互动科普

科学家们只是为了科罗拉多河内的与周围环境的利益，才在1996年初春去监测一次有控制的洪水。

30多年来，格沦峡谷水坝拦住了科罗拉多大峡谷上的科罗拉多河的流水。科罗拉多大河谷这一美国西南部沙漠中巨大的蜿蜒曲折河谷，是自然界的奇观之一。虽然许多人承认，筑坝拦住河水会毁坏河的上游但是没什么人料到，对下游的环境也可能有严重影响。但是几年来,科学家、政府官员与专业的河流导水员都越来越注意到科罗拉多大峡谷内的令人忧虑的变化。

这些改变之所以发生是由于修建了大坝后，每年夏季发生汹涌洪水的自然模式被按远方城市电力需求调节的每天稍微涨落的模式所取代的缘故。水坝从而消除了河水流量正常的季节变化，结束了每年巨大洪水冲刷科罗拉多大峡谷这样一种情况。虽然洪水一年中只持续几周，但是它们是侵蚀河流通道的主要力量。洪水定期地从河岸上卷走除最高的以外的所有植被，使砂条沉积，从河滩上拔出砾石。格伦峡谷水坝投入使用以后，外来的植物侵入，砂条消失，砾石堆堵塞了主河床。

于是当数十个科学观察人员（包括我们三人在内）做好了准备。内政部长Bruce Babbitt就在1996年3月26日上午6:20打开格伦峡谷上的4个巨大“喷出管”的第一个，开始了大胆的环境恢复试验。在其后的9个小时内，另外3个喷出管与8个水轮机加入泄洪行列，将流量增加到每秒1270立方米一一排水量大于单独通过水轮机的最大流量的50 %。当水的巨浪增加时，河面比平常上升5米。在持续一周之久的试验期间总共有9亿立方米的水流过峡谷。以前从来没有特别为环境的利益有意放过洪水、所以我们急于想帮助估计其结果。

改变了的河

我们与监测试验性洪水的其他许多科学家一起察觉，自从1963年格伦峡谷水坝启用以来，峡谷的条件正在显著地演变。建成水坝以后，实际上来自上游的所有沉积物都被坝截留在新形成的鲍威尔湖中，在科罗拉多大峡谷中的大部份沙滩则开始缓慢地，但是不断地消失。到了规划试验性洪水的时候，在河里的一些急滩由于从峡谷侧面冲下来的粗大碎石的阻塞，以致个别航程成为极端难于航行。受控的河流没有足够的力量来消除充满砾石的沉积物。自从建成水坝以来，许多熟悉峡谷的人也观察到了植被的急剧变化。当地的小柳，以及外来的怪柳，Camelthorn，甚至狗牙草都在以前是光秃秃的河滩上生了根。生长在原先高水位线上的成熟牧豆树开始死亡。

但是并非在这条河上筑坝引起的所有变化都是明显不符合需要的。以前在暖和浑浊的自由流动河水中没有鲑鱼现在则在水坝下的寒冷清洁的水中大量繁衍。流量的稳定适宜于河边上的树木与灌木生长、而这些树木与灌木又为一些濒危鸟类提供了新的栖息地、新的植被绿带也使曾经是荒芜的峡谷更易为其它种类的野生动物和为了娱乐来到这条河边的无数野营者所接受。

的确，对峡谷生态系统有利的许多变化可以转移对一些妨碍更大的趋势的注意。直到1983年许多科学家与环境学家才充分注意到洪水原来在形成峡谷中的作用。那一年6月，冬季积雪场的突然融化迅速注满鲍威尔湖、并且迫使格伦峡谷大坝的操作人员以每秒2750立方米的流速放水。这一流量比一些记录到的洪水事件小得多，但是它仍然是一个严重的事件。

在1983年紧急放水需要首次起用“溢洪道”一一凿进靠在水坝旁边的格伦峡谷壁上的巨大排水隧道。水坝的操作人员首先感到惊愕一一接着是严重担优一一他们看到当急速流动的水从溢洪道中先冲走寺混凝土，接着冲走巨大的沙石块时水流都变红了。有些人害怕对溢洪道的毁坏能够灾难性地破坏水坝。幸亏危机过去了，工程师们能够重新设计溢洪道以便将“空化作用”减至最小。这种现象(在流动液体内形成部分真空)从隧道吸取材料，使它们以惊人的速度被侵蚀。    

1983年洪水的下游效应也突然对其它的峡谷起作用。当洪水从淹没的河岸退去时，科学家们与熟悉该河流的航监员们大吃一惊地发现，许多以前收缩了的沙滩现在覆盖了新鲜沙子。洪水毁坏了一些人工种植长得很茂盛的外来植被，并且也在许多地点部分地恢复了河边动物的生境。如果随之而来的是水坝有几年时间正常运行，许多人就因为改善峡谷的条件而欢迎1983年的洪水。但是在随后的3年期间，科罗拉多流域中的径流仍然十分大，并且格伦峡谷水坝的操作人员被迫放出大量的水一一平均每年230亿立方米；一直到1986年，每年至少有短暂的一些时期，流量通常达到每秒1270立方米。在1983年形成的沙滩很快被冲毁了。单独一次洪水似乎能够产生沙滩；频繁重复的洪水则可以毁坏它们。

另一次洪水的时间?

当科学家们对峡谷中洪水的危险与好处知道得更多的时候，关心该河流命运的那些人中有许多人开始认识到需要恢复某些类型的洪水。研究过科罗拉多河引起沉积物移动的大部分地质学家确信，一次人造洪水将有益于峡谷，并且他们于1991年在科学团体内开始支持那种想法。但是在讨论期间，一些生物学家大声地说出他们的担心：一次洪水会危及几个濒危物种在峡谷内的繁衍增加。一些地质学家也担心最靠近格伦峡谷水坝的沙滩由于疏忽而被冲毁。在峡谷工作的人类学家也表示担忧，新的洪水会加速侵蚀与威胁邻近该河流的考古学场所的完整性。

但是总的意见是，有目的的洪水将利多于弊，所以应该加以安排。到了1993年，赞成淹没的嗡嗡声变成了呐喊声。一些最响亮的声音来自一直被迫在越来越小的沙滩上寻找设营位置的航监员们一一尽管每年有几百万公吨的沙通过水坝下的两条支流，即帕里亚河与小科罗拉多河进入科罗拉多河。在格伦峡谷水坝正常运作的情况下，这些沙中只有450,000公吨流向下游，并冲出大峡谷。于是沙就塞满峡谷，但是它没有积累在岸上：相反，它沉积在该河的底部，难以看见。    

我们与美国地质调查所(USGS )和垦殖局的格伦峡谷环境研究项目的其他同仁确信，一次洪水会搅拌起这些沉积物，并使它们沿着河岸铺洒，就像水坝控制住它以前这条河所做的一样。但是哪种洪水将是最合适的呢?讨论这一问题的人们同意，一年中开始试验的最好时间将是3月末狭窄的窗口期间，当鱼最不可能产卵，麻烦的怪柳植株还不能萌发的时候。在那个时候的一个日子，也会确保在这个峡谷中越冬的秃鹰与水鸟已经离开了。不过，对洪水大小的最佳选择仍然是难以捉摸的。

这种困难的一个原因是，河流搬动的沙的数量随排放率而有很大的变化。当排放量翻番时，沙的流量增加到8倍。因此，对一定的洪水体积来说，更多的沙将被流动时间很短的一次大洪水而不是被持续时间较长的一次较小的洪水所搅动并沉积在岸上。我们中间的一个(Andrews )提出按每秒1500立方米的速率放水，它将接近于建成水坝前典型的年洪水大小的三分之二。毕竟，如果目的是恢复一个关键性的自然过程，为什么不大致上试试接近那种水量呢?

但是有立法上的限制：通过水坝大于每秒1270立方米的流量便会要求使用溢洪道。尽管进行了修复和改进，垦殖局的管员们仍不愿冒险重复1983年担惊受怕的经历。将洪水限制到每秒1270立方米也将会对生活在水坝附近的濒危螺类的威胁减至最小。人造洪水的大部分支持者觉得这一水量是一种合理的折衷办法。他们同意，洪水会持续一周——使数量相当大的沙重新分布的足够长的时间，但是不致于把河流底部的所有积储的沙冲完。

在试验前夕，我们最大的担心是，洪水的力量不够用来造出大小可观的沙滩，但是也赞成洪水试验的犹他州立大学的地质学家John C. Schmidt还有一个更大的担心。他担心有些东西可能意想不到地出错，骄傲自大的科学家们是否会使从科罗拉多大峡谷的核心部分留下的东西变成废墟?

涨水了

在3月26日按预定计划开始放出洪水，河水上涨并沿着峡谷疾速流过。来自USGS的科学家们作为信号将30公斤无毒性的荧光染料释放到水坝之下不远处的河段中，他们用种化合物通过测量这种染料到达峡谷中放有灵敏的荧光计的6个位点的时间来跟踪水的流速。USGS的研究人员开发的数值模型准确地预测了洪水的进展情况。模型与测量结果表明，当洪水流过峡谷时它们的流速加快了，以致于几乎在实际的洪水到达前1天，第一个峰顶就被推到了在峡谷下游末端的米德湖。

在其向西流往米德湖的路上，洪水改造了该河流许多部分的形状。例如，在水坝下大约300公里的一片叫做拉瓦瀑布的湍滩上，河水贴着松散的泥浆与砾石构成的扇形河岸上涨，这些砾石是一年前在碎石流沿着一个小的峡谷侧面轰鸣而下后形成的。碎石流与泥浆所堆积的物质使科罗拉多河变狭到几乎只有20米宽(正常情况下在那里为50米宽)。虽然一些地质学家以前断定，需要很大的洪水来消除这样的阻塞物，但是我们认为，这一次的洪水足以完成这项任务。

所以我们十分高兴地看到试验性洪水结果是多么有效。当3月27日该河流的排水量拉瓦瀑布处超过每秒850立方米时，劲头十足的洪水很快贯穿新的碎石扇面，将其尺寸减小三分之一。我们将无线电发送器放置在原来就位于湍滩顶部附近的10个大石块上对这一事件进行研究。尽管它们的尺寸相当大(达到0.75米宽)，所有10块岩石在洪水期间都向下游移动。我们随后用定向天线测定8块砾石的位置。大石块平均移动了230米。

除了在拉瓦瀑布追踪砾石外，我们还和几个同事一起测量沙在一些其它关键场所沉积的情况。为了进行这些研究，我们选择了5个旋涡——在那里河流突然变宽了，水则在靠近河岸的上游打旋。我们使用激光跟踪设备与一只装备声纳深度探测器的小船将洪水期间含沙的底部制成了图。结果是十分令人吃惊的。我们发现大量的沙积累于头36至48小时内。但是就像沙的流入量所显示的，旋涡的底部开始失去沙子，它们又回到主河道内。

这一过程开始使我们迷惑，但是再更仔细地检查了测量结果后，我们意识到许多沉积物原来沉降在它的所谓的静止角上，这种静止角是一种不稳定的相对位置，它导致一些新沉积的沙滑回主河道中。我们还发现，洪水后沙的总量在我们作图的所有5个地方都增加了。

别的许多科学家在洪水期间做了重要的观察。我们的同事J. Dungan Smith在科罗拉多大峡谷的下端附近测量了河的流速与由汹涌的河水在悬浮中所保持的沉积物的浓度。他的目的是将洪水期间被冲刷出峡谷的沉积物数量与被帕里亚河和小科罗拉多河正常传送的数量相比较。Smith还在分析他的数据但是他将很快能够预测在没有清除现有沙的贮量的情况下，多久实施一次人造洪水。

别的几个科学家对沙的运动特别感兴趣David M. Rubin用光学传感器与从USGS的海洋学家同事们那里借的声纳设备研究了进入一个旋涡的水中沉积物的浓度，并且表征了这种沙沉积的精细比例模式。在同一地点工作的Jon M. Nelson记录了打旋的涡流在流向下游的主水流冲过较慢的向上游流动的旋涡处成一行地形成的奇怪过程。Nelson观察到，当主水流推动这些涡流流向下游时，因为流动在摩擦最大的河道底部附近减速，所以涡流倾倒了。在这一倾斜的位置上，他论证道，涡流那时的作用应将沉积物席卷到主水流以外并使其进人旋涡之中。

但是沉积物以远远大于预期的速率在旋涡内进进出出。Rubin与Nelson怀着沮丧的感觉看着价值70,000美元的借来的设备首先被淹没，接着又翻上来最后被水带走。他们十分幸运地收集到充分的数据来证明涡流“沉积泵”像他们预测的那样起作用。所以，他们的想法经得起试验性洪水的检验，虽然他们的许多设备没有了。

就像所预料的，许多新沉积的沙迅速被冲蚀。但是几个月后，其中的许多还仍然在被科学家们所监测的位置上——也在许多其它的地方。在1996年夏季，许多长期的观察者认为，科罗拉多河恢复了一些它原来的面貌。这些印象证实了为垦殖局工作的生物学家Lisa H. Kearsl eY的更为仔细的评估。她跟踪了遍及整个峡谷的几乎100个沙滩的变动情况，并且断定其中的14 %被洪水所缩小，而50%增大了，其余的则未受影响。洪水后6个月，她发现许多沙都滑回到河里，但是沙滩面积仍比以前大。

扩大了的沙滩在未来的年代应该使野营者中意，但是科学家们也急于知道洪水可以怎样影响峡谷的许多声音较小的居民因为1983年初意外放出的洪水伤害了鲑鱼，生物学家们特别担心1983年试验性洪水会将许多鱼远远冲向下游。为了找出结果，生物学家们在试验洪水期间将网放置河中的拉瓦瀑布下。这些科学家们捕获的蛙鱼要比他们在其它时候捕获的略多一些，但是他们的试验没有证明当地的鱼类有任何一点点骤增。因为它们的祖先毕竟在许多较大的自然洪水中幸存下来了。生物学家们推测，当地种类（与大部分蛙鱼）必定是很快后退到沿着河岸的保护区。另外一些研究人员确定，洪水几乎不干扰处处存在的刚毛藻与有关的构成鱼类的重要食物资源的无脊椎动物的存活。

但是对当地生物区系其它组成部分的影响仍然是一个争论得很激烈的间题。垦殖局的生物学家Lawrence E, Steven在整批动物(有一些濒危)迁移到峡谷内并在由格伦峡谷水坝创造的人工环境中存活的情况下研究科罗拉多河有25年了。他担心有意放出的洪水可能威胁由《濒危种类保护法》所保护的一些种类，如像驼背鲤(一种鱼)，西南柳鹅(一种鸟)，或Kanab拍螺的存活。但是我们会争辨说，洪水是过去的科罗拉多河的自然周期中的一部分，只要有了科罗拉多大峡谷(大约有5百万年了)，普通的与濒危的许多种类就己经适应了这一过程。洪水的恢复对一些生物可能是有害的，但是我们及其许多同事假定，从长远来说，一批更类似于土生动物群的动物将会回来。

结论

洪水起了作用吗?它将大量的沙沉积在正常的高水位上，并恢复了对产卵的鱼来说很重要的一些回水栖息地。洪水使科罗拉多河上的两个最大的湍滩变宽。沿着科罗拉多河边缘的考古场所既不会得到高水位的帮助，也不会受它的损害；大部分侵入的植被同样不受影响。

因此按照我们的观点，环境上的好处大于任何危害。但是人们也必须考虑其它损失。洪水后5个月垦殖局的经济学家David A. Harpman正在分析对最后价格表有影响的因素。由于在洪水期间甚至在需要量较低时都在不断发电，也由于通过喷流管传送的大量的水完全没有发电，他估计垦殖局放弃了岁入的180万美元左右(电力销售年总收入的1 %左右)。除了这种支出外、科研费用与试验的总成本还要翻一番。

因为在未来的洪水期间将有类似的支出，垦殖局需要确切地知道为了保护环境将需要多么大的与多么经常的洪水答案远不是清楚的。所有有关的科学家都同意，未来的洪水不必持续7天。Smith认为科罗拉多大峡谷沙滩可以通过也许是每年分阶段实施的洪水得到改善只要从帕里亚河与小科罗拉多河进入的沉积物至少与在一次洪水期间从科罗拉多大峡谷带出的沉积物的数量一样大。我们中间的一个(Webb)赞成一开始释放多达每秒2800立方米的洪水来清除碎石扇状物，继之以立即降至更适度的建造沙滩的水位。Andrews强调，在任何情况下应该使人造洪水的大小每年都发生变化，最好是模仿自然变率。

将有更多的洪水吗?在科罗拉多大峡谷与其它地方都可能我们研究了受水坝控制的其它几条美国河流，并且它们也会从周期性的洪水中受益：所以，这些想法与在1996年试验性洪水期在科罗拉多大峡谷内工作的科学家们研制的仪器可能很快育助于恢复美国各地的与也许遍及全世界的许多其它河流内的与河流周围的自然条件。

（胡天其 译 王世德 校）