河流开发与消能减灾的哲学思考

清华大学王兆印

    很高兴能到这里见到这么多媒体和专家领导。以前我认为作为科学家不应该见媒体，也许是一种错误，我们有一些观点和思想需要宣传。今天我想讲讲河流开发与消能减灾的哲学思考。河流的哲学可以定义为：关于河流自身演变及对人类干扰之响应的各种现象以抽象思维和实证科学为方法的认识论和思想体系。这里讲了实证科学，还有抽象思维，因为有些东西不好说对错，也许过几个世纪我们才能知道对错，所以我只是把我自己对河流问题的认识、对于河流的思考向大家汇报一下。

    今天谈四个问题，一个是青藏高原的抬升对河网水系的影响，其二谈谈河流地貌是弹性还是塑性的，第三个问题是消能减灾，第四讲讲大坝对生态的影响。因为时间不够第一个问题简单谈一下结论。根据河流水系网络的拓扑定律，怒江、澜沧江和金沙江的所有支流应该是一条大河总体河网的支系，如果只有自然地貌发育过程，应该是三江合流。之所以发生三江并流，实际上是因为青藏高原抬升的影响，地质过程干扰了地貌过程，把一条大河的水系网络切割成三个水系，发生三江并流奇观。

    为了节省时间，我们直接跳到第二个问题：河流地貌是弹性还是塑性。这个是通过实验来研究的。实验是在云南东川蒋家沟，一开始挖的初始河槽是直的和大弯的，实验开始以后河道就开始逐渐变弯，河槽自然弯曲，按照固有的波长来发育，最终形成具有固定波长的弯曲河流。又做了一个小弯初始河槽实验，波长小、弯道多，还是在同一个河谷泥石流沉积体上做。实验开始后小弯逐渐被冲掉，最后代之以发育比较大的河弯，还是具有同样固定波长的弯曲河流。所以，河流的弯曲特性是非常有弹性的，如果你不按照它的河弯波长治理，修建了工程也会冲掉。例如这是具有高强度约束的混凝土河岸，但是河槽依然要在里面形成弯道，它弹性非常大，很可能长期作用下混凝土河岸会被冲掉。河流有没有可塑性也是通过实验研究。实验是这样的，先是发育了一定的河道以后，把上游推移质来沙拦住，于是河流发生了下切，改变了河床纵剖面。这个图可以看出河槽下切，右上角是横断面，左下角是纵剖面。整个纵剖面明显降低。第二个实验先把推移质拦截，但是建设人工结构增阻消能，结果纵剖面明显抬升。这个研究结论是：如果河流增加推移质供应河床纵剖面会抬升，拦截推移质纵剖面会整体降低；自然发育或者人工建设河床结构导致纵剖面抬升。所以，河床纵剖面是可塑的，改变河床纵剖面不会反弹。

   大坝建设会改变河流纵剖面，会不会引起反弹。我们先看自然情况，一个是易贡堰塞坝，一个是古乡沟堰塞坝。这是2000年发生的易贡滑坡堰塞坝，堰塞坝发生的位置是在这个河谷比较细的地方，下游发育成一个高强度陡峭的消能段，上游坡降变缓，河谷变宽，发育沙洲，向辫状和分叉河型发展。古乡沟1953年发生特大泥石流，在入汇口形成了一个巨大的堰塞坝，下游逐渐发展成高强度消能段，上游演变成辫状河型和分叉河型。左边照片是高强度消能段，高强度结构造成巨大的波浪消能。右边是上游的辫状河道。再看其他河流，康定河1782年地震引发大量崩塌滑坡，完全改变了河床纵剖面，200年以后仍然是稳定的。人造大坝库区淤积，长期运用改变河流纵剖面。根据以上结论，大坝改变河流纵剖面不会受到反弹。

    第三个问题谈谈河流自然发育的结构怎样消能？为什么消能可以减少地质灾害？自然发育的最好的消能结构是阶梯-深潭系统。这是东川深沟的阶梯-深潭系统，这是四川小金川巨大的阶梯-深潭系统，流量大河床坡度陡，骨干石块有10米长。阶梯-深潭系统的消能率有多高？通过我们的测量计算，得出结论是消能率可以达到80%。雅鲁藏布大峡谷有2000多米落差，流量很大，水流的冲击能力非常强。之所以能维持非常脆弱的平衡，就是因为大峡谷发育了非常强的阶梯-深潭系统，这套消能结构并不足以维持它超稳定。水流能量还在局部造成冲刷河岸坡脚，因此实际上还是有一些滑坡崩塌的。尽管如此，有了这套消能结构，还是基本上能够保持一定的稳定程度。这是雅鲁藏布纵剖面图。我们2009-2011年三次进入大峡谷，今年进入大峡谷最陡峭的河段，有些地方是非常危险的。这个照片是我们在陡壁上行进，这是在大峡谷采样，这个照片是我们做的测量。这是大峡谷的水跃大约两米高。由于通过结构消能控制了整体下切，使大峡谷保持了相当的稳定性。如果破坏这些结构，大峡谷会失稳发生巨型崩塌滑坡。

    消能究竟怎样减灾的，我们来看两个实例。这是白沙河深溪沟，它古代发育了三个堰塞坝，发育很好的结构高效消能稳定了堰塞坝，改变了河床纵剖面，使得河床抬高了200米。深溪沟处于2008年汶川大地震的震中，因为把河床抬升了两百米，滑坡势能大大减少，所以没有发生崩塌滑坡。照片上看出公路倾斜，一边上升4米多，地壳运动非常强烈。作为对比，周围山川大量崩塌滑坡，绿色山川都变成了白的。第二个例子是九寨沟，这里有许多古代的滑坡堰塞坝，由于发育河床结构消能，稳定并保存下堰塞坝。滑坡势能大大减少，千百年来没有再发生滑坡。这是一个大滑坡，溢流槽发育结构消能，不仅使得不再发生新的崩塌滑坡，还使泥沙侵蚀大大减少，生态非常良好。

    第四个问题，谈谈大坝建设对河流生态有利还是有弊？拆坝是恢复生态的好办法吗？

    河流水生态系统可以分成三层，一是生态链底层，初级生产物，主要由水生植物组成；二是生态链中层，由无脊椎动物群组成。根据无脊椎动物的生态功能还可以把它们分为：捕集类如蜻蜓，刮食类如田螺，收集类如石蛾，滤食类如河蚬；撕碎类如沼梭；生态链上层是脊椎动物，包括鱼类、爬行类和两栖类。大坝造成了栖息地隔离，间歇发电造成人为洪峰，使得洄游鱼类不能到上游产卵而消亡。这是宝珠寺大坝，不发电的时候下游没有水流，造成鱼类搁浅。这个图显示东江生物多样性和动物密度沿程变化，多样性和密度都在枫树坝下突然降到零。在坝下采样只采到一种十足目的虾，其他动物没有了。这是因为大坝发电泄流突然产生洪峰造成的影响。大坝对生态是有冲击作用的，对许多物种造成致命的影响。

    简单说一下美国的拆坝运动。美国有7.5万座高于2米的坝，拆掉了500座低于12米的坝。拆坝原因是重新发放大坝执照时不满足生态保护和安全的评估要求，老化，维修太贵，生态修复，和大坝不安全。这是威斯康星州拆掉Appleton 坝之前和之后的情况。我和很多美国、欧洲的水利工程师和水利学者交换意见，问他们拆坝有什么好处，工程师都说没有好处。拆坝有什么坏处？很明显，拆坝之后库区沉积的泥沙释放出来，泥沙吸附的重金属等污染物骤然释放使很多物种消亡。拆坝经济损失也很大，建坝花钱，拆坝也要花不少的钱。美国人为什么要拆坝？欧洲美国工程师说主要是由于群众的呼吁，群众的呼声要求拆坝。美国的拆坝运动对于中国有一些影响。很多人认为大坝建设已经过时，大坝得不偿失。对三峡工程的批评很多，归纳起来不外乎破坏水资源平衡，造成重庆大旱，渔业损失巨大，珍惜物种消亡，下游冲刷下切，污染加剧。除了造成重庆大旱需要研究才能下结论外，其它几中影响确实存在。我们必须重新思考大坝建设的利与弊，特别是大坝对生态的影响。

    我们通过对大坝建设前后生态变化的比较可以初步得出结论，在中国西南江河上建设大坝对生态利大于弊。河流生态良好首先要求栖息地稳定和多样性，其次才是水质良好。对青藏高原周边河流，河床下切栖息地不稳定，建设梯级坝群可以稳定河床更有利于生态。一般说来，高坝大库隔离栖息地、阻碍回游鱼类的迁徙、造成上下游的剧烈演变，对生态的冲击比较大。较小的大坝构成的坝群对稳定栖息地效果好，同时对生态破坏作用小。不稳定河流上建设大坝群有利于生态的实例如黄河：黄河由于泥沙运动强烈生物多样性底，大量水库建设创造了河库联通栖息地，类似于长江的江湖联通系统。现在无脊椎动物和鱼类大增，绝大多数都在库区。尽管大坝会造成某些物种消失，但是新生的栖息地也会造成原来不能生存的物种出现。所以，大坝不是造成物种多样性降低而是物种群的调整和演替。从长期看，西南河流上建设坝群可能提高生物多样性。这个照片是四川大金川，由于河床下切两岸不断滑坡和崩塌。如果不修建坝群，两岸崩塌滑坡会继续下去，可能还要几千几万年的时间才能达到平衡。

    我们在几十条河流上采样发现，稳定的栖息地具有最高的生物多样性，高强度走沙和不断演变的河流没有水生动物。这是云南东川大白泥沟，泥沙运动强烈，虽然长年流水，但是没有动物生存。这是一个比较图，显示稳定的、下切的、淤积的、和高强度泥沙运动的河流之底栖无脊椎动物的物种数、动物个体密度的比较。稳定的河流物种数和动物密度最高，其次是下切的河流，再其次是淤积的河流，高强度走沙的河流最低。这是金沙江上正在建设的溪落渡大坝，加上向家坝、乌东德、白鹤滩构成梯级坝群。梯级坝群形成稳定栖息地，由于坝头和库尾相连，基本控制大坝下游冲刷，对生态影响很小。

    作为60寿辰的几年，我写了一本书叫《河流的哲学》，里边集中讨论了21个问题：

1、河流有哪些生命特征？河流是按物理学定律还是生物学定律对干扰做出反应？

2、何谓河流生态动力学？各种河流生态单元之间以何种规则相互关联?

3、河流水系服从什么组织规律？为什么有的河流偏离“四-二定律”?

4、河流地貌是弹性还是塑性的？人类能不能任意改变河流地貌？

5、荒山秃岭能否变得山川秀美？怎样治理才能山川秀美？

6、沙漠泥沙源于何处？ 防治沙漠化的关键是什么？

7、为什么汶川地震造成大量崩塌滑坡泥石流？地震侵蚀有何后果、如何管理？

8、堰塞湖是资源还是灾害？保存堰塞湖有多大风险、有何生态景观效果？

9、为什么河床下切引发地质灾害？怎样减少崩塌与滑坡灾害？

10、为什么会发生泥石流？为什么谷坊坝不能拦挡特大泥石流？如何用消能结构防治特大泥石流？

11、河流必须携带泥沙吗？德国人通过人工喂沙解决河床冲刷问题是不是好办法？

12、河道网络建造遵循什么法则-最小能耗还是最大能耗？

13、怎样看待河流阻力？洪水来临清障减阻能否提高河流防洪能力？

14、怎样看待黄河治理中的束水攻沙方略？

15、大坝建设对河流健康有利还是有弊？拆坝是恢复生态的好办法吗？

16、三门峡水库应否废掉? 废除三门峡水库能不能恢复富饶的八百里秦川？

17、雅鲁藏布水能开发可能会造成什么后果？

18、怎样定量评价河流水生态？破坏的河流水生态如何修复？

19、引入更多外来物种还是严格防止外来物种入侵？如何防治有害物种入侵？

20、河流治理应该朝着什么方向？以人为本还是以河为本？

21、什么是河流综合管理？怎样进行综合治理和管理？

如果大家感兴趣的话可以提问，我们可以讨论。谢谢大家。