國際水利環境學會副主席、清華大學教授王兆印介紹消能減災技術--188BETApp

國際水利環境學會副主席、清華大學教授王兆印介紹消能減災技術

2011/11/19 10:11:29 新聞來源：188BETApp

河流開發與消能減災的哲學思考

清華大學王兆印

很高興能到這裏見到這麼多媒體和專家領導。以前我認為作為科學家不應該見媒體，也許是一種錯誤，我們有一些觀點和思想需要宣傳。今天我想講講河流開發與消能減災的哲學思考。河流的哲學可以定義為：關於河流自身演變及對人類幹擾之響應的各種現象以抽象思維和實證科學為方法的認識論和思想體係。這裏講了實證科學，還有抽象思維，因為有些東西不好說對錯，也許過幾個世紀我們才能知道對錯，所以我隻是把我自己對河流問題的認識、對於河流的思考向大家彙報一下。

今天談四個問題，一個是青藏高原的抬升對河網水係的影響，其二談談河流地貌是彈性還是塑性的，第三個問題是消能減災，第四講講大壩對生態的影響。因為時間不夠第一個問題簡單談一下結論。根據河流水係網絡的拓撲定律，怒江、瀾滄江和金沙江的所有支流應該是一條大河總體河網的支係，如果隻有自然地貌發育過程，應該是三江合流。之所以發生三江並流，實際上是因為青藏高原抬升的影響，地質過程幹擾了地貌過程，把一條大河的水係網絡切割成三個水係，發生三江並流奇觀。

為了節省時間，我們直接跳到第二個問題：河流地貌是彈性還是塑性。這個是通過實驗來研究的。實驗是在雲南東川蔣家溝，一開始挖的初始河槽是直的和大彎的，實驗開始以後河道就開始逐漸變彎，河槽自然彎曲，按照固有的波長來發育，最終形成具有固定波長的彎曲河流。又做了一個小彎初始河槽實驗，波長小、彎道多，還是在同一個河穀泥石流沉積體上做。實驗開始後小彎逐漸被衝掉，最後代之以發育比較大的河彎，還是具有同樣固定波長的彎曲河流。所以，河流的彎曲特性是非常有彈性的，如果你不按照它的河彎波長治理，修建了工程也會衝掉。例如這是具有高強度約束的混凝土河岸，但是河槽依然要在裏麵形成彎道，它彈性非常大，很可能長期作用下混凝土河岸會被衝掉。河流有沒有可塑性也是通過實驗研究。實驗是這樣的，先是發育了一定的河道以後，把上遊推移質來沙攔住，於是河流發生了下切，改變了河床縱剖麵。這個圖可以看出河槽下切，右上角是橫斷麵，左下角是縱剖麵。整個縱剖麵明顯降低。第二個實驗先把推移質攔截，但是建設人工結構增阻消能，結果縱剖麵明顯抬升。這個研究結論是：如果河流增加推移質供應河床縱剖麵會抬升，攔截推移質縱剖麵會整體降低；自然發育或者人工建設河床結構導致縱剖麵抬升。所以，河床縱剖麵是可塑的，改變河床縱剖麵不會反彈。

大壩建設會改變河流縱剖麵，會不會引起反彈。我們先看自然情況，一個是易貢堰塞壩，一個是古鄉溝堰塞壩。這是2000年發生的易貢滑坡堰塞壩，堰塞壩發生的位置是在這個河穀比較細的地方，下遊發育成一個高強度陡峭的消能段，上遊坡降變緩，河穀變寬，發育沙洲，向辮狀和分叉河型發展。古鄉溝1953年發生特大泥石流，在入彙口形成了一個巨大的堰塞壩，下遊逐漸發展成高強度消能段，上遊演變成辮狀河型和分叉河型。左邊照片是高強度消能段，高強度結構造成巨大的波浪消能。右邊是上遊的辮狀河道。再看其他河流，康定河1782年地震引發大量崩塌滑坡，完全改變了河床縱剖麵，200年以後仍然是穩定的。人造大壩庫區淤積，長期運用改變河流縱剖麵。根據以上結論，大壩改變河流縱剖麵不會受到反彈。

第三個問題談談河流自然發育的結構怎樣消能？為什麼消能可以減少地質災害？自然發育的最好的消能結構是階梯-深潭係統。這是東川深溝的階梯-深潭係統，這是四川小金川巨大的階梯-深潭係統，流量大河床坡度陡，骨幹石塊有10米長。階梯-深潭係統的消能率有多高？通過我們的測量計算，得出結論是消能率可以達到80%。雅魯藏布大峽穀有2000多米落差，流量很大，水流的衝擊能力非常強。之所以能維持非常脆弱的平衡，就是因為大峽穀發育了非常強的階梯-深潭係統，這套消能結構並不足以維持它超穩定。水流能量還在局部造成衝刷河岸坡腳，因此實際上還是有一些滑坡崩塌的。盡管如此，有了這套消能結構，還是基本上能夠保持一定的穩定程度。這是雅魯藏布縱剖麵圖。我們2009-2011年三次進入大峽穀，今年進入大峽穀最陡峭的河段，有些地方是非常危險的。這個照片是我們在陡壁上行進，這是在大峽穀采樣，這個照片是我們做的測量。這是大峽穀的水躍大約兩米高。由於通過結構消能控製了整體下切，使大峽穀保持了相當的穩定性。如果破壞這些結構，大峽穀會失穩發生巨型崩塌滑坡。

消能究竟怎樣減災的，我們來看兩個實例。這是白沙河深溪溝，它古代發育了三個堰塞壩，發育很好的結構高效消能穩定了堰塞壩，改變了河床縱剖麵，使得河床抬高了200米。深溪溝處於2008年汶川大地震的震中，因為把河床抬升了兩百米，滑坡勢能大大減少，所以沒有發生崩塌滑坡。照片上看出公路傾斜，一邊上升4米多，地殼運動非常強烈。作為對比，周圍山川大量崩塌滑坡，綠色山川都變成了白的。第二個例子是九寨溝，這裏有許多古代的滑坡堰塞壩，由於發育河床結構消能，穩定並保存下堰塞壩。滑坡勢能大大減少，千百年來沒有再發生滑坡。這是一個大滑坡，溢流槽發育結構消能，不僅使得不再發生新的崩塌滑坡，還使泥沙侵蝕大大減少，生態非常良好。

第四個問題，談談大壩建設對河流生態有利還是有弊？拆壩是恢複生態的好辦法嗎？

河流水生態係統可以分成三層，一是生態鏈底層，初級生產物，主要由水生植物組成；二是生態鏈中層，由無脊椎動物群組成。根據無脊椎動物的生態功能還可以把它們分為：捕集類如蜻蜓，刮食類如田螺，收集類如石蛾，濾食類如河蜆；撕碎類如沼梭；生態鏈上層是脊椎動物，包括魚類、爬行類和兩棲類。大壩造成了棲息地隔離，間歇發電造成人為洪峰，使得洄遊魚類不能到上遊產卵而消亡。這是寶珠寺大壩，不發電的時候下遊沒有水流，造成魚類擱淺。這個圖顯示東江生物多樣性和動物密度沿程變化，多樣性和密度都在楓樹壩下突然降到零。在壩下采樣隻采到一種十足目的蝦，其他動物沒有了。這是因為大壩發電泄流突然產生洪峰造成的影響。大壩對生態是有衝擊作用的，對許多物種造成致命的影響。

簡單說一下美國的拆壩運動。美國有7.5萬座高於2米的壩，拆掉了500座低於12米的壩。拆壩原因是重新發放大壩執照時不滿足生態保護和安全的評估要求，老化，維修太貴，生態修複，和大壩不安全。這是威斯康星州拆掉Appleton 壩之前和之後的情況。我和很多美國、歐洲的水利工程師和水利學者交換意見，問他們拆壩有什麼好處，工程師都說沒有好處。拆壩有什麼壞處？很明顯，拆壩之後庫區沉積的泥沙釋放出來，泥沙吸附的重金屬等汙染物驟然釋放使很多物種消亡。拆壩經濟損失也很大，建壩花錢，拆壩也要花不少的錢。美國人為什麼要拆壩？歐洲美國工程師說主要是由於群眾的呼籲，群眾的呼聲要求拆壩。美國的拆壩運動對於中國有一些影響。很多人認為大壩建設已經過時，大壩得不償失。對三峽工程的批評很多，歸納起來不外乎破壞水資源平衡，造成重慶大旱，漁業損失巨大，珍惜物種消亡，下遊衝刷下切，汙染加劇。除了造成重慶大旱需要研究才能下結論外，其它幾中影響確實存在。我們必須重新思考大壩建設的利與弊，特別是大壩對生態的影響。

我們通過對大壩建設前後生態變化的比較可以初步得出結論，在中國西南江河上建設大壩對生態利大於弊。河流生態良好首先要求棲息地穩定和多樣性，其次才是水質良好。對青藏高原周邊河流，河床下切棲息地不穩定，建設梯級壩群可以穩定河床更有利於生態。一般說來，高壩大庫隔離棲息地、阻礙回遊魚類的遷徙、造成上下遊的劇烈演變，對生態的衝擊比較大。較小的大壩構成的壩群對穩定棲息地效果好，同時對生態破壞作用小。不穩定河流上建設大壩群有利於生態的實例如黃河：黃河由於泥沙運動強烈生物多樣性底，大量水庫建設創造了河庫聯通棲息地，類似於長江的江湖聯通係統。現在無脊椎動物和魚類大增，絕大多數都在庫區。盡管大壩會造成某些物種消失，但是新生的棲息地也會造成原來不能生存的物種出現。所以，大壩不是造成物種多樣性降低而是物種群的調整和演替。從長期看，西南河流上建設壩群可能提高生物多樣性。這個照片是四川大金川，由於河床下切兩岸不斷滑坡和崩塌。如果不修建壩群，兩岸崩塌滑坡會繼續下去，可能還要幾千幾萬年的時間才能達到平衡。

我們在幾十條河流上采樣發現，穩定的棲息地具有最高的生物多樣性，高強度走沙和不斷演變的河流沒有水生動物。這是雲南東川大白泥溝，泥沙運動強烈，雖然長年流水，但是沒有動物生存。這是一個比較圖，顯示穩定的、下切的、淤積的、和高強度泥沙運動的河流之底棲無脊椎動物的物種數、動物個體密度的比較。穩定的河流物種數和動物密度最高，其次是下切的河流，再其次是淤積的河流，高強度走沙的河流最低。這是金沙江上正在建設的溪落渡大壩，加上向家壩、烏東德、白鶴灘構成梯級壩群。梯級壩群形成穩定棲息地，由於壩頭和庫尾相連，基本控製大壩下遊衝刷，對生態影響很小。

作為60壽辰的幾年，我寫了一本書叫《河流的哲學》，裏邊集中討論了21個問題：

1、河流有哪些生命特征？河流是按物理學定律還是生物學定律對幹擾做出反應？

2、何謂河流生態動力學？各種河流生態單元之間以何種規則相互關聯?

3、河流水係服從什麼組織規律？為什麼有的河流偏離“四-二定律”?

4、河流地貌是彈性還是塑性的？人類能不能任意改變河流地貌？

5、荒山禿嶺能否變得山川秀美？怎樣治理才能山川秀美？

6、沙漠泥沙源於何處？防治沙漠化的關鍵是什麼？

7、為什麼汶川地震造成大量崩塌滑坡泥石流？地震侵蝕有何後果、如何管理？

8、堰塞湖是資源還是災害？保存堰塞湖有多大風險、有何生態景觀效果？

9、為什麼河床下切引發地質災害？怎樣減少崩塌與滑坡災害？

10、為什麼會發生泥石流？為什麼穀坊壩不能攔擋特大泥石流？如何用消能結構防治特大泥石流？

11、河流必須攜帶泥沙嗎？德國人通過人工喂沙解決河床衝刷問題是不是好辦法？