梯級水電開發對金沙江干流生態環境的累積影響

關鍵詞：累積生態效應；梯級水電開發；河流生態系統；陸地生態系統；金沙江

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）12-0039-09

近百年來工業化和城市化進程加速，人類對水資源的需求開發成倍增加。在1900—2020 年100多年間，全球人口從16.0億增至78. 2 億，增加了3. 89倍，全球年取水量從20世紀初的5 800億m³增加至2020年近50000億m³，增加了8.6 倍［1-2］。水利工程建設已經成為人類獲取水源的主要方式，據初步統計，全球河流年徑流量約為55萬億m³，可利用的水資源總量約為9萬億m³，至2007年，全球水庫大壩的總庫容接近7萬億m³，有效庫容約為4萬億m³，約相當于世界河流年徑流的7. 3%［3-4］。為了滿足水、能源和交通的需求，人類建造了300多座巨型水壩（高度超過150 m，水庫蓄水量超過25 km³）和數量驚人的小型水壩，導致全球292條大河中有一半以上（172條）生境破碎［3］，人類對自然河流的改造史無前例，對后續生態環境產生深遠的影響。根據2020年全國水利發展統計公報，目前中國已建各種規模的水庫98000余座，大型水庫700余座［5］，高壩筑壩技術和建設規模方面居世界領先地位。水利工程建設對流域防洪、供水、灌溉、發電等方面具有重要的保障作用，對促進區域經濟發展和保障人民生命財產安全具有重大貢獻。

隨著水利工程的建設，流域梯級水電開發已成為一種高效、經濟的開發模式，可充分發揮水能資源的利用效率，取得較大的綜合效益。但梯級水電開發對生態環境既具有單個大壩的影響效應，又存在多個大壩的累積影響。累積影響概念在美國1979年頒布的《國家環境政策法規定》中定義為：當一項活動與過去、現在以及可合理預見的將來活動結合在一起時，所產生對生態環境增加的影響。1985年加拿大和美國召開的累積影響雙邊研討會將效應分為8類，即時間疊加效應、空間疊加效應、復合效應、時間滯后效應、空間擴展效應、閾值效應、間接效應以及破碎效應［6］。在生態學中，累積效應存在放大效應、滯后效應以及轉移效應［7］，梯級大壩的生態環境累積效應是指2個或多個大壩建設及運營對生態環境的綜合作用，是在時空尺度上產生一系列直接或間接的影響效應，這種疊加效應存在正向和負面的可能，甚至可能時空抵消。梯級水電開發的生態累積效應在時空尺度具體有群疊（疊加）性、系統性、滯后性、潛在性、阻斷性［8］。

群疊（疊加）性：流域梯級大壩是一連串的類“糖葫蘆”串狀連接結構，對生態環境具有明顯的群疊效應，其效應與單個大壩效應之和的關系應視情況而定。如選擇的評價對象不同以及所處環境背景都可能影響評價結果，如在干旱地區與濕潤地區建設梯級大壩產生的空氣增溫效應會出現差異。

系統性：梯級水電開發后在流域形成了工程-社會-經濟-自然的人類復合系統。雖然大壩建設阻隔了河流的連通性，但這個集群內部仍存在必然的聯系，相互影響，相互制約，在某點空間或者某段時間發生的變化，會對整個集群產生系統的影響，如工程建設后農村和城市發展存在系列的問題。

滯后性：梯級水電開發后產生的累積效應在時空上會產生滯后效應。上游大壩修建截留了大量營養物質，對下游不同季節的水生生物需求存在滯后影響，會導致下游生物營養結構逐步發生變化。在空間上，尤其是干旱地區，梯級水電開發增加區域水面面積，加大區域水循環過程，對陸生植被影響存在明顯的滯后影響。

潛在性：流域梯級水電開發改變了區域生態環境，對生態環境影響效應是復雜多變的，大壩蓄水后能量不斷蓄積，在能量釋放過程中會誘發潛在性災害，如地震、塌岸、滑坡、泥石流等災害。

阻斷性：梯級水電開發后河流連通性下降，阻斷了生源物質等傳輸和運移，同時建壩后阻斷了上游和下游生物之間的聯系，影響水文要素與生物要素的互饋關系，對生態系統具有一定的阻斷作用。

本文以金沙江梯級水利工程建設為例，通過分析金沙江梯級水電開發的運營情況，旨在揭示梯級大壩建設的累積生態效應。

1金沙江流域梯級水電開發情況

金沙江地處橫斷山區腹地，全長3464km，占長江全長的55%，流域面積47. 32萬km²，占長江總流域的26%，流域海拔落差約3300m，平均坡降達13. 8‰，水能資源蘊藏量達1. 24億千瓦，占長江水力資源的40% 以上［9-10］。金沙江干流區域規劃27個梯級水電站（圖1），總裝機容量相當于4座三峽，其中上游13座，中游10座，下游4座。

大壩從金沙江上游到下游的順序依次為上游地區：西絨—曬拉—果通—崗托—巖比—波羅—葉巴灘—拉哇—巴塘—蘇洼龍—昌波—旭龍—奔子欄；中游地區：虎跳峽—兩家人—梨園—阿海—金安橋—龍開口—魯地拉—觀音巖—金沙—銀江；下游地區：烏東德—白鶴灘—溪洛渡—向家壩。下游區域為4個世界級巨型大壩，均已建成投產。中游地區按照“多庫八級”的布局建設，其中虎跳峽和兩家人建設仍在規劃，梨園—觀音巖6個梯級水電站已全部投入使用，中游攀枝花段金沙水電站在2021年已經投產，銀江水電站計劃在2025年實現投產；上游區段蘇洼龍水電站已經發電投產，拉哇、巴塘和旭龍3個水電站在建，西絨、曬拉、果通、崗托、巖比、波羅和葉巴灘水電站處于規劃或前期工作階段，大壩建設信息及分布信息見圖2。

金沙江水電基地是全國最大的水電能源基地，從川藏滇三省（自治區）至宜賓總河段可開發水電總裝機容量6 338萬kW，其中云南4 173萬kW，四川2165萬kW。該水電基地控制的總流域面積達47.3萬km²，是長江總流域面積的27%，是中國重要的清潔能源基地。此外，雅礱江干流規劃開發共計21個大中型梯級水電站，可裝機容量為3000萬kW。雅礱江水電基地可分為上、中、下游3個部分，上游依次為溫波—仁青嶺—熱巴—阿達—格尼—通哈—英達—新龍—共科—龔壩溝；中游依次為兩河口—牙根一級、二級—楞古—孟底溝—楊房溝—卡拉；下游依次為銀屏一級、二級—官地—二灘—桐子林水電站。雅礱江多年平均來水量590億m³，其中兩河口、錦屏一級、二灘為水庫控制性工程，總調節庫容為158億m³，不加其他水庫的調節能力，單此3 個水庫的調節容量已經占到多年來水量近30%，具有優良的多年調節能力。圖3列出了金沙江干流大壩的壩高和裝機容量信息。

2金沙江流域梯級水電開發的累積效應

金沙江流域梯級水電開發改變了原有河流生態系統，其影響具有時空延展性，對區域乃至整個長江流域的河流形態和水文情勢產生了系列影響，進而導致生境、生物要素等生態系統關鍵組成發生了重大變化。在此，本文以金沙江梯級水電開發為例，從水文要素層面、理化要素層面、生態要素層面分析了梯級水電開發已經產生或可能產生的影響。

2. 1水文要素變化特征

2. 1. 1徑流的累積效應

金沙江梯級水電站的建成對河流具有顯著的阻隔作用，使金沙江天然徑流發生顯著變化［11］。金沙江梯級水電開發后，人為控制下泄流量，使得金沙江各庫區沿程流速發生巨大變化。水庫庫容越大，對天然流速的改變越大，各庫從水庫尾到下游大壩壩前，流速逐漸減小。2000—2015年金沙江梯級水電站建成后，根據Landsat遙感估算梨園-觀音巖區段梯級水庫面積約增加了243km²，多年平均新增蒸發損失量較大。同時，大壩建設在一定程度上具有削峰減量的調節作用，使枯季徑流增加，汛期徑流減少。金沙江屏山水文站數據表明［12］，1956—2010年多年的年徑流量為1436億m³/s，而隨著2010年后金安橋、龍開口、溪洛渡等高壩大庫的修建，2010—2020年近10a年均徑流量為1368億m³/s，下降5%左右，見表1。

2.1.2泥沙的累積效應

水庫泥沙攔截會對河道的沖淤和輸沙產生影響，打破了原有的輸沙平衡狀態。金沙江梯級水電開發對泥沙的攔截率極高，可達到99%以上［13］。從屏山水文站的年輸沙量數據來看，在梯級大壩建設過程中，年輸沙量從歷史上的2.49億t/a，逐漸變為建壩中期的1.32億t/a，到梯級大壩建成后僅為0.02億t/a。泥沙平均中數粒徑也從建壩前的0.015mm 下降至0.008 mm，輸沙模數在建壩后同樣大幅降低。這種劇烈的變化意味著下游河道的泥沙供給量驟減，可能導致下游河道沖淤模式發生變化，原有的泥沙平衡狀態被打破。在一定程度上，加劇了下游河道的沖刷，改變河床形態，影響河流連通性和水域功能。

泥沙是河流重要的營養物質來源，對于河流生態系統具有重要意義。在金沙江梯級大壩建設后，泥沙中位數粒徑驟減，攔截后的泥沙更加細微。顆粒適中的泥沙可以為漂流性魚卵提供附著區，太過細小的沙子會包裹魚卵致使其缺氧，進而影響魚卵的孵化率，對河流生態平衡造成威脅［14］。同時，大壩修建使得全球入海泥沙平均減少了20%，給濕地物種尤其是海洋三角洲棲息的物種帶來不利影響［15］。在水庫建成后，輸沙量的大小直接影響庫容的大小，輸沙量減少可能導致水庫的有效庫容增加，可延長水庫的使用壽命，但若輸沙量集中淤積在某一個水庫，將直接影響水庫的正常運行。故泥沙的合理沖淤是保障下游和河口地區生態健康穩定的關鍵之一。

2. 1. 3水溫的累積效應

水溫是影響水生生態系統發展的關鍵指標，對系統物質循環和能量流動過程具有方向性的影響，從而對水生生物個體、種群、群落以及生態系統結構和功能演變趨勢產生差異化影響。梯級水電開發后水位大幅度提高，金沙江流域梯級高壩大庫會出現明顯水溫分層現象，且不同季節其水溫垂向上有明顯差異。夏季熱量充足，水溫出現穩定的分層現象，表現為上高下低，下層水庫水溫顯著降低，從而導致下泄水溫度降低，并影響下游梯級水庫入庫水溫，在各庫區形成穩定的斜溫層［16］。秋季以后，水溫下降，密度增加，表層水下沉，形成對流現象，能夠使庫區水溫變得均勻。到春季時，入流水溫持續增加，上層水溫增加迅速，出現溫度分層，形成雙溫躍層。研究表明，上游入庫水溫、氣溫、流量和水庫調度方式等對水溫結構變化具有重要影響［17］。水溫的沿程變化在下游100km以內都難以消除，如果兩級大壩之間小于這個距離，就會產生累積效應。金沙江流域高壩大庫建設使各水庫基本首尾銜接，每個大壩不但受到自身庫區水溫效應的影響，且還要受到上游水庫下泄水的影響，使得水溫累積效應增強，這種水溫節律變化對長江上游保護區魚類繁殖具有顯著影響［18］。通過分析攀枝花和屏山水文站點建壩前后水溫數據發現（圖4），建壩后水溫抬升月份主要為非汛期，其中1、12月最為明顯，觀音巖建壩后攀枝花水文站點1月水溫升高了3.03 ℃。建壩后年水溫差間距變小，水溫有坦化的趨勢，說明建壩導致河流水文節律發生了顯著變化。

2. 2物理化學層面的累積效應

2.2.1河流物理形態的變化

梯級水電開發最大特點是壩址上游形成巨大的水面面積，金沙江流域云南石鼓到四川宜賓段共長1338km，而截至目前有1173 km的庫區回水長度，占總長度的87.7%，區域已經形成了梯級湖庫化的典型形態，改變了河道的縱向特征（蜿蜒度、縱剖面、比降）、橫向特征（河寬、橫斷面）、河間地（面積比、單位河長面積）以及邊界特征（坡度比）［19］。另外梯級大壩建成后對河流河床影響巨大，大壩上游沉積物堆積，而下游河道河床不斷沖刷，使得大壩上下游形態差異越來越顯著。大壩蓄水后淹沒了河漫灘和河岸帶植被，形成了以調蓄為主的周期性消落帶［19-20］。庫區水位在消落帶之間反復升降，使土壤巖石處于周期性的干濕交替環境中，一方面膠結作用降低，裂隙擴寬，導致邊坡崩塌，同時滑坡體涉及飽和-非飽和的轉化過程中，影響坡上土體強度和水壓力，易引發滑坡災害；另一方面，消落帶中可能存在某些重金屬以及礦物質元素，通過岸線崩塌或者滑坡直接進入庫區水體，造成水體污染等事件。但大壩下游區域由于高位泄水導致河床沖刷加劇，沿途會出現裸露的基巖，致使該區段的水生生物生境嚴重受損。同時若河流開發需要兼顧航運，還需要對河岸進行硬化處理，降低了生態岸線長度，影響魚類等水生生物的棲息地多樣性。

2. 2. 2水質的累積效應

梯級水電開發后形成多段湖泊性質的水庫，使河段逐步湖庫化，增加了水體污染的幾率，提升了水體富營養化的風險。水庫水溫變化會對水體溶解氧、懸浮物、水化學特性產生影響，水溫分層后水體中溶解氧的含量產生差異，水庫表層營養元素若積累較多，有助于不同藻類生長，從而可能誘發不同程度的富營養化［21］；庫底動植物分解溶解氧含量不足，產生厭氧分解，釋放出H₂S、N₂O、CO₂、CH₄等氣體，還會使水體pH降低［22-23］。庫區雖然有頻繁水量補給和泄水過程，但作為周圍城市或者農村面源和點源污染的匯，污染物會在庫區沉積富集，進而影響水體水質。另外水體流動性降低，水體自凈能力顯著下降，梯級累積效應也增加了水質下降的趨勢。以向家壩水庫為例，根據監測結果顯示，向家壩蓄水后庫區未出現明顯的惡化趨勢，但總氮出現超標情況，溶解氧存在明顯下降的趨勢，其中，總氮超標率為14％，最大超標倍數1. 4倍。壩下斷面溶解氧出現了過飽和現象［24-25］。有研究表明向家壩蓄水前后總氮通量變化不大，蓄水前華彈站、向家壩站年均 TN 濃度分別為0.732、0.694mg /L，從上游往下沿程變化不大；蓄水后年均TN 濃度分別為0.726、0.841mg /L，沿程略有升高。但總磷濃度通量較蓄水前明顯降低，通量年均滯留率約為67%［26］。 這說明梯級大壩建設會對生源物質造成一定程度的滯留，其取決于生源物質在河流流通的形態結構及滯留機理，如氮主導機制為脫氮反應，磷主導機制為顆粒態磷的沉降，從而使得氮磷滯留情況差異顯著［27］。

2. 2. 3氣候環境的變化特征

金沙江中下游地區處于西南典型的干熱河谷地段，庫區的修建增加水面面積，梨園-觀音巖區段梯級水庫面積約增加了243km²，同時各庫區水溫上升，水面蒸發增加，在一定程度上增加水汽循環，使得局部地區氣候濕潤，使得周圍局部地區溫度、降水、風、霧等產生不同程度的改變（圖5）。

蓄水前金沙江河谷主要為干熱河谷植被，蓄水后則基本淹沒消失，對庫區氣候的影響從原有干熱河谷氣候轉變為較為涼爽濕潤的氣候，有利于現有植被的恢復和生長［28-30］。Yi等［28］采用遙感的方法證明了建壩后庫區植被生長有均一化的趨勢。Sun等［29-30］采用樹木年輪的方法證明了水庫蓄水對樹木徑向生長會產生促進作用。梯級水庫蓄水后淹沒大量地表土壤中的有機質會緩慢分解，同時庫區沉積泥沙中含有的有機物等也會發生厭氧反應，產生CO₂、CH₄等溫室氣體，從而對氣候變化產生影響［31］。關于水庫蓄水后排放溫室氣體對氣候變化的影響，在學術界仍爭論不休。

2.3生態層面的影響

2.3.1梯級大壩建設對魚類的影響

大壩建設后阻隔了洄游魚類通道，使得魚類不能達到合適的產卵場，導致大量洄游魚類減少［23］。有研究表明，金沙江觀音巖水電站建設后，河流魚類群落功能多樣性下降，尤其是對水體中體型較大、食譜較窄的魚類生存活動造成破壞，導致此類的數量顯著下降甚至消失，改變了大壩下游魚類的群落結構，進而對整個區域的生態系統產生影響。張春光等［32］通過對金沙江魚類調查發現，金沙江流域水利工程開發造成至少7種魚類處于瀕危或者易危狀態，主要包括中華鱘、達氏鱘、白鱘、胭脂魚、短須裂腹魚、巖原鯉、長薄鰍等魚類，主要由于建壩蓄水后水文情勢、水溫條件等生境要素等發生變化，致使魚類產卵場、索餌場和越冬場的適宜性下降，對魚類繁殖、生長和攝食造成不利影響［33］。同時，建壩后在長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區和三峽庫區發現了散鱗鏡鯉、麥瑞加拉鯪、雜交鱘等外來入侵物種，容易對本土物種造成生態位擠壓，增加相應的生態風險［34］。但從長遠來看，大壩建設對魚類養殖等活動可能存在益處，進而能夠改變區域的經濟結構，促進漁業的發展。根據2006、2007年的漁獲數據，萬州段魚類的完整性等級已經下降為“ 差”，并且從趨勢來看，魚類資源還有持續衰退的苗頭［35］。到2020年，重慶市的水生生物保護區正式進入10a禁捕期，重點水域全面禁漁［35］；2021年初，禁漁范圍擴大到整個長江干流，三峽水庫迎來了修復期，同時在庫區魚群逐漸變多［36］，說明在梯級大壩庫區等地方，只要適當的人為管理和禁漁，庫區漁業發展會推動區域經濟的發展。

2.3.2梯級大壩建設對其他生物的影響

水利工程建設除了對魚類存在影響外，對藻類、浮游動植物、底棲動物、微生物等生物都有較大的影響［37-38］（圖6）。例如，大壩建設前后會增加底棲動物生物量，但會降低物種豐富度，或使耐污種成為優勢物種，但敏感種數量下降。同時上游大壩蓄水后會對下游湖泊和濕地造成一定程度的影響，進而影響濕地生態系統的生物，Wu等［38］證明了長江上游大壩蓄水攔截后洞庭湖濕地系統的土壤微生物群落多樣性增加，主要是由于建壩后洞庭湖沉積物輸沙粒度變小的原因，這也是大壩建設空間累積效應的典型響應。此外，大壩建設還可能對陸生脊椎動物產生一定程度的影響，余志偉等［39］研究發現冶勒水電站破壞了部分獸類的棲息環境，導致動物遷移、死亡、種群數量減少，如豬獾、林麝等，還會影響地區的瀕危動物，如水庫修建后導致猴類、斑羚等失去部分棲息地而遷移，造成種群數量下降。

3累積效應評價指標選擇

梯級水電開發為累積效應的影響源，影響過程涉及水文、物理、化學以及生物要素，進而可以揭示梯級大壩建設的生態環境累積效應（表2）。在分析了梯級大壩對環境產生的累積效應情況后，根據各項指標的變化情況，設定2個層級的指標體系，一級評價準則為水文、物理、化學、生態要素層面，二級評價準則根據一級要素層進行細化。水文要素包括了徑流、流速、泥沙、水溫指標，此類指標是會直接影響生物繁殖和生長的關鍵指標；物理要素層包括了河床形態、庫容系數、斷面變化、土地利用變化、岸線穩定指標，此類指標是大壩建設直接改變的要素，會直接影響生態系統的結構體系；化學要素包括了溶解氧、氮和磷等生源要素、重金屬、有機物，此類指標一方面直接關系到水生生物的營養源，另一方面體現了食物網中的富集效應，需要在研究健康評價時納入的重要指標；生物要素層包括了魚類、植物、底棲動物、浮游動植物，此類指標是構成食物網的基礎，是建壩后表征生態系統演變的重要指示指標，水生生物群落的變化及演變方向是大壩累積效應評價的關鍵。根據評價設定的2個層級的指標體系，在時間上和空間上分析指標的變化形式及特征，如徑流在空間上累積表現形式是沿程徑流變化，在時間上的累積表現為徑流坦化/均一化的趨勢；水溫在空間上表現出典型的水溫分層，隨著時間的變化不同溫躍層不同季節差異較大；岸線穩定在空間上由于枯汛期導致的消落帶的變化，涉及到岸線往復的淹沒暴露，在時間上主要受到人類活動使得生態岸線和硬化岸線的演變過程。每個指標建立后需要根據在空間和時間上的累積形式判斷各項指標的變化規律，明確時空累積形式，進而揭示梯級水電開發的生態環境累積效應。

4總結與展望

綜上所述，水利工程尤其是梯級電站的建設與運行，在給人類帶來顯著正向效益的同時，對河流自然生態系統產生了極為深刻且復雜的多重影響。河漫灘的不可恢復性淹沒改變了其生態物理結構，導致生態功能喪失或減弱，使依賴其獨特生態環境的生物物種面臨生存挑戰，物種多樣性與生態穩定性遭受嚴重沖擊；水系連通的阻隔擾亂了河流生態系統的整體性與連貫性，加劇了水生生境的破碎化程度，對水生生物的棲息、繁殖等造成嚴重負面影響。梯級電站通過改變河流的徑流特性、泥沙淤積模式、水溫、水質、水生生物棲息地以及河流連通性與形態等方面，對生態環境產生了廣泛而深遠的累積效應。為減輕這種累積效應帶來的破壞，首要任務是制定科學合理的評判標準，選取適宜的指標，以全面揭示梯級大壩建設對生態環境的累積影響。本研究將梯級水電開發確定為累積效應的影響源，其影響過程涉及水文、物理、化學、生物等諸多要素，篩選出了2個層級的累積效應評價體系，可為梯級大壩累積效應及生態評價提供一定的參考。未來在梯級水電開發與累積生態效應評價方面仍需要關注以下3個方面：①通過梯級調度消除一定程度的負面累積效應，如通過梯級調度減小下泄水溫對魚類產卵的影響；②通過增設魚梯、魚道等設施增加生物連通性，減小對洄游性魚類的影響；③通過控制污染源，減少污染物直接入排庫區或其他河段，防止庫區藻華等富營養化事件的發生。