四川省水電開發基地水電開發程度評估

羅 涵，巨 莉，羅茂盛，唐云逸，黃艷艷，趙曦琳，盧喜平

(1.成都信息工程大學軟件工程學院，四川 成都 610225；2.四川省信息化應用支撐軟件工程技術研究中心，四川 成都 610225； 3.四川省水利科學研究院，四川 成都 610072；4.四川省水土保持生態環境監測總站，四川 成都 610041； 5.成都理工大學生態環境學院，四川 成都 610059)

水電開發是實現節能減排戰略、保障能源安全的重要舉措之一[1]。水電工程的建設和運行會改變河流和陸地生態系統的結構和功能，從而引發各種生態環境效應[2]。目前圍繞水電開發生態環境效應與保護問題已經開展了大量且深入的研究，但隨著水電開發向河流上游，尤其是向西南山區等生態脆弱區發展，新的挑戰不斷出現；已建水電工程隨著運行時間增長，生態環境累積效應和前期未知生態環境問題逐步凸顯[3]。在此背景下，利用易獲取的數據定量評估水電開發程度是很有必要的。

裝機容量、年發電量以及庫容等指標常被用于不同空間尺度(區域、流域、庫區等)的水電開發特點分析[4]、水能資源評估[1,5]、水電開發潛力估算[6-8]以及水電產業發展水平評價[9-10]等研究。但水電開發產生的生態環境效應評估鮮少采用這些指標，更多采用流域徑流量[11-12]、生境格局[13-15]、生源物質[3]、植被指數[16-17]、水生生物種群結構[15,18-19]等生境、生物相關指數。近年來，部分研究開始從生態系統服務角度[20-21]評估水電開發對河流和陸地生態系統的影響。這些指標通常難以剔除氣候變化、農業活動或城鎮化等因素的影響[12]。此外，徑流量、水生生物種群結構、流域水質等指標通常為點狀采樣數據，難以體現空間異質性且相對較難獲取，增加了對區域尺度下水電開發對生態環境影響進行定量建模的難度。此外，定量化表述上下游的相互影響關系以及梯級水庫建設運行對生態系統的累積影響也是評估水電開發對生態環境影響的關鍵[3,22-23]。目前大多數研究[24-26]從生境、生物相關指數的時空分布、變化與演替等角度，探討上游水電開發對下游生態環境的影響和梯級水庫的累積生態效應。因此，利用易獲取的水利統計數據和自然環境數據，基于流域尺度，構建水電開發程度指標，對水電開發程度進行綜合的定量評估，有助于水利工程對生態環境影響的模型構建、生態環境調控措施優化等相關研究的開展。

四川省水能資源豐富，全省水能資源理論蘊藏量1.43億kW，僅次于西藏，技術可開發量1.03億kW，經濟可開發量7 611.2萬kW，均居全國首位[27]。其中，位于四川省境內的雅礱江和大渡河流域(以下簡稱兩江流域)水能資源約占全省的二分之一，屬于我國十三大水電開發基地之一。經歷了20多年的規劃和建設，兩江流域的水電工程為西部大開發和西電東送能源戰略作出了巨大貢獻[28]，但流域內還有許多電站處于未建和規劃狀態，并且多集中在生態脆弱的流域上游。已有研究發現，兩江流域的水電工程開發對魚類種群[29]、水質[30-31]等產生了重要影響。因此，綜合評估兩江流域水電開發程度，對管理水電工程的建設、降低水電開發對生態環境的影響具有重大意義。

本文收集了四川省兩江流域的水利水電相關統計數據，考慮上游和下游、支流和干流的空間關系，選取易操作且合理的綜合性水電開發程度指標，并利用差異性和相關性分析驗證指標的合理性，結合流域地質災害、水土流失等生態環境問題，分析未來的水電工程建設和運行中，水電開發對流域生態環境的潛在影響，以期為流域的生態環境保護措施制定提供輔助信息和決策依據。

1 研究區概況

兩江流域位于長江上游，介于東經97°21′～105°21′、北緯26°01′～34°08′之間，總面積約20萬km2(圖1)。流域地形復雜，海拔高差明顯，包含川西北高原、橫斷山脈、四川盆地等多個地理單元。

圖1 研究區域概況

兩江流域內支流密布，雅礱江較大的支流有鮮水河、理塘河、安寧河等，大渡河較大的支流有綽斯甲河、梭磨河、小金川、尼日河、青衣江等，兩江均流經甘孜、涼山兩州，最終雅礱江于攀枝花市東區注入金沙江，大渡河在樂山市匯入岷江。兩江流域魚類資源豐富，據調查統計，雅礱江共有魚類75種[32-33]，大渡河共有魚類116種，隸屬8目19科77屬[34]。其中，大渡河流域分布有國家Ⅱ級保護魚類2種，省級保護魚類11種，長江上游特有魚類38種，經濟魚類63種[35]。

雅礱江和大渡河流域均是重要的水電開發基地，已建大型水電站均集中在兩江流域下游(圖1)。雅礱江干流和一級支流已建、在建和規劃中型以上電站共計48座，其中，規劃23座梯級水電站，裝機容量2 560萬kW。大渡河干流和一級支流已建、在建和規劃中型以上電站共計89座，其中，規劃28座梯級水電站，裝機容量2 170萬kW。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

以兩江流域的干流和一級支流的水電站為對象，基于全球大壩地理數據庫[36]，結合流域內各類規劃報告等資料，收集整理研究區內已建、在建、規劃、預備的大中型(裝機容量大于5萬kW)水電站的經緯度信息、隸屬流域、工程狀態、裝機容量、年發電量和正常蓄水位等信息。

數字高程數據采用30 m空間分辨率的ASTER GDEM，本文選用的是ASTER GDEM V2版，數據下載于國家科學數據服務平臺(http://datamirror.csdb.cn/)。土壤侵蝕強度數據是基于2019年基礎地理數據并參照《水土保持監測技術規程》計算獲得。土地利用/覆蓋情況采用2020年和2005年數據，空間分辨率為1km；地質災害點空間分布數據為2019年數據，均下載自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。流域水環境相關數據通過整理近期相關文獻和報告中水質監測指標和魚類資源數據，最終獲得2020年9月采樣的大渡河干流20個水質監測斷面的7個水質監測指標(包括氨氮、氟化物、化學需氧量、總磷、糞大腸菌群、高錳酸鉀指數和五日生化需氧量)[31]和2004—2019年間19個水電站魚類資源分布的數據[34-35,37]，采用GB 3838—2002《地表水環境質量標準》和《地表水環境質量評價辦法》進行評價。

2.2 研究方法

2.2.1子流域劃分

在ArcGIS中的水文模塊中，在盡可能保證兩江干流和主要子流域的完整性的基礎上，基于上一級子流域結果，結合單元內人類活動和自然生態條件對水文過程的截斷影響，將一級子流域單元再劃分為二級子流域。最終共計73個子流域(圖2)，其中面積最大為7 057 km2，面積最小為910 km2。

圖2 研究區子流域劃分

2.2.2水電開發指標

水電開發程度主要基于裝機容量和年發電量計算[3]。依據裝機容量計算水電開發程度具有簡便易行的優點，但很難準確反映水電開發實際情況[38]。依據年發電量計算水電開發程度能較科學地反映水能的實際利用率，但年發電量數據具有不易獲取、易受河流水量變化影響的特點[39]。本文參考文獻[4,40]，引入水電開發密度、水電開發強度指標，用于綜合量化流域的水電開發程度。流域水電開發密度表示單位長度(100 km)河段的水電站個數，流域水電開發強度表示單位面積內的水電裝機容量。

2.2.3統計分析方法

為了揭示水電開發指標的空間聚集特性，基于流域干流和支流、上游和下游的關系，采用R軟件和ArcGIS軟件構建空間權重矩陣以及空間自相關理論，對水電開發程度進行集聚性分析：

(1)

(2)

(3)

采用皮爾遜相關系數檢驗水電開發單個指標與水庫土地類型變化比例的相關性，驗證單一水電開發指標在評估水電開發生態環境影響的效果；利用Kruskal-Wallis H檢驗(對秩次的單因素方差分析)和綜合評估結果的效果檢驗不同水電開發程度子流域的水電開發指標是否存在差異。

3 結果與分析

3.1 水電開發指標空間分異性

研究區內已建和在建中型和大型水電站共計88座，分布在43個子流域。大渡河流域的水電站數量、裝機容量、水電開發密度和開發強度都大于雅礱江。

各子流域的已建和在建的水電站數量和裝機容量見表1和圖3(a)(b)。已建和在建水電站主要分布在大渡河下游，包括下游干流(16座)和支流青衣江(16座)、南椏河(3座)、金湯河(3座)、革斯扎河(3座)、田灣溝(3座)；雅礱江的已建水電站主要分布在支流九龍河(4座)和木里河(3座)。大型水電站主要集中在雅礱江的下游干流和大渡河的中下游干流。

表1 研究區水電開發指標統計

圖3 研究區子流域水電開發指標空間分布

流域水電開發密度和開發強度見表1和圖3(c)(d)。開發密度、水電開發強度空間分布基本與水電站數量、裝機容量一致，但水電開發密度和開發強度的空間異質性大于水電站數量和裝機容量，尤其是在兩江流域的中上游。大渡河兩個指標均高于雅礱江。大渡河流域支流(0.88座)的水電開發密度高于干流(0.62座)，且分布較零散，主要分布在中下游支流，金湯河、青衣江、革斯扎河、瓦斯溝和官廟河；雅礱江干流和支流的水電開發密度差異不大，分布較集中，主要集中在木里河、九龍河、臥羅河以及干流的中下游。開發強度較大的區域主要集中在雅礱江和大渡河的中下游干流(干流開發強度分別為869 kW/km2和1 108 kW/km2)以及雅礱江的支流木里河和大渡河的支流南椏河。

3.2 水電開發指標空間集聚性

為探索各開發程度指標的空間集聚效應，基于流域上下游和干流支流的鄰接關系，利用R軟件建立空間關系矩陣和空間權重，通過全局和局部空間自相關分析揭示水電開發程度指標的空間分布集聚性特征。由全局空間自相關分析結果(表2)可知，全局莫蘭指數均大于0，水電開發程度指標均存在正向空間聚集性。其中水電站數量和開發密度均呈現顯著的正向空間聚集性，即如果某一個子流域的水電開發程度較高，則該子流域相鄰的上下游流域通常也具有較高的水電開發程度。

表2 全局空間自相關分析結果

為探討各指標的空間相關性類型及分布狀態，進行局部空間自相關分析，獲得顯著性水平圖(圖4)。從局部相關性的角度分析，水電站數量高值聚集區集中在大渡河下游干流和支流青衣江、尼日河和官渡河，低高值區集中在大渡河中游支流；水電開發密度的空間聚集性與水電站數量的空間分布基本一致；裝機容量的高值聚集區主要分布在雅礱江中下游干流(錦屏水電站段)和支流九龍河，低高值區分布在兩江流域中下游的各支流(臥羅河、安寧河、安順河、田螺溝、流沙河和青衣江)；水電開發強度的高值聚集區位于雅礱江中游干流(臥羅河以上)、雅礱江支流霍曲和大渡河支流青衣江流域；4個指標的低值聚集區均分布在雅礱江上游。

圖4 研究區水電開發指標局部自相關顯著性分析

3.3 水電開發程度劃分

通過上述分析，可以看出水電站數量、裝機容量、開發密度和開發強度空間分布基本一致，但局部存在差異?；趩我恢笜说乃婇_發程度評估容易忽視個別子流域的水電開發綜合情況，結合4個指標及其空間聚集性特征建立水電開發程度綜合評估體系(詳見表3)：以流域內是否有在建或已建水電站作為水電工程開發區和水電工程影響區的分類因子；基于空間自相關分析結果，將高值聚集區和高低值區作為開發影響程度重要因子，將低高值區作為次要影響因子；為防止個別流域的單一開發指標過高被忽略，將水電開發指標高于三四分位數和中位數的指標也作為開發影響程度因子，即樣本中數值由小到大排列后第75%和50%的數。最終獲得兩江流域綜合水電開發程度空間分布圖(圖5)和統計表(表4)。

表3 水電開發程度劃分體系

表4 研究區不同水電開發程度相關指標統計

圖5 研究區水電開發程度空間分布

水電工程開發區分為極高、高、中、低4個程度，水電工程影響區分為高和低兩個程度，共計6個程度。其中，水電工程開發區按照流域水電站裝機容量、水電站數量、水電開發密度、水電開發強度以及聚集性等指標從高到低排列；水電工程高程度影響區定義為無已建和在建水電工程，位于水電開發高值聚集區上下游的流域，屬于受到其他流域水電開發影響的區域。

雅礱江流域的水電開發程度在上下游呈現較顯著的差異性和局部的聚集性。雅礱江流域上游(慶達河和鮮水河匯入口以上)流域基本屬于低程度影響區，除鮮水河上游有少量已建水電站，屬于低程度開發區；雅礱江中下游開發程度明顯強于上游，其中極高和高程度開發區主要集中在兩河口以下的干流和支流木里河、九龍河；中程度開發區主要為支流霍曲、臥羅河、安寧河部分區域，以及下游干流。

相較于雅礱江流域，大渡河流域水電開發程度的空間差異性更明顯。大渡河流域極高程度開發區集中在干流下游和支流青衣江的干流區域；高程度開發區分布在極高程度開發區域的上游以及支流金湯河、瓦斯溝、革斯扎河、綽斯甲河等區域；中程度開發區主要分布在支流尼日河和田灣溝，以及東谷河以下田灣溝以上的干流區域。相較于雅礱江流域，大渡河流域的低程度影響區較少，主要分布在上游的各支流。

4 討 論

4.1 水電開發程度綜合評估體系適用性驗證

4.1.1單一指標的驗證

土地利用類型的時空變化能夠直接反映水電開發的生態環境影響[15]。兩江流域的水電工程于2005年左右開始動工，調查發現，從2005年到2020年，水庫面積從900 km2(占總面積的8%)上升到1 150 km2(占總面積的10%)。結合2005年和2020年土地利用轉移矩陣的結果，發現有24%的水庫區域由耕地轉化而來，其次為林地(19%)、草地(16%)和城鎮居民用地(1%)。

兩江流域內73個子流域水庫面積變化的比例與開發強度的相關系數為0.39，呈極顯著相關性(p<0.01)，與裝機容量的相關系數為0.41(p<0.01)，與開發密度的相關系數為0.03(p=0.8)，與水電站數量的相關系數為0.1(p=0.42)。通常，水電站庫容、裝機容量越大，受影響的土地面積越大。分析發現水電開發強度、裝機容量與大型水電站建設和影響范圍顯著相關，證明流域裝機容量和開發強度能較好地反映大型水電站對陸地生態系統的影響。

水電開發密度和水電站數量能輔助反映水電站對河流生態系統的影響。Yun等[42]通過VIC水文模型發現水電站數量與流域徑流有顯著相關性。陳求穩等[3]發現水電工程通過攔截改變河流自然水文情勢，影響關鍵生源要素循環、河流底棲動物群落結構及分布以及魚類的洄游。過密的水電工程開發必然會對水生態環境造成影響。此外，水電開發密度和水電數量、水電開發強度和裝機容量具有空間一致性，也存在局部的空間差異性。因此，融合4個指標構建水電開發程度綜合評估體系能有效凸顯水電工程開發的各類生態環境影響。

4.1.2水電開發程度結果的差異性檢驗

為了進一步說明該綜合評估體系的合理性，通過Kruskal-Wallis H檢驗，發現裝機容量、水電站數量、水電開發密度和水電開發強度在開發區的4個水電開發程度中呈現顯著的差異性(p<0.05)，證明在水電開發區，各項指標的差異性明顯。

通過單一的水電開發指標，無法對水電開發影響區進行程度劃分。采用空間聚集性的統計分析結果進行劃分，能有效地考慮水電開發過程中流域之間的累積生態環境影響。

4.2 基于不同水電開發程度的流域管理建議

4.2.1流域水電開發建設管理

根據統計的已建、在建、規劃和預備的水電工程情況，分析兩江流域的水電開發規劃建設情況(表5)。大渡河的已建、在建水電工程規模占比略高于雅礱江，其中干流已建、在建規模占比明顯高于支流，下一步兩江流域的水電工程建設將由大渡河轉移到雅礱江，由流域的下游向中上游轉移，尤其是雅礱江的中上游干流。

表5 兩江流域水電開發規劃情況

結合現階段的水電開發程度劃分結果，分析未來水電工程建設和規劃情況(表6)。雅礱江干流的極高程度開發區和低程度影響區都是下一步水電開發的重點區域，水電開發強度和水電開發密度均明顯增加。雅礱江干流的高程度開發區和大渡河流域干流的高程度開發區，水電開發強度增長幅度較大。大渡河支流的高程度開發區、低程度開發區和中程度開發區，開發密度提升明顯。以上區域都屬于未來的重點工程開發區，接下來的水利工程建設中，都應考慮結合已建水電工程的情況，注意降低工程對生態環境的影響。

在水電工程建設過程中，地表擾動會造成水土流失，不同水電開發程度的水土流失面積比例見表6。兩江流域的水土流失面積比例最高的為大渡河干流的極高程度開發區和雅礱江干流的中程度開發區，其次為大渡河支流中程度開發區、高程度影響區、雅礱江支流的極高程度開發區和大渡河干流的中程度開發區。在以上區域接下來的水電開發工作需要更加注意水電開發過程中的水土保持措施，盡可能減小水電工程對陸地和河流生態系統的擾動。此外，大渡河支流中程度開發區屬于規劃的水電工程建設重點區域，在該區域中的工程建設更應注意水土保持措施的落實。

表6 兩江流域干流與支流不同水電開發程度的情況統計

4.2.2流域水電工程運行管理

a.水生態環境監測與保護。水電工程運行使天然河流從急流型向靜水型轉變，流速減緩，水域面積增加，水體更新周期和污染物在庫區停留時間變長。由于數據獲取的局限性，基于文獻中收集整理的豐水期大渡河20個水質監測斷面數據，其中低程度開發區1個，中程度開發區3個，高程度開發區4個，極高程度開發區12個，基本呈現從上游向下游開發程度從低到極高依次分布，所有斷面水質類別均達到Ⅲ類以上，其中Ⅱ類水質基本分布在低開發區(足木足河斷面)、中開發區(猴子巖和大崗山)、高開發區(瀑布溝)和極高開發區(龔嘴壩)。在21個指標中，水質指標的超標主要集中在極高開發區(深溪溝、枕頭壩、沙坪、龔嘴壩和銅街子)和中開發區(猴子巖)的糞大腸菌群以及五日生化需氧量。大渡河干流總體水質狀況為優，但在下游的極高水電開發區需加強對水質的監測。水電工程運行會造成上下游間的物理和生物隔斷；水電工程蓄水會改變河流原始流態，改變河流水動力特征和水溫條件，引發水生態環境變化，進而影響魚類的生存、發展、演化。以大渡河干流為例(圖6)，大渡河干流上游、中游、下游分布的國家級省級重點保護魚類種類穩定，但是長江上游特有魚類數量分布呈現出從上游到中游逐步增加趨勢，下游區域由于龔嘴壩的建設，造成魚類洄游通道受阻，使得下游區域魚類種數低于中游區域。并且，相較于上下游龔嘴壩區的水質指標也出現較明顯的超標。因此，在水電開發運行過程中，大渡河干流下游的極高程度開發區需要加強對魚類保護的工程措施有效性的監測。

圖6 大渡河干流不同水電開發程度魚類資源分布情況

b.地質災害防范。四川是全國地質災害最為嚴重的省份之一，兩江地區位于川西北高原，屬于典型的山區，地質災害頻發，泥石流夾帶大量的泥砂石進入河流和庫區，對流域水環境帶來巨大的不利影響。表6列舉了不同水電開發程度的地質災害點的數量。大渡河支流的高影響區和雅礱江支流的低影響區雖然沒有水電工程，但是該區域上下游的水電工程較多，并且屬于地質災害嚴重和水土流失嚴重的區域。因此，在該區域上下游的水電工程建設過程中，更需要關注水電工程對陸地和河流生態系統的累積影響。大渡河干流的高程度開發區，地質災害較為嚴重，同時也是規劃中水電開發重點區域，在水電工程運行和建設中需要注意生態環境的影響，還需多考慮地質災害的影響。

5 結 論

a.兩江流域水電站數量、裝機容量、水電開發密度、水電開發強度4個指標具有明顯的空間分異性。大渡河的4個指標值都大于雅礱江，且集中在大渡河流域的中下游。

b.兩江流域水電站數量和開發密度全局莫蘭指數的Z值大于1.96，呈現顯著的正向空間聚集性(p<0.05)。其中，高值聚集區、高低值區、低高值區主要位于兩江流域的中下游，低值聚集區位于流域的上游。

c.兩江流域的裝機容量和水電開發強度與流域2005—2020年期間土地利用類型中的水庫面積增長比例呈顯著正相關關系，說明裝機容量和水電開發強度指標能表征大型水電站的建設對陸地生態系統的影響。

d.利用水電站裝機容量、水電站數量、水電開發密度、水電開發強度4個指標，結合流域上下游間的空間關系，構建流域水電開發程度綜合評估體系，將區域劃分為開發區(極高、高、中、低)和影響區(高、低)。通過Kruskal-Wallis H檢驗，對比不同開發程度的子流域各項水電開發指標的差異性，發現4個水電開發指標呈現顯著的差異性(p<0.05)，說明基于4個指標的水電開發程度綜合評估體系在兩江流域中應用是合理的。

e.結合劃分結果，發現兩江流域未來的水電開發重點區域將集中在雅礱江干流的極高程度開發區、高程度開發區、低程度影響區，大渡河支流的高程度開發區、低程度開發區和中程度開發區，大渡河干流的高程度開發區和中程度開發區。其中大渡河支流中程度開發區和高程度開發區，在開發建設過程中需注意水土保持措施的實施。

f.以大渡河干流流域為例，流域水質綜合為優，且有穩定的國家省級保護魚類和長江上游特有魚類，但在龔嘴等極高程度開發區，存在糞大腸菌群和五日生化需氧量水質指標相對Ⅱ類水質標準超標的情況，以及長江特有魚類突然減少的現象。因此，在大渡河干流極高程度開發區水電運行過程中，需注意對水生態環境和魚類資源的監測保護。