水庫大壩的類型及其對生態系統的影響

王富強 李時

人們常說的大壩一般指河床上的擋水建筑物，主要用來攔截江河，形成水庫或壅高水位，為發電、防洪、灌溉、供水、航運等提供條件。擋水建筑物是水電工程樞紐建筑物的重中之重，對上下游沿岸人民生命財產安全至關重要。

人類很早就知道修建水壩改善生活。世界上有記錄的最早的水壩是公元前2900年埃及人為向當時的首都孟菲斯供水而在尼羅河上建造的一座高15米的砌石壩。目前仍在使用的世界上最古老的水壩現存于伊拉克，建于公元前1300年。 1878年法國建成第一座水電站后，水壩增加了新的功能——發電。

大壩的分類

早期人們多以土石材料筑壩，19世紀后期隨著水泥生產工藝的成熟和質量的提高，混凝土越來越多地用來筑壩。19世紀中葉以前人們多憑經驗建壩，隨著科學技術的發展，國際筑壩技術的日新月異，大壩家族也日益枝繁葉茂。

大壩類型繁多，分類沒有統一模式，可按不同的方式進行分類：按工作型態，可分為剛性壩、柔性壩和半剛半柔壩三大類；按筑壩材料，可分為混凝土壩、漿砌石壩、土壩、堆石壩等；按受力方式，可分為重力壩、拱形重力壩、重力拱壩、拱壩、支墩壩、均質壩、面板壩、心墻壩、重力墻堆石壩等；按防滲形式，可分為混凝土防滲、瀝青混凝土防滲、土防滲、土工膜防滲、橡膠防滲、鋼板防滲等；按結構形式，可分為整體式、寬縫式、空腹式等重力壩，單曲、雙曲等拱壩，連拱、大頭、平板等支墩壩，均質、分區等土壩，土質、混凝土、瀝青混凝土、土工膜、鋼板等心墻堆石壩，混凝土、瀝青混凝土、土工膜、噴混凝土等面板堆石壩，還有橡膠壩等；按壩身是否過水，可分為溢流壩、非溢流壩；按施工工藝，可分為澆筑混凝土壩、碾壓混凝土壩、砌石壩、水力沖填式土石壩、拋填式土石壩、定向爆破土石壩、碾壓式土石壩等。此外，還有土和混凝土組成的混合壩，以及近年新興的融合混凝土壩、膠凝砂礫石壩和堆石混凝土壩等。

我國的大壩建設起步較晚，筑壩技術發展可大致分為四個階段，即艱難起步階段（新中國建立之前）、自主創業階段（新中國建立至改革開放前）、借鑒學習階段（改革開放后至21世紀初）、突破發展階段（21世紀以來）。

據統計，截至2011年，中國約有87000座大壩，約占世界的一半，其中200米以上的超級高壩多在2000年后建成。經過數十年發展，我國在大壩數量、類型、壩高和筑壩技術上均有了突飛猛進的發展，重力壩、拱壩和土石壩等多種壩型都有了很大發展，新材料、新結構也在壩工建設中得到了發展和應用。在不斷研究和實踐中，人們總結出控制大壩安全的主要因素，如抗滑穩定、抗滲穩定、應力穩定、變形穩定和耐久穩定等，壩型不同，穩定控制的重點也不同，目前已形成了相應規范體系，為大壩安全保駕護航。

混凝土重力壩依靠結構自身重量維持穩定，對地形地質條件的適應性較好，便于布置泄水和引水設施，結構受力明確，安全可靠度高，在我國水利水電工程中得到了廣泛應用，舉世聞名的長江三峽大壩即采用此壩型。20世紀末，我國重力壩壩高由150米級跨入200米級；碾壓混凝土重力壩技術也得到大力發展，先后建成了世界上最高的龍灘和光照碾壓混凝土重力壩。重力壩由于材料強度不能充分發揮，壩體斷面尺寸較大，相應水泥用量多，外來材料運輸量大，且溫度控制難度大，工程投資較高，制約了超高重力壩的大規模發展。

混凝土拱壩以結構合理、體型優美和超載能力強而著稱，壩身還可泄水，常修建在地質條件較好的狹窄河谷中。相對于重力壩，拱壩的經濟優勢較為明顯，相同條件下拱壩體積約為重力壩的1/1.5～1/5。我國2009年建成的小灣拱壩高295米，在建的錦屏一級拱壩高305米，均為同類壩世界最高。隨著技術的發展，拱壩不僅在體型設計上日新月異，在筑壩材料上也不斷創新，碾壓混凝土拱壩即是一種競爭力較強的壩型。我國已建最高的碾壓混凝土拱壩是大化水壩，壩高135米；在建最高的是萬家口子壩，高167.5米。拱壩對地質條件要求高，勘察工作量較大、周期較長，復雜地質條件下的拱座和邊坡處理工程量大，高拱壩溫控與防裂要求高，施工期壩體應力控制復雜，這些問題一定程度上限制了高拱壩的選型。

土心墻堆石壩以土心墻作為防滲體，對地形地質條件適應性非常強，尤其是對于河床覆蓋層深厚、設計地震烈度高等不利自然條件，是一種安全和經濟的選擇。我國土心墻堆石壩建設起步相對較晚，但發展非常迅速，目前已建成壩高261.5米的糯扎渡大壩，擬建的雙江口壩高314米，建成后將成為世界最高土心墻堆石壩。但土心墻堆石壩的體積較大，心墻料開采占用土地較多，土料施工受氣候影響較大。

混凝土面板堆石壩以其上游面的鋼筋混凝土面板作為防滲體，該壩型以適應性好、工程量省和施工快而深受壩工界青睞。1985年，我國開始建設首座混凝土面板堆石壩，隨后該壩型得到快速發展，建成了一批200米級高壩，包括世界最高的面板堆石壩——高233米的水布埡壩。受試驗手段的限制，堆石填筑料的力學性能很難通過室內試驗準確把握，壩體變形預測仍是超高堆石壩的技術難題，尚待深入研究。

隨著社會和經濟的不斷發展，人們對安全、環保和效率等都提出了更高的要求，有些壩型被逐漸淘汰，譬如寬縫式和空腹式重力壩，支墩壩，重力墻堆石壩，水力沖填式、拋填式和定向爆破土石壩，鋼板防滲壩等。而一些新壩型如碾壓混凝土壩、碾壓式堆石壩、膠凝砂礫石壩和堆石混凝土壩等，則展露出蓬勃生機，不斷壯大和繁榮著大壩家族。

經過數十年的發展，我國大壩建設取得了豐碩成果，在充分保障安全性的前提下，筑壩技術已達到或正在向300米級高拱壩、300米級高土心墻堆石壩，300米級高面板堆石壩、250米級高碾壓混凝土重力壩、深厚覆蓋層上250米級高土石壩、150米級高碾壓混凝土拱壩等方向發展。

大壩對生態系統的危害

大壩興建后，形成的水庫特別是大型水庫，將使其周圍環境發生明顯的改變。對生態環境的影響主要表現在庫區的淹沒，滑坡、坍岸，水庫淤積，生態變化，水質變化，氣象變化，誘發地震等方面。

（1）淹沒。建壩后，水位在壩前壅高形成回水，在回水范圍內，耕地、礦藏、名勝古跡等被淹沒；工廠、鐵路、公路及附屬設施需要拆遷；居民需要遷移，城鎮需要遷建。土地和設施的賠償費，拆遷費用相當龐大。

（2）滑坡、坍岸。岸坡浸水后，掩體的抗剪強度降低，在水庫水位降落時，有可能因喪失穩定而坍滑。庫區大范圍坍岸，會加劇水庫淤積；而壩址附近的滑坡，將給工程的正常施工和運行帶來極為不利的后果。

（3）水庫淤積。由于水流入庫后流速減慢，挾沙能力降低，使泥沙顆粒先粗后細逐步下沉，造成淤積。淤積不僅會使庫容減小，縮短水庫壽命，加大淹沒損失，還將影響電站和航運的正常運行。

（4）生態變化。建壩蓄水對生態環境有很大影響，受影響的有庫區和下游陸地生態系統，也有河流水生生態系統或直至河口生態系統。例如，水庫淹沒影響陸生植物生存，并破壞其生存環境。又如，水環境變化對珍稀、瀕危水聲生物的種群、數量、棲息場所、繁殖場所有致命影響。典型有長江中華鱘，長江葛洲壩、三峽等工程截流后，中華鱘洄游到其上游產卵的通道被隔斷，如今已采用人工繁殖、人工過壩等方式解決以避免中華鱘的滅絕。

（5）水質變化。水庫蓄水后，由于庫區內生物機體的分解，增加了庫水的肥力，有利于水中微生物的繁殖，對魚類生長有利。但如清庫不徹底，過多的有機質在庫底分解，吸收深層水中的氧，產生硫化氫，也可使水質變壞。此外還有水質的富營養化問題。

（6）氣象變化。水庫形成一定的水域，大的水域能改變附近地區的小氣候（多霧、降雨形態變化、氣溫變幅減小等），并使樞紐附近地區的生態平衡發生改變。

（7）誘發地震。20世紀60年代以來，世界上有不少大水庫在蓄水后發生了地震，如我國新豐江水電站在1959年10月蓄水后地震不斷發生，1963年3月19日發生地震達6.1級，最大烈度達到8度。產生誘發地震的庫區一般存在近期活動性地質構造，地應力較高，有局部應力集中。當水庫蓄水后，巖層中的孔隙水壓力增加，使原來穩定巖體中的地應力狀態發生變化，地塊活動隨之增強。

雖然水庫大壩可能產生上述諸多問題，但是建設水庫產生的豐富的水資源和可再生等優點仍是其他資源無法替代的。