俄羅斯基斯羅古布斯卡亞潮汐電站對生態環境的影響

[俄羅斯]M.P.費德洛夫 I.N.烏薩切夫 A.L.蘇達拉娃等

岳 兵 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

基斯羅古布斯卡亞電站是世界上最早建成的潮汐電站之一,已運行 40余年。它為證實潮汐電站建設在技術及環境上的可行性起到了非常重要的作用。

與傳統電站相比,潮汐電站有很多優點:無污染、不占用土地、不需要移民搬遷,而且在潰壩時不會對人類的生命和財產構成威脅。

除了這些固有的優點外,有必要就潮汐電站的環境影響進行深入研究,為此 Lengidroproekt研究所于1924年開展了對基斯拉雅(Kislaya)海灣區域環境的研究。俄羅斯科學院極地漁業和海洋研究所(PIFO)于1960～1970年對該區域的植物區系和動物區系進行了研究。截至1983年,來自摩爾曼斯克海洋生物研究所(MSBI)、PIFO、莫斯科國立大學、圣彼得堡國立科技大學和俄羅斯科學院科拉分院等單位的專家就基斯羅古布斯卡亞電站對環境的影響展開了深入研究。

1 電站剛建成時的生態系統狀況

基斯拉雅海灣面積很小(1.1 km2),具有一個狹窄入口和一海脊。全長3.5 km,被約5 m高的海脊分成兩部分,水深為 36m左右。

在建設電站前,海灣和大海之間的水體流動不受任何限制,潮汐是有規律的半日潮。生物屬于海洋類型,海灣上游生活著咸水生物。研究人員在建站前已經對該區域的生物種類及其豐富度進行了調查,在科拉海海灣通常生活著大約210～220種生物。

對被海壩阻隔的水域的研究表明,其水文條件完全依賴于規律性的水體交換。在潮汐電站建設過程中,該海灣的入?？诒灰怀毕珘巫钄嗔?4 a,使海灣變成一個淡水 -海水的局部循環池。

在電站正常運行前的建設期及第1年的試運行期間,基斯拉雅海灣和巴倫支海間的水體交換速度下降了5～7倍。其結果引起了該水庫水文特征的改變:潮汐范圍及循環下降、表層水發生巨大的改變、表層和深層水體交換停止,并且冰情也發生變化。這些徹底改變了基斯拉雅海灣的生態狀況。

20世紀 80年代早期,水體交換已降到最低的程度。研究發現,這段時間物種組成發生了改變。淺水區生物量和產量大大降低。由于表層水的脫鹽化,大型植物群落已經完全消失,并且大量的蚌類、貝類也因水體硫化氫污染而絕跡。潮間帶生物群落面積減少,海面以下20多米處動物絕跡。

但在1984年,電站開始按設計工況運行,水體交換恢復到天然狀況下的1/4。PIFO與 MSBI對海底生物進行了研究,結果證實海底生物群落已經開始恢復。

隨后發現,脫鹽化對海洋生物的影響局限在 3～5m深的區域,并且僅在庫區的中游以及上游水深15～20m的水域發現水體硫化氫污染和沉積物減少的現象。海平面12 m以下的海洋生物都得以恢復,尤其是一種稱為多枝紅石灰藻的生物。

1983～1984年,在基斯拉雅海灣共發現了115種海洋生物(占建站前總數的53%),其中包括14種大型植物、96種底棲動物和5種魚類。但沒有發現潮間帶大型植物(如巖藻屬、泡葉藻屬等)。在巖質潮間帶,無脊椎動物和植物的數量降低了約 6倍(共11種,建站前為 60～70種),海底生物量下降了2～3倍。在砂質潮間帶,物種數量下降了 3倍(共 8種,建站前為24 ～25種 )。

在新排水區的下部零星分布著多種蚌類,諸如白鳥蛤,上部海搖蚊居多?？傮w上來看,海沙蠋種群沒有恢復。在深水區,這些物種部分被 Polyheta nereis替代。植物群落也有所改變,海面被幸存的水生植物,諸如廣鹽性絲狀綠藻、濱褐藻、外子藻屬和硅藻及藍綠藻所覆蓋。

電站正常運行后,生態系統狀況在2 a內開始好轉。雖然冰覆蓋仍然存在,但脫鹽化大大減弱。與外海相比,浮游生物群落僅在其結構和演替上稍有差異。在基斯拉雅海灣山區,形成河口復合生態系統。潮間帶生物群落開始在新的垂直界面上形成。在基質為砂土的排水區,紫貽貝幾乎占據了白鳥蛤全部和海搖蚊大部分的棲息地,隨后它們又被海洋類型生物替代。各種 polyhet大量增加,騰壺屬的植物在潮汐區的礁石上大量繁殖。在亞潮間帶上區能觀測到繩藻以及一些海星和海膽類生物(波羅的海星、綠海膽)的快速增長。

在生態系統開始恢復的 3 a中,對電站進行了修復,這為海洋生物創造了更為有利的水體交換條件。在其后正常運行的2 a中,在潮間帶垂直面上的主要種群趨于穩定,并且淺水砂土區海底生物變遷也基本結束。海底生物的種類達到25種,生物量增加(主要是蚌類生物量增加),其中潮間帶上區增加到2～3.4 kg/m2,潮間帶下區增加到0.1～0.9 kg/m2。

在基斯拉雅灣寬闊的水域,夏季水體密度躍層深達18～19 m,而在海灣上部水域則維持在7～9 m。在海灣的中部水域,水體交換條件改善的結果是硫化氫污染消失,底棲生物恢復。

大型植物種類也恢復到建站前的 33種。雖然墨角藻在排水區的下部隨處可見(基斯拉雅灣崎嶇段除外),但潮間帶大型植物充分生長的狀況尚未得到完全恢復。一些生活在土壤中、在退潮期能夠抵抗較長時間流水沖刷的物種,在淺海區域的上部生存了下來。

2 潮汐電站水庫水體脫氧后的生態狀況

基于1991～1994年在隔離的水庫以及從海灣一側向大壩延伸的烏拉灣淺海區的觀測資料,對該區域的水體結構、物種多樣性以及浮游動物的種類和分布進行了分析。

夏季水庫水體明顯分為 4層。表層水深2～5 m,溫度較高(12～15℃),并且海水鹽度的變化較大。壩區水體的鹽度為 30‰,而庫區上游因為湖泊淡水的進入而使鹽度降為零。

亞表層具有平流特點,鄰近電站的深孔水深5～15 m,是一個相對均一(溫度為 8～9℃,鹽度為32‰～32.5‰)的水層。在水庫上游密度躍層要比下游深5 m,其中鹽度對該躍層形成的作用要比溫度的作用強2～3倍。

孔深層水的溫度和鹽度較為恒定,年際間差異微小(溫度為1.5～2.0℃,鹽度為 34‰)。其通氣狀況存在實質性的差異,深孔含氧量較高,為 4～6 mg/L,而表孔含氧量為 0～4 mg/L,并且有時候還可檢測到硫化氫。烏拉海灣參與水體交換的水體結構與潮汐水庫的情況基本一致。

水庫水體交換穩定(達到設計狀況)時,水庫和鄰近海域的水體結構和浮游生物量基本一致。烏拉海灣淺水區生活的各類浮游動物在水庫都可以找到。在庫區,自大壩到上游的淡水區物種數逐漸減少。烏拉海灣浮游動物分布密度較大。在潮汐水庫,鄰近大壩處浮游動物數量顯著減少,全庫各深層的浮游動物數量均少于烏拉海灣。

表層水中的浮游生物最多,亞表層略少,而在密度躍層和孔深水處急劇減少,尤其是在缺氧的表孔。

與浮游生物的分布不同,海底生物群落的結構不僅與周圍的水體特征有關,還取決于土壤特性、海底是否存在合適的基質以及生物間已經形成的相互關系。因此,在環境改變的影響下,海底無脊椎動物群落的變化更為緩慢,但另一方面,一旦發生變化,其狀況將長期維持不變。因此,在研究潮汐電站對海洋生態系統長期影響的程度和影響性質上,相比其他生物群落,研究對象更宜選用海底生物群落。

由莫斯科國立大學領銜的研究表明,自從水體脫氧化開始消失的 8 a中,水庫生物量以及海洋類型物種數量不斷上升,曾遭破壞的動物群落生境(在深孔處由脫氧化引起,在潮間帶由脫鹽化引起)有所恢復。如果基斯拉雅海灣的非生物條件保持穩定,一些海底生物群落會逐漸形成。然而,它們不可避免地與建站前的群落有所不同,因為引起它們演替的主要因素依然存在并發揮作用:海灣和外海間的水體交換減少,潮汐水庫水體結構和海底水動力學由此發生了改變。壩區海底生物群落的重建要比浮游生物群落重建耗時長,并且重建后的生態系統與原來的系統有所不同。群落的形成和發展不僅與潮汐水庫和外海之間的水體交換特點有關,還與水體結構以及水體動力學有關。

潮汐堰壩建設影響魚類從海洋洄游到水庫和河流。然而,Sevryba公司得出的基斯羅古布斯卡亞潮汐電站理論數據和試驗(通過捕獲來調查穿過大壩的魚量)結果表明,直徑大于25 cm的魚可以毫無損傷地穿過直徑為3.3m、運行速度為72 r/m in的燈泡式發電機組的導葉和低水頭轉輪。對于更大的電站來說,機組轉輪的直徑達到5～10m以上,故對于魚類的通過更是沒有問題。另外,魚類自由通過堰壩,也意味著它們能通過電站閘門(每次潮汐循環閘門打開2～2.5 h蓄水)。為基斯羅古布斯卡亞電站設計制造的新型正交水輪機組,將使魚類暢通無阻成為可能。與軸流式水輪機不同,其過水能力翻番(空轉狀態),垂直葉片等截面1.2m寬、轉速只有37 r/min,使魚類更易通過。

3 電站穩定運行時的生態狀況

按照 UNESCO“波羅的海漂流大學”計劃的研究框架,1994～1996年夏季開展了對基斯拉雅海灣(潮汐水庫以及附近的烏拉海灣)的研究。其目的是開發海岸環境技術體系的監測技術,并評估基斯拉雅海灣生態系統演替情況。

對非生物因素狀況的分析表明,影響潮汐排水區海底生物的限制因素包括:脫鹽化、影響生物群落類型的土壤類型、人為改變潮汐(規模及低水位持續時間)節律的程度。水孔底部海底生物的發展受到缺氧的不利影響。

在受潮汐影響的區域,分布著兩種類型的海底生物群落。其中一種分布在淺海礁石區,包括騰壺、腹足類(蝸牛)、端足類等10個種群。最多的物種是騰壺,其分布密度達到 40～60個/m2,多的達到100個 /m2。

在基斯拉雅西岸環礁湖砂土區,生活著以 3個優勢種群(鹽生搖蚊、蛤、溝蝦等)為主的生物群落:第1種屬于海洋生物類型,而第2種介于咸水和海洋生物類型之間,第 3種(食草蝸牛)只在海灣的南部可見,分布密度達到 300個 /m2。

蛤類(海灣中部)和海葵(海灣上、中部)在次大陸架中零星可見,扇貝分布在海灣上部和中部的交界處,但數量不多。紫貽貝作為可食用的蚌類,其分布密度還達不到商業捕獲的要求。因此,根據以上分析,在潮汐電站庫區內沒有一種海底生物具有市場開發價值。

根據監測結果,以下幾種海底生物可以作為長期監測基斯拉雅海灣的指示生物:濱螺、紫貽貝和綠海膽。

4 結 語

對基斯拉雅海灣環境的深入研究得出,該海灣生態系統已基本穩定。一方面,一些特殊的海底和浮游生物物種數量已經達到較高的水平。另一方面,該海灣新生態系統還沒有完全形成。在一些非生物環境條件變化的影響下,正在形成的生態系統已與先前的系統有所區別。例如,在1996年異常高水位年份,由大量融化水和排水導致的強脫鹽化使海灣生物群落短期受到巨大影響。

與自然生態系統相比,基斯拉雅海灣物種減少和其生態系統不穩定性可作為環境變化的證明。潮汐電站對環境的影響以及鹽水物種保護是基斯羅古布斯卡亞蓄潮池環境技術體系的主要內容。潮間帶被認為是生態風險最大的區域(該區域海水可能嚴重脫鹽化)。此外,低氣壓的水孔(因氧虧)也被認為是另一個生態風險區。

為改善基斯拉雅海灣生態狀況,可采取如下一些工程技術措施:

(1)潮汐發電機組應該在生態安全設計模式下運行;

(2)在潮間帶,人工構建由多種海藻組成的生境,它們對脫鹽化不敏感并且可以吸引一些浮游水生生物;

(3)通過輸入烏拉灣的海水,可將一些含氧豐富的冷海水補充到缺氧的水孔;

(4)可以考慮建立幾個海水養殖中心。根據PIFO養魚設施的運行經驗,在基斯羅古布斯卡亞潮汐電站的兩側可以養殖虹鱒、鮭魚和鱈魚。

在俄羅斯潮汐電站設計中的生態優化方案中,應關注以下幾種趨勢:

(1)在確定潮汐電站布置方案以及在設計、比選合適的建造方法時都要考慮生態因素;

(2)利用對環境負面影響最小的工業技術和設備;

(3)采用并維持一種能防止海洋生態系統退化的運行方式;

(4)開發和實施一些特殊的措施,例如環境可持續的土地開墾、自然保護和環境保護等;

(5)潮汐電站對環境的影響具有區域特異性,而沒有全球普遍性。

經研究證實,潮汐電站對人類健康沒有影響,并且對環境的影響是可控的,在電站規劃、設計、建設和運行的所有階段采取預防性的措施、借鑒以往的經驗和教訓、聽取各種意見等可將對環境的影響減至最小。

自1924年開始的基斯拉雅海灣生態監測(提供了 90多年的數據資料),在證實俄羅斯潮汐電站生態安全方面起到了重要作用。有關基斯羅古布斯卡亞潮汐電站對生態影響的詳細研究為今后潮汐電站設計、建設和運行原理的創建具有相當大的作用。