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郭军:美国艾尔瓦河上两座大坝拆除的论证及拆除过程中的泥沙处理
发布时间: 2014-11-04 来源: 作者: 访问次数:

郭军  中国水利水电科学研究院

2014年10月28日

1.概述

美国艾尔瓦河上两座大坝的拆除工作于2011年汛后开始,经历了3年,于2014年8月底最后一爆,该河流贯通。两座坝的拆除工作历时三年,可是大坝的拆除论证工作却经历了30余年。

艾尔瓦河(Elwha)流位于美国西北部华盛顿州,向自南向北,进入一个长为153km长的Strait of Juan de Fuca水域后汇入太平洋,该流河有72km长的河段位于奥林匹克国家公园内。在河流的中下游建设了Elwha和Glines Canyon两座大坝,Elwha重力坝于1913年兴建,坝高33m,装机12MW,功能以发电为主,该坝距位于河口的Angeles港口8km。Glinese Canyon拱坝于1927年兴建,坝高64m,装机16MW,功能也以发电为主。两座坝当时由一个私人业主开发。Clines Canyon大坝上游113km长的支流、842km2流域面积均为洄游鱼的栖息地。该地区为土著印地安人居住区。见图1。

两座大坝投入运行后,水库淤积非常严重,到2010年,两座水库总淤积量达1680万m3,占两库库容的31%,其中Elwha水库淤积最深达13m,Glines Canyon水库淤积最深达21.5m。

 

图1 艾尔瓦河上及Elwha大坝和Glines Canyon大坝

2.大坝拆除的缘由及论证

1938年,美国政府在该地区建立了奥林匹克国家公园,两座水库大坝均位于国家公园内。

美国水力发电的大坝实行运行许可管理,大坝建成后要向联邦能源监管委员会(FERC)申请运营许可,年限一般为50年。进入20世纪后期,大坝对环境生态的影响逐步得到重视,美国联邦能源监管委员会在颁发新一轮运行许可的工作中,要求除必须对大坝进行安全评价外,还需要进行环境影响评价,包括采取必要的环保措施,以减少对环境生态的影响。Elwha大坝从来就没有获得过运营许可,Glines Canyon大坝的运营许可在1977年到期。由于该地区历史上为洄游鱼栖息地,大坝运营期间因阻隔洄游鱼问题受到各界的关注,因此业主想在为2座坝申请新一轮运行许可的同时,建设过鱼设施。1978年对Elwha大坝进行了安全评价,但未能通过,联邦能源监管委员会要求该坝要开展应急管理,并要对大坝进行除险加固。

1986年,住在该地的印第安人认为这两座坝的兴建,影响了他们在该河流上的捕鱼量,提出要将其拆除。与此同时,该地区的社会公众也对位于国家公园内运行的大坝的合法性提出质疑。

美国国会于1992年通过了艾尔瓦河生态及渔业恢复法案,提出4中解决方案:1)将2座坝及一条高压输电线全部拆除,2)拆除Elwha坝,在Glines Canyon坝上建过鱼设施,3)拆除Glines Canyon坝,在Elwha坝上建过鱼设施,4)保持现状。

1994年起,隶属内务部的垦务局(USBR)为两坝的拆除以及河流生态修复方案开始做研究工作。由于两座水库泥沙淤积严重(见图2),因此水库泥沙在拆除过程中的处置方案成为拆除方案中的重要研究内容之一(见图3)。科学工作者还开展与河道生态修复相关的研究工作,包括鱼类与野生动物,河流物理学,水库河流近岸物理学,文化与人类学,水库河流近岸生物学,植被学以及河流生物学。

图2  2009年Mills湖三角洲航拍片(左),Aldwell湖三角洲航拍片(右)

图3 Mills湖泥沙冲刷模型试验(2007)。

试验结果表明,如果冲刷从三角洲中部开始,冲刷效果比较好(左)。如果冲刷沿水库一侧或峡谷一侧冲刷,冲刷效果则不理想,三角洲右岸则有相当大的一部分淤积的泥沙未能被冲刷(右)。

    联邦政府于2000年向私人业主支付了2950万美元,购买了两坝所有权,并交给垦务局,责成垦务局负责两坝在拆除前的运行管理及拆除工作。

3.大坝的拆除及泥沙管理

为解决大坝拆除过程中高含沙水流影响下游的供水、防洪和鱼类繁殖问题,垦务局在下游建设了2座水处理厂,防洪堤防和鱼类增殖站。

Elwha水电站于2011年6月停止运行,并开始降低库水位,两座坝于2011年9月正式开始拆除,首先开挖泥沙导流槽(图4),2012年为两座水库的主要排沙年(图5),2014年8月下旬的最后一次爆破,艾尔瓦河流干流贯通(图6),两座水库拆除总费用3.25亿美元。

图4 Mills湖三角洲2010年9月航拍图片,为水库排沙对Alder树林进行了清理和开挖的泥沙导流槽

图5 Mills湖三角洲变化,左图为2011年9月16日拍摄(大坝拆除前),右图为2012年10月15日拍,冲深达38.7m。

What’s left of the 210-foot-high Glines Canyon Dam, a section of about 30 feet, is awaiting a final blast in September. In the distance, the bottom of former Lake Mills today forms part of the new Elwha Valley. Elwha River Restoration

图6  2014年8月下旬,最后一爆,河流贯通,Elwha大坝(左),Glines Canyon 大坝 (右)

    大坝拆除中,对库区泥沙的形态和冲刷效果情况进行了观测(图7、图8)。由于2012年为水库集中排沙运行,大量的泥沙被水流带至河口,形成高含沙水流(图9)。

图7  Mills湖剖面泥沙冲刷效果(该断面距大坝270m)

图8 Mills湖淤积形态变化(图中横坐标为英尺)

图9 高含沙水流进入Elwha河口

4.大坝拆除后的生态修复展望

艾尔瓦河上的两座大坝在经历了30余年的论证和3年时间的拆除工作,河流终于贯通,但这不意味着河流生态很快得以修复,后续的工作还很多,包括水库消落区岸坡的保护和植被恢复,库底的清理、栖息地和生态河岸与防洪设施的建设。大量的泥沙带到河口,对河口的环境生态将产生影响,因此还需要通过监测开展河口影响评价工作,以确定要采取的减缓影响的工程和非工程措施。河道打通后,还需要持续观测鱼的洄游情况及洄游效果。总之,大坝拆除是该河流生态修复工作的开始,更加细致和长远的工作还需要走很长一段路,期待不断看到对该河道生态修复的监测成果和基于监测数据所开展的评价成果,以期对我国的河道生态修复给予可借鉴的经验。

 

 

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