《SCIENCE ADVANCES》：Dams trigger long-term river-floodplain decoupling in dynamic Andean foreland rivers
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摘要：正在建设和规划中的安第斯山水电站大坝将改变向下游河流输送的水量和泥沙量，可能对河流及洪泛平原的地貌、水文和栖息地产生重大影响。这些干扰在横向动态活跃、具有强烈当前河道—洪泛平原耦合的河流（如安第斯山前河流）中最为严重。研究人员利用水动力—地貌演化河流模型
摘要：正在建设和规划中的安第斯山水电站大坝将改变向下游河流输送的水量和泥沙量，可能对河流及洪泛平原的地貌、水文和栖息地产生重大影响。这些干扰在横向动态活跃、具有强烈当前河道—洪泛平原耦合的河流（如安第斯山前河流）中最为严重。研究人员利用水动力—地貌演化河流模型（hydro-morphodynamic river model）表明，这些洪泛平原经历广泛的垂向和侧向侵蚀而迅速转化，并产生持续长期效应：在一个世纪内，侵蚀形成了低于建坝前水平数米的次生洪泛平原（secondary floodplain）。河道—洪泛平原复合体的这种退化改变了洪泛平原的淹没格局和频率，并使河岸水体与活跃河道断开连接。这种解耦在那些建坝前具有高泥沙负荷和高侧向迁移速率的河流中最为严重。模拟结果揭示，忽视地貌变化（包括河流侧向迁移）的预测方法在评估大坝对湿地栖息地构建和功能的影响方面可能效用有限。
**大坝驱动安第斯山前动态河流长期河道—洪泛平原解耦的模拟研究解读**
**研究背景与科学问题**
水力发电大坝是全球可再生能源体系的重要组成部分，但大坝建设也导致河流碎片化、洪水幅度降低、季节性径流过程扭曲，并使坝下泥沙供给减少80%至100%。这些变化触发了下游河道下切、河道迁移减弱、营养物质输送减少等一系列地貌响应，并对生态系统产生深远影响。在亚马孙河流域，河道—洪泛平原相互作用控制着世界上生态最敏感的一些洪泛平原。目前亚马孙流域已有158座大坝，另有351座规划中，其中大部分位于安第斯山区源头河流。这些安第斯山前河流（Andean foreland rivers, AFR）具有单股或辫状弯曲河道形态，平均侧向迁移速率约30 m/年，最高可达150 m/年，并因高悬移质泥沙负荷而被称为“白水河流”。尽管已有跨学科综述定性指出了水电开发的大规模后果，但迄今尚无定量评估大坝下游洪泛平原栖息地变化的分析方法。现有关于大坝对河流地貌响应研究多集中于侧向受限、高度工程化的河流，要么简化地貌变化，要么忽略河道—洪泛平原耦合与侧向迁移，要么仅研究年至十年尺度，忽视了洪泛平原长期地貌适应。因此，亟需采用能够再现河流迁移和洪泛平原构建地貌行为的模型，在数十年至数百年时间尺度上定量评估大坝建设对动态河流的长期影响。
**研究内容与模型方法**
研究人员利用基于物理过程的二维水动力—地貌演化模型eRiDynaS（River Dynamics Simulator）开展了探索性模拟研究。该模型求解基于惯性的深度平均浅水方程，忽略动量输运，通过容量法和对流—扩散输运定律计算推移质和悬移质输运，采用质量守恒计算河床变化，将岸坡侵蚀表示为局部流速和岸坡可蚀性的函数，并模拟由植被定殖、生长和死亡控制的洪泛平原阻力。研究以玻利维亚贝尼河（Beni River）和秘鲁乌卡亚利河（Ucayali River）的数据初始化6条长约100 km的模拟河段，每条河段分别运行360年，设置无坝参考情景和有坝情景。有坝情景采用峰值流量降低30%、基流增加15%、泥沙供给降至参考情景8%至9%的设定。模型采用100 m×100 m网格，通过地貌加速因子9将一次模拟洪水等效为9年地貌演化。研究还利用Landsat影像提取贝尼河和乌卡亚利河1987—2023年的河道形态，与模拟结果进行定量对比验证。
**研究结果**
**大坝对河流形态与动力学的影响**：模型结果显示，坝下水流和泥沙条件的改变在所有河流中同时诱发垂向河道下切和侧向洪泛平原侵蚀，形成宽度为原河道平均宽度的8至15倍、低于原洪泛平原面数米的次生洪泛平原。模拟的河道下切速率（99年内2至5 m）约为其他已建坝河流观测值的50%，原因是模拟中侧向侵蚀供给的泥沙平衡了下切速率。净侵蚀量取决于建坝前的河道—洪泛平原耦合程度：泥沙输移和迁移速率高的类别1河流（Rivers 1至4，单股弯曲型）形成宽大次生洪泛平原和高净侵蚀量；而类别2河流（Rivers 5至6，多股弯曲型）侵蚀量较低。最大河床降低在拦蓄后第一个世纪内达到建坝前满岸水深的25%至50%，至360年可达65%。所有河流建坝后河道迁移速率始终低于无坝情景，表明大坝对河流地貌动力学的持续长期影响。
**大坝诱发地貌变化的水文后果**：建坝后，河道—洪泛平原侵蚀与高流量减少共同改变了水位、流量和洪泛平原淹没之间的关系。在靠近大坝、下切最剧烈的河段，相同洪峰流量下的平均水位下降约0.5至1 m。移动性强的类别1河流中，建坝后洪峰水位无法达到原洪泛平原高程，即使超过模拟范围的极端洪峰也难以淹没原始洪泛平原。统计检验显示，所有河流在坝后的总淹没面积与无坝情景存在显著差异（Kolmogorov-Smirnov检验，P << 0.001）。类别1河流总淹没面积减少近50%，低频率和中频率洪水淹没面积显著减少；类别2河流总淹没面积减少22%，但淹没主要局限于原洪泛平原的中下游区域或最高流量时。由于坝后泥沙供给减少，废弃河道（cutoff）充填不足，建坝河流中废弃河道总面积大于无坝情景，表明河道与洪泛平原之间连通性的长期损害。
**初始河流动力学的作用**：河流对大坝的响应强烈依赖建坝前的河道比降、泥沙输移速率、侧向迁移速率和河道—洪泛平原耦合程度。初始迁移速率高的河流（类别1）经历更大的洪泛平原下切和水位变化；初始泥沙输移速率低的类别2河流响应相对缓和。对多种泥沙拦截率情景的模拟表明，所有情景下大坝建成后50至100年内均会发生大量侵蚀，且低梯度、低泥沙供给的河流中侵蚀持续360年。类别1弯曲河流中，泥沙拦截程度控制着达到新地貌平衡的松弛时间，降低坝址泥沙拦截率可减缓世纪尺度的净侵蚀。结果表明，优化大坝选址不仅应考虑河道纵向连通性，还应考虑河道—洪泛平原复合体的局部耦合，包括侧向迁移性和敏感静水生态系统的存在。
**讨论与结论**
先前研究主要关注大坝下游河道侵蚀导致的河床坡度、宽度和泥沙组成变化，而本研究表明新的平衡同时延伸至洪泛平原，且强烈依赖侧向侵蚀对河道下切的限制作用。在侧向动态河流中，侧向侵蚀补偿泥沙通量失衡，导致建坝后百年内发生大范围洪泛平原快速下切。这与欧洲和北美受限河流中观测到的快速河道下切形成对比——后者因护岸和堤防限制岸坡侵蚀而促进下游远端河床退化。大坝导致的水位下降和洪泛平原下切加剧了河道与建坝前洪泛平原的解耦，改变了洪水频率和淹没范围，类似温带弯曲河流中下切河段的观测结果。这种解耦使近河洪泛平原经历更高洪水频率，而远离河道的远端洪泛平原则失去与河道的连通性，地下水位下降，洪水风险降低但未消除。洪泛平原物种多样性高度依赖地形多样性和淹没—土壤湿度状况，因此生态系统变化可能持续数百年，关键或标志性物种可能不可逆丧失。尽管大坝降低了形成废弃河道的河道迁移速率，但在最动态的河流中废弃河道面积反而增加，原因在于河道—洪泛平原解耦抑制了漫滩泥沙向原洪泛平原外缘输送，减少了废弃河道的充填。这种解耦及相关的水交换减少可能降低废弃河道的水质和氧合作用，切断静水和流水河流生态系统，影响依赖这些湖泊产卵、觅食和庇护的鱼类及其他迁移水生生物。模拟还表明，如果坝址泥沙供给保持在初始总泥沙通量的约40%以上，有可能维持大面积洪泛平原，尽管淹没频率会改变或降低。研究结论强调，大坝建设通过垂向和侧向侵蚀诱发洪泛平原下切，可在数百年尺度上改变河道—洪泛平原形态和淹没机会。灵活的坝体运行策略（如间歇性冲沙、生态流量、泥沙管理）可能有助于减缓下游广泛侵蚀，但侧向侵蚀仍会因泥沙输移与迁移速率之间的正反馈而持续驱动洪泛平原下切。虽然本研究的探索性模型基于安第斯山前盆地特征，但该方法适用于其他面临水沙制度改变的动态富泥沙河流地区，适应性管理策略应充分考虑建坝前河流的水文和地貌动力学特征。
