環境、社會、經濟等多項與大壩退役相關的問題，并由此制定出大壩退役決策框架，為大壩退役提供了依據[15]。

歐洲拆壩的主要目的是恢復河流的生態系統，維護流域原有價值，部分國家開始修訂法規維護生態環境并禁止修建大壩，如瑞典禁止在四大河流上建設水電站，挪威立法禁建大壩，拉脫維亞制定專門的法律保護自然景觀和生態環境并相繼取消了兩座大壩的建設，萊茵河流域的國家也提出要讓萊茵河重新恢復自然化[25]。

我國為了規范水庫的降等與退役，在2003年出臺《水庫降等與報廢管理辦法》，2013年發布了配套技術標準《水庫降等與報廢標準》，并在2016年底發布的《水電“十三五”規劃》中提到“建立中小水電破壞生態環境懲罰退出機制”[26]。這些政策的出臺為水庫大壩降等和退役提供了依據，但這些僅是從水庫大壩運行管理方面闡述，對退役大壩拆除并未進行專業技術方面的研究，針對拆除大壩之后如何修復河道和周圍生態系統，以及拆壩后的社會經濟和生態影響評價等問題并未出臺相關的政策和實施細則[12]。

2.3 國內外大壩拆除方式及評估方法

壩型、大小、報廢程度及功能的不同都將直接影響大壩拆除方法的選取。根據美國地質勘探局拆壩科學數據庫所收錄的148座已拆壩基本信息，統計顯示當前國內外大壩退役拆除的主要方法有排水與挖掘、意外拆除、分段拆除、部分拆除和瞬時拆除等[27]，須根據實際情況采取不同的拆壩措施。

拆壩措施的選取及是否拆壩，須對各種潛在工程和非工程方案進行詳細評估，目前關于大壩退役評估還未形成成熟的決策體系，仍處于探索階段。最早的大壩拆除評估方法是1997年美國土木工程學會(ASCE)提出的拆壩評估基本過程：(1)初步退役研究；(2)公眾咨詢；(3)數據收集與分析；(4)可選方案評價；(5)實施；(6)長期管理。該方法主要通過成本收益分析進行大壩退役決策，但缺乏直觀和清晰的問題構建過程[28]。1999年安大略省自然資源部(0MNR)針對芬利森壩編制了一套拆除導則草案，該導則基本與ASCE的導則大致相同，并在芬利森壩拆除中取得成功，不同的是將公眾咨詢推遲至工作程序的第 4步[29]。2002年亨氏中心提出拆壩決策的總體框架，并提出了物理、化學、經濟和社會等關鍵評價指標，但缺少方案比選過程[10]。2009年Brown等[30]和Corsair等[31]分別提出綜合性大壩評估模擬工具和水壩退役多準則決策分析方法，前者運用定性與定量相結合的方法，從經濟、生態和政治三個維度對大壩拆除的成本和效益進行了評估，但缺少對決策準則層和指標權重影響的考慮；后者在亨氏中心決策框架的基礎上，加入多準則決策分析，通過多目標權衡，選出最優決策方案，該決策框架較為系統完整，具有較高的參考價值。我國的《水庫降等與報廢評估導則》尚在研究編制中，沒有統一的報廢評估流程，現有研究多是參照國外大壩退役評估流程。

3 國內外大壩退役拆除影響研究進展

3.1 退役壩拆除的生態環境影響研究

大壩退役拆除是對周圍生態系統的再次干擾，造成水庫棲息地的喪失和沉積物的移動，導致生態環境變化。研究發現拆壩對生態環境的影響由非生態變量逐步提高到生態變量(非生態變量是指水文、水質、泥沙等流域特征，生態變量是指浮游植物、浮游動物、魚類等食物鏈中的生產者和消費者)，兩者相互作用，互相影響，主要表現在河流形態、泥沙運輸、水生環境和生物多樣性等方面，且影響隨時間尺度的差異產生不同的表現形式[3-4]。

3.1.1 退役壩拆除對河流形態影響研究 大壩拆除后恢復河流連通性，上游沉積物快速向下游移動，河床發生演變。Doyle等[5]對大壩拆除后河道演變進程進行研究并提出了常見的渠道演變模式(CEM)：首先是垂直侵蝕，使之形成深而窄的通道，接著是一段時間的橫向侵蝕，使之超過臨界岸灘崩塌高度，導致陡峭的岸灘崩塌，河道擴大河床抬高，最后河岸侵蝕逐步減少達到平衡狀態(河道演變過程如圖5所示)。Egan等[32]對拆壩上游河道形變進行研究，發現大壩上游地貌演變的初級階段主要為下切，其次是河床的侵蝕、沉積和漫灘發展；若水庫的蓄水量相對較小且寬度比上下游河道寬很多時，大壩上游的主要演變過程就變為沉積和漫灘發展，而不再是侵蝕和切割。

圖5 渠道演變過程[32]

河道演變是一個非常復雜的過程，拆壩后河道重整時間可能要持續幾十年甚至幾百年，目前還沒有定量的地貌研究可以持續足夠長的時間來記錄大壩拆除后的平衡河道形態；拆壩后河道地貌響應受到拆除方案、拆除時間、管理和施工策略的顯著影響，河流恢復策略的制定直接影響大壩上下游的恢復速率，而恢復策略的制定需要好的預測模型，目前CEM模型以及各種數值模型都不能很好地在拆壩前對拆壩后河流形態變化進行有效預測，主要原因是沒有長期且詳細的拆壩后河道演變數據記錄。因此在未來的研究中需要加大對大壩拆除后可能的地貌響應的研究，構建拆壩后地貌變化數據庫，提高預測的準確度，為拆壩方案及管理提供科學決策。

3.1.2 退役壩拆除對泥沙運輸影響研究 泥沙運動形式的變化是大壩拆除必須考慮和重視的問題，其影響主要體現在3個方面：(1)泥沙運輸的變化控制了河道演變的過程，如前文中所提到的CEM模式；(2)泥沙運移速率的影響，由于沉積物數量和種類的不同、河道坡度和河流流量大小不同，泥沙沉積物的運移速率和模式隨之變化[33]；(3)沉積物污染問題，沉積物中可能存在污染物(如有機物質和重金屬)，當水庫泥沙污染物濃度明顯高于背景濃度時需進行穩定化處理，避免向下游釋放污染物，污染下游水質。

針對拆壩后泥沙問題，ASCE在2011年出版了《拆壩泥沙動力學》，對水庫泥沙特征以及拆壩后河流地貌影響進行了研究，其內容涉及現場研究、物理模擬與數值分析，對科研人員和河流管理者具有重要的參考價值。美國內政部水信息咨詢委員會針對泥沙分析問題專門設立工作組，兩次召開專題研討會并著手編制《拆壩泥沙分析指南》，泥沙小組委員會在《拆壩泥沙分析指南》(2017)中提出了拆壩泥沙分析的10個步驟，為確定評價拆壩泥沙影響的數據收集、分析、模擬以及必要監測的類型和水平提供指導。但目前的研究多集中在拆壩后泥沙量、泥沙種類和泥沙污染等方面的研究，很少有人試圖量化沉積物運移速率。

3.1.3 退役壩拆除對水生環境影響研究 拆壩對水生環境的影響主要體現在流速、水溫、水質、水量、溶氧量、底泥等方面[34]，大壩拆除后短期內會對河流的生態系統造成強烈的擾動并產生一系列不利影響，但長期來看拆壩措施可使壩址以下的河道部分恢復完整性，使河流恢復天然形態(與建壩前相比并非完全相同)，對整個河流的生態影響是有利的[35]。

林育青等[35]、劉詠梅[36]認為拆壩后短期內水庫回水效應和頂托作用消失，泄流量增多且流速加快，上游水位降低，下游流量增加且水位升高；經過一段時間的恢復，河流恢復穩定，流域水環境由靜態水狀態轉變為動態水狀態，該現象稱之為“逆生態環境”，河流的水文模式得到修復，水質及水溫隨著水滯留時間和水溫分層現象的減少而迅速逆轉，河流流量變化重新遵循天然洪水過程。針對拆壩對水生環境的影響，國內外的研究多集中在定性的描述，缺少定量的分析，拆壩后水溫與水質的變化研究應進一步將陸面過程與大氣環流模型進行耦合分析[37]，以此得到拆壩對水生環境的具體影響過程。

3.1.4 退役壩拆除對生物多樣性影響研究 大壩拆除后對生物多樣性的影響主要表現在兩個方面：(1)岸坡植被多樣性的增多；(2)魚類等生物種類的增加。

Shafroth等[38]在拆壩對河岸植物多樣性影響研究中發現(見圖6)，對于大壩下游的植物，短期內泥沙向下游移動，泥沙沖刷導致部分小型植物被泥沙覆蓋而死亡，長期發展后泥沙運輸改變河床地貌形成新的臺階式裸露河岸，河流水文特征恢復自然狀態，水文條件與地貌變化的相互作用為岸坡植物的生長提供了天然的棲息地，促進了本土植物群落的恢復；大壩上游隨著水庫水排放，水位下降，部分原水庫邊界植物由于地下水位降低而死亡，被干旱性植物取代；大壩拆除后重新露出水面的水庫排干區由于具有潮濕、營養豐富等特點同時又富集了多種植物種子，并且這些種子普遍具有快速生長、繁殖力強的特征，對長期植物群落多樣性變化產生深遠的影響。

圖6 拆壩前后下游及水庫區域地貌及植被變化[38]

建壩導致的水流流速變化直接影響魚類遷移率；水庫水位升高淹沒大馬哈魚等類似魚類的產卵場地，影響魚類的產卵繁殖；水溫升高導致河流納污能力下降，水質變差影響魚類的生殖繁衍；洄游通道的切斷，使一些需要洄游到上游進行產卵的魚類無法回到產卵棲息地，上游孵化的小魚無法回到下游發育生長，久而久之洄游魚類數量下降，種類減少[6,39-40]。大壩拆除后短期內由于水體渾濁度增加、下游水體溶解氣體濃度超飽和，導致魚類傷亡和患氣泡病的可能性增加；但長期來看，泥沙搬運完畢并恢復穩定后，水流夾沙量減少，下游河床地貌趨于穩定，有利于魚類的生長與繁衍，另外河流恢復了連通性，增加了洄游魚類和溯河產卵魚類到達上游棲息地及產卵區的可能性，極大提高了洄游魚類和溯河產卵魚類的繁殖力。

Foley等[9]對比不同地域的拆壩生態系統響應發現大壩上游40%的魚類種群和群落無明顯變化，下游魚類種群的變化未超過25%，拆壩對生物多樣性的影響因地域差異而不同，并非所有的生物都可通過拆壩措施得以恢復，另外大壩拆除常會導致半天然半水生的水生生物代替天然水生生物。目前大部分學者對拆壩提高生物多樣性的期望過高，沒有具體深入的定量研究，因此在評估拆壩對生物多樣性影響的過程中既要進行定性研究又要著重定量研究，研究開發一套切實可行的計算理論和評估方法，用科學準確的方法預測生物多樣性對拆壩行為的響應過程。

3.2 退役壩拆除的社會經濟影響研究

當前學者關于拆壩對社會經濟影響的研究過少，且多為定性描述。相應有效的社會影響評價工具和經濟影響評價工具仍是下一階段退役壩拆除對社會經濟影響研究的重要方向。一般認為病險大壩的修復費用是拆除費用的3～5倍[41]，拆壩可減輕當地政府的經濟負擔，增加當地經濟增長機會，是恢復河流最高效的方法，但同時可能產生一系列亟待解決的社會經濟問題、歷史文化遺產問題、美學與社會價值問題、土地權問題、人民公共利益問題、流域周邊房價問題、洪水安全隱患問題、經濟復蘇問題以及公眾對拆壩決策的響應問題等[42]。

亨氏中心在一份報告中得出結論，生態、安全和經濟因素決定是否拆除或修復大壩，但公眾接受程度和人民滿意度是最終的決定性因素，所有的經濟問題和幾乎所有的生態以及工程安全問題都會影響到人類，最終都可以轉化為社會問題，然而目前關于大壩拆除后的人類層面或社會科學方面的研究很少[41]。Born等[43]通過統計分析公眾對拆壩決策的意見評價，調查表明大部分公眾可以理解拆壩帶來的重要損失和重要收益，一半的公眾認同拆壩可使河流恢復到自然狀態，可改善河流流域生態環境，但同樣也存在著大量的不同意見。

4 結 論

隨著大多數大壩慢慢進入“老齡化”，大壩拆除或保留將成為急需解決的問題。本文通過研究國內外大壩的拆除現狀，綜述拆壩對生態環境和社會經濟的影響研究，發現由于拆壩相關數據過少，且無一套切實可行的計算理論和評估方法，導致當前關于拆壩影響的研究多為定性描述，缺乏定量分析；另外該方面的研究剛剛起步，學者多集中在單方面的影響研究，缺少綜合影響評估；除此之外，社會影響因素復雜多變，當前沒有合適的社會經濟影響評價工具對拆壩社會經濟影響進行定量評估，故國內外學者多著重于生態環境影響研究，缺乏社會經濟影響研究。

針對當前影響研究所存在的問題，在今后的研究中應從以下幾個方面進行完善：(1)加強影響因素的定量分析，建立拆壩后河流變化詳細資料數據庫，探索可行的計算理論和評估方法，構建科學拆壩影響預測模型；(2)耦合水動力、泥沙、生物響應、水生環境等多方面因素，綜合考慮各因素間的關聯，構建拆壩影響的綜合評估體系；(3)加強關于經濟評價分析工具和社會影響評價工具的研究，定量地評價拆壩對社會經濟的影響；(4)僅針對我國大壩退役規程和相關法律法規較少的情況，應建立大壩退役導則，頒布相關的法律法規。