淺析水電開發的河流水環境效應及其評價方法

侯小波

摘 要：闡釋了河流水環境效應的表征，針對水電站開發的河流水環境效應從水域景觀、河道形態與結構、水文情勢、水質污染、流體性質、水生生境、生物通道等方面進行了系統剖析，并對近年水電開發對生態環境影響的發展趨勢和特點進行了總結，以徑流和泥沙時間序列、水質變化等為主要水環境因子梳理了水環境效應評價方法，可為相關研究和工程實踐提供參考。

關鍵詞：水電開發;水生態環境效應;發展特點;評價方法

中圖分類號：TV742 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0005-02

相比氣候和下墊面變化，水電開發對水環境的影響更加直接和明顯。根據開發方式和模式，引起的水環境效應主要表現為改變自然情勢以及河道特征;庫區水域擴大，生境轉變;引、調水導致生態需水不能保障;阻斷水生生物的生存通道及營養來源;改變污染擴散、遷移、富集及轉化過程，影響水體自凈能力;造成自然創面，水土流失和泥沙問題;污染排放影響水質和水環境容量;局地氣候變化以及多因子耦合累積環境問題。

1 水電開發的河流水環境效應

1.1 河流水環境效應的表征

河流生態系統的結構與功能具有自身的區域適應性和發展特點，在一定的外界擾動強度之下可以保持相對穩定。如外界壓力和刺激超過其承受限度，環境結構和功能就會發生變化[1]。水電開發在規劃、設計到施工、運營等階段都會對水環境產生影響，大規模流域開發還能在短時間內使水生態系統發生整體和突發的變異。

1.2 水電開發的水環境效應

水電開發對河流生態環境的積極影響主要表現在水力發電可產生經濟效益，建設和運營可大幅度增加當地的GDP和財政收入，對于部分地區的生態環境改善具有積極意義。消極影響主要是人為改變水生態系統內部組成;干預水循環過程及系統內物質、能量交換和轉移;占據水域空間;排放污染物等。使原生系統遭受改變或者破壞，影響了生態環境自身的持續發展[2]。具體而言，對河流水環境的不利影響主要存在：

（1）對水域景觀的影響。建設期間對原有的河道、岸坡進行開挖、堆砌，破壞河流的庫岸的完整性[3]及景觀視覺表達;運行期，河流連續性被隔斷，出現淹沒區、減水區、脫水區，原有河流風貌將不存在;大壩矗立，與自然景觀形成強烈對照，與自然結合不協調;泥沙淤積及水體污染，尤其是水體渾濁及富營養化[4]會嚴重影響河道景觀。

（2）河道形態與結構。淹沒區的河道斷面出現顯著變化，河流形態伴隨水位上漲出現如彎曲到順直、沿程水面寬均化等轉變;由于減、脫水區的出現，下游河道變得彎曲，河道沿程水面寬變化劇烈[5];同時，泥沙沖於發展出現差異，岸邊崩塌、泥石流及水庫地震對河道形態與結構的改變迅速[6]。若進行裁彎取直、建渠引水等活動，會直接改變河道的形態特征。

（3）水文情勢影響。水電開發對于水體物質的交換與轉移的影響表現在徑流和泥沙方面。總體上使下游河道的水量減小，上、下游站徑流關系發生變化，調節徑流時程分配，下游雨季洪水威脅減小，旱季徑流增加[7]，年內變化趨向均一，提高下游徑流的分配均勻度[8];庫區流速減緩容易產生淤積，而下游泥沙來源減少出現河道沖刷等問題。

（4）河流水質污染。水電站建成后，庫區水體水量增多，流速減慢，污染物、泥沙在庫區得不到很好的凈化，容易富集，下游徑流減少，污染物的凈化減弱[9]，水環境容量減小;庫區出現富營養化等問題;大型水庫出現水溫分層現象，下泄水出現低溫效應。

（5）改變流體性質和水力條件。水體理化性質發生改變，如含氧量變化、含沙量變化，繼而在霧化空蝕[10]、庫區水溫的動態變化、冰情發展[11]狀況等方面產生影響。

（6）水生生境與生物習性。庫區淹沒區由陸地變為水生環境，下游陸生環境向河流逼近，臨水生態格局改變，直至重新平衡[12]。庫區水位上升、水溫分層、污染富集、泥沙淤積及水體透光性改變，水生生物生活習性受到影響，富營養化還可能對其造成致命威脅。

（7）阻隔生物通道和營養來源。大壩的興建對上下游的生物信息造成了阻隔;洄游魚類不能完成其生命周期空間轉移[13];減少下游生物的營養來源，對于生物群落的發展不利[14]。

2 水電開發的水環境影響發展特點

水電開發對水環境的影響因水電工程的建設而起，隨著近年水電建設運行進入高速發展階段，對于河流生態壞境的影響表現出新的特點和發展趨勢。

（1）影響范圍擴大。隨著開發活動的深入，尤其是流域梯級開發，影響范圍逐漸擴大，影響源相互聯系更緊密。

（2）危害更加深入。城市化對生態環境已造成了破壞，新建工程對其的影響較以往都要嚴重[15]，以各種方式，不同途徑對人類和各種生物造成影響不斷。

（3）區域累積影響效應明顯。水電對水環境的影響是一個長期而復雜的過程。與單項工程相比，梯級水電站對水環境的影響更明顯，但又不同于各梯級電站水環境效應的簡單疊加。在時、空間尺度，梯級水電開發更具有累積影響效應[15]。

（4）影響維度更加廣泛而綜合[16]。生態系統具有它本身的系統完整性和穩定性，遭受擾動或破壞時，得到的結果是諸多因子的共同反饋，各子系統或組成部分給出各自的信息，表現為不同程度的生態環境缺陷或變異。

3 水電開發的水環境效應評價方法

水電開發對河流水生態環境的影響在學術界及工程界存在不少的爭議，前者往往強調客觀評價水電開發的生態環境負效應，提倡預防和恢復;后者則多考慮生態環境的正效應及工程效益，主張經濟彌補。但水電開發的生態環境負效應已經得到越來越深刻的認識，生態環境保護同經濟效益間不能進行簡單的比較，而是一個原則性問題。工程建設必然以創造經濟價值為重要目標，但是生態環境的健康是此目標存在的前提。水電開發產生的的水環境影響錯綜復雜，評估這些影響及其發展規律，對于指導水電開發與河流管理有重要價值。

水電開發的水環境效應研究針對具體的水環境問題開展，如徑流變化、水質污染、泥沙遷移、水溫過程等單項分析，以及對景觀改造和生態環境系統變異等的綜合診斷與評價。在單項研究中，對比分析法、還原平衡法、隨機預測法、模型實驗法是主要方法，研究對象包括趨勢、周期、變異識別和評估，而綜合評價研究中應用系統的思維融入GIS空間分析、生態水文模擬及系統指標分解等技術手段。研究目的可分為機理分析、評估研究以及定量預測等。

在徑流和泥沙時間序列分析方面，常采用統計分析以及數據挖掘的方法，趨勢分析包括了相關系數法、過程線法、滑動平均法、均值法、累積距平法、肯德爾秩次相關檢驗、斯波曼秩次相關檢驗、Mann-Kendall法、累積曲線斜率差異幅度分析法、R/S分析的Hurst系數法等;變異分析有基于相關系數的方法、滑動游程法、趨勢線法、變異系數方法、Mann-Kendall檢驗法、R/S分析方法、降水-徑流雙累積曲線法、滑動F法、滑動T法、滑動秩和法、Lee-Heghinian法、集對分析、Brown-Forsythe法、最優二分割法、有序聚類法、啟發式分割算法以及其他新方法，如基于水文學原理的變動范圍法（RVA）、相對關聯距離熵、時-空變異分析法、經驗模態分解方法等;周期分析法多源于信號處理及識別技術，主要包括了波譜分析、簡單分波法、傅立葉分析法、周期圖分析、最大熵譜分析法、分段搜索法、多因子逐步回歸周期分析法、小波分析等，以及灰色系統周期分析法等新方法及改進。另外，對于河流泥沙來源的空間動態分析，一般采用多指標賦權法、景觀生態學及GIS空間分析等方法，對于水文綜合效應分析還可以采用水文模型進行研究。

水質評價分為單因子評價及多指標分級評價。單因子時間序列評價方法來源于徑流、泥沙分析方法及其改進，但分析較簡單，多用均值、污染負荷、污染指數等進行表征，同時利用污染物遷移轉化模型進行預測;對多指標分級評價主要主要涉及綜合污染指數評價方法、綜合水質標識指數評價方法、模糊評價法、灰色系統評價法、層次分析法、Topsis法、人工神經網絡法、集對分析、模糊識別評價法、物元分析法、投影尋蹤法、貝葉斯公式、Copula評價法等，以及各方法的改進和耦合形式。

以上總結了徑流、泥沙、水質分析和評價方面的方法和技術，對于水溫變化的分析和動態監測及水環境影響的綜合評價則不再闡述，除了水溫分布模型實驗、景觀生態法、景觀圖法等外，基本上也同屬以上范疇。

總體上，這些方法還是以數理統計方法、數學模型及構建指標體系為主，雖然方法眾多，但特點及適宜性各異，新方法提供新的途徑，但其準確性及適用性有待檢驗。

4 結語

水電開發帶來的水環境效應是多方面的，復雜而系統，相較于積極影響和直接效益，更應關注不利影響帶來的諸多問題。對這些影響的識別和分析評價是進行評估、修復和補償的有利依據。研究從水域景觀、河道形態與結構、水文情勢、水質污染、流體性質、水生生境、生物通道等各個方面對水電開發的河流水環境效應進行了系統剖析，梳理了徑流和泥沙時間序列、水質變化等主要水環境因子水環境效應評價方法，對進一步的科研和工程實踐具有重要意義。

參考文獻

[1] 麻澤龍，譚小琴，周偉，程根偉.河流水電開發對生態環境的影響及其對策研究[J].廣西水利水電，2006（1）：24-28.

[2] 董哲仁.怒江水電開發的生態影響[J].生態學報，2006，26（5）：1591-1956.

[3] 曾濤.雅礱江錦屏水電站工程影響的生態評價和影響預測[D].四川大學，2003.

[4] 曹家新，伍開寶.水電開發對生態環境的影響及防治對策[J].四川環境，2007，26（2）：113-117.

[5] 邵景安.三峽水庫蓄水后長江水系重慶段河道形態的變化特征[J].資源科學，2008（09）：1431-1436.

[6] 余國安，王兆印，黃河清，劉懷湘.崩滑堰塞壩（湖）的地貌環境效應[J].地球科學進展，2010（09）：934-940.

[7] 鐘華平，王建生.瀾滄江干流水電開發對徑流的影響分析[J].水利水電技術，2010（12）：72-74.

[8] 黃薇，陳進，王波.梯級開發對河流徑流過程和水溫過程均化作用的研究[J].長江流域資源與環境，2010（03）：335-339.

[9] 許敬梅，黃成敏.岷江上游干旱河谷地區生態環境需水量探討[J].資源開發與市場，2006，22（5）：454-458.

[10] 程香菊，陳雪巍.大壩泄流水體溶解氣體飽和度預測方法初探[J].水力發電學報，2010（06）：138-143.

[11] 閆慧榮.季節性封凍水庫水溫及冰溫分布規律的研究[D].西安理工大學，2010.

[12] 黎璇.山地河流生境的生態學研究[D].重慶大學，2009.

[13] 高欣.長江珍稀及特有魚類保護生物學研究[D].中國科學院研究生院（水生生物研究所），2007.

[14] 李曉東，劉小龍，鮑麗然.大壩控制下嘉陵江河水硅氮營養物質的季節和空間變化特征[A].中國礦物巖石地球化學學會第13屆學術年會論文集[C].中國礦物巖石地球化學學會，2011：406.

[15] 紀道斌，龍良紅，徐慧，劉德富，宋林旭.梯級水庫建設對水環境的累積影響研究進展[J].水利水電科技進展，2017，37（03）：7-14.

[16] 王波.三峽工程對庫區生態環境影響的綜合評價[D].北京林業大學，2009.