小水電梯級開發的河流生態環境承載力研究*
——以秋香江為例

劉 潔 肖 旭 楊大勇 張麗娟 劉協亭 陳曉宏#

(1.廣東省社會科學院,廣東 廣州 510635；2.中山大學水資源與環境研究中心,廣東 廣州 510275；3.生態環境部華南環境科學研究所,廣東 廣州 510535；4.廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510170)

水電約占全世界電力供應的16%[1],然而水電工程對生態環境的影響不可忽視[2]。學者們已對我國的大水電工程開展了一些生態環境影響的研究[3-8],但對小水電工程未予以重視。實際上,我國的小水電工程裝機容量一度達到全世界裝機總量的40%[9],為我國農村及偏遠地區居民用電以及促進地方財政收入都做出了重要貢獻。小水電工程主要以中小河流梯級開發的形式存在。梯級開發是指在一條河流上建造一個接一個的水電工程。水電梯級開發既具有流域性的環境影響又具有全局性的環境影響,因此對水電梯級開發的河流進行生態環境承載力研究很有必要。

生態環境承載力源于生態學中的土地承載力與環境容量的概念,用于表明一個區域所能承載的人類活動的強度[10-12]。在水資源與水環境研究中,常采用與水相關的生態環境綜合指數來表征對社會經濟系統的承受能力[13-15]。2020年生態環境部印發了《水環境承載力評價方法(試行)》,要求各省級生態環境部門開展市、縣域水環境承載力狀況評價。同年,中國環境科學學會發布了《水生態承載力評估技術指南(征求意見稿)》,建立了綜合考慮工業與生活污染源強、水質、水生生物狀況的評估框架。

水電梯級開發有別于一般的污染項目,特別是小水電的梯級開發不會產生污染物,但會直接快速地影響河道生境而影響水生生物,進而削弱生態環境承載力,目前對小水電梯級開發引起的河流生態環境承載力狀況評價還未有合適的方法。珠江水系干流東江中游的一級支流秋香江大部分河道與岸帶1 km范圍內,除小水電開發外,無其他大規模、高強度人類活動干擾,而小水電卻貫穿于上下游,水電開發類型涵蓋了引水式電站、壩后式電站、河床式電站等典型的小水電開發類型,選取秋香江作為研究對象,可以盡可能減少其他人類活動對研究結果的影響,又能很好地反映小水電梯級開發對生態環境的綜合影響。因此,本研究選擇秋香江進行小水電梯級開發引起的河流生態環境影響研究,在對水文情勢、水域生態、岸帶陸域生態進行現狀調查與研究的基礎上,選取合適指標對小水電梯級開發前后河流生態環境承載力的變化進行綜合評判,識別出小水電梯級開發對于生態環境的主要影響因子。

1 秋香江小水電開發情況

秋香江位于廣東省境內,是珠江水系干流東江中游的一級支流,流域面積1 669 km2,地形以山地、丘陵為主,地勢東高西低,已梯級建成水電站21座,其中4座建于支流清溪河上,其余17座皆位于秋香江干流,裝機總量18 730 kW,年發電總量4 381 kW·h。已建成的21座水電站中,引水式電站7座,壩后式電站2座,河床式電站12座。電站分布如圖1所示。

2 小水電梯級開發的生態環境承載力模型

2.1 時段劃分

1998年以前,秋香江上水電站數量及水庫庫容均處于較低水平,1998年之后水電站數量及水庫庫容急劇增加,因此將研究時段劃分為小水電梯級開發對秋香江生態環境影響的低影響期(1958—1998年)和高影響期(1998年至今),分別用來反映秋香江小水電梯級開發的歷史和現狀。

2.2 數據來源與處理

(1) 水文數據來自秋香江流域內的紫金縣水文局。水文情勢指標通過1958—2016年近60年的歷年逐日流量數據統計得到,用1958—1998年的數據代表低影響期,1999—2016年的數據代表高影響期。采用反向神經網絡方法,將氣象因素、人類活動對河流水文的影響與水電的影響分離,詳細計算過程參見文獻[16]。

(2) 低影響期的水質數據使用河源市生態環境局提供的1998年東江流域秋香江河段的地表水環境評價結果作為代表,高影響期的水質數據以2018年豐、枯兩期參照《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)監測的地表水水質數據作為代表。

(3) 低影響期的水生生物數據通過查閱歷史資料[17-18]確定。高影響期的水生生物數據于2018年參照《淡水生物資源調查技術規范》(DB43/T 432—2009)、《內陸水域浮游植物監測技術規程》(SL 733—2016)等采樣調查得到。

(4) 岸帶陸域生態數據來自美國國家航空航天局(https://earthdata.nasa.gov/)的LandsatTM/ETM+遙感解譯數據,分別用1995、2015年的數據代表低影響期和高影響期。

2.3 指標體系的構建

水電開發對流域生態環境的影響是多方面的,在建立指標體系時,應綜合考慮水電開發對生態環境產生的累積影響[19-21]。本研究建立的指標體系包括水文情勢、岸帶陸域生態、水域生態3個系統層,下含7個因素層,共22個指標。需要說明的是,中小河流的水電梯級開發會引起流域內上下游水資源可利用量的空間分配改變,但對于水資源總量影響不大。由于本研究的對象是小水電開發的生態環境影響,因此在設計指標體系時,不考慮社會經濟因素。

2.4 數據的標準化

采用等距插值法將各指標從低到高分為劣、差、中、良、優5個等級,確定其標準化值的范圍如表1所示。

表1 標準化值等級范圍Table 1 Grading ranges of standard values

在參考已有的水電開發生態環境影響研究成果[22-25]基礎上,依據《河流健康評估指標、標準與方法》(水利部水資源司,2010年)、《流域生態健康評估技術指南(試行)》(原環境保護部,2013年)、《河流水生態環境評價技術指南(試行)》(原環境保護部,2014年)與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002),確定每個指標的等級劃分標準,結果見表2。

正向指標和負向指標分別按式(1)和式(2)計算標準化值。

(1)

(2)

式中：xi、ri分別為第i個指標的原始值和標準化值；a為xi對應的等級劃分標準的等級范圍下限值；minxi、maxxi分別為xi的最小值和最大值。單位根據實際情況而定。

2.5 生態環境承載力指數的計算

本研究采用層次分析法[26]確定指標權重。指標標準化值乘以指標權重計算因素層、系統層的得分并換算成百分制,最后得到生態環境承載力綜合指數。

3 生態環境承載力計算結果分析

秋香江小水電梯級開發生態環境承載力計算的各指標權重和標準化值結果見表3。

3.1 高影響期(現狀)評價結果

水文情勢、岸帶陸域生態、水域生態3個系統層的最終得分分別為63.83、75.76、47.82,岸帶陸域生態為得分最高子系統,其次依次是水文情勢、水域生態。可以發現,秋香江小水電梯級開發對水域生態的影響最大,對岸帶陸域生態的影響最小。

水域生態中水質指標和水生態指標兩個因素層的得分分別為40.00、50.71,水質指標得分低是由于秋香江水體環境中氮磷營養鹽濃度較高,水生態指標得分低是受浮游動物、底棲動物的香農-威納多樣性指數和魚類損失度等指標的影響。

表2 指標的等級劃分標準1)Table 2 Grading standards of indexes

表3 指標權重和標準化值Table 3 Weights standard and values of the indexes

水文情勢中水文指標和河流連通性指標兩個因素層的得分分別為67.51、43.56。影響水文指標因素層得分的主要原因是最小1日平均流量的標準化值較低,只有0.36,但生態流量滿足度和生態低流量歷時的標準化值較高,分別為0.90、0.67,說明秋香江小水電梯級開發后雖然河道流量較小但仍能滿足生態流量。河流連通性指標因素層得分在水文情勢中較低的原因是因為電站數量較多、對河道造成阻隔,有些引水式電站甚至造成了部分河段全年斷流。

岸帶陸域生態中活力指標、抗壓指標和組織結構指標3個因素層的得分分別為89.43、57.66、86.18。香農多樣性指數、森林覆蓋率、土地利用綜合指數、歸一化植被指數的標準化值都較高,分別為1.00、1.00、0.86、0.86。而抗壓指標的景觀恢復力指數和蔓延度指數的標準化值不高,分別為0.61、0.53。

總體上,從高影響期的現狀來看,水域生態的退化是影響秋香江生態環境承載力綜合指數的關鍵因素,尤其表現在社會經濟發展、人口增長和小水電梯級開發對水質的污染上；從水文情勢的變化來看,梯級電站對流量的影響較大,不過目前仍能滿足生態流量；河道阻隔對魚類的影響需引起注意,此外引水式電站造成的部分河道全年斷流應予以解決。

3.2 高影響期與低影響期對比

由圖2可見,隨著秋香江全河段小水電梯級開發逐漸進行,生態環境承載力綜合指數下降。1998年以前秋香江上投產的電站只有4座,而1998年后急劇增加了17座。但由于秋香江上的小水電多為河床式電站,壩高較低,對河流整體的水文水質影響不是非常巨大,另外秋香江地處華南濕潤地區,降雨量多,水資源充沛,河道徑流量充足,減少了由小水電開發造成的河道減流和大壩下游斷流問題,因此水文條件變化在可控范圍內,仍能滿足生態流量。高影響期與低影響期相比,水文情勢、岸帶陸域生態、水域生態3個系統層的得分變化分別為-2.47、0.59、-27.23。

水文情勢的變化主要是河流斷流指數、河流阻隔指數和最小1日平均流量標準化值的減小,但是洪水發生頻率及生態低流量歷時的標準化值并沒有減少,反而有所增加,說明水電梯級開發使低流量發生頻率增大,但同時洪水發生頻率及發生生態低流量的時長得到了控制。

岸帶陸域生態的變化比較特殊,雖然變化不大但出現了高影響期比低影響期增大的現象,主要原因是岸帶陸域生態的香農均勻度指數標準化值增大,說明岸帶各類景觀的分布在小水電梯級開發過程中得到了更加均勻地規劃。

水域生態的變化最大,高影響期的得分比低影響期降低了36.28%。其中水質指標及魚類損失度在水電梯級開發前后變化較大；與低影響期相比,大量小水電梯級開發后河道魚類種類減少46%,因此小水電梯級開發對魚類資源影響較大。

4 總結與展望

(1) 建立了綜合考慮水文情勢、岸帶陸域生態、水域生態的小水電梯級開發的河流生態環境承載力評價模型。

(2) 秋香江小水電梯級開發主要是對河流的水域生態和水文情勢造成影響,沿岸社會經濟發展、人口增長與水電梯級開發共同作用造成的水質污染是影響水域生態的重要原因。同時,小水電梯級開發對河道造成阻隔,對魚類資源的影響較大,對于流量雖有影響但仍能滿足生態流量。

(3) 本研究的目的是關注小水電梯級開發造成的河流生態環境綜合影響,鑒于生態環境綜合影響的復雜性,建立的模型仍然比較粗糙,不能考慮到所有因素,指標和數據的選取也具有較大的不確定性,賦值也采取了一些簡化措施,因此還需要進一步深入研究,但建立的模型實用性較強,對相關技術實踐工作來說是一次有益的探索,值得參考。