美国加利福尼亚大学河湾分校土壤与环境科学博士

一、天然河流湖泊水环境污染及其污染源
二、大坝工程与河流水环境污染

在江河上建坝蓄水,是人类长期以来企图充份利用江河这一重要自然资源所采取的一种工程措施。建设大坝水库,特别是在一条大型河流上建设大型多功能水坝-水库工程,将对与该河流有关的整个环境(包括自然环境和社会环境)产生多方面的极为复杂的影响。

大坝及水库对河流水环境的影响,是人们讨论大坝对其他方面影响的一个出发点和基础。因为河流水环境的好坏,直接或间接地影响河流及岸区的生态平衡和河流水资源的充份利用,也影响与河流系统有关联的各个经济领域的发展。历史上的一些大坝水库工程,向人们展示了一些河流水环境恶化的结果。建设大坝和水库是否必然导致河流水环境严重污染或污染程度加重,这是本文讨论的中心议题。本文首先讨论天然河流湖泊水环境的污染情况(即没有大坝情况下的污染),然后再讨论建设大坝-水库对河流水环境的影响。

一、天然河流湖泊水环境污染及其污染源

江河湖泊,特别是大江大湖,为人类的活动提供了诸多的便利,是人类赖以生存的重要自然资源之一。江河湖泊既是人们日常生活的饮水水源,也是工商业的生产用水水源,还是农林业的灌溉水源,又是渔业的生产基地和重要的交通渠道。伴随着人类社会的发展,江河湖泊还为人类提供了另一个便利,即作为人类活动所产生的各种废弃物的倾泄场所。于是,人类在享用江河湖泊这些宝贵的自然资源的同时,又在破坏和摧残这些资源。当然,江河湖泊的污染以及随之而来的灾害,还是引起了人们的重视,在过去二、三十年中,人们为防范和治理江河湖泊的污染,作了大量研究,也采取了不少措施。

1. 污染源和污染现象的概念

长期以来,江河湖泊污染是世界范围内的普遍现象。造成江河湖泊污染的原因主要有两个,一个是各种人为污染源的存在,另一个是对各种污染源没有有效的控制。

河流湖泊的污染源有点状污染源和非点状污染源两类,点状污染源又可区别为固定的污染源和活动的污染源两类。固定的点状污染源包括城镇的生活废水排泄口、工矿企业的工业废水排泄口以及沿岸某些设计不合理或运作不正常的工程设施,例如生产渗透液的废弃物土埋场、渗漏的地下或地面储藏装置(如储油罐)等;而水面上航行的各种船只,包括运输船、旅游船、渔船等,则是活动性的点状污染源。非点状污染源包括沿岸大面积冲刷雨水的排入(这种冲刷雨水携带大量有机物、悬浮颗粒和各种农药)、河道上空的酸雨降落以及被污染的地下水注入。

河流湖泊的污染现象主要包括水体温度升高、水体富营养化、水体中溶解氧浓度过低、悬浮微粒浓度过高、或存在某些毒害性污染物而影响水生动植物的正常生存等。江河湖泊受到污染后,其资源价值和经济价值会受到不同程度的影响。例如,受到某些毒害性化合物污染的河(湖)水不能再用作饮水水源,受到较严重污染的河(湖)水不再适用于农业灌溉,受到污染的河(湖)水环境会严重影响渔业和养殖业等。

2. 中外江河湖泊的污染实例

历史上江河湖泊受到严重污染的例子,举不胜举。七十年代中期,由北向南纵贯美国纽约州的哈德森河(Hudson River)曾受到严重的污染,导致哈德森河多处河段不能作为饮用水水源,整个哈德森河渔业年产量锐减百分之六十。随后的调查研究表明,这一严重污染是过去二十五年沿岸工业持续向哈德森河排放含有PCB的工业废水所致。

欧洲中西部的莱茵河(Rhine),是另一个河流受到严重污染的例子。莱茵河流域(包括主河和支流)包括瑞士、德国、法国、卢森堡、荷兰等工业化国家,众多的现代化城市、工业中心、农业区、运输港口及旅游胜地分布在莱茵河沿岸。据统计,七十年代前后,每年约有二千万吨各种废弃物倾泄入莱茵河,造成莱茵河的严重污染,这些污染包括热污染、PCB等有机物污染、石油污染、农药污染、重金属污染等。

根据中国国家环境保护局1993年公布的资料,中国的七大河系中,淮河、松花江、辽河及海河的污染情况最严重,长江、黄河及珠江各城市河段的污染情况亦很严重。

湖泊遭受污染的例子也很多。美国北部五大湖之一的伊利湖(Lake Erie)及周边区域是美国和加拿大的重要工业、农业、商业、渔业、旅游业及文化教育事业发展区,沿湖有底特律、克里夫兰、布法罗等国际性工商金融文化重镇以及众多的中小城镇。六十年代前后,由于没有采取严格有效的污染防治措施,各种污染物持续不断地排入伊利湖,使伊利湖受到较严重的污染,包括湖水富养化,水体中的悬浮固体微粒含量大幅度增加,百分之七十的下层水体溶解氧含量低于每升三毫克,湖水中各种重金属和农药成份增加等,伊利湖的渔业因此受到损失。

目前,中国的湖泊普遍受到氯、磷等营养物质的污染,其富营养化状况令人担忧。以中国云南省的滇池为例,面积为三百平方公里的滇池位于省会昆明市西南,是昆明市及周围地区的重要饮水源。长期以来,昆明市及滇池四周的乡镇无节制地向滇池排放各种污染物,目前每年排入滇池的生活废水及工业废水已达两亿吨。1993年1月,以滇池为水源的昆明第三水厂因滇池水质急剧恶化而被迫停产。环境保护工作者惊呼,滇池已面临蜕化成“污池”的危险。

二、大坝工程与河流水环境污染

人类在江河上建坝蓄水由来已久。历史上,许多国家在经济发展的早期阶段,都把在江河上建设大坝和水库做为开发利用水资源的一个有力措施。研究大坝和水库对江河及沿岸自然环境与社会环境的影响,是牵涉面极广而又非常复杂的课题,本节仅讨论建设大坝及水库对江河水环境的影响。

1. 建坝过程和水库形成过程中水环境的污染

建设水坝,特别是在大江上建设大型水坝,是一项巨大的综合性工程,往往需要几年甚至十几年的时间才能完成。一方面,在建造期间,密集的工程施工和庞大的建设队伍会产生大量的工程和生活废弃物,包括固体废弃物和废水。另一方面,由于庞大的建设队伍将随大坝的建成而离去,所以施工人员一般不会在建坝期间花费巨大的财力、物力和人力修建大规模的固体废弃物和废水处理设施。因此,建坝过程中的工程和生活废弃物,往往直接或间接倾泄到河道里,导致河流水体在建坝期间污染程度加重。即使在工程完成后,如果对工程现场不进行有效的清理,若干年内雨水冲刷仍会把现场残留的大量污染物带进河体。

建坝期间河水污染加重,主要表现在悬浮颗粒大幅度增加,河水透明度明显下降,水体中生物耗氧量(BOD)增高而溶解氧含量降低等。总的来说,这些影响都是显而易见的和暂时的。而且,如果建坝地区受到严格的水环境污染控制法规管理(如美国各州),建坝工程必须伴随有效的废弃物(包括固体废弃物和废水)处理设施,则建坝工程期间对河流水体的污染是能够控制的。

大坝建设期间,还有一个重要的污染源,就是库区内将被淹没的各种工业或生活废弃物处理场和贮存场,包括各种固体废弃物和液体废弃物土埋场。大型水库的淹没面积是相当可观的,如果淹没范围包括一些工业或生活区域,水库蓄水过程中极可能淹没一些工业或生活废弃物处理场和贮存场。况且人们在拆迁过程中往往有意或无意地遗留下充满废弃物的建筑物,或不愿花费财力和人力来妥善处理这些已无价值的废弃物场所。

这些废弃物处理场和贮存场中废弃物的成份十分复杂,被淹没后(特别是在淹没初期)将有大量渗透液(Leachate)渗出而进入库区水体。各种渗透液的成份多样,从常规的污染成份(如BOD)到具有致癌性的毒害性成份(如苯)等应有尽有。

此外,在被淹没状态下,废弃物土埋场和废弃物本身的化学、物理及生物特性都会有所改变,其向库区水体散发污染成份的过程和程度将受到库水水温、水压、流速、流向等多种因素的影响,还难以准确预测。虽然目前关于这一方面的研究还非常有限,但是可以肯定的是,这些废弃物被淹没后,将成为库区水体内长期存在的污染源。

中国已开始兴建三峡大坝,其水库形成后,将有两座市级城市、十一座县级城镇被淹没。根据近期中国四川省环境保护局所作的初步调查,仅在三峡水库的四川省境内,就有一千余家国营企业将被淹没,工业固体废弃物的年产生量为八百八十吨,目前积累贮存量已达二十亿吨。有关方面已对这些废弃物的堆放和存储状况作了调查、并提出了处理措施。如果不适当处理,废弃物本身、废弃物处理场所、贮存场所、以及这些场所所在地已被污染的土壤将来对三峡库区水质量会产生不可估量的影响。

2. 大坝水库形成后对河系水质量的影响

美国学者斯马利和诺瓦克(Smallry和Novak)1978年就大坝水库对河流水环境的影响撰写了一篇综述。他们参考和总结了五十余位学者的四十余部(篇)专著和专论后指出,大坝水库形成后,以前流动的相对较浅的水体转变成相对静止的较深的水体,随之而来的水体温度变化是影响和决定库区水体物理特性、化学特性和生物特性的最重要的因素。

大坝水库形成后,库区水体一般较深,极易形成与大型湖泊水体类似的异温层,即水体上层水温较高,下层水温较低。由于水库水体体积较水库形成前的河流水体大为增加,水库水体对污染物的稀释能力和承受能力也将提高。

水库形成后,水体在库区滞留时间和自然净化过程延长,水体中的污染物(如有机污染物)光解、水解和生物分解的时间也延长了。此外,随着库区水体流速下降,水体中大量固体微粒开始沉淀,并携带大量有机物(包括许多人工合成有机污染物)一起沉淀。库区水体温度垂向分层,加上其他各种因素,可以从多方面提高库区水质量,特别是上部温水层的水质量(包括降低硷度、硬度、悬浮固体含量和混浊度、微生物量和BOD等)。

斯马利和诺瓦克指出,水库可以被视为一座超大型的天然水处理厂,既可以处理天然河水和雨水,也可以处理人工排放的污水。事实上,利用硕大水体的自然净化能力处理污染物,即是人们长期以来向湖泊排放废水的原因。

库区水体温度分层的一个最明显的负面影响,是降低下层低温水体中的溶氧含量。在极端情况下,库底部份水体会因溶氧含量达到或接近零而形成缺氧环境。此外,库区水体温度分层还可能导致库水表层藻类生长增加、库水底层二氧化碳含量增高及硷性或硬度增大等负面影响。库区水体中悬浮固体微粒的沉淀,虽然有助于提高库区上部水体的质量,却把大量污染物(如有机污染物和重金属)携带到库体底部,导致库底水体的悬浮微粒含量增加和多种污染物在库底积聚。此外,各种有机污染物在库底的分解也会减弱。

大坝水库的形成,对坝址下游的水环境亦会产生许多影响。早期的一些水坝和目前修建在江河主干道上的一些大型水坝,其排泄口设置在坝体的上部和中部。斯马利和诺瓦克这两位学者指出,此时由水库排放的库水,大部份是经过水库净化的上层库水,溶氧含量高而悬浮固体含量低,其排放将有助于改善下游河段的水质量。但是,当大坝只由顶部排放库水时,排放的库水水体温度较高,会在一定程度上提高下游河段水体的温度;如果下游河段存在BOD污染源(如生活废水或工业废水排放口),较高的水温将会加强BOD的污染效果。

此外,由于控制和清理库区沉淤的需要,大型水坝往往设计下部排泄口。当大坝主要由下部排泄口排水时,水库成为一个“排出养份、积存热量”的水体。由于库区上层水体热量积存,水温上升,水质量将会降低,例如溶氧含量下降、藻类增生等。此时,排泄到下游的库水,主要是水温较低、溶氧含量较低或很低、悬浮固体含量较高或很高、营养成份亦较高或很高的底部库水,下游河段的水质量将会受到许多负面影响。

如果库区底部水体长期处于缺氧状态,嫌氧微生物在分解积存库底的有机物过程中会产生硫化氢。这种具有臭鸡蛋味的毒害性气体的存在,会严重影响下游水体的生态和环境。此外,随悬浮固体沉淀而积存库底的各种有机污染物和重金属,在大坝底部排水或排淤时,会向下游河段大量释放,对下游水环境产生不利影响。法国学者盖力克等人在研究大坝水库排淤对下游河段鱼类的影响时发现,由于排淤过程中坝区下游水体悬浮固体和氨含量增高而溶氧含量降低,导致鱼类大量死亡。

3. 大坝、水库、河流系统形成后的水环境污染及控制

大坝、水库系统形成后,水库的物理、化学及生物特性都与大型湖泊相同。因此,许多研究水库水环境污染的专著和专论都是围绕和结合先期有关大型湖泊的研究结果展开的。研究湖泊水环境的专著和专论、特别是关于美洲北部五大湖的专论颇丰,为学者们探讨大坝水库的污染提供了参考文献。

大坝水库形成后,库区水体污染的原因与湖泊水体污染基本相同。就水库-河流整体而言,整个系统遭受污染的可能性将比建坝之前有所增加。

首先,如前所述,建坝工程施工期间不可避免地会造成一定程度的污染。其次,水库蓄水过程中要淹没大片陆地,除前面提到的工业及生活废弃物会被淹没之外,淹没范围还会包括大片生活区和农田。生活区内的旧建筑、长年积存的脏土及废杂物(区别于已被集中处理的废弃物)、以及土壤中残留大量农药的农田,被淹没后都将变成库区水体的污染源,而这些污染源在建坝之前对于河体来说是不存在的。再者,虽然大坝水库形成后库区水体的水质量将得到改善,但如前所述,坝址下游河段的水质量将可能受到负面影响,特别是在水库排淤时期。

此外,大坝水库形成后,库岸线长度将比原河岸线长度有所增加,库岸地区将形成许多比原河岸地区更适合人们生活的区域。加之湍急的河水在水库形成后变成相对平稳的水域,特别是在许多临近库岸的水域,水体较浅水温适当,是开展渔业和养殖业的良好场所。水库虽然淹没了大量农田,但由于水库的建成,农田灌溉用水有了保证,库岸周围很快会有新的农田得到开发。同时,由于大坝水库的建成为下游提供了防洪、生活用水、工业用水及农业灌溉的保证,下游沿岸的工业、农业、渔业等都将有一定的发展。

人们的社会活动在库区和下游地区的增加,必然导致各种污染源的增加,从而加重水库-河流系统的污染负担。这种随大坝水库建成而产生的污染源增多、污染负担加重的情况,与天然湖泊与河流随岸区经济发展而污染负担加重或严重污染的情形,同出一辙。

诚然,大坝水库建成后,存在着水库-河流整个系统水环境污染程度加重的可能性,但是,这在一定程度上是可以消除或得到控制的。首先,应当在建坝的设计中考虑控制建坝期间工程废弃物和生活废弃物的污染。美国学者皮特斯在讨论建坝期间污染情况时,总结了一些有效的坝区废弃物处理方案。近二十年来,在废水和固体废弃物的有效处理方面取得了许多新的进展,一些简单易行的处理设施均可以在建坝期间应用,其中包括沉淀池结合絮凝技术处理混浊工程废水,湿洼地浅水设施处理生活废水及工程废水,简易土埋场处理工程及生活固体废弃物等等。

其次,由于水库蓄水而被淹没的各种污染源,可以通过蓄水之前对其进行妥善清理、挖掘和迁移而控制在最小程度。大坝水库形成后由于库区水体产生异温层而对水质量产生不利影响,特别是对下游河段水质量的不利影响,可以通过采用水体除层设施以及合理设计大坝排泄口的位置(如采用上中下多层排泄口)予以控制。

再次,库区和下游的经济活动是否导致河流的污染加重,是诸多因素,如政治、经济、管理、技术水平、以及人们对污染的态度等综合因素的结果。一方面,库区和下游的社会经济必然会持续发展;另一方面,废弃物增加而使环境污染加重,又会威胁社会经济发展。这种两难情势,不但困扰着大坝-水库-河流系统工程,同样困扰着该地区内的其他经济建设工程。从这一意义上讲,建坝后由于经济发展而导致水库-河流系统污染负担加重,不应该归因于大坝建设本身;建设大坝水库本身与河流水环境污染之间并不一定有必然的因果关系;在并未建设大坝的情况下,众多的天然河流亦会遭到严重污染。

作者相信,随着人们环境保护意识的提高,各级政府对环境保护管理的加强,以及更加严格合理的环境保护法规相继问世、实施,大坝-水库-河流系统的水环境污染是可以得到控制的。近二十年来,许多工业化国家在江河湖泊水库水环境污染控制与治理方面取得的成功,足以证明此点。

结论

本文首先讨论了江河在建设大坝之前之水环境的污染情况,继而讨论了建设大坝对水库-河流系统水环境的影响。作者认为:

1. 天然河流遭到污染的可能性在没有建坝的情况下即已存在;即使不建设大坝水库,河流照样会被污染。所以,建设大坝水库与河流水环境污染之间没有直接的、必然的因果关系。

2. 大坝水库形成后,库区水体的水质量将在多方面得到改善;库区水体对各种污染物具有较高的稀释能力、承受能力和净化能力。

3. 建设大坝水库会对河流水系的水环境、特别是对下游河段的水质,产生许多不利影响。但是,这些影响或者是短时期的,或者是可以通过工程措施予以控制的。

4. 造成江河水系水环境污染的根本原因,是各种人为污染源的存在以及人们未有效控制这些污染源。因此,保护江河的水环境,无论在建设大坝之前、建设大坝过程中、还是在建设大坝之后,其根本措施是严格而又合理地控制各种人为污染源。

在江河上建设大坝,特别是在大江大河上建设大型水坝和水库,对江河流域自然环境和社会环境的影响是多方面的,极为复杂。由于篇幅所限,本文未曾涉及其他,仅讨论了建设大坝水库对江河水环境的影响,并得出上述结论。

当代中国研究
MCS 1997 Issue 3

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