美国城市发展对淡水生态系统的影响
引 言
进入２１世纪，水资源管理成为人类最大的挑战之一。人口的增长、经济的发展和灌溉农业的膨胀，导致了水资源需求与利用的剧增。而且在未来的数十年内，很多城市的人口仍将继续增长。２０００～２０５０年的半个世纪，全球人口将从６０亿增长到９０亿，其中美国人口将从２．７５亿增长到４．０３亿。这种趋势势必对粮食和能源的生产、城市的发展产生重要影响，增加对现有淡水的压力。
在全球水资源短缺日渐凸显的当今，水资源管理面临越来越多的挑战。全球约有４１％的人口居住在严重缺水地区。如果任由目前的用水模式继续下去的话，那么随着未来人口的增长，这个百分数还将增加。在未来十年中，美国将有３６个州会时常发生局部、个别地区乃至全州性水资源短缺的情况。现在，在西部一些高出生率的州，已经开始出现水资源短缺的问题。
从目前的趋势看，未来城市需水的压力将主要体现在可用水上。 ２０００～２０３０年，世界上城市人口将从４７％增长到６０％，在保证淡水生态系统用水的前提下保证城市用水，必然对城市可用水资源造成巨大压力。
实例研究
根据不同类型的自然水生态系统（河流型、地下含水层类型和河口型），选择了美国五个大城市研究近年来水资源开发对自然水生态系统和当地生态的影响。
洛杉矶市
追溯洛杉矶市２０世纪的供水史，可以称得上是一个当地水资源供给跟不上城市需水要求、城市用水超出当地江河流域所能获得水量的典型范例。１９００年，洛杉矶河可为洛杉矶市提供所有的用水。但随着迁入人口的增加，城市需水在２０世纪初就超出了当地水资源的供给能力，须从其他地区引水才能满足需求。
１９１３年建成了一条从欧文斯河向洛杉矶市供水的渠道，１９４０年又将该渠道延伸到莫洛河流域，并于１９７０年扩大了渠道的输水量。同时，南部主要依靠科罗拉多河和中央河谷供水的地区也开始从加利福尼亚的梅特罗波利坦水区引水。
供水系统的发展对生态系统产生的影响是广泛而深重的。到２０世纪中叶，由于农业和城市用水、水污染以及由混凝土建筑构成的防洪设施等原因导致了洛杉矶河自然生态系统的严重退化。科罗拉多河上建造的大坝和水库改变了下游的生态条件，导致当地渔业产量急剧下降。由于来水量的减少使科罗拉多河三角洲和河口地区湿地缩小，曾经兴旺的渔业也逐渐景气不再。中央河谷用水工程影响了萨克拉门托—圣华金三角洲及其上游的生态系统，导致大马哈鱼产量急剧下降。洛杉矶市实施的跨流域调水对生态系统所产生的严重影响，在欧文斯河流域和莫洛河流域同样得到了印证。
欧文斯河源于内华达山脉的融雪，河水最后流入盐水湖——欧文斯湖。１９１３年，洛杉矶市开始在欧文斯湖上游１００ｋｍ处引水。其下游地区除多雨年份外常发生断流，到２０世纪２０年代后期，欧文斯湖已经干涸。从４０年代开始常从莫洛河流域引水，从而导致了引水线路以上河段平均流量和最大流量的增加。欧文斯河边的植被以及自身的鱼类产量受到了严重的影响。当地四种鱼中已有两种被联邦政府列为濒危种类，另有一种是加利福尼亚特有的品种。调水以及水库蓄水引起的水量变化，是导致这三种鱼类衰减的主要原因。１９４２～１９６４年间，在欧文斯河生长的内华达 已经灭绝，下游几乎所有的河边植被消失，而且水量的变化对上游的植被也产生了影响。
莫洛河流域也在所难逃。莫洛河流域是加利福尼亚最富饶的流域之一，这个封闭流域主要由一个盐湖组成，其来水主要依靠内华达山脉融雪形成的溪流来维持。尽管莫洛湖没有鱼，但湖中的小虾类却为以此为食的数千种候鸟和巢穴鸟类提供了必要的生息环境。自１９４１年以来，调水影响了下游一部分流入莫洛湖的小河，结果造成河边植被消失和汛期河水冲刷使沟渠不断加宽。到２０世纪８０年代，入湖水量减少一半，湖水含盐量也随之增加一倍。水面降低使得肉食动物更容易接近鸟类的巢穴，同时也对鸟类生存所依赖的主要食物的生存和繁殖产生了严重影响。
由于上述问题，引发了关于欧文斯河和莫洛湖环境方面的诉讼，要求减少对环境的破坏，强制洛杉矶恢复欧文斯河下游生态环境和野生动植物的生活环境，减轻欧文斯湖底干枯所引起的沙尘暴和为恢复莫洛河流域自然生态水准而限制向外输水。
为此，欧文斯河和莫洛河流域不能提供的水大部分由梅特罗波利坦水区替代，同时洛杉矶市也开始考虑如何节水。
圣安东尼奥市
爱德华兹地下含水层曾是圣安东尼奥市惟一的水源。２０世纪８０年代开采量是３０年代初的四倍，近２０年来已开采的地下水占到含水层水量的一半以上，对依赖于地下含水层生存的自然物种产生了严重的环境问题。目前该地区联邦政府认定的濒危物种有８种，而威胁这些物种生存的主要是地下水超采而导致的泉水减少。
爱德华兹地下水超采是影响泉水水源和许多地方物种的根本原因。尽管现在科马泉水依然四季不断，但在过去的３０～４０年，周期性水量减少的次数增加以及干旱的加剧正对泉水水源形成威胁，水量的减少逐渐压缩了动植物的生存空间，并加速了源头植物的减少。９０年代初期，大量的诉讼强制德克萨斯州通过了一项对爱德华兹含水层加强管理的法案。此外还制定了一项当含水层水位降到临界水位以下时的干旱管理计划。另一个积极措施就是加强圣安东尼奥市节水意识。１９８４～２０００年，这个城市的人均节水达２４％。
尽管爱德华兹的地下水管理卓有成效，但圣安东尼奥市为了满足２０５０年人口翻番对水的需求，制定了一项包含诸多工程在内的计划。其中包括两个向下游延伸２００ ｋｍ甚至更远到科罗拉多河和瓜达卢普河的引水工程。这两个工程极有可能破坏马塔戈达湾和瓜达卢普河下游的两个将渔业作为产业支柱的河口地区生态健康。虽然目前尚不能得出这些工程产生影响的最终结论，但是以下分析表明，这些地区生态环境将变得极为严峻。
菲尼克斯市
２０世纪上半叶，菲尼克斯市及周边地区的水资源开发主要是满足农业部门需求，但此后，人口增长和城市发展也成为水资源开发的重要因素。公元３００～１４５０年，索尔特河就开始了农业灌溉，但是对亚利桑那州河流的影响始于１９世纪，一直延续到２０世纪。
为满足不断增长的农业需水，１９１１年在索尔特河上建成了罗斯福坝，该工程大大推动了当地的农业发展。截至１９３０年，罗斯福坝下游又兴建了另外三座大坝；到１９４６年，贝尔德河上又建了两座坝。这一时期，与农业用水相比，菲尼克斯市的城市用水所占比重很小。但是自４０年代以来，随着干旱增加以及人口的日益增长，城市的需水远远超出了供水能力。１９５２年达成了一项将部分农业水权转向城市用水的协议，并于其后完成了中央亚利桑那工程（ＣＡＰ），从科罗拉多河引水到亚利桑那州中部和南部的菲尼克斯。
如此大规模的建坝和用水，很大程度上破坏了水流状况、地形、植被以及索尔特河生态系统中的动物体系。格拉尼蒂里夫坝建成后，自４０年代中期开始，流量逐步减少，一段时间，河流几乎干枯。坝的运行和泥沙沉积变化导致该区域河道的下切侵蚀。索尔特河上所建的大坝已经改变了河流的自然流量状况。由于水位的降低、洪水状况的改变以及抽取地下水引起地下水位下降，本地河流的植物已经灭绝或濒于灭绝。
生态系统以及环境条件的改变导致了本地区鱼类的灭绝。到２０年代中期，建成格拉尼蒂里夫坝之后，原来河流中的１４种鱼类消失了一半；到４０年代中期，最多只剩下３种鱼了。在罗斯福坝附近，１９５０年就已经没有幸存的鱼类了。据美国鱼类与野生动物恢复计划中的一篇评论报道，已有８类鱼由于索尔特河的改造而全部灭绝。蓄水量、水流变化以及逐步减少的水量成为鱼种减少的三个主要因素。
当然，不仅索尔特河一条河受到影响。自１９２７年阿瓜弗里亚河修建了灌溉水坝之后，仅在丰水年或汛期才会有流量。索尔特河的改变也影响到希拉河的流量，污水处理厂排放的污水使本地鱼群慢慢在这些河流中消失，建坝与用水是主要因素之一。
纽约市
纽约市有个覆盖面最广的供水系统。１９１１年，克罗顿供水系统已包括１２个水库和３个可调控的湖。在供水不足的１９０７～１９２７年，又建成了两个水库和一条引水渠，从哈得孙流域的卡茨基尔山中的两条小河调水。纽约供水系统中最后也是最大的当属１９３７～１９６５年建成的四个更大的水库以及若干引水渠，从特拉华河的三条上游支流调水。
纽约市所建的供水工程严重影响了河流流量以及河水中的生物群。从斯科哈里河上的一座水库往南调水入纽约市，意味着切断溪流，改变其流向，也改变了冷暖水环境。水库下游１５～２５ ｋｍ的区域，水位已经降低。最近联邦法庭因为纽约市通过其供水管道将大量泥沙排入伊索珀斯河，违反了《清洁水法》，对纽约市实施了罚款。其实最受影响的是特拉华河上游的支流、特拉华河的东西支流以及内弗辛克河。上述河流，流量变化较大。美洲仅有的鲱鱼栖息于特拉华河，最大的鲱鱼也存活于此，东西支流的汇合处是产卵地，距大坝不远。６０年代，西支流上的大坝对鲱鱼产卵有着直接的不利影响，由于鲱鱼对从水库排放的冷水很不适应，因此原有的产卵区域就不可能始终安全。为了赶上下游的流量，结果西支流的流速加快了，导致鲱鱼靠近岸边，也影响了其产卵和迁移。
由于大坝下游的河床很粗糙，并且西支流夏天的流速猛增的缘故，特拉华河河底的无脊椎动物的数量很少。研究发现特拉华河几乎没有蚌，将此归咎于大坝下游水位的波动以及水温的降低。有数据表明，内弗辛克河大坝下游蚌的数量种类很少，据推断，虽然内弗辛克坝建成后流量稳定，有助于少量蚌的繁殖，但这是以破坏整个河流系统生物的多样性为代价换取的，因为，大坝的建设打乱了本地鱼类的运动，也改变了自然的生态系统。
亚特兰大市
预计亚特兰大市人口到２０３０年将比目前增长５０％以上。亚特兰大市的大部分水来自查特胡奇河，特别是１９５８年建成的拉尼尔湖水库，它是一项枢纽工程，包括发电、供水和防洪。亚特兰大市的其他主要水源是依托瓦河，它建成于１９５０年，也具有综合效益。
亚特兰大市的两大供水水库已经影响到河流的自然条件，大坝排放冷水改变了河流的自然状况。有关专家在１９９７年就已经详细地说明了依托瓦河阿拉土纳坝对天然动物的影响，目前大多数动物已经灭绝。大坝下游大约６０ｋｍ的鱼类受到影响，主要是由蓄水引起的。
由于未来供水需求的增加，上述河流以及其他一些河流的生态也将受到影响。目前的规划是增加从查特胡奇河、依托瓦河和其他河流的取水，重新配置水库蓄水，从其他用途转向供水，新建五座小型水库，提高节水能力。亚特兰大１９９０年最初从查特胡奇河和弗林特河取水的方案很快引起争论，主要是由于对下游阿巴拉契科拉湾河口的影响。阿巴拉契科拉湾是北美最重要的渔业资源之一，占佛罗里达牡蛎产量的９０％。阿巴拉契科拉湾—查特胡奇河—弗林特河（ＡＣＦ）在用水上的争端使１９９７年亚拉巴马、佛罗里达、佐治亚三州之间签订了缩减用水的协议。在协商五年后，这些州未能就三河流域水资源配置达成一个协议。
存在的一个主要问题是亚特兰大市新增的取水将大大减少下游阿巴拉契科拉河的流量，因此影响到河口流量。有关流量减少的确切数量、所产生的负效应虽尚未确定，但是研究表明，在旱季或接近旱季时水流的人为减少可能引起生态系统循环状态的永久性削弱。
分析与建议
目前已建的大多数水利工程存在一个普遍的问题，即对淡水生态系统的需水要求缺乏考虑。水资源开发需要建立适应生态可持续性的水管理，也就是“在满足人类持续用水以及其他一大批由天然淡水生态系统提供产品和服务的情况下，保护生态系统的整体完整性”。因此，通过减少取水来恢复淡水生态系统的做法是不为提倡的，这种做法既不受欢迎又不切合实际。所提倡的是利用现有技术和管理手段，并鼓励更多的人进行创新，以便当人类需要时水管理能够在保护淡水生态系统方面起到更大的作用。
生态系统实现可持续水管理的基本要求是，淡水生态系统应有必要的水量维持其健康。包括两方面的内容：一是用科学方法评估需水量；二是为保证生态系统的必要水量实施有关的水政策和法规。Ｐｏｓｔｅｌ和Ｒｉｃｈｔｅｒ于２００３年率先提出了一个“生态系统配置”的概念，即水管理以每条河流为基础。讨论了以科学方法定义生态系统的需水，并列举了已用于世界各地保护生态系统水分配的法律和政策实例，介绍了许多为恢复人与生态系统之间需求的具有创新性的水管理实践。
有两个主要原因可更好地平衡人类与生态系统之间的需求：第一，已有很多有效的节水方法可使供水能力增强，且新技术的持续发展将会更大地提高用水效率；第二?熏通过改进计划与管理，以更经济的方法保存并获取人类所需的更多的水。
圣安东尼奥市和洛杉矶市的节水体系已帮助其解决了在欧文斯河流域和莫诺河流域供水减少的问题，也使地下水得到更好的管理。在其他城市，节水也显示出了巨大的潜力。加利福尼亚最近进行的一项研究发现，利用现有技术可节省３０％的城市用水，且成本远远低于补充新水源的成本。
亚特兰大市和菲尼克斯市的数据已证实了这种潜能。一个对未来节水方案的分析表明：自１９９０年起，亚特兰大地区的用水效率只需略有提高，到２０３０年人均用水总量可再减１５％。菲尼克斯的节水潜力也很大，通过与另外一个气候相似、７０年代节水的城市——亚利桑那州图森市的比较可见，菲尼克斯市２００１年整个系统和家庭人均用水分别比图森市高２８％和２６％。
水管理在缺水期尤为重要。当城市缺水状况进一步严峻时，需要建立地下水缺水管理计划以满足生态系统的需要。水管理计划旨在缺水期最大程度地减少用水以确保用水安全。但在缺水期和城市供水能力减小的时候，必须要考虑生态系统的需要。洛杉矶市１９７６～１９７７年和１９８７～１９９２年的干旱报告表明，必要时可以减少需水。
为保障未来的城市用水，可以考虑通过减少农业用水来实现。众所周知，灌溉农业是否采用高新技术和先进的管理，其效果差异极大。如在美国西部、加利福尼亚南部已大量投资，用以改进农业灌溉，将节约的水供城市之用。每逢水荒年份，德克萨斯州通过向农场主支付费用让其延缓灌溉的方法，对维持一定流量也很奏效。
即使某些地方需增加供水，也可用变通的方式解决。如对水库现有的蓄水通过再分配的方式，从其他用途（如灌溉、水力发电、水库娱乐、甚至防洪用水等）转向城市用水。地下水可与地表水联合运用，以增加总蓄水能力，而且很多含水层还可通过增强天然渗透能力或通过人工蓄水得以回灌。如果确需其他地表蓄水，可以建设蓄水设施，而非建河流水库，以避免影响生态系统。
生态系统可持续水管理需要有一个预先的发展规划。通过查阅圣安东尼奥和亚特兰大地区水规划的文件可以看出，不管人口是否发展迅速，两个城市都有相当的回旋余地来降低或延迟其供水发展计划。如果未来的节水可能存在技术革新的话，将会大大减少需水。显而易见，对无法预料的环境或紧急事件应备有一个缓冲，除非绝对需要，一般不要开发新的供水水源。
归根结底，为保护生态系统，在水资源规划方面需对人类改造河流设置一些限制。譬如南非１９９８年国家水法规定：维持人类赖以生存的生态系统功能，其水的数量、质量和保证程度应当得到保障，人类用水不得危及水栖生物和相关生态系统的长期持续性。此方法为澳大利亚墨累—达令河流域所采纳，在取水上设置了一些限制，以免损害河流的生态健康。１９９９年的一项研究预计，在实施水市场的前提下，如果未来节水有较大潜力的话，默累—达令河流域的经济经过２５年将翻番。
在水资源开发上，尽管有人积极倾向于建立一种全新的机制，但这种机制的转变仅仅是刚刚起步。如圣安东尼奥的一些城市已处于变革之中，亚特兰大和菲尼克斯才刚刚开始。２１世纪的水管理将面临更大的挑战，无疑有更多的问题在等待我们去解决，相信通过努力一定会取得成功。（本文由水利部发展研究中心姜 斌、刘 倩、虞玉诚、张 岚编译。）
