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大型水利工程阴影下的地质隐患和生物灭绝

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2015-04-16 06:55:48 来源:中国周刊 

  

中国周刊2015年4月刊
中国周刊2015年4月刊

    长江是我国最大的水能资源,其水量和水能资源占世界第三位。几十年来,除长江干流上已耸立起的葛洲坝(600068,股吧)(600068,股吧)水利枢纽工程和三峡工程外,其支流上还有近百座大中型水坝。一座座气吞山河的大坝,一览高峡平湖、湖光山色的壮观,在源源不断提供绿色能源、防洪抗旱造福人类的同时,也在悄然改变着自然环境,有着大地难以承载的忧患,长江面临着严重的生态危机……

  2012年6月27日,这一天对位于四川省凉山州宁南县的白鹤滩水电站而言,是一个黑色的日子。27日20时至28日6时许,当地局部强降雨,引发特大山洪导致泥石流,泥石流冲毁了施工区营地,灾难中有40名施工区人员失踪或死亡。

  抛开人为因素不说,6·27宁南县泥石流何尝不是大自然的警示呢?同样,关于紫坪铺水库引发汶川地震的争议虽暂无确切定论,但也向人类发出警示。它们以一种惨烈的方式,告诉人们地质环境的脆弱,告诉我们承载大坝的条件,远不如大坝看起来那么巍然坚固,也令我们不得不思考大坝与地质地貌、与地质灾害的关系。

  早在52年前,意大利瓦依昂水库就曾发生过震惊全球的地质灾害。瓦依昂坝位于威尼斯以北100公里处,于1959年竣工,是当时世界上最高(267米)的双曲薄拱坝。1960年开始蓄水,随蓄水增加,激发的地震也在增加,1963年9月上旬就记录地震60次。1963年10月9日2 时38 分(格林威治时间) 大坝上游峡谷区左岸山体发生滑坡,超过2.7亿立方米的土石以100公里的时速呼啸着涌入水库,溢出了五千万立方米的水流,溢出大坝的水潮高达250多米,整个时间不超过45秒,下面的人们没有一丝逃脱的机会。滑坡时发出的巨大轰鸣声几十公里以外都能听见。兰加隆镇和附近5个村庄大部分被冲毁,共计死亡1925人。这起重大事件促进了岩石力学和工程地质学进入一个具有划时代意义的崭新的发展阶段,具有强烈的警示性。瓦依昂水库滑坡是水文地质、工程地质、水利水电等专业的学生在教科书中都要读到的典型地质灾害案例。

  水利工程耸立着人类期望海晏河清并付之于奋斗的梦想,在化解人与水之间的矛盾,除害兴利等方面意义重大,它帮助人类实现对自然界地表水和地下水的控制和调配,发挥了显著的防洪、供水、灌溉、发电、航运等综合经济效益和社会效益。但是,水利工程不同与其他建设工程的是,它更是一项系统工程,涉及面广,对环境的影响很大,对江河、湖泊以及附近地区的自然面貌、生态环境、自然景观,甚至对区域气候,都将产生利弊不等的影响。同样,这也加快了生物多样性丧失的速度。这犹如一把改造自然的双刃剑,水利工程,尤其是大坝,一旦耸立起来就成为自然的一部分,与自然既相互依存,相互作用,又相互影响。

  大坝在消除水害、服务和造福人类的同时,其往往也会带来更多更复杂的问题和难以估量的负面效应,与之俱来的污染问题、泥沙问题、生态环境影响、地质灾害问题等,成为一座座大坝必须解决好的问题。这些问题所能带来的影响,从大坝规划设计、施工建设和安全管理等方面,都要考虑、应对充分,要不然,兴建大坝的诸多“后遗症”,终将成为悬在人类头上的利剑。

  金沙江地质条件的难以承受之重

  统率众川的长江是世界上拥有拟建或在建水坝最多的河流,上游金沙江更是为各路水电开发资金所青睐。金沙江发源于青海省玉树县巴塘河口,是西藏和四川的界河,约占长江流域面积的26%,起止点之间的垂直落差达3300米,其水能资源蕴藏量达1.124亿千瓦,约占全国的16.7%,是中国乃至世界上著名的水能资源极为富集的河流。

  因此,尽管金沙江的地质条件恶劣,生态环境脆弱,依然是水电开发者眼中的“香饽饽”,“跑马圈水”不亦乐乎。目前,金沙江全流域共计划开发27级电站,总装机规模相当于4座三峡。

  可以预见的将来是,蜿蜒在青藏高原东部纵裂山峡和云贵高原北部祟山峻岭中的金沙江,将成为平均不到100公里就有一座梯级水库的世界超大水库群,其奔腾不羁的雄姿将成为回忆。在长江水利委员会长江水资源保护局前局长翁立达看来,当规划的高库大坝全部建成,金沙江将变成一个水库连接一个水库的平湖,将失去河流的自然属性。

  笼罩在6·27宁南县泥石流阴影下的白鹤滩水电站,作为中国第三大水电站、世界第四大水电站,只是金沙江的众多拦水建坝项目中的一个。2012年6月14日、22日和27日,金沙江中游阿海水电站和下游乌东德、白鹤滩水电站施工区就曾连续发生三起泥石流地质灾害。白鹤滩水电站的悲剧,偶然性中隐含着科学规律的必然。

  除了丰富的水资源,金沙江还以复杂的地理环境闻名于世。金沙江地处青藏高原过渡地带,地质条件恶劣,生态环境脆弱,流域内新构造活动强烈,岩体破碎。滑坡、崩塌、泥石流等灾害频繁发生,危害巨大。尤其是金沙江下游地区的地质灾害隐患比较多。山高谷深对修建大坝固然有利,却也留下巨大的地质灾害的阴影,对事故与风险的防范实属重中之重。

  杨勇是横断山研究会首席科学家、中国治理荒漠化基金会专家委员会副主任,他曾于1988年历时5个月徒步考察金沙江,以后又长年坚持对该区域进行地质调查,考察地质问题。介绍时,杨勇对金沙江的地质情况了如指掌。“金沙江流域共分布有地质灾害3739处,其中滑坡2032处,崩塌322处,泥石流932处,不稳定斜坡453处,这些地质灾害为堵江及堰塞湖创造了有利条件。”杨勇说道。

  “万丈高楼平地起”,稳定、良好的地质条件是大坝安全的基础。地质条件脆弱的金沙江对大坝来说是个隐患,而密集开发水电会加剧地质隐患。修建大型水利工程时,大兴土木会导致当地地质结构的松动,埋下水土流失的隐患,很容易诱发泥石流、塌方等次生灾害,水库开发建设对周边山体切割易导致滑坡等。如,金沙江支流小江流域已经演变成世界上泥石流最泛滥的地区。等大坝建起后,库区水位的变化,会使库区周边山体、护坡土体等地质岩土的含水量随之变化。根据有效应力原理, 库区水位上升时,地质岩土体必然发生一些应力变化。而这些变化带来的情况就是岩体滑落、崩裂、不稳等一系列地质灾害,如大坝水库的蓄水压力会诱发地震的现象, 破坏水库岸坡产生塌岸、滑坡和崩塌,水库渗水会导致周边地下塌陷以及土壤沼泽化、次生盐渍化、道路翻浆等地质灾害。

  金沙江对杨勇来说,就象父辈,他一年年地看着它变得衰老脆弱,有时难免有无能为力之感。他痛惜的是,相对于二三十年前的自然灾害,现在人为地在金沙江制造了更多的创伤,使整个长江陷入危机。他不得不退而求其次,认为“如果现在开发方式不能逆转,就要制定应对各种灾害的预案”。

  杨勇说:“就地质条件而言,金沙江比三峡恶劣许多,加之水库蓄水,库岸再造,至少需要十年才能稳定,其地质风险之大显而易见。《悬在头上的危险》是杨勇调查金沙江流域梯级水电站潜在地质危险性后,所撰写报告的题目。他认为“在中国西部这样的地质灾害高发区,一旦发生极端灾害事件,由于梯级大坝的上下相连,尤其是高坝、大库连续分布,极可能对灾害起到放大作用,造成具有连锁效应的灾害链,给下游构成严重威胁。”所以,他在几年前曾向有关部门提交考察资料,呼吁重新审视西南水电开发。如今,他提得更多的是如何警惕防范,预防灾变。

  我国水利建设的科技水平在修建高坝大库、大型灌区、整治多沙河流等方面已接近或达到世界先进水平。但杨勇的担忧也不无道理,虽然我国大坝建设采用了严格的抗震标准,一般来说不会发生垮坝问题,但是由于地质灾害产生巨量堵江体,一旦处置失去最佳时机,可能出现洪水翻坝,导致大坝报废或修复困难。

  基础不牢,地动山摇。这句老话,同样也用来比喻大坝因地质灾难出现问题的后果。在杨勇提供的《金沙江水电规划和地质灾害危险江段分布图》上,密集的水电站有如一张张多米诺骨牌,令人不禁猜测:若有地质灾害导致某处大坝出现问题,会不会产生多米诺骨牌式的灾难性后果?

  我们只能祈祷,千万别有哪张“牌”被大自然推倒,也但愿杨勇的忧患只是“盛世危言”—虽然这种忧患是必不可少的。

  紫坪铺水库真的诱发了汶川地震吗

  水库可能诱发地震是确定的,但多为弱震、微震。汶川大地震是否属水库诱发,在学术界仍是充满争议的话题。

  在一定的条件下,人类的工程活动可以诱发地震,如修建水库、城市或油田的抽水或注水,矿山坑道的崩塌,人工爆破或地下核爆炸等。其中,水库诱发的地震,简称水库地震,它是指,在具备发生地震的地质构造背景条件下,发生了和水库蓄水活动有关系的地震,即,地震发生的空间、时间、频度以及震级都受到水库的影响。

  水库诱发地震的现象,是随着人类建造大型水库和大坝以后逐渐认识的,最早在1931年发现于希腊的马拉松水库。但它们大多强度不大,以弱震、微震为主,其中大于6级、为大家所公认的水库地震只有4例,分别发生在中国、赞比亚、希腊、印度,中国的即为广东河源的新丰江水库。

  水库为何会诱发地震?水库蓄水后,对库底断层附加的重荷压力,改变了断层的受力状况,打破了原有的平衡。另外,水会渗入充填到库底岩体的裂隙空隙中,会产生附加的孔隙水压力,水的渗透、浸泡和孔隙水压力软化了岩石,对断层面起到润滑作用,使岩体更容易破裂、断裂更容易扩展。有学者认为,这种孔隙水对断层活动的影响,要大过水本身压力的影响。

  那么,是不是说,水坝越高、蓄水量越大,越容易诱发地震?四川地矿局区域地质调查大队总工程师范晓说,从概率上讲有这个规律,但不是完全的正比关系。据不完全统计,世界上坝高超过200米的水库,诱发地震的比率为34%。在中国,坝高在100米以上,库容在100亿立方米以上的水库,发震比例为30%左右。

  “30%是在许多库区监测数据不完善的情况下得出的。”范晓说,自2004年国务院颁布《地震监测管理条例》以来,坝高100米以上、库容5亿立方米以上,且可能诱发5级以上地震的水库,都普遍建立了专用的地震监测台网。

  近年来的大量观测数据表明,这些大型水库诱发地震的比率为100%,“所以对高坝大库来说,诱发地震是肯定的,只是诱不诱发破坏性强震或巨震的问题。”

  范晓被人称作“反坝人士”,近年来他在不同场合强调过水利工程可能引发的地质风险,呼吁人们重新审视国内—尤其是西南地区建设“高坝大库”的热情。

  紫坪铺水库是否引发了汶川地震,一直是个具有争议的话题。

  人们反驳“水库诱发说”的重要论据就是,它不符合水库地震呈现出的一般规律,比如,震源比一般水库地震深得多,紫坪铺水库并没有淹没到发震的断裂带上,震型也不典型。

  历史数据显示,水库诱发地震的震源深度一般为1~5公里,最多不超过10公里,而汶川地震的震源,中国地震台网中心(CENG)和美国地质调查局(USGS)分别公布为14 公里和19 公里。

  从位置上看,北川-映秀断裂是这次5·12汶川大地震的发震断裂,它位于紫坪铺水库的库尾,正常蓄水位877.00米,刚好到该断裂的地表出露线与岷江的交汇点,也就是说,水库的水根本淹不到这个“罪魁”。

  还有个传播更广的反驳理由,是地震的序列特征,公认的4例6级以上水库地震都是“前震-主震-余震”的震型,而汶川地震没有明显的“前震”,几乎是毫无预兆。

  这些反驳从“不符合一般规律”出发,易理解,但也不难驳倒。在2009年第一波争议高峰过后,2013年,范晓又从新的研究成果中搜集到更多的证据,将上述反对理由一一驳回去。

  震源比一般水库地震深?2011年一项研究重新确认,汶川地震的初始破裂深度仅在6至9公里左右。水库的位置影响不到主要断裂带?但初始破裂发生的位置的确在通过蓄水区的一条断裂带上,而整个龙门山断裂带,其实是一个向下交汇于一个平缓断层面的断裂系,水库的水通过地表任何一处裂隙面向下渗透,都会对整个断裂系产生相互影响。没有前震?但水库蓄水后的地震活动的确显著增强,县域与水库的水位变化有不小的相关性。

  当然,这些并不能直接证明汶川地震一定属水库地震,但再次将争议扳回到“不是不可能”的局面—这种扳回并非无可争议,学术上仍有不少探讨空间。不少学者更倾向于既定结论:汶川地震是板块位于青藏高原北部的松潘-甘孜地块沿龙门山中央断裂和前山断裂向四川盆地强烈推覆逆冲的结果。

  实际上,关于这个话题,证实证伪都很难。范晓也并非对“水库诱发”说下了定论,在2013年的新修订文章中,他仍用了“也许真的诱发了汶川大地震”这样的表述。除了反驳各种“不可能”论调,他还新列出了一些其他学者的研究成果,作为增强“可能性”、“相关性”的证据,但的确还没有找到更为直接的证据,将这种可能性坐实。

  范晓的坚持在于,既然专家们公认汶川地震是由时间上有先后、地域不同却又紧密相连的若干次破裂事件组成,而那个作为导火索的“初始破裂”,很有可能就是水库诱发的。而专家们对于紫坪铺水库与汶川地震关系的研究还在继续,不断公布的成果就好象一幅正在完成的拼图,使紫坪铺水库与汶川地震之间的关系变得越来越清晰。

  “当人们对汶川地震前区域天然构造应力场并没有明显变异而感到迷惑时,当紫坪铺水库的蓄水活动及其影响显现出耐人寻味的特征时,人们的经验和传统认识也就受到了挑战—巨大地震的初始发震力是否有可能来源于人类活动影响的局部应力场,而不是传统认为的区域构造应力场?”

  范晓比较认同2011年中国地震局地质研究所的马文涛等描绘的一幅图像:紫坪铺水库蓄水之后,在一定的水压和水渗透作用下,先后发生了水磨震群和深溪沟震群,在两年半的时间内多释放了200%的能量,并且在汶川地震前呈现出加速释放的现象,明显加速了局部应力场改变的步伐。在2008年2月都江堰震群发生后,相当于将顶在龙门山中央断裂带南段水磨-庙子坪断裂下的“塞子”去掉,引发了水磨-庙子坪断裂的整体逆冲错动,带动破裂沿龙门山中央断裂带逐步扩展,在区域构造应力场的作用下,汶川8级地震的破裂由西南向东北逐渐由以逆冲断层为主转变成以走向滑动断层为主。

  他觉得,水库诱发地震的问题,就象地震本身以及其它许多地球科学的问题一样,是一个极为困难的研究命题,因为人们很难完全模拟地壳内部复杂多变的环境条件,也不可能去进行重现这种环境条件的科学实验。所以,任何从总体上宣称已掌握了水库诱发地震的“基本规律”,从而对水库诱发地震的命题作出简单否定或肯定的作法,都是不足取的。

  而紫坪铺水库与汶川地震,是一个前所未有的案例,给水库诱发地震的研究领域提出了许多具有巨大挑战的科学命题:人们通常认为,水库诱发地震是地震断裂带的应力积累已接近临界点,水库蓄水活动仅仅起到触发作用,但紫坪铺水库是在应力积累水平比较低的地区,而且并未出现巨大地震应有的前兆,因此,水库蓄水活动是否有可能对断层破裂的发展具有主动的推进作用?是否有可能是在岩石中产生新的破裂,而不是在既有断裂面上因减小摩擦力而触发地震?在断裂的应力积累还未达到临界状态时,水库蓄水会使临界状态加速或提前到什么程度?水库诱发的断层破裂是否具有不断加速的链式反应?

  从现实意义上讲,范晓提出,地震活动带上高坝大库所在区域的抗震设防,需要重新审视。国内工程界对水库诱发地震的关注,多局限于对水利水电工程的影响以及水利水电工程的安全上,但目前抗震烈度的确定和设防依据主要还是已知的天然地震背景,一旦他所述的“可能性”成立,即水库能够触发远远超过已知天然地震上限的强震大震,要考虑的就不仅仅是大坝的安全了。

  三峡工程对长江生物多样性的影响

  三峡工程从动工迄今已经过去21年,实现大江截流也快18年了。工程对三峡库区乃至整个长江流域生物多样性的中短期影响已经显现。“区内生物多样性丧失的速度正在加快。”中科院水生生物学研究所专家曹文宣院士说。

  2009月9月,第十一届中国科协年会在京召开,年会上有一个热门话题,即三峡工程究竟是弊大于利还是利大于弊?有人说,三峡工程所提供的能源相当于每年5000万吨煤炭,反过来中国少烧了5000万吨煤,因此利大于弊。但曹文宣表示:“三峡工程对人来说是利大于弊,对鱼来说则是弊大于利。”

  白鳍豚,一种被称为“水中大熊猫”的长江独有哺乳动物,2006年被科学家宣布“功能性灭绝”。而2012年中科院组织的一次科考宣布,长江中另一种珍贵豚类—长江江豚,也只剩下约1040头。

  位于武汉的中科院水生生物研究所,是中国研究水生生物的重镇。所里的豚类研究员王丁断言:“江豚正在走白鳍豚的老路,要不了二十年,白鳍豚的今天,就是江豚的明天。”

  2012年11月11日,一支由农业部牵头,中科院水生生物研究所、世界自然基金会和武汉白鳍豚保护基金会共同组织的长江淡水豚考察队从武汉起航,沿武汉-宜昌-武汉-上海-武汉的路线在长江中下游干流探寻长江江豚的踪迹。此次科考队总共目视发现江豚380头次,声学考察发现172头次,与2006年考察相比,江豚种群数量减少一半。

  江豚快速减少,缘于长江水系繁忙的航运、滥捕滥捞使江豚食物匮乏等。曹文宣院士也是上世纪80年代三峡工程环境影响评价水生生物课题负责人,他在采访中说道:“白鳍豚的“功能性灭绝”以及江豚濒危都与长江水系生态环境遭到破坏有关,而这种破坏又与葛洲坝、三峡大坝以及后期陆续建设的水利工程有关。

  近年来,鄱阳湖露底,洞庭湖、洪湖也年年露底,而且整个洞庭湖水系几乎断流。甚至长江干流本身在武汉段也出现露底现象,而鄱阳湖、洞庭湖正是很多动植物包括江豚的家。没有水,也就无鱼或少鱼,江豚没了“粮食”,又该如何生存?

  长江干流上也有550头江豚,但整个环境也今非昔比,早已不是江豚“记忆中的家”了。曹文宣课题组的专家分析:“上游的水利工程对于长江中下游的河道、河势影响深远。上游大型水库建成后,长江泥沙量减少,清水下泄使长江河床被不断刷深。”结果长江干流的边滩、洄水减少,江豚失去了栖息与觅食之所。

  在长江中游,大量江滩裸露,被沿岸居民种上了蔬菜。武汉本来位于长江江心的白沙洲,今冬几乎与长江北岸连成一体。长江河道变窄,这意味着江豚与各种船舶被挤在一起,江豚受到螺旋桨伤害的机率也相应增加。

  除了豚类,水利工程也使长江鱼类面临严重危机。1994年,三峡工程开始大江截流,曹文宣的课题组开始负责对相关影响进行跟踪监测与评估,18年不辍。

  长江水系现有鱼类400多种,淡水鱼类有350种,其中特有种类就有156种之多。随着三峡工程的兴建以及其他人类活动的增加,不但天然捕捞产量急剧下降,生物多样性丧失的速度也在加快。

  2013年秋冬季节,葛洲坝下产卵场未监测到中华鲟产卵,引起国内舆论与生物多样性保护相关组织的高度关注,引发很多人对中华鲟是否会灭绝的担忧,并进一步引发人们对长江上游水电工程的质疑。

  根据长期的监测评估,据曹文宣称:“长江鱼类的确危机四伏。鲥鱼、刀鱼、河豚是著名的“长江三鲜”,其中鲥鱼已经绝迹,刀鱼濒临灭绝,野生的河豚也已经不见踪迹。白鲟自2003年以后再也没看见过了。像鯮鱼,可以长到100多斤,上世纪80年代开始就很少见到了。本来要长几十斤重的草鱼,现在长到几两重就被捕上来卖了。”

  长江鱼类的危机,跟人类活动有关,而三峡工程的兴建加速并加深了这一危机。曹文宣分析,三峡大坝建成后,长江流速变缓,河水变深,光照不足、泥沙沉积致使大量底栖生物不能生长,也就不能为鱼类提供足够的食物,对长江上游120多种底栖生物、流水鱼类产生了很大影响。

  鱼类资源有两个方面的属性,一个是物种,一个是渔业,水利工程对长江鱼类的物种资源属性造成了巨大影响。“长江上游一直在进行梯级开发,河水由激流变成缓流,改变水流的流速、流态等水文特征的同时,也改变了径流的时空分布格局,影响了该流域特有鱼类的生存。”曹文宣说道。

  比如圆口铜鱼、岩原鲤等长江特有鱼类,它们很难在静水里生存,三峡大坝建成后使它们受到严峻挑战。

  由于三峡大坝的拦蓄作用,长江自然涨水过程消失,以四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)为主的长江鱼类产卵受到影响。曹文宣在1989年写三峡水利(600116,股吧)(600116,股吧)工程环境影响报告书时就曾预测:三峡水库建成后,四大家鱼的繁殖期将会延后。如今的情况的确如此,它们的产卵时间延后,导致水中浮游生物以及水草等鱼类饵料都发生变化,这对四大家鱼物种的延续又是极为不利的。

  曹文宣在采访中表示:水利工程是保护长江生物多样性面临的最大危机,如果金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等流域少建一些大坝,在不建坝江段的河流及其支流设立保护区、建立长期的生物监测站,就可以对很多鱼类及其他物种起到保护作用,避免因水利工程而造成的物种丧失。

  “但目前现实的情况是水电站一哄而上,很多在建的水电站并未列入长江流域的水电规划中,如金沙江中游在建的金沙、银江水电站,而该水电站很可能使圆口铜鱼的最后一块栖息繁殖地消失殆尽。”曹文宣补充道。

(责任编辑:HN025)

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