美國退役壩拆除背景與原因剖析

胡蘇萍,徐燦燦,李 弘

(南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

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美國退役壩拆除背景與原因剖析

胡蘇萍,徐燦燦,李 弘

(南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

為全面、客觀反映美國退役壩拆除的真實(shí)情況,通過文獻(xiàn)檢索和專題調(diào)研,在綜述美國退役壩拆除背景及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了美國拆壩的主要原因,即環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)因素。案例研究表明,美國拆壩旨在消除老化壩的安全風(fēng)險(xiǎn),恢復(fù)溯河性魚類洄游以及節(jié)省無成本效益的開支。水壩退役是水壩生命周期管理中的一個(gè)重要階段,拆壩并不意味著不能建壩,目前水電仍然是美國最大的可再生能源電力來源。美國在水壩退役方面的理念和經(jīng)驗(yàn)可為我國水庫降等與報(bào)廢管理提供借鑒。關(guān)鍵詞：拆壩;退役壩;河流修復(fù);案例研究;美國

國際大壩委員會(International Commission on Large Dams, ICOLD)將大壩定義為壩高15 m以上,或低于15 m但高于5 m且?guī)烊荽笥?00萬m3的水壩[1]。大壩對人類社會和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn),在防洪、供水、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)和娛樂等方面發(fā)揮了重要作用,但也對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一些負(fù)面影響[2]。世界水壩委員會(World Commission on Dams, WCD)于2000年出版了報(bào)告《水壩與發(fā)展:決策的新框架》[3],該報(bào)告指出了建壩對環(huán)境和移民的負(fù)面影響,倡導(dǎo)建壩的所有利益相關(guān)者開展正式的多階段磋商,并尋求評估水資源和能源開發(fā)的替代方案。一些民間環(huán)保組織則利用該報(bào)告反對水壩建設(shè)。

與水壩建設(shè)相關(guān)的沖突同水壩建設(shè)一樣,都具有悠久的歷史。美國在水壩建設(shè)方面處于世界領(lǐng)先地位,同時(shí)也是世界上拆壩數(shù)量最多的國家。美國經(jīng)歷了建壩與反壩共存的歷史,但資源保護(hù)主義與自然保護(hù)主義之間的爭論并沒有影響美國建壩的歷史發(fā)展進(jìn)程。目前,美國注冊水壩總數(shù)為87 000多座,而近100多年來美國拆壩總數(shù)約為1 150座。已拆水壩壩高大多在5 m以下,且多為低水頭非水電壩、退役壩或廢棄壩,但也有幾座備受關(guān)注的水電站大壩被拆除。自20世紀(jì)80年代以來,美國拆壩數(shù)量明顯增加,但迄今為止僅有極少數(shù)壩高超過15 m的大壩被拆除。美國拆壩引起了社會輿論和科研人員的關(guān)注[4-5]。隨著人們環(huán)保和安全意識的增強(qiáng),我國水庫安全退役問題也日益受到重視[6-7]。

為全面和客觀地反映美國退役壩拆除的真實(shí)情況,在綜述退役壩拆除背景及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析美國拆壩的主要原因,并進(jìn)行典型案例研究。調(diào)研結(jié)果有助于公眾理性地認(rèn)識建壩與拆壩,并可為我國水庫降等與報(bào)廢管理提供借鑒。

1 美國退役壩拆除背景及現(xiàn)狀

1.1 美國退役壩拆除背景

美國國家水壩注冊數(shù)據(jù)庫(National Inventory of Dams, NID)2013年登記的水壩總數(shù)為87 359座[8],其中壩高60.96 m(200英尺)以上的有478座,壩高4.57 m(15英尺)以下的有18 529座。美國還有許多體積更小的水壩未登記注冊,據(jù)美國國家研究委員會(National Research Council, NRC)估計(jì),美國水壩總數(shù)約為250萬座。

在美國,水壩作為國家的基礎(chǔ)設(shè)施具有至關(guān)重要的作用,發(fā)揮了多種效益。約32%的水壩主要用于休閑娛樂,17%主要用于防洪和暴雨管理,9%用于灌溉,僅有3%用于發(fā)電。19世紀(jì)80年代初,美國開始了人類利用水力發(fā)電的歷史。20世紀(jì)50—70年代是美國建壩高峰期。20世紀(jì)80年代,美國水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日趨完善,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好的理想壩址大多開發(fā)完畢。經(jīng)過100多年的開發(fā)建設(shè),美國水電裝機(jī)容量和水電資源開發(fā)率均位于世界前列。此后美國水壩建設(shè)和水電開發(fā)步伐放緩。

自20世紀(jì)60年代起,美國頒布了一系列環(huán)保法規(guī),以保護(hù)水資源、水環(huán)境和瀕危動植物,例如1968年頒布的《自然與風(fēng)景河流法》(Wild and Scenic Rivers Act, WSRA)、1969年頒布的《國家環(huán)境政策法》(National Environmental Policy Act, NEPA)、1972年修訂的《清潔水法》(Clean Water Act, CWA)以及1973年頒布的《瀕危物種法》(Endangered Species Act, ESA)等。早期建設(shè)水壩時(shí)未考慮水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)問題,而現(xiàn)在則成為《清潔水法》中明確規(guī)定的一項(xiàng)法律條例。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng),公眾對水壩的生態(tài)影響更為關(guān)注。環(huán)保組織“美國河流”自1973年起致力于“通過有選擇地拆除那些已沒有意義的水壩來修復(fù)河流”。

美國在水壩管理和退役方面有專門的部門負(fù)責(zé),定期對水壩進(jìn)行評估和發(fā)放運(yùn)營許可證。聯(lián)邦能源管理委員會(Federal Energy Regulatory Commission, FERC)負(fù)責(zé)為大多數(shù)非聯(lián)邦政府所有的水電壩頒發(fā)許可證。許可證有效期一般為30～50 a,到期后需要重新申請。1994年FERC發(fā)布了一份退役政策聲明[9],該政策規(guī)定FERC在重新核發(fā)水壩運(yùn)營許可證過程中有權(quán)拒絕業(yè)主的換證申請,并從公共利益出發(fā)責(zé)令其拆壩。1998年11月FERC就拒絕了愛德華茲壩業(yè)主的換證申請,并責(zé)令業(yè)主拆除該壩。

1.2 美國拆壩現(xiàn)狀

水壩退役被定義為完全或部分拆除現(xiàn)有水壩及其相關(guān)設(shè)施,或者顯著改變水壩的運(yùn)營[10]。拆壩在美國并不新鮮,1912 年拆除的馬克特壩是美國最早拆除的水壩,近年來,美國拆壩數(shù)量快速增加(表1)。20世紀(jì)90年代,美國許多早期建設(shè)的水電壩進(jìn)入新一輪的許可證申請程序,而此時(shí)FERC又出臺了上述新的退役政策,在此背景下在役水壩面臨更加嚴(yán)格的安全和環(huán)保審核,促使拆壩數(shù)量增加。

表1 美國拆壩數(shù)量隨時(shí)間的變化[11]

自20世紀(jì)初開始,近100多年來美國已拆壩數(shù)量約為1 150座[12],其中約850座在近20年內(nèi)被拆除。已拆壩大多為小型壩,在水壩壽命超過其經(jīng)濟(jì)使用年限、水壩功能喪失或本身就是病險(xiǎn)壩且維修費(fèi)用高昂的條件下,拆壩被視為最經(jīng)濟(jì)的選擇。Poff等[13]對1912—2000年美國拆壩情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明美國拆壩具有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn):①自1980年起拆壩速度加快;②大多數(shù)已拆壩為壩高5 m以下的小水壩。

美國拆除的水壩大多修筑在支流或溪流上,且為年代久遠(yuǎn)、功能喪失的廢棄壩或退役壩,其中絕大部分是低水頭徑流式木籠壩或堆石壩。小壩的拆除,尤其是低水頭徑流式壩的拆除具有打通魚類洄游通道和修復(fù)河網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)等明顯的環(huán)境效益[14]。美國拆壩的里程碑事件是2001年完成拆除了威斯康星州的巴拉布河系列水壩,4座小水壩拆除后使整條河流得以修復(fù)。近些年來,有幾座齡期較長、規(guī)模較大的混凝土重力壩或拱壩被拆除,64 m高的格萊因斯卡因壩是美國迄今為止拆除的最高的大壩。

美國水電壩拆除沒有統(tǒng)一的準(zhǔn)確信息來源。2009年Oldham從官方渠道(如美國聯(lián)邦能源管理委員會和美國陸軍工程兵團(tuán))以及非官方渠道(如斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校拆壩信息資源庫、愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室和環(huán)保組織“美國河流”)搜集到20多座美國已拆和擬拆水電壩相關(guān)信息[15],包括目前已拆除的38 m高的康迪特壩、33 m高的艾爾瓦壩和64 m高的格萊因斯卡因壩,以及計(jì)劃于2020年拆除的克拉馬斯河上的4座水電壩。

根據(jù)Oldham提供的已拆水電壩數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:①多數(shù)已拆壩壩高5～18 m;②多數(shù)水電壩裝機(jī)容量較小(0.4～10 MW);③水電壩建造年代較早(拆除時(shí)平均齡期為89 a);④許多水電設(shè)施在拆除時(shí)已經(jīng)退役。所有已拆和擬拆水電壩裝機(jī)容量大約占美國水電裝機(jī)總量的0.15%[16]。

水壩退役流程與建造新壩或其他工程相似,包括審批、環(huán)境研究與評估、公眾參與、水壩退役的初步和最終設(shè)計(jì)及施工。在美國拆壩必須獲得許可證,旨在確保拆壩安全以及對河流和洪泛區(qū)的近期或長期影響最小[17]。

出于對美國數(shù)千座建于20世紀(jì)三四十年代已接近設(shè)計(jì)使用壽命的水壩的關(guān)注,1997年美國土木工程學(xué)會編制了《大壩及水電設(shè)施退役指南》[18]。美國亨氏中心(The H. John Heinz Ⅲ Center for Science, Economics and the Environment)在《退役壩拆除的科學(xué)與決策》一書中闡明了拆壩可能造成的物理影響、生態(tài)影響、經(jīng)濟(jì)影響和社會影響,提出了拆壩決策的總體框架,包括以下6個(gè)步驟:①確定目的和目標(biāo);②確定考慮的主要因素;③收集與評估資料;④作出保留或拆除的決策;⑤拆壩;⑥資料收集、評估與監(jiān)測。小壩拆除的決策過程一般為2～3 a,而大壩拆除的決策通常需要10～20 a。

因壩址所在地和監(jiān)管機(jī)構(gòu)不同,拆壩通常需要獲得3～10個(gè)許可證。拆壩前必須進(jìn)行泥沙試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測,完成水文和水力學(xué)分析,制定拆壩計(jì)劃,并采取現(xiàn)場保護(hù)措施。此外,許多拆壩項(xiàng)目還需要針對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、歷史/考古、水文地質(zhì)、河床地貌、泥沙輸移、水質(zhì)、防洪以及基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性和環(huán)境保護(hù)等問題進(jìn)行分析和研究。由于可用資金有限,拆壩后的監(jiān)測明顯存在不足。為此,聯(lián)邦政府規(guī)定,拆壩項(xiàng)目要獲得政府資助必須進(jìn)行拆壩監(jiān)測。2007年緬因?yàn)澈Ｑ蟓h(huán)境委員會與美國國家海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)修復(fù)中心編制了《拆壩監(jiān)測指南》,提出了基于8個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)的拆壩監(jiān)測框架,以促進(jìn)拆壩監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化。8 個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)包括標(biāo)樁斷面參數(shù)(數(shù)量、位置、海拔、距離)，河流縱斷面參數(shù)(高程、距離、水位)，河床泥沙粒徑分布參數(shù)(粒徑分布、密度、沉速)，拍照站點(diǎn)參數(shù)(站點(diǎn)個(gè)數(shù)、距離、拍照頻率)，水質(zhì)參數(shù)(溫度、溶解氧、電導(dǎo)率)，河岸植物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)(草本層、灌木和幼樹層的種類、數(shù)量和高度)，無脊椎動物參數(shù)(多樣性、時(shí)空分布、種群數(shù)量)；過魚評估參數(shù)(多樣性、時(shí)空分布、種群數(shù)量)等。綜合分析這8個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù),可為確定特定河流對拆壩的物理、化學(xué)和生物響應(yīng)提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。值得一提的是,大壩的拆除不可能原樣恢復(fù)建壩前的生態(tài)環(huán)境[19]。美國地質(zhì)勘探局約翰·韋斯利鮑威爾中心成立了由聯(lián)邦機(jī)構(gòu)以及生物學(xué)家、水文學(xué)家、地貌學(xué)家和工程師等20位專家組成的工作組,試圖對拆壩的生態(tài)和物理響應(yīng)研究成果進(jìn)行總結(jié),以評估拆壩這一劇烈擾動的即時(shí)和永久影響,并利用2015年建成的拆壩科學(xué)數(shù)據(jù)庫,分析生物和非生物過程控制及其相互關(guān)系。

2 美國拆壩原因分析

隨著時(shí)間的推移和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對水壩的安全和環(huán)保要求越來越高。當(dāng)水壩達(dá)到一定使用壽命后,部分水壩及水電設(shè)施的安全性及經(jīng)濟(jì)效益降低,功能逐漸退化。要滿足日益增長的安全和環(huán)保要求,維修費(fèi)用勢必顯著增加。在這種情形下,拆壩就成為處理老化壩或廢棄壩的各種安全、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等問題的一種可行的選擇。Pohl[20]對20世紀(jì)70—90年代美國拆壩的原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,自20世紀(jì)80年代起,美國拆壩數(shù)量顯著增加,在因安全原因拆壩數(shù)量穩(wěn)步增長的同時(shí),因環(huán)境原因拆壩的數(shù)量迅速增加。在20世紀(jì)70—80年代,安全是拆壩的首要原因,而進(jìn)入90年代后,環(huán)境則躍居為首要原因。目前美國拆壩的主要原因依次為環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)因素。

2.1 環(huán)境原因

水壩在給人類社會帶來巨大效益的同時(shí),也給河流帶來一些負(fù)面影響。水壩可能會改變河流的化學(xué)、物理和生物過程,阻礙魚類和野生動物的遷移,還可能改變對物種生存和水質(zhì)起至關(guān)重要作用的水溫和氧含量。洄游魚類(如鮭魚、虹鱒、美洲西鯡、鱸魚、鱘魚、大肚鯡、鯡魚和美洲鰻魚等)尤其易受損害。許多早期建造的水壩未設(shè)魚道,有些水壩雖然設(shè)有魚梯,但許多洄游魚類很難找到,或由于魚梯上水溫過高而導(dǎo)致魚類死亡。水壩是導(dǎo)致美國溯河產(chǎn)卵魚類減少或完全滅絕的主要因素,尤其是脆弱的鮭魚種群。美國《瀕危物種法》要求恢復(fù)洄游產(chǎn)卵的魚類種群,從而成為美國拆壩最直接的驅(qū)動因素之一。FERC在核發(fā)水電壩許可證時(shí),要求必須遵守《瀕危物種法》等環(huán)境法規(guī)。一些水壩許可證到期時(shí),FERC責(zé)令業(yè)主增設(shè)魚道,由于成本過高,私有水壩業(yè)主往往會考慮拆壩。減少水壩的負(fù)面影響,恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng),包括重建魚類棲息地和恢復(fù)瀕危魚類和野生動物種群,已經(jīng)成為美國拆壩的一個(gè)重要原因。

2.2 安全原因

水壩的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)壽命通常為50 a。適當(dāng)?shù)木S護(hù)和更新改造可延長水壩壽命,維護(hù)不當(dāng)則可能縮短其壽命。2013年美國陸軍工程兵團(tuán)公布的資料顯示,目前NID中登記的水壩平均運(yùn)行時(shí)間為55 a。到2020年,使用壽命超過50 a的水壩將達(dá)到85%。如果水壩結(jié)構(gòu)受損,則可能增加老化壩的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。水壩一旦失事,將給下游造成重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。按照美國1976年頒布的《水壩安全法》,必須定期對水壩進(jìn)行檢查。然而鑒于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變化,對水壩的評估往往會要求進(jìn)行大規(guī)模的升級改造。NID中有14 726座壩被確定為高風(fēng)險(xiǎn)壩(潰壩可能造成生命損失);有12 406座壩被確定為重大風(fēng)險(xiǎn)壩(可能危及人的生命并造成嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失或環(huán)境破壞)。在某些情況下,對上述風(fēng)險(xiǎn)類型的水壩,業(yè)主選擇拆壩相比投入大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行維修和加固更為簡單。消除老化壩或廢棄壩的安全隱患以及清除對公眾安全的威脅通常是決定拆壩的主要原因。

2.3 經(jīng)濟(jì)原因

經(jīng)濟(jì)效益降低是拆壩的一個(gè)重要因素。美國大多數(shù)被拆除的水壩已喪失其原先的設(shè)計(jì)功能,失去了經(jīng)濟(jì)價(jià)值,例如東部地區(qū)早先用于為磨坊引水或?yàn)樗囂峁﹦恿Φ乃畨?隨著磨坊等的拆除,水壩的功能也喪失了。另外,隨著水壩的老化,其效率降低,繼續(xù)運(yùn)行不再具有經(jīng)濟(jì)效益,例如因泥沙淤積和水庫庫容減小,水壩不再具有足夠的發(fā)電、供水和防洪效益。為滿足安全和環(huán)保要求,業(yè)主需要花費(fèi)巨資對水壩進(jìn)行升級改造或改變水壩運(yùn)行方式。在經(jīng)濟(jì)效益顯著下降的同時(shí),維護(hù)和修繕費(fèi)用卻大幅增加,業(yè)主還必須承擔(dān)潰壩的潛在經(jīng)濟(jì)責(zé)任,并繳納水壩保險(xiǎn)費(fèi),因此拆壩成為業(yè)主現(xiàn)實(shí)、合理的選擇。另一個(gè)影響拆壩的經(jīng)濟(jì)因素體現(xiàn)在水力發(fā)電與其他可再生能源在經(jīng)濟(jì)布局上的變化。美國約有3 000座水電壩[21],雖然大多數(shù)水電壩可以盈利,但與太陽能、風(fēng)能和地?zé)岬绕渌稍偕茉聪啾?少數(shù)老化的水電壩不再具有經(jīng)濟(jì)可行性。

3 典型案例

3.1 巴拉布河(Baraboo River)系列小水壩

巴拉布河是威斯康星河的支流,從源頭至其與威斯康星河匯合點(diǎn)的長度為175 km。巴拉布河干流的總落差為46 m,其中1/3的水頭差(14 m)集中在巴拉布河7 km長的急流段[22]。從19世紀(jì)早期人們就開始在巴拉布河上建壩,包括Waterworks壩、Oak Street壩、Linen Mills壩及La Valle壩等4座壩,主要用于為磨坊、木材和其他加工企業(yè)供電,水壩高度為2.7～6 m,均為低水頭徑流式水壩,發(fā)電量很小。

巴拉布河是威斯康星河魚類重要棲息地,但水壩建成后,豐富的魚種逐漸消失。與此同時(shí),建于1848年的Waterworks壩由于嚴(yán)重退化和泄洪能力不足未能通過安全檢查,其他幾座壩也存在結(jié)構(gòu)安全問題。由于水壩維修費(fèi)用高昂,人們開始考慮拆壩。1998年首先拆除了Waterworks壩,隨后在2000—2001年又先后將其余3座壩拆除,從而使巴拉布河成為當(dāng)時(shí)北美通過拆壩完全修復(fù)的較長河流。拆壩2 a后,魚類群落發(fā)生了重要變化。在Waterworks壩原先壩址處,魚種從先前11種增加到26種;水質(zhì)也有所提升。Oak Street壩和Linen Mills壩附近也觀測到類似變化。巴拉布河系列小水壩的拆除不僅消除了安全風(fēng)險(xiǎn),還恢復(fù)了鱘魚和其他魚類的棲息地,改善了水質(zhì),并增加了漂流、垂釣等娛樂休閑機(jī)會。

3.2 愛德華茲壩(Edwards Dam)

緬因州肯納貝克河上的愛德華茲壩建于1837年,壩高7.3 m,壩長約280 m,為木籠填石結(jié)構(gòu),裝機(jī)容量為3.5 MW。愛德華茲壩主要用于航運(yùn)和為鋸木廠供電。19世紀(jì)中期,駁船運(yùn)輸逐漸被鐵路運(yùn)輸取代,隨后鋸木廠也關(guān)閉,愛德華茲壩喪失了其最初的功能。1993年,愛德華茲壩30 a的運(yùn)營執(zhí)照到期,業(yè)主向FERC申請新的30 a運(yùn)營期,并申請將愛德華茲壩的裝機(jī)容量從3.5 MW提高到11 MW。按照重新核發(fā)運(yùn)營許可證的程序,必須對環(huán)境影響進(jìn)行評估。

1996年初FERC發(fā)布了環(huán)境影響報(bào)告草案,擬同意為愛德華茲壩發(fā)放許可證,但要求為7種保護(hù)魚類建造魚道。而由4個(gè)非盈利環(huán)保組織組成的肯納貝克河聯(lián)盟則提出應(yīng)將拆壩作為優(yōu)先選擇。進(jìn)一步研究表明,拆壩可確保9種洄游魚類進(jìn)入原產(chǎn)卵棲息地,而建造魚道的費(fèi)用比拆壩費(fèi)用高1.7倍以上。為此,1997年FERC發(fā)布了愛德華茲壩最終環(huán)境影響報(bào)告,并于1998年否決了業(yè)主的換證申請,責(zé)令拆壩。

運(yùn)行時(shí)間長達(dá)160多年的愛德華茲壩于1999年被拆除,拆壩總費(fèi)用約為300萬美元[23]。通過拆壩恢復(fù)了27 km長的洄游魚類產(chǎn)卵場和養(yǎng)育棲息地,恢復(fù)的激流與淺灘創(chuàng)造了多樣化的生態(tài)環(huán)境,并提供了更多娛樂休閑機(jī)會。在拆壩數(shù)月后,野生動植物和水生昆蟲數(shù)量顯著增加,沿河可見滅跡多年的鳥類,肯納貝克河中出現(xiàn)了數(shù)十種洄游魚類。愛德華茲壩是FERC違背業(yè)主意愿強(qiáng)令拆壩第一例,這表明河流的非動力價(jià)值,如環(huán)境、娛樂、魚類和野生動物多樣性等在決策過程中也同樣受到重視。

3.3 愛德華堡壩(Fort Edward Dam)

建于1898年的愛德華堡壩位于哈德遜河上,是一座用于水力發(fā)電的小型木籠壩,壩高9.45 m,壩長178.61 m,庫容約為24.06萬m3,裝機(jī)容量為2.85 MW。1969年業(yè)主尼亞加拉莫霍克電力公司對老化的愛德華堡壩進(jìn)行了工程評估,得出該壩已構(gòu)成公共安全隱患的結(jié)論。研究表明,更換設(shè)施和繼續(xù)發(fā)電已不再具有經(jīng)濟(jì)性。業(yè)主認(rèn)為退役是解決愛德華堡壩安全問題的最符合成本效益的方法,為此擬定了拆壩計(jì)劃,預(yù)計(jì)壩后泥沙量很少，泥沙和散落的材料需要在拆壩前清除。在獲得聯(lián)邦和州政府相關(guān)機(jī)構(gòu)的許可后,于1973年夏季拆除了愛德華堡壩。利用重型機(jī)械清除了填滿石頭的木籠壩、2 600 m3泥沙、發(fā)電機(jī)組和混凝土溢洪道等。拆壩費(fèi)用為46.4萬美元。

由于未能對壩后泥沙量及其成分進(jìn)行深入的分析,拆壩后不久就引發(fā)了嚴(yán)重的水質(zhì)和航運(yùn)問題。在排放至下游的泥沙中發(fā)現(xiàn)了多氯化聯(lián)(二)苯,這種化學(xué)物質(zhì)來源于愛德華堡壩上游的電氣制造廠,拆壩導(dǎo)致積聚在壩后的含有污染物的泥沙突然排放,對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了災(zāi)難性影響,致使紐約州于1976年禁止在哈德遜河捕魚;未經(jīng)處理的污水排放對公眾健康也構(gòu)成了風(fēng)險(xiǎn);排放至下游的泥沙嚴(yán)重阻塞了哈德遜河絕大部分航道、1座碼頭、幾個(gè)工業(yè)區(qū)以及其他下游區(qū)域;河槽容量和過水能力下降還增加了洪水風(fēng)險(xiǎn)。

為恢復(fù)航運(yùn)和保持航道暢通,同時(shí)減小洪水風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)行了大規(guī)模的泥沙疏浚,1974—1976年泥沙疏浚量為47萬m3,在隨后幾年中定期進(jìn)行小規(guī)模疏浚,以確保航運(yùn)正常運(yùn)行。為解決水質(zhì)問題,采取了大規(guī)模的清理和修復(fù)措施,持續(xù)對泥沙進(jìn)行取樣和監(jiān)測。1977—1978年,紐約州從河中清除了約14萬m3含污染物的泥沙。1982年環(huán)境保護(hù)署(Environmental Protection Agency, EPA)發(fā)布了最終環(huán)境影響報(bào)告,確定了進(jìn)一步的補(bǔ)救工作,并于1983年宣布通過聯(lián)邦超級基金予以支持。愛德華堡壩是美國拆壩史上值得深思的反面教材。

3.4 康迪特壩(Condit Dam)

康迪特壩位于華盛頓州懷特薩蒙河與哥倫比亞河交匯處上游約5.3 km處,建于1912—1913年,為混凝土重力壩,壩高38 m,壩長144 m,裝機(jī)容量為14.7 MW。1991年康迪特壩業(yè)主太平洋電力公司開始申請新的許可證,一些組織和團(tuán)體(包括“美國河流”)以康迪特壩切斷鮭魚和北美鱒魚遷移通道為由要求拆壩。1996年11月FERC發(fā)布了康迪特壩最終環(huán)境影響報(bào)告,要求業(yè)主設(shè)置魚梯和過魚顯示屏,并要求增加河道流量。康迪特壩初始設(shè)計(jì)中包括魚梯,但在運(yùn)行早期被洪水沖毀2次。若增加河道流量,必然會減少發(fā)電量。要獲得新的許可證,就必須建造魚梯,費(fèi)用約為1億美元。高昂的費(fèi)用使康迪特壩繼續(xù)運(yùn)行不再具有經(jīng)濟(jì)效益,1999年太平洋電力公司與有關(guān)機(jī)構(gòu)和利益團(tuán)體簽署了同意拆除康迪特壩的協(xié)議,康迪特壩退役和拆除總費(fèi)用估計(jì)為3 500萬美元。

2011年10月開始拆除有近100年歷史的康迪特壩,首先通過爆破在壩底附近炸出1個(gè)4 m寬的孔洞[24],隨后開挖了1條穿過康迪特壩的27 m長的排水隧洞,2012年8月底完成整個(gè)壩體拆除工作,為鮭魚和北美鱒魚遷移打開了53 km長的通道。

3.5 艾爾瓦壩(Elwha Dam)和格萊因斯卡因壩(Glines Canyon Dam)

艾爾瓦壩和格萊因斯卡因壩位于華盛頓州奧林匹克半島的艾爾瓦河上[25]。艾爾瓦壩建于1910—1914年間,為混凝土重力壩,壩高33 m,壩長140 m,裝機(jī)容量為14.8 MW,該壩形成了4.5 km長的艾德威爾人工湖(Lake Aldwell),原始庫容約為999.54萬m3。格萊因斯卡因壩位于艾爾瓦壩上游13 km處的奧林匹克國家公園內(nèi),建于1926—1927年間,為混凝土拱壩,壩高64 m,裝機(jī)容量為13.3 MW,該壩形成了4 km長的米爾斯湖(Lake Mills),原始庫容約為4997.70萬m3。2座水庫主要用于發(fā)電,不具有防洪和供水功能。艾爾瓦壩和格萊因斯卡因壩均未設(shè)魚梯,因此隔斷了幾種瀕危魚種在艾爾瓦河上游源頭的產(chǎn)卵場。

1992年美國國會通過了《艾爾瓦河生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)恢復(fù)法案》,要求內(nèi)政部恢復(fù)艾爾瓦河生態(tài)系統(tǒng)和當(dāng)?shù)貪O業(yè)。內(nèi)政部確定拆壩是唯一選擇,并于2000年斥資2 950萬美元購買了原為私人所有的艾爾瓦壩和格萊因斯卡因壩,2007開始申請為期10 a的拆壩許可證。審核機(jī)構(gòu)包括美國陸軍工程兵團(tuán)、美國環(huán)境保護(hù)署和華盛頓州生態(tài)署。截至2010年7月,2座水庫中的泥沙淤積量約為1 800萬m3,占原始總庫容的31%,其中1 500萬m3的泥沙淤積在米爾斯湖中。為緩解拆壩時(shí)的泥沙影響,興建了確保水質(zhì)和防洪的配套工程,包括污水處理廠、新水井、地表水取水口,并加高和新建防洪堤。

2011年9月,歷時(shí)3 a的艾爾瓦河拆壩工程正式啟動,拆壩采用分期拆除的方法。在拆壩和降低水庫水位時(shí),利用河流將水庫泥沙沖刷至下游,在河口形成棲息地,重建河口海灘,但在魚類洄游的關(guān)鍵時(shí)期則會限制水庫泥沙向下游排放。2012年3月艾爾瓦壩拆除完畢,之后又拆除了格萊因斯卡因壩,從而恢復(fù)了113 km長的鮭魚和虹鱒棲息地。艾爾瓦河拆壩工程是美國最大的拆壩項(xiàng)目。包括2座水壩拆除費(fèi)在內(nèi)的艾爾瓦河恢復(fù)項(xiàng)目總費(fèi)用高達(dá)3.25億美元。64 m高的格萊因斯卡因壩是美國乃至世界上迄今為止拆除的最高大壩。

3.6 圣克萊門特壩(San Clemente Dam)

圣克萊門特壩位于卡梅爾河(Carmel River)河口上游30 km處,建于1921年,為混凝土拱壩,壩高32 m,主要用于供水。卡梅爾河與圣克萊門特溪(San Clemente Creek)恰好在壩的上游處匯合。圣克萊門特壩建成時(shí)的庫容約為175.85萬m3,但到2008年庫容僅為8.64萬m3,水庫中的泥沙淤積量約為191萬m3[26]。圣克萊門特壩已不再具備其原先的供水功能。此外，自該壩建成之后,卡梅爾河中的虹鱒數(shù)量急劇減少,與1950年相比,虹鱒數(shù)量下降了90%。

20世紀(jì)90年代早期,加利福尼亞州水資源局針對大壩結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行的研究表明,圣克萊門特壩在最大可信地震或最大洪水條件下,可能遭受嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞,導(dǎo)致水庫潛在損失,威脅下游生命和財(cái)產(chǎn)安全。為此加州大壩安全部要求采取措施確保圣克萊門特壩符合現(xiàn)行的抗震和防洪安全標(biāo)準(zhǔn)。2006年加利福尼亞州水資源局發(fā)布了圣克萊門特壩地震安全項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告草案,該報(bào)告對解決安全問題的各種方案進(jìn)行了評估,其中包括大壩加固方案以及卡梅爾河改道拆壩方案。加固水壩可以解決公共安全的問題,但無法解決相關(guān)的環(huán)境問題。為此美國加利福尼亞州海岸保護(hù)部、美國國家海洋和大氣管理局等機(jī)構(gòu)與大壩業(yè)主(美國加利福尼亞州水務(wù)局)就合作實(shí)施卡梅爾河改道拆壩方案進(jìn)行了可行性研究。2007年加利福尼亞州水資源局發(fā)布了圣克萊門特壩地震安全項(xiàng)目環(huán)境影響最終報(bào)告,確認(rèn)卡梅爾河改道拆壩方案可以解決大壩安全問題。

如何處理在過去90多年中淤積在水庫中的大量泥沙是拆壩面臨的巨大挑戰(zhàn)。最終利用現(xiàn)場獨(dú)特的地形,讓卡梅爾河改道0.8 km,流入圣克萊門特溪,將原先的河段作為永久泥沙存儲區(qū),從而最大程度減少泥沙開挖和運(yùn)移工程量,并相應(yīng)減少工程費(fèi)用和環(huán)境影響?？窢柡痈牡兰笆タ巳R門特壩拆壩項(xiàng)目于2013年開工,2014年6月開始挖掘新的河道,計(jì)劃于2016年底完成拆壩和棲息地修復(fù)。該項(xiàng)目旨在消除老化壩的公共安全風(fēng)險(xiǎn);為瀕危虹鱒提供40 km長的重要產(chǎn)卵場和棲息地;恢復(fù)河流泥沙自然輸移,以補(bǔ)充卡梅爾海灘的泥沙;減少海灘侵蝕,確保房屋、公路和基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性;重建卡梅爾河下游與壩上游地區(qū)的連通性;以及改善加利福尼亞州紅腿蛙的棲息地。該項(xiàng)目是加利福尼亞州最大的拆壩項(xiàng)目。

4 思考及啟迪

美國是世界上拆壩數(shù)量最多的國家,近100年來拆壩總數(shù)約為1 150座,已拆壩大多數(shù)為小型壩,迄今為止僅有很少的高壩被拆除[27]。拆壩并不意味著不能建壩,拆壩只是水壩生命周期管理中的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)美國陸軍工程兵團(tuán)公布的資料,2009—2012年間美國建壩數(shù)量約為350座。2015年4月美國能源部發(fā)布了《2014年水電市場報(bào)告》,首次對美國水電分布、產(chǎn)能與發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行定量評估[28]。截至2013年12月美國水電裝機(jī)容量為79.64 GW,約占美國總裝機(jī)量的7%(不包括抽水蓄能電站21.6 GW),水電仍然是美國最大的可再生能源電力來源。

美國退役壩拆除的目標(biāo)是多方面的,包括恢復(fù)溯河性魚類洄游，減少生境碎化和改善縱向連通性,消除老化壩的安全風(fēng)險(xiǎn),以及節(jié)省無成本效益的開支等。目前美國拆壩的主要原因依次為環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)因素。20世紀(jì)90年代以后,環(huán)境成為美國拆壩的首要原因。

泥沙管理是拆壩時(shí)需要解決的一個(gè)重要問題,特別是在泥沙含有污染物的情況下,該問題尤為重要,愛德華堡壩拆除案例就是典型的反面教材。另外拆壩導(dǎo)致水庫附近地下水位下降以及溶解氣體過飽和的問題也應(yīng)予以足夠重視。拆壩后河流水文和泥沙運(yùn)動方式發(fā)生變化,改變了原有水生環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng),有些變化對于修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)具有積極作用,但也可能因考慮不周或處理不當(dāng)造成一些負(fù)面影響。拆壩對水生生態(tài)系統(tǒng)影響的預(yù)測還存在一定的不確定性,需要加強(qiáng)拆壩前和拆壩后的監(jiān)測工作以及相關(guān)的科學(xué)研究。

據(jù)第一次全國水利普查結(jié)果,我國現(xiàn)有總庫容10萬m3及以上的水庫98 002座[29]。目前我國水壩安全管理模式正由傳統(tǒng)的工程安全管理向風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變,以前我國主要采用工程措施處理風(fēng)險(xiǎn),但如今已認(rèn)識到非工程措施在風(fēng)險(xiǎn)處理中的重要作用,如水庫降等與退役[30]。從我國國情出發(fā),借鑒美國在水壩退役方面的理念和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),水利部于2013年10月發(fā)布了SL 605—2013《水庫降等與報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》,以指導(dǎo)和規(guī)范已建水庫的管理。我國大多數(shù)已建壩通過適當(dāng)維護(hù)、除險(xiǎn)加固或更新改造,可以持續(xù)為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展發(fā)揮重要作用;但對病險(xiǎn)嚴(yán)重、除險(xiǎn)加固技術(shù)不可行或經(jīng)濟(jì)不合理、功能喪失的小型壩或老化壩,可以通過科學(xué)評估有計(jì)劃地降等、退役和拆除。新建壩則應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃,重視保護(hù)自然和生態(tài)環(huán)境,探索出一條適合我國國情的水利可持續(xù)發(fā)展之路。

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Anatomy of dam removal in the United States of America//

HU Suping, XU Cancan, LI Hong

(NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

In order to present the actual situation of dam removal in the United States of America(USA) comprehensively and objectively, a reference search and a special survey were carried out. Based on a review of the background and status of dam removal activities, the causes for dam removal in the United States were analyzed, namely environmental, safety, and economic factors. The cases study shows that dam removal in the USA aims to eliminate the safety risk of aging dams, restore anadromous fish migration, and save non-cost-effective expenditure. Dam decommissioning is an important stage in dam lifecycle management. Dam removal in the USA does not operate with the belief that dam construction is unnecessary. Currently, hydropower remains the largest renewable energy source in the USA. The concepts and experience of dam decommissioning in the USA can provide references for reservoir demotion and retirement management in China.

dam removal; decommissioning dams; river restoration; case study; USA

國家自然科學(xué)基金(51679151)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(Y915005)

胡蘇萍(1962—),女,教授級高級工程師,主要從事水利科技信息研究。E-mail: sphu@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.008

TV698.2

A

1006-7647(2017)01-0043-07

2016-04-03 編輯：駱 超)