改造科罗拉多河以拯救大峡谷

工作日晚上，数百万工人回到美国西南部的家中，打开空调、微波炉和电视。从图森到伯班克，电力需求激增。为了满足这种需求，格伦峡谷大坝在早上 5 点或 6 点开始运行，这座混凝土大坝堵住了大峡谷上游的科罗拉多河。中午，平均每秒 14,000 立方英尺的水峰值通过八个涡轮机搅动，然后释放出来。

人工潮汐在下游峡谷深邃狭窄的 200 多英里范围内振荡，冲刷着砂岩河岸，并将鱼类冲出漩涡。这些流量由美国垦务局始终计算和控制，有时在水向下游移动时体积会增加一倍。带领科罗拉多河漂流之旅的筏工知道将船只停靠在高处，并留下大量绳索让它们漂浮，这样他们就不会在早上水位下降时被困。他们知道，河流在不断变化。

然而，如果您在 2018 年夏天在科罗拉多河上划船或钓鱼，您可能会注意到几天都没有潮汐。对于试图更好地了解河流生态系统的科学家来说，这是一个难得的机会，垦务局在夏季周末释放了每秒 8,000 立方英尺的稳定流量。水生生态学家泰德·肯尼迪及其在大峡谷监测与研究中心 (GCMRC) 的团队想看看将河流保持在稳定水平是否有助于苦苦挣扎的本地昆虫种群，其中 85% 的昆虫在潮间带产卵。这些卵可以湿润，但不能干燥；在高潮时产下的卵会在水位下降后一小时内干燥。

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昆虫似乎是微不足道的东西。但它们构成了复杂食物网的基础。当它们的数量下降时，这种减少会影响以它们为食的物种，例如蝙蝠和濒临灭绝的驼背鱼。在被誉为标志性荒野的国家公园中，肯尼迪和他的团队正在试图弄清楚，根据他们在 2016 年发表在《生物科学》杂志上的研究，为什么科罗拉多河大峡谷段是美国昆虫多样性最低的地区之一。“底特律河里的昆虫更多，”肯尼迪实验室的生物学家杰夫·穆尔鲍尔说。

去年夏天，研究人员正在测试调整大坝泄洪，使科罗拉多河更接近其自然流向，是否有助于昆虫种群恢复。在这些测试中，他们人为地创造了在大坝建成之前允许生命蓬勃发展的流量模式——而没有拆除大坝本身。

近 4000 万人依靠科罗拉多河满足日常生活必需品，包括电力、自来水和美国 10% 粮食生产用地的灌溉。自 1963 年格伦峡谷大坝开放以来，河流一直被改造以适应这些需求。这样做改变了生态系统的平衡，这种平衡依赖于沉积物、融雪和季节性流量等因素。30 多年来，研究人员一直在试图弄清楚如何帮助生态系统与人类需求共存，他们终于开始测试一些解决方案。通过制定一项对发电影响最小的实验性流量计划，2018 年的昆虫测试标志着大坝运行首次为大峡谷的物种健康进行了调整。

与此同时，河流却在萎缩。科罗拉多河流域已经干旱了近二十年；2018 年是有记录以来第三干旱的年份。自 2000 年以来，流域环境温度比 20 世纪平均水平高出 1.6 华氏度，研究人员预测到 2100 年，流域环境温度将再升高 9.5 华氏度。气候变化的影响可能会使本世纪末的河流流量减少一半。随着融雪提前和蒸发量增加，垦务局预测，它可能不得不首次削减向下游输送的水量——最早可能在 2020 年。这将给系统的每个部分带来压力，从水电和城市供水到本地鱼类种群。这也意味着实验性流量的空间将减少，科学家们认为实验性流量是了解如何保护峡谷的关键工具。

昆虫研究是朝着维持河流栖息地和人类可持续发展迈出的有意义的一步。它也直接触及了科学与科罗拉多河政策之间的核心冲突：科学家希望具有实验的灵活性，而电力和用水管理者则希望稳定。随着科罗拉多河的干涸，这种冲突将加剧。然而，如果肯尼迪和其他人能够证明改变流量可以使昆虫种群恢复，那么这可能会使生态系统健康成为那些管理西部用水量最大河流的人们更重视的优先事项。

河流法则

早在 1966 年格伦峡谷大坝的压力管道关闭时，很明显，脆弱的、受联邦保护的大峡谷国家公园下游生态系统出乎意料地发生了改变。不稳定的、沉积物耗尽的流量冲刷着沙洲，沙洲是本地植物（如小叶灰柳和箭叶草）的重要栖息地结构。从鲍威尔湖深处释放出来的清澈的 48 度水给濒临灭绝的鱼类带来了压力，这些鱼类已经适应了泥泞的 80 度水流。在大坝建成之前，人们对这些要素之间的相互联系知之甚少，因此这些变化是在没有预先考虑后果的情况下发生的。

直到 1989 年，在 1982 年初步评估的科学证据以及公众和国家公园管理局等机构的压力下，内政部长才要求对大坝进行首次环境影响评估报告。1995 年最终确定的结果证实，濒危物种和宝贵的资源正在受到影响，但内政部没有足够的数据来量化事物的变化程度。在那次调查中发现的信息引发了 1992 年的《大峡谷保护法》，该法案要求垦务局在管理大坝的同时，既要维护水电，又要维护自然栖息地。

为了维护该法案，垦务局于 1996 年成立了一个联邦咨询委员会，以指导大坝运行。该委员会被称为适应性管理计划 (AMP)，由 25 个利益相关者组成，他们代表对水拥有合法权利或在经济上依赖峡谷的团体。他们包括瓦拉派部落，其保留地沿着河流和大峡谷延伸 108 英里；西部地区电力管理局，为 15 个州的客户提供电力；以及旅游业，为当地经济带来 9.38 亿美元的收入。适应性管理是加拿大渔业生物学家在 20 世纪 70 年代创造的一个术语，它是根据正在进行的研究改变管理决策的做法。换句话说，它是从实践中学习。格伦峡谷 AMP 是首次将适应性管理应用于拥有如此多利益相关者的联邦项目。

长期以来，人们对大坝、干旱和其他变量如何给科罗拉多河生态系统带来压力知之甚少。水温、洪水时间、沉积物悬浮、化学成分和物种多样性的变化都会相互影响。“你不可能拉动一根弦，而不期望它会发生变化，”肯尼迪说。因此，在 1995 年，作为 AMP 的一部分，美国地质调查局创建了大峡谷监测与研究中心，以调查这些影响，并充当其强大的团体中唯一的声音。

在美国地质勘探局的支持下，GCMRC 的地质学家、水文学家、生物学家、生态学家和其他科学家监测河流并为 AMP 提供建议。在过去的二十年中，研究人员建立了一个纵向数据集，以建立峡谷生命线的基线。他们设计了实验来探索鱼类种群的减少和沙洲的消失——所有这些，理想情况下，都不会削减其他利益相关者的需求。“以前没有人做过生态系统科学，也没有研究过大坝的管理，”前垦务局生态学家戴夫·韦格纳说，他在 GCMRC 成立之初就建立了它。“我们是在摸着石头过河。”

在最初构思适应性管理计划的单一物种渔业中，更容易灵活地管理生态系统。在像科罗拉多河这样复杂的非线性系统中，这种迭代策略也是一个紧张点——尤其是在任何调整都需要 25 个相互竞争的价值观达成共识时。“我们改变了一些我们可以控制的东西，然后两件我们无法控制的事情很快就会发生变化，”西南生物科学中心副主任、负责监督 GCMRC 的地质学家泰德·梅利斯说。例如，GCMRC 目前正在努力解释自 2012 年以来掠食性非本地棕鳟鱼种群增加了 1000% 的现象。这种激增发生在旨在建造沙洲的实验性高流量前后。但梅利斯说，这就是适应性管理的意义所在：从生态系统变化中学习并做出响应。

关注昆虫

2017 年 11 月，在大峡谷周末昆虫流量实验开始前几个月，我加入了肯尼迪实验室的穆尔鲍尔和大卫·古德诺夫，另一位研究人员，每月收集岸边和河流中昆虫种群的样本。如果 GCMRC 科学家能够了解是什么触发了昆虫的死亡，他们就可以明确地展示流量和食物网等因素是如何相关的——以及为什么在快速变化的未来的任何管理策略中都必须考虑这些因素。

肯尼迪自 2002 年以来一直在研究大峡谷的昆虫。他认为，水力发电高峰——即为满足电力需求而上下波动流量——是科学家们看到摇蚊数量最少，几乎没有蜉蝣、石蝇或襀翅目的原因之一，所有这些昆虫在其他西部河流中都很普遍，而且很可能曾经在科罗拉多河中也很丰富。他的团队模拟了昆虫产卵周期对水力发电高峰的反应，研究人员在 2016 年发表了一篇论文，假设限制大坝泄洪造成的人工潮汐——即使连续两天——也会给昆虫足够的时间繁殖。现在，肯尼迪和他的团队正在竞相测试，将流量调整到更自然的状态是否会恢复和保护大峡谷生态系统，使其免受日益严重的干旱和人类影响的河流的侵害。

直到最近，这样的实验才有可能进行。2016 年，由于科学和法定职责（例如濒危物种名单的增加）都发生了变化，垦务局和国家公园管理局修订了最初的环境影响评估报告，以允许更广泛的实验性流量。2018 年的昆虫流量是 GCMRC 在新的法律框架内尝试的第一个测试。这是一项及时的工作，在全球性问题的大背景下：2017 年发表在《PLOS ONE》上的一篇论文发现，自 1990 年以来，德国的飞行昆虫种群数量锐减了 75%。该论文的作者是荷兰拉德堡大学的卡斯帕·A·霍尔曼领导的，他们警告说，这种下降将对欧洲的授粉和养分循环产生连锁反应——这种情况已经在科罗拉多河上演。

在一个寒冷的十一月黎明，研究人员和我离开了位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的 GCMRC 办公室，驱车前往格伦峡谷大坝下游 16 英里的利斯费里船坡道。在一艘名为水银号的喷射艇上，我们沿着黑色的河流向上游驶向大坝，然后向下游驶入大峡谷的咽喉。穆尔鲍尔和古德诺夫在监测点每隔大约一英里设置了四个粘性陷阱——背靠背的培养皿，内衬粘合剂并粘在铝桩上——以捕捉成年无脊椎动物。我们穿过峡谷 21 英里，采集水柱中悬浮物的拖网样本，以了解昆虫密度和物种多样性随着我们离大坝越来越远而发生的变化。

河里几乎没有昆虫。在我们向下游行驶时，没有昆虫飞进我们的牙齿或眼睛。当我们停在柽柳丛中收集粘性陷阱时，也没有昆虫叮咬。当穆尔鲍尔拔出一个样本桩并查看培养皿内部时，他感到非常失望。“哦，我的天哪，大卫，”他对古德诺夫翻了个白眼说。“我们抓到了……摇蚊！”

后来，他们在实验室里对样本进行了分类，用镊子取出摇蚊的身体，并统计了不同的物种，一丝不苟地添加到沿河 22 年的单个昆虫总数记录中。肯尼迪希望 2018 年夏季受控流量的数据能够揭示大坝泄洪的物理过程如何影响昆虫。研究人员担心，气候变化等因素正在以比他们研究速度更快的速度改变条件。但是，如果 GCMRC 能够证明，改造河流以使其更自然地流动可以使整个生态系统更具可持续性，那么这将强调威胁从科罗拉多河转移更多水的新项目的风险。

以鲍威尔湖管道为例。它每年将从鲍威尔湖（格伦峡谷大坝后面的人工水库）抽取 86,249 英亩英尺的水，并将其转移到犹他州南部的两个不断增长的县。犹他州水资源部于 2006 年首次提出该管道，2018 年 9 月，联邦能源管理委员会同意为该项目的水电部分颁发许可证。随着不断扩大的社区试图索取他们合法分配的每一滴水，肯尼迪正在研究昆虫如何与河流系统的其余部分联系在一起——并展示 AMP 如何在下游水量减少的情况下同时管理两者。

更热、更干燥的未来

让科学家在水资源管理中拥有发言权，使人们对科罗拉多河水库如何遭受气候变化的影响有了新的认识。许多消息令人震惊。科罗拉多州立大学的气候科学家布拉德·乌达尔和当时在亚利桑那大学的乔纳森·奥弗佩克在《水资源研究》杂志上发表的 2017 年研究发现，21 世纪科罗拉多河的平均流量比 20 世纪低 19%。他们预测，由于全球变暖的影响，到 2100 年，流量可能会下降多达 55%。“如果你一直在关注，尤其是在过去两三年里，你现在应该感到害怕，”乌达尔说，他指的是可能很快就没有足够的水来满足法律和环境需求。在垦务局每年 9 月底结束的水量统计中，2018 年流入科罗拉多河流域的水量仅为历史平均水平的 43%。

鲍威尔湖的数学计算也存在问题。由于科罗拉多河的水几乎被分配到了最后一滴，因此湖泊水位对于 1922 年的一项法律协议至关重要，该协议保证每年将有 823 万英亩英尺的水流过利斯费里。垦务局从 20 世纪 50 年代开始建造水库——包括鲍威尔湖。但这些蓄水系统只有在得到补充时才能发挥作用。鲍威尔湖在海拔 3,700 英尺时被认为是“满的”；上次发生这种情况是在 1986 年。在 2002 年有记录以来最干旱的年份，只有 380 万英亩英尺的水从科罗拉多河上游流入鲍威尔湖。由于鲍威尔湖的全部目的是即使在不下雨或下雪的情况下也能保持下游供水的稳定，因此法律规定的 823 万英亩英尺的水仍然流出。

然而，这种逻辑从根本上来说是错误的。该协议用水量是根据垦务局在 20 世纪初完成的计算分配的，那是测量历史上记录的最湿润时期，结论是每年有 1800 万英亩英尺的水流过河流流域。自 1922 年安装在利斯费里的 USGS 河流测量仪收集的数据显示，平均年流量实际上为 1480 万英亩英尺。由于该协议是联邦法律，因此 823 万英亩英尺的下游义务仍然存在。水资源管理者称之为结构性赤字，这意味着如果每个州都索取其全部份额——由于鲍威尔湖管道等项目，这将在不久的将来成为现实——将没有足够的水来分配。

加速的干旱变得如此具有威胁性，以至于在 2018 年，七个“流域州”起草了应急计划。每个州都概述了如果鲍威尔湖水位达到海平面以上 3,525 英尺（仅略高于舒适地维持大坝发电所需的高度），它将把分配的协议用水量中的多少留在水库中。（2018 年 11 月，鲍威尔湖水位为 3,588 英尺。）尽管临时指南于 2007 年发布，但这一正式步骤标志着自该协议签署近 100 年以来，流域州首次制定了具有法律约束力的计划，以应对更加干燥的未来。最终，政策开始反映科学。

水量减少也使得实验更难进行。“我们在适应性管理计划中做的每件事都必须在年度释放量范围内进行，”AMP 前科罗拉多河上游地区负责人卡特里娜·格兰茨说。GCMRC 研究人员已经考虑了任何可以增加供应的合理选择。一个长期存在且有争议的想法是完全拆除格伦峡谷大坝，然后将水库的水储存在米德湖中，以最大限度地减少蒸发。但到目前为止，科学和政策都不支持拆除。犹他州立大学地貌学家、前 GCMRC 负责人约翰·C·施密特在 2016 年的一份白皮书中发现，合并水库节省的任何水量都不到平均入流量的 1%。施密特解释说，如果不颠覆美国西南部的生活，就不可能解开人类对河流的利用。“有时我们同意损害河流的环境健康，以提供功利效益，”他说。

竞相适应

随着迫在眉睫的水危机来临，GCMRC 科学家正在尽可能多地进行实验。他们希望在避免生态系统崩溃为时已晚之前，提出修改流量以保护自然的具体理由。肯尼迪在他的昆虫流量的“令人鼓舞”的初步结果中说，他的团队在 2018 年 5 月看到的幼虫出现量是过去七年监测的任何月份的两倍多。在这些“昆虫流量周末”，研究人员在河岸上发现了数百万个意大利面条状摇蚊卵鞘的残骸。亚利桑那州渔猎部的钓鱼调查报告称，钓鱼捕获率有所上升，而且据传，河流跑步者和飞蝇钓导游抱怨说，昆虫比平时多了。“这些发现有力地提醒我们，流量确实很重要，”肯尼迪说。

这一成功代表着朝着在科罗拉多河上增加实验和可变流量迈出了有希望的一步。肯尼迪希望它能说服 AMP 批准再进行一两年昆虫流量实验。但这可能具有更广泛的影响。AMP 正开始成为全球管理大坝运行的典范，同时平衡生态系统、能源和灌溉的竞争需求。梅利斯说，在过去的 20 年里，来自巴西亚马逊计划建设的大坝的水文学家和工程师——以及来自日本、中国、加拿大和美国垦务局其他项目的研究人员——来到亚利桑那州，向 AMP 学习并与之分享信息。

适应性管理的协作性和长期性思维可能显得过于理想化。梅利斯提到了科学家在试图找到恢复生态系统健康的联系时必须考虑的“大杂烩”资源。但在已经改变和正在改变的科罗拉多河系统中，仍然有很多感觉很原始的东西，即使需要精确的管理才能使其看起来如此。

当穆尔鲍尔、古德诺夫和我收集了一天的昆虫样本后回到船只发射场时，十一月下旬的阳光正在峡谷壁上投下阴影。气温迅速下降。当蝙蝠在即将来临的黑暗中盘旋和发出咔哒声时，我们是周围唯一的人类。但在遥远的电网下方，美国西南各地的人们正从工作岗位上回到家中，打开灯。河流已经上涨以迎接他们。