國內(nèi)外典型引調(diào)水工程生態(tài)環(huán)境影響分析及啟示

陸海明，鄒 鷹，豐華麗

(南京水利科學研究院，水文水資源與水利科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

人多水少、水資源時空分布不均、水供求矛盾突出是我國的基本國情和水情，興建必要的跨流域、跨區(qū)域引調(diào)水工程，是優(yōu)化水資源配置戰(zhàn)略格局、實現(xiàn)江河湖庫水系連通、緩解資源性缺水問題、提高水安全保障能力的重要舉措[1- 2]。

引調(diào)水工程一般由取水樞紐、輸水建筑物、控制建筑物、交叉建筑物、調(diào)蓄水庫以及末端配套工程等組成。空間上一般分為調(diào)出區(qū)、輸水線路區(qū)和受水區(qū)。

引調(diào)水工程因人為改變了水資源的時空分配特征，對工程的調(diào)出區(qū)、輸水線路區(qū)和受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生復雜而深遠的影響[3- 6]。本文以7項國內(nèi)外著名引調(diào)水工程作為典型案例，分析了引調(diào)水工程對于調(diào)出區(qū)、輸水線路和受水區(qū)的生態(tài)環(huán)境有利和潛在不利影響，提出引調(diào)水工程生態(tài)環(huán)境建設的經(jīng)驗和啟示。

1 我國引調(diào)水工程基本情況

我國是世界上最早開展引調(diào)水工程建設的國家之一，公元前486年修建的引長江水入淮河的邗溝運河是有史料記載的我國最早引調(diào)水工程，之后又相繼修建了都江堰、靈渠、涇惠渠、大運河等引調(diào)水工程。新中國成立以來建設了一批跨流域調(diào)水工程，供水用途包括工業(yè)用水、城鄉(xiāng)生活用水和改善生態(tài)用水。據(jù)不完全統(tǒng)計，建國以來我國已建或在建的引調(diào)水工程137項，已建成引調(diào)水工程110項，在建引調(diào)水工程27項，大部分工程都是2000年以后開工建設的工程。已建成引調(diào)水工程設計引水流量總計約5900m3/s，設計年引水量總計約660億m3。調(diào)水工程數(shù)量總體呈現(xiàn)逐步遞增趨勢。比較重要的引調(diào)水工程包括：南水北調(diào)東線、南水北調(diào)中線、引灤入津、遼寧東水西調(diào)、東深供水工程、引黃濟冀、引江濟太、黔中水利樞紐、引大入秦、引大濟湟等。

工程規(guī)模上，單個調(diào)水工程調(diào)水規(guī)模由20世紀50年代約20億m3，增加到80年代的30億m3及90年代的40億m3左右，2000年后南水北調(diào)東中線一期工程設計年引水量分別達到了88億m3和95億m3。

2 引調(diào)水工程生態(tài)效應

引調(diào)水工程在一定程度上解決了缺水地區(qū)的水資源供需矛盾，但由于引調(diào)水工程改變了調(diào)出區(qū)、受水區(qū)以及輸水線路區(qū)的水資源時空分配特征，對這些區(qū)域的生態(tài)環(huán)境會造成正反兩方面影響[4，7- 10]，見表1。

2.1 正面效益

引調(diào)水工程的生態(tài)環(huán)境正面效益主要為輸水線路和受水區(qū)。

對輸水線路的正面效益主要包括改善氣候環(huán)境、增補地下水和改善沿線水環(huán)境質(zhì)量等。引調(diào)水

表1 引調(diào)水工程不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境有利和潛在不利影響

工程輸水時，通過對輸水線路區(qū)沿岸的適當水資源補給，可增加土壤濕度，形成有益于植物生長的良好生境，降低地表溫度，增加陸面蒸發(fā)，在一定程度上改善局部氣候[7，11]。通過沿途的滲漏補給或是人工補給，可適當增補沿線的地下水，抬升沿線地下水位。輸水過程中沿線水庫的蓄泄，增加河網(wǎng)水系的連通性和流動性，提高水體的自凈能力[4]。

受水區(qū)的正面效益主要有緩解生態(tài)缺水狀況和改善水質(zhì)狀況等。調(diào)水可以增加受水區(qū)水資源供給，恢復調(diào)水前被生活、生產(chǎn)擠占掉的生態(tài)用水，減少地下水資源的開采利用；有助于擴大受水區(qū)的水域面積，增加受水區(qū)地表水補給和增大土壤含水率，形成局部濕地，改善受水區(qū)水文氣象條件，緩解受水區(qū)生態(tài)缺水問題，保護生物多樣性[12]。在極端干旱情況下，可以承擔應急生態(tài)補水保障任務。調(diào)出區(qū)水體水質(zhì)要優(yōu)于受水區(qū)水體水質(zhì)，通過調(diào)出區(qū)優(yōu)質(zhì)水源的輸入，減輕水體污染物濃度，改善受水區(qū)水體的水質(zhì)，增大受水區(qū)水體的水環(huán)境容量[13]。

2.2 潛在不利影響

2.2.1 調(diào)出區(qū)

主要影響為改變水文情勢從而影響河流和湖庫下游生態(tài)系統(tǒng)。從河流取水改變了河流徑流過程的年內(nèi)分配特征，可能導致取水口上游和下游河道的水流條件改變，影響河流生態(tài)系統(tǒng)；取水口下游河流徑流量減少，影響下游河流的水環(huán)境質(zhì)量和河流生態(tài)系統(tǒng)；對入海河流河口可能會形成咸水倒灌，影響河口水環(huán)境質(zhì)量和河口生態(tài)系統(tǒng)。從湖庫取水時湖庫蓄水的部分水量被調(diào)出，減少湖庫下泄水量，影響水庫下游河流生態(tài)系統(tǒng)，增加水庫下游河流水質(zhì)變差的風險。

2.2.2 輸水線路

潛在不利影響主要表現(xiàn)為可能引發(fā)土壤次生鹽漬化、破壞景觀連通性和改變沿線湖庫水文特征。

輸水渠道兩側部分地段的地面高程可能低于輸水水位，輸水過程中渠道滲漏，可能引起局部周邊土壤的次生鹽堿化、沼澤化。輸水渠道會中斷輸水渠道沿線兩岸的陸域生境通道，改變輸水沿線的局部地貌特征，動植物生長環(huán)境受到影響。對于利用現(xiàn)有天然河道和湖泊、水庫輸水和調(diào)蓄的引調(diào)水工程，外來水源的調(diào)入將會改變這些作為輸水線路的河道和調(diào)蓄場所的湖泊、水庫的水文特征。

2.2.3 受水區(qū)

潛在影響包括改變受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)組成與結構、造成生物入侵，增加水污染風險，增加藻類爆發(fā)的風險等。

跨區(qū)域調(diào)水意味著伴隨水的物理、化學和生物性質(zhì)也會隨之轉移，對受水區(qū)水體的水質(zhì)指標產(chǎn)生影響，物理、化學和生物性質(zhì)的改變可能會破壞受水區(qū)原有的生境狀態(tài)，影響到受水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，導致外來水生動植物入侵。輸水渠道若為明渠或現(xiàn)有的河道，由于明渠很難控制沿線周邊的污染源匯入，現(xiàn)有河道可能存在匯入支流，因此存在引調(diào)水被污染的風險。當從河流引調(diào)水到受水區(qū)為湖泊、水庫等靜水水體時，水動力條件改變增加受水湖泊和水庫藻類爆發(fā)風險。

3 典型案例分析

我國古代建設的調(diào)水工程在當時發(fā)揮了重要的作用，有些現(xiàn)在仍繼續(xù)發(fā)揮效益，且對生態(tài)環(huán)境基本沒有不利影響。然而，部分調(diào)水工程在實現(xiàn)興利目標的同時，對生態(tài)環(huán)境造成了不利影響。

本文綜合考慮調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境正反兩方面影響，選取了古今中外、生態(tài)修復效益明顯、工程影響大的7項引調(diào)水工程作為典型案例，借鑒引調(diào)水工程在開發(fā)規(guī)模和工程布局方面兼顧生態(tài)環(huán)境保護經(jīng)驗和教訓。典型案例的基本情況見表2。

3.1 靈渠[14]

靈渠位于廣西興安縣境內(nèi)，是我國古老的跨流域調(diào)水工程，于公元前219—214年開鑿建成。靈渠流向由東向西，將由南向北的湘江源頭海陽河與由北向南的漓江源頭大溶江相連。靈渠分三個河段，第一段自渠首至始安水匯合處，為人工河道；第二段自始安水匯入口以下至清水河匯合處，為半人工河道；第三段自清水河匯入口至匯入漓江處，基本為天然河道。靈渠最初功能是運送軍糧的通航，兼顧兩岸農(nóng)田灌溉。后來又相繼增加了供水和旅游功能。靈渠鞏固了國家的統(tǒng)一，加強了南北政治、經(jīng)濟、文化的交流。

表2 國內(nèi)外典型引調(diào)水工程基本情況

3.2 南水北調(diào)東線工程[2，11，15]

該工程利用江蘇省江水北調(diào)工程從長江干流引水，然后利用京杭大運河以及與其平行的一些河道逐級提水北送至東平湖，再經(jīng)由東平湖向華北地區(qū)和膠東地區(qū)供水。目前一期工程已建成投入運行，一期工程多年平均引江水量約為87.7億m3。工程的供水功能包括城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、應急生態(tài)補水、航運等。據(jù)統(tǒng)計，江水北調(diào)工程中的江都泵站累計投入抗旱、灌溉等抽引江水約1360億m3；沿線各級泵站排澇水量約400億m3。2013年11月東線一期工程投入運行以來，累計調(diào)入山東省境內(nèi)的水量達到30億m3，有效緩解了山東部分地區(qū)缺水狀況。為保障輸水水質(zhì)安全，在東線一期工程建設的同時，輸水線路沿線地區(qū)開展了包括城市污水處理及再生利用設施、工業(yè)綜合治理、截污導流、流域綜合治理等配套治污工程建設。

3.3 引灤入津調(diào)水工程[16- 17]

引灤入津調(diào)水工程由潘家口、大黑汀兩座水庫、分水樞紐和引灤入津輸水線工程組成，是我國20世紀80年代建成的大型跨流域調(diào)水工程，線路全長234km，供水能力為50m3/s，是集工業(yè)和城市供水、防洪、生態(tài)與環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電等功能于一體的綜合性水利工程。1983—2009年的20多年間，工程累計向天津供水192.2億m3，結束了天津市中心城區(qū)和部分城鎮(zhèn)居民喝苦咸水、高氟水的歷史，緩解了城鄉(xiāng)生活用水困境，提高了人民群眾生活質(zhì)量，扭轉了工業(yè)生產(chǎn)缺水的被動局面，改善了投資環(huán)境，提高了天津的城市地位。

引灤工程之后的幾年內(nèi)，灤河入海水量大幅度減少，灤河尾閭幾乎呈現(xiàn)出干涸的狀態(tài)。灤河水文情況變化引發(fā)灤河三角洲地區(qū)地下水位的改變，鹽水入侵土地鹽堿化以及三角洲海岸侵蝕岸線后退等系列生態(tài)環(huán)境問題。

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，引灤水源地及沿線水源保護的問題日益突出，潘家口水庫、大黑汀水庫同時呈現(xiàn)出水質(zhì)惡化的趨勢，直接威脅到引灤供水安全。2017年6月，河北省與天津市正式簽署《關于引灤入津上下游橫向生態(tài)補償?shù)膮f(xié)議》，確定了《引灤入津上下游橫向生態(tài)補償實施方案》，試點期為2016—2018年。按照《引灤入津上下游橫向生態(tài)補償實施方案》，以天津和河北兩地跨界的黎河橋、沙河馬各莊大橋以及黎河、沙河交匯口下游500米三個斷面，作為考核監(jiān)測斷面監(jiān)測引灤入津水質(zhì)。

3.4 引江濟太調(diào)水工程[18- 19]

該工程是利用望虞河引調(diào)水質(zhì)相對優(yōu)良的長江水源進入太湖，改善太湖水環(huán)境，減輕太湖水體富營養(yǎng)化，并通過太浦河工程由太湖向上海、浙江等下游地區(qū)供水，促進太湖與河網(wǎng)水體流動，增強水體的自凈能力和水環(huán)境容量，改善流域河網(wǎng)的水環(huán)境。2003—2014年期間，年均入湖水量約為9.30億m3，太湖水體的換水周期從原來的300d縮短到了250d左右，望虞河沿河兩側河網(wǎng)區(qū)因長江水源的調(diào)入得到明顯改善。工程在2007年太湖藍藻爆發(fā)事件的應急處置中發(fā)揮了重要作用，基本實現(xiàn)了“以動治靜，以清釋污，以豐補枯，改善水質(zhì)”的目標。

由于調(diào)水抬高了望虞河的水位，錫澄地區(qū)河網(wǎng)原由望虞河排泄到長江的污水出路受阻，污水在部分河網(wǎng)滯留時間延長，部分水域水質(zhì)有惡化趨勢。在調(diào)水過程中多次發(fā)生望虞河西岸支流污水進入望虞河、影響調(diào)水順利進行的情況，在完善工程調(diào)控措施的同時，仍需要大力加強污染源治理，確保望虞河清水入湖水質(zhì)，實現(xiàn)引江濟太調(diào)水工程效益最大化。

3.5 美國中央河谷工程[20]

該工程為解決加州中央河谷地區(qū)水資源時空分布不均，與農(nóng)業(yè)需水時機不匹配的問題而興建的。始建于1937年，運行管理由美國墾務局負責。工程利用水庫調(diào)水，然后再通過渠道、泵站等輸水設施向加州南部供水，年供水能力約86億m3。工程最初功能是防洪、灌溉和供水，兼顧發(fā)電和改善航運條件。隨后，因工程調(diào)度運行對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響逐漸顯露，又通過立法增加了工程的生態(tài)補水功能。

3.6 澳大利亞雪山調(diào)水工程[21]

工程位于澳大利亞東南部的新南威爾士州與維多利亞州之間的雪山山區(qū)，在山脈東坡的雪河及其支流上建庫蓄水，將東坡斯諾伊河的一部分多余水量，通過自流和抽水，經(jīng)隧洞和明渠，使南流入海的雪河水西調(diào)墨累河，北調(diào)馬蘭比吉河支流圖穆特河，發(fā)展下游的灌溉及城市供水，并利用兩河在雪山地區(qū)不足100km范圍內(nèi)的800m落差，建梯級電站，實現(xiàn)調(diào)水與開發(fā)水電相結合的目的。雪山調(diào)水工程明顯減少匯入斯諾伊河的徑流，引發(fā)下游河流生物學特性和淤積河床改變，動植物棲息地減少，河口地區(qū)咸水入侵等生態(tài)環(huán)境問題。

3.7 德國多瑙河-美因河調(diào)水工程[22- 23]

該工程是將水量充沛，洪澇災害頻繁的多瑙河及其支流阿爾特米爾河的水資源調(diào)往水資源供需矛盾突出的美因河。工程包括兩個部分，一是多瑙河-美因河運河，水源來自多瑙河；二是布羅姆巴赫湖引水工程，水源來自布羅姆巴赫湖調(diào)蓄的洪水資源。運河年調(diào)水量約1.25億m3，引水工程年調(diào)水量約0.25億m3。工程主要功能是供水、改善水質(zhì)、防洪、航運等。工程效益主要包括改善了美因河流域缺水局面，提高了阿爾特米爾河流域防洪能力；拓展了德國和歐洲的水運網(wǎng)絡。針對調(diào)水工程建設占用了部分濕地的問題，該工程配套補償設置了庫區(qū)淺水區(qū)并配套修建島嶼和沙壩以及沿庫區(qū)岸帶劃定鳥類棲息地和候鳥遷徙中轉場所，因生態(tài)場所風景秀麗、環(huán)境優(yōu)美，有力促進了旅游業(yè)發(fā)展。

外來物種入侵是多瑙河-美因河調(diào)水工程帶來的生態(tài)威脅之一。目前大約有20種無脊椎動物和多種魚類從多瑙河擴散到了美因河，然后再通過美因河進入了萊茵河和康斯坦茨湖。也有水生動物如亞洲蛤(河蜆)和淡水蝦等從萊茵河進入到了多瑙河。

4 經(jīng)驗和啟示

引調(diào)水工程在優(yōu)化水資源配置格局，解決缺水城市和地區(qū)的水資源緊張狀況，改善了受水區(qū)居民生活用水質(zhì)量，提高水安全保障能力，連通江河湖泊水系，改善生態(tài)環(huán)境，促進了受水區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)揮了非常重要且無法替代的作用，具有重大的政治、社會和經(jīng)濟意義。但是部分調(diào)水工程在建設和運行過程中，對生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞。隨著我國生態(tài)文明建設的深入，如何通過對完善運行管理方式和對已建工程適度生態(tài)化改造避免或減少破壞生態(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為當前引調(diào)水工程建設和運行管理的重要時代命題。

本文通過對古今中外7個典型引調(diào)水工程案例解剖分析，就國內(nèi)外引調(diào)水工程的生態(tài)環(huán)境影響及其減緩措施等方面，提出了引調(diào)水工程建設和運行管理的經(jīng)驗和啟示。

(1)適度規(guī)模的引調(diào)水工程是解決水資源時空分布不均，水土資源空間分布不相適應的無可替代的工程措施。如南水北調(diào)東線工程、引灤入津調(diào)水工程、美國中央河谷工程、德國多瑙河-美因河調(diào)水工程等，都極大地促進了經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展。

(2)引調(diào)水工程作為一項系統(tǒng)工程，在規(guī)劃布局上遵循因地制宜原則，工程選址綜合考慮水資源條件、地貌特征、地形高程等因素；建設規(guī)模充分考慮水源調(diào)出區(qū)的水資源承載能力，避免因調(diào)水規(guī)模超過水源調(diào)出區(qū)水資源承載能力而影響調(diào)出區(qū)水資源供需平衡和不利的生態(tài)問題。我國2000多年前建設的靈渠就充分體現(xiàn)了因地制宜的原則，在渠首位置的選擇方面充分考慮了順勢而為，大大減少了工程量和對環(huán)境的影響。靈渠、南水北調(diào)東線工程的引水規(guī)模與水源調(diào)出區(qū)的水資源量相比，占比很小；德國多瑙河-美因河調(diào)水工程考慮了調(diào)水不能影響多瑙河的基本生態(tài)需水流量。

(3)引調(diào)水工程的建設采取必要的工程措施來調(diào)控水源調(diào)出區(qū)的洪水資源，既可以減輕水源調(diào)出區(qū)的洪澇災害，又可以實現(xiàn)洪水資源的充分利用；在引調(diào)水工程建設過程中，注重占用野生動物棲息地、濕地等重要生態(tài)場所的補償問題，在引調(diào)水工程布局方面考慮配套建設補償生態(tài)場所，以替代被占用生態(tài)場所的生態(tài)功能。美國中央河谷工程通過水庫調(diào)蓄冬春季節(jié)的洪水資源，一方面減輕洪水造成的危害，另一方面又通過水庫調(diào)蓄保障夏秋季節(jié)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。德國多瑙河-美因河調(diào)水工程充分考慮了多瑙河流域洪水資源的合理利用；因阿爾特米爾水庫建設占用了4.5km2的濕地，作為補償置換，水庫庫區(qū)劃出了25%的蓄水面積為淺水區(qū)，并配套修建了許多島嶼和沙壩，同時還在庫區(qū)岸帶劃定了2.0km2的生態(tài)保護區(qū)，補償置換的生態(tài)場所已逐步變?yōu)轼B類的棲息地和候鳥遷徙的中轉場所。

(4)實施跨流域引調(diào)水工程特別關注外來物種入侵問題，避免因引調(diào)水工程的運行使受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的本地物種和生物多樣性受到影響。對引調(diào)水工程在運行過程中引發(fā)的不利生態(tài)問題，可通過法律和制度層面的手段加以解決。美國的中央河谷工程、德國的多瑙河-美因河調(diào)水工程等都出現(xiàn)了外來物種入侵受水區(qū)的問題。美國中央河谷工程因引調(diào)水引發(fā)了一些負面生態(tài)問題，在1992年通過《中央河谷工程改善法案》對工程原設計功能進行了適當調(diào)整和補充，將生態(tài)保護與修復目標列為了重要功能之一，為保障河道、濕地、野生動物棲息地等的生態(tài)用水提供了法律依據(jù)。

(5)引調(diào)水工程是將優(yōu)質(zhì)水源調(diào)入受水區(qū)的過程中，應嚴格控制輸水線路的污染源，避免增加受水區(qū)水體污染負荷，防止利用引調(diào)水過程轉移污染物。引江濟太調(diào)水工程的輸水線路望虞河西岸支流水污染嚴重，在調(diào)水過程中多次發(fā)生污水進入望虞河。澳大利亞雪山調(diào)水工程運行后，陸續(xù)投入大量資金購買水庫周圍土地，將其辟為國家公園，嚴禁坡地耕種，僅允許低密度放牧，盡可能控制污染物進入水源區(qū)水體。

(6)引調(diào)水工程是應對輸水線路區(qū)和受水區(qū)生態(tài)缺水危機的重要應急措施之一。以南水北調(diào)東線工程輸水線路區(qū)上的南四湖為例，由于南四湖周邊地區(qū)大規(guī)模水資源開發(fā)利用，目前入湖水量減少趨勢明顯，在遭遇干旱年景時，湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)將面臨嚴重的缺水危機，南水北調(diào)東線工程的投入運行，可以為南四湖在遭遇嚴重缺水危機時，及時提供應急生態(tài)補水水量。引江濟太調(diào)水工程在2007年太湖藍藻爆發(fā)事件的應急處置中發(fā)揮了非常重要作用，通過調(diào)水使貢湖水廠水源地溶解氧和氨氮等水質(zhì)指標從劣Ⅴ類改善至Ⅲ類，其它水廠水源地水質(zhì)也有明顯好轉。