基于能值分析的我國(guó)小水電生態(tài)影響研究

龐明月, 張力小, 王長(zhǎng)波

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

基于能值分析的我國(guó)小水電生態(tài)影響研究

龐明月, 張力小*, 王長(zhǎng)波

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

如何系統(tǒng)定量地評(píng)價(jià)小水電開(kāi)發(fā)過(guò)程所引起的景觀變化、河流局部斷流等生態(tài)影響，是平息爭(zhēng)議、進(jìn)行合理規(guī)劃與開(kāi)發(fā)小水電前提之一。運(yùn)用能值分析方法，以貴州省赤水市觀音巖水電站為例，將小水電建設(shè)、運(yùn)行的資源投入，以及河道中水流的時(shí)空改變所導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能的損失納入核算體系，對(duì)其生態(tài)影響進(jìn)行綜合定量評(píng)估。從2010年的實(shí)際結(jié)果來(lái)看，由于河流斷流，導(dǎo)致水壩下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的能值損失為2.77×1018sej，占到了系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行總投入的44.84%，其中重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)種在影響河段的生境破壞是最大的能值損失。若不考慮下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失，系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)載率為1.92，可持續(xù)性指標(biāo)為1.22；而考慮下游生態(tài)影響之后，系統(tǒng)環(huán)境負(fù)載率增大至4.26，可持續(xù)性指標(biāo)減小為0.34。研究表明，小水電的開(kāi)發(fā)必須遵循適度開(kāi)發(fā)、規(guī)劃優(yōu)先，保障河流最基本的生態(tài)需水底線，是協(xié)調(diào)小水電開(kāi)發(fā)和河流健康矛盾、追求小水電持續(xù)發(fā)展的剛性要求。

小水電; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能; 能值分析; 生態(tài)影響

相比于備受爭(zhēng)議的大型水電工程的生態(tài)影響[1]，小型水電站(簡(jiǎn)稱小水電)的環(huán)境友好性似乎得到了公眾的普遍認(rèn)可，如Paish認(rèn)為小水電工程簡(jiǎn)單，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的負(fù)面影響比大型水電工程要小得多[2]；實(shí)驗(yàn)方法證明在適度開(kāi)發(fā)和采取合理保護(hù)措施的情況下，小水電不會(huì)對(duì)下游河流底棲藻類、水質(zhì)和魚(yú)類產(chǎn)生較大影響[3-4]；能值分析也顯示小水電建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中的資源使用對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力較小[5]?；谶@種對(duì)小水電環(huán)境友好性的認(rèn)知以及解決偏遠(yuǎn)山區(qū)居民的用電問(wèn)題，我國(guó)小水電自改革開(kāi)放以來(lái)得到快速發(fā)展，截至2011年末，全國(guó)范圍內(nèi)已建成小型水電站4.5萬(wàn)多座，裝機(jī)容量6212萬(wàn)kW，年發(fā)電量1757億kWh[6]。

但是，近些年我國(guó)快速甚至“過(guò)熱”的小水電開(kāi)發(fā)開(kāi)始呈現(xiàn)盲目、無(wú)序等趨勢(shì)，如在貴州省赤水市境內(nèi)長(zhǎng)48.6km的習(xí)水河干流上，所建小型水電站達(dá)10級(jí)之多，各級(jí)水電站水壩攔截與引流無(wú)序分配河水，導(dǎo)致在大多數(shù)年份下河流基本生態(tài)需水得不到滿足，許多河段出現(xiàn)斷流，河流生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，削弱了河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因此，關(guān)于小水電開(kāi)發(fā)生態(tài)影響的爭(zhēng)議持續(xù)出現(xiàn)在學(xué)術(shù)界及媒體輿論中[7-9]。但是，目前關(guān)于小水電生態(tài)環(huán)境影響的研究多為基于某一時(shí)間點(diǎn)與時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)對(duì)單要素的定量分析，能夠整合建設(shè)運(yùn)行對(duì)區(qū)域資源環(huán)境壓力、生態(tài)系統(tǒng)退化等影響的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)較少見(jiàn)于報(bào)道。

能值分析方法是重要的生態(tài)能量方法之一，能夠統(tǒng)一度量系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存和流動(dòng)的各種形式物質(zhì)和能量，以能量的集聚、結(jié)構(gòu)與效率等特征指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)的改變，能夠?qū)ο到y(tǒng)的生態(tài)環(huán)境影響和可持續(xù)發(fā)展水平進(jìn)行綜合定量分析[10-14]，目前已被用于國(guó)內(nèi)外幾座大型水電站的系統(tǒng)分析[15-17]，筆者也將其應(yīng)用于小水電的可持續(xù)性分析[5]，為本研究提供了很好的基礎(chǔ)。因此，本研究選取習(xí)水河干流上的觀音巖水電站為例，將小水電建設(shè)、運(yùn)行的資源投入，以及河道中水流的時(shí)空改變所導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能的損失納入核算體系，利用能值分析方法對(duì)其生態(tài)影響進(jìn)行定量分析，以期為小水電開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供定量化依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 觀音巖水電站概述

圖1 觀音巖水電站景觀圖Fig.1 Landscape photo of Guanyinyan SHP station

觀音巖水電站(N28°32′24.89″，E106°06′39.81″)位于貴州省赤水市官渡鎮(zhèn)境內(nèi)習(xí)水河干流上，為習(xí)水河干流赤水市境內(nèi)河段水電梯級(jí)規(guī)劃的第五級(jí)電站，項(xiàng)目總投資2809.5萬(wàn)元，始建于2005年，為壩后式水電站，其發(fā)電用水來(lái)自習(xí)水河上游，主要任務(wù)為水力發(fā)電。水電站攔河筑壩，集中落差，水庫(kù)正常蓄水位容量為121萬(wàn)m3，平均水頭為11.75m，水流由進(jìn)水口經(jīng)引水管道進(jìn)入發(fā)電廠房發(fā)電，水輪機(jī)引用流量為32.2m3/s，尾水經(jīng)尾水渠排入習(xí)水河下游，水電通過(guò)變電設(shè)備向遵義市電網(wǎng)供電(圖1)。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為3200kW，年利用小時(shí)3810h，年發(fā)電量為1220萬(wàn)kWh。但因來(lái)水受季節(jié)性降雨和上游水電站的影響，電站實(shí)際運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)規(guī)劃存在一定差距，2010年發(fā)電量?jī)H為633萬(wàn)kWh，上網(wǎng)628萬(wàn)kWh，折算成年滿發(fā)小時(shí)數(shù)為1979h(表1)。另外需要指出的是，在水壩下游約2.28km處有習(xí)水河一級(jí)支流長(zhǎng)嵌河匯入。

1.2 小水電生態(tài)影響機(jī)理解析

一種事物對(duì)另外一種事物的影響，可以看作它們之間相互作用導(dǎo)致的特定改變。從某種意義上講，改變就是一種影響，雖然這種影響或正或負(fù)。小水電的建設(shè)運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境的改變主要包括兩方面：大量外部資源投入導(dǎo)致的能量集聚(表現(xiàn)為景觀破壞)和攔截引流導(dǎo)致水量時(shí)空分布變化(表現(xiàn)為間歇性斷流)導(dǎo)致的下游河段生態(tài)系統(tǒng)退化。

表1 水電站設(shè)計(jì)運(yùn)行清單Table 1 The main characteristics of small hydropower plant

(1)建設(shè)運(yùn)行期間的外部資源投入

小水電在建設(shè)期間，需要大量來(lái)自社會(huì)的如水泥、機(jī)械設(shè)備、鋼材等非可再生資源的投入；運(yùn)行期間所需外部資源投入較少，但仍需要?jiǎng)趧?dòng)力等的投入，如圖2所示。從外部引入的這些資源在本地使用，雖然沒(méi)有直接污染本地的生態(tài)環(huán)境，但使得本地系統(tǒng)因?yàn)槟芰康妮斎脒h(yuǎn)離平衡態(tài)，破壞了系統(tǒng)原有的景觀結(jié)構(gòu)，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成壓力。

圖2 觀音巖水電站的物質(zhì)能量流動(dòng)圖Fig.2 Diagram of the emergy flows in Guanyinyan SHP station

(2)運(yùn)行期間水壩下游河段生態(tài)系統(tǒng)退化

圖3 案例小水電生態(tài)影響示意圖Fig.3 Diagram of ecological impacts of the studied system

小水電攔河筑壩，不會(huì)改變河流的總水量，但會(huì)改變河水下泄的時(shí)間，從而改變了河流水體的自然時(shí)空分布，中斷河流生態(tài)系統(tǒng)原有的“時(shí)空連續(xù)性”[7-8]。如圖3所示，小水電在運(yùn)行期間將連續(xù)的自然河流分成了三段水體：擋水壩以上河段(A)、水壩取水口與出水口之間的河段(B)以及出水口至支流匯入的河段(C)。對(duì)觀音巖水電站2010年每日運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，水電站上游每日都有來(lái)水，即A河段不會(huì)出現(xiàn)無(wú)水情況，因此A、B、C三段水體的生境可分為圖3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種情景。其中，情景I即水壩出現(xiàn)溢流在2010年只有大約40d出現(xiàn)；大部分時(shí)刻處于情景Ⅱ，即水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)，但河壩無(wú)溢流，此時(shí)B段河流無(wú)水，C段獲得發(fā)電下泄水量；除此之外，幾乎每日都有不同時(shí)長(zhǎng)的情景Ⅲ間斷出現(xiàn)，即水輪發(fā)電機(jī)組停止工作，無(wú)水溢流也無(wú)水發(fā)電下泄，B、C河段斷流，2010年中有34個(gè)整天處于這種狀態(tài)。

通過(guò)以上分析可知，B河段在一年中絕大部分時(shí)段都處于完全斷流狀態(tài)，河床裸露，不能為水生生物提供有效生境；而C河段因?yàn)閹缀趺咳斩加袛嗔髑闆r出現(xiàn)，對(duì)河流生境變化最為敏感的水生動(dòng)物包括重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)種在此河段生境內(nèi)不能生存，但此前研究表明在枯水期只要保證河流周期性的連通，不會(huì)對(duì)底棲藻類產(chǎn)生較大影響，因此在此河段水生植物可以正常生存。隨著沿途大型支流匯入，河流生境逐漸恢復(fù)，為水生生物提供棲息地。此外在本研究中主要考慮小水電建設(shè)運(yùn)行對(duì)水壩下游河道的生態(tài)環(huán)境影響，因此沒(méi)有考慮小水電建設(shè)運(yùn)行對(duì)水壩上游即A河段的影響。

1.3 能值分析

所謂能值是指產(chǎn)品或勞務(wù)形成過(guò)程中直接或間接投入應(yīng)用的有效能總量[10]。實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)能是包含在地球所有生物化學(xué)過(guò)程中最重要的能量，所以常以太陽(yáng)能值為基準(zhǔn)衡量某一能量的能值，單位為太陽(yáng)能焦耳(sej)[18-19]。不同類別的能量即能量(J)、質(zhì)量(g)和貨幣($)通過(guò)單位能值價(jià)值(即UEV)轉(zhuǎn)化成太陽(yáng)能值，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量比較和分析。當(dāng)能量形式為焦耳時(shí)，UEV又可稱為能值轉(zhuǎn)換率[20-21]。

根據(jù)輸入資源是否免費(fèi)以及是否具有可再生性，將其分為本地免費(fèi)可更新資源(RL)、外界輸入免費(fèi)可更新資源(RO)、本地免費(fèi)非可更新資源(NL)以及購(gòu)入資源(P)，其中購(gòu)入資源又可分為可更新購(gòu)入資源(PR)和非可更新購(gòu)入資源(PN)。此外，運(yùn)行成本中還包括小水電過(guò)度開(kāi)發(fā)導(dǎo)致下游河道斷流引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失(LES)，表2列出了小水電系統(tǒng)不同資源輸入及主要能值指標(biāo)。

表2 小水電系統(tǒng)的主要能值指標(biāo)Table 2 Emergy indices for small hydropower system assessment

續(xù)表2

2 結(jié)果與分析

2.1 觀音巖水電站系統(tǒng)的能量流動(dòng)

基于觀音巖水電站工程設(shè)計(jì)報(bào)告和課題組的實(shí)地調(diào)研，建立了2010年觀音巖水電站實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)能值核算表(表3)。需要指出的是該電站設(shè)計(jì)運(yùn)行周期是30.5a，由于本研究是基于1a的靜態(tài)核算，因此在能值核算清單中建設(shè)材料及發(fā)電設(shè)備等一次性投入能值均折算為年度的流動(dòng)量。

表3 觀音巖水電站系統(tǒng)能值核算表Table 3 Emergy evaluation table of Guanyinyan SHP station system

①根據(jù)能值方法的最新發(fā)展，本研究采用2000年后Odum重新計(jì)算的驅(qū)動(dòng)全球過(guò)程的能值量，即15.83×1024sej/a，為使得單位能值價(jià)值之間具有可比性，基于9.44×1024sej/a計(jì)算得到的單位能值價(jià)值乘以1.68(15.83/9.44)進(jìn)行換算[30];②勞動(dòng)力投入主要分為建設(shè)和運(yùn)行兩個(gè)階段，建設(shè)期工日為9.28萬(wàn)，除以30.5轉(zhuǎn)化為年度流動(dòng)量；運(yùn)行期每年為3442工日;因此，2010年勞動(dòng)力總投入為6485d，通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)3000×4.186將其單位轉(zhuǎn)換成焦耳

由核算結(jié)果可知，整個(gè)觀音巖水電站生產(chǎn)系統(tǒng)2010年的能值總投入為6.18×1018sej，生產(chǎn)2.26×1013J的水電，因此小水電的能值轉(zhuǎn)換率為2.73×105sej/J。在能值結(jié)構(gòu)，最大的投入是下游河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的損失(2.77×1018sej/a)，占到總投入的44.84%，說(shuō)明觀音巖水電站運(yùn)行對(duì)下游河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較大；其次河水重力勢(shì)能和建設(shè)石材的投入分別是1.04×1018和9.10×1017sej/a，分別為能值核算清單中第二、三大能值輸入。而在本地免費(fèi)可更新資源中，即太陽(yáng)能、降雨和風(fēng)能，雨水的能值(1.19×1014sej/a)是最大的，為避免重復(fù)計(jì)算，只將雨水納入到核算體系中。在購(gòu)入資源中，水泥(4.99×1017sej/a)、運(yùn)行維護(hù)(3.70×1017sej/a)和建設(shè)服務(wù)(主要包括水電站建設(shè)期間的機(jī)械使用費(fèi)用等，2.95×1016sej/a)是三個(gè)最大的能值投入，而其它建設(shè)材料所占比例很小。圖4為觀音巖水電站的主要能值輸入即能值結(jié)構(gòu)。

圖4 案例小水電的能值輸入結(jié)構(gòu)Fig.4 Emergy structure of Guanyinyan SHP station system

2.2 水壩下游生態(tài)服務(wù)功能損失的能值評(píng)估

小水電在運(yùn)行期間擠占生態(tài)用水導(dǎo)致下游河道減脫水甚至斷流的現(xiàn)象十分普遍，對(duì)河流水生生態(tài)系統(tǒng)造成了毀滅性破壞。實(shí)地調(diào)研得知，習(xí)水河干流官渡鎮(zhèn)境內(nèi)河段禁止捕撈魚(yú)類、水生植物，因而不具有水產(chǎn)品生產(chǎn)功能，此外此河段有重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)類長(zhǎng)吻鮠(Leiocassislongirostris)。因此，河道減脫水甚至斷流主要影響的是下游河段小氣候調(diào)節(jié)與生物多樣性維持功能等方面的能值損失。測(cè)量得到B河段水域面積為7973.33m2，C河段水域面積為74746.67m2，兩河段總共水域面積為82720m2。根據(jù)上文的分析可知7973.33m2的水域面積因不能為水生植物提供生境而喪失氣候調(diào)節(jié)功能；而82720m2的水域面積喪失了生物多樣性維持功能。生物多樣性維持功能損失忽略其它非重點(diǎn)保護(hù)水生動(dòng)物的能值損失，僅計(jì)算重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)種長(zhǎng)吻鮠在此河段消失的能值損失，計(jì)算公式及結(jié)果見(jiàn)附表。

通過(guò)核算可知觀音巖水電站2010年運(yùn)行擠占下游河段生態(tài)用水導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失的能值為2.77×1018sej，主要是由重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)種長(zhǎng)吻鮠在受影響河段消失導(dǎo)致生物多樣維持功能的喪失引起的，小氣候調(diào)節(jié)功能的能值損失較小，僅為4.63×1013sej。可見(jiàn)，如果不能保障河道基本生態(tài)需水，僅以小水電發(fā)電為中心目標(biāo)，就會(huì)破壞水生物種的生存生境，大大削弱其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

2.3 觀音巖水電站生產(chǎn)系統(tǒng)綜合分析

根據(jù)上述核算結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算相關(guān)能值指標(biāo)，為比較河流斷流的影響，可分為考慮和不考慮下游河流生態(tài)系統(tǒng)退化兩種情況，如表4所示。

表4 觀音巖水電站生產(chǎn)系統(tǒng)2010年主要能值指標(biāo)Table 4 Emergy indices for Guanyinyan SHP station system in 2010

能值轉(zhuǎn)換率是指系統(tǒng)生產(chǎn)單位物質(zhì)所需投入的能值量。當(dāng)不同系統(tǒng)生產(chǎn)相同的產(chǎn)品時(shí)，能值轉(zhuǎn)換率可表征系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。能值轉(zhuǎn)換率低，生產(chǎn)相同的產(chǎn)品所需能量少，或者相同能量可生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，則說(shuō)明系統(tǒng)生產(chǎn)效率高[10,31]。本研究中，若考慮下游生態(tài)環(huán)境影響，小水電的能值轉(zhuǎn)換率為2.73×105sej/J，大于湄公河上兩座大壩的水電能值轉(zhuǎn)換率(分別為1.54×105、1.57×105sej/J)[15]；而不考慮下游生態(tài)影響，其能值轉(zhuǎn)換率為1.51×105sej/J，可見(jiàn)下游生態(tài)系統(tǒng)退化大大降低了小水電生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

環(huán)境負(fù)載率是評(píng)估系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境壓力大小的一個(gè)重要指標(biāo)，其值越大，系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力越大，若持續(xù)處于較高的環(huán)境負(fù)載率，將會(huì)造成系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)的功能退化[31-32]。若不考慮下游生態(tài)環(huán)境影響，觀音巖水電站2010年的環(huán)境負(fù)載率為1.92，低于湄公河上兩座大壩(分別為3.2、3.1)[15]，這與筆者之前關(guān)于小水電可持續(xù)研究中的結(jié)論相一致[5]，在沒(méi)有下游生態(tài)系統(tǒng)退化的影響下，小水電的建設(shè)運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力普遍較?。欢紤]下游生態(tài)環(huán)境影響之后，環(huán)境負(fù)載率增大至4.26，水電站由于過(guò)度開(kāi)發(fā)擠占生態(tài)用水，下游河段生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，增大了水電站對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力。

考慮下游河段的生態(tài)系統(tǒng)退化之后，系統(tǒng)能值產(chǎn)出率由2.33減小到1.46，環(huán)境負(fù)載率增大，使得系統(tǒng)可持續(xù)性降低?？沙掷m(xù)性指標(biāo)表征系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力，值越小，系統(tǒng)的可持續(xù)能力越差[33-34]。本研究中，系統(tǒng)的ESI為0.34，遠(yuǎn)小于1，表明該水電站生產(chǎn)系統(tǒng)為消費(fèi)型系統(tǒng)，長(zhǎng)久來(lái)看是不可持續(xù)的；若不考慮下游生態(tài)環(huán)境影響，系統(tǒng)ESI為1.22，兩者對(duì)比說(shuō)明下游河段生態(tài)系統(tǒng)的退化嚴(yán)重影響了小水電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)而表明小水電單純追求發(fā)電效益，擠占下游河段生態(tài)用水、以生態(tài)環(huán)境破壞為代價(jià)的開(kāi)發(fā)方式是不可持續(xù)的。

3 結(jié)論與啟示

本研究以能值分析理論為基礎(chǔ)，將小水電運(yùn)行導(dǎo)致的水壩下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失計(jì)入其運(yùn)行成本，定量分析了小水電開(kāi)發(fā)運(yùn)行的生態(tài)環(huán)境影響，結(jié)果表明：

(1)2010年觀音巖水電站運(yùn)行需要6.18×1018sej的能值投入，其中由下游河流斷流導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失能值為2.77×1018sej，占到系統(tǒng)能值總投入的44.84%，是系統(tǒng)運(yùn)行的最大消耗項(xiàng)。而在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失中，重點(diǎn)保護(hù)魚(yú)種長(zhǎng)吻鮠在受影響河段消失損失的能值最大，破壞水生生物的棲息地是小水電過(guò)度開(kāi)發(fā)對(duì)下游最主要的影響之一。

(2)若忽略水壩下游生態(tài)系統(tǒng)退化，系統(tǒng)的ELR為1.92，低于大型水電站的此項(xiàng)指標(biāo)，而ESI為1.22，系統(tǒng)可持續(xù)能力較強(qiáng)；而考慮此影響之后，研究系統(tǒng)的ELR增大至4.26，ESI減小為0.34，系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境壓力過(guò)大，是不可持續(xù)的，進(jìn)而表明盲目無(wú)序的小水電開(kāi)發(fā)方式不符合可持續(xù)發(fā)展的原則。

(3)從本研究的結(jié)果來(lái)看，如果給小水電設(shè)定一個(gè)開(kāi)發(fā)底線，即在保障河流生態(tài)需水的前提下，小水電開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較小。但在目前工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等多家爭(zhēng)水的格局下，河流生態(tài)需水很難得到保障，小水電的無(wú)序開(kāi)發(fā)無(wú)疑加劇了河流生態(tài)系統(tǒng)退化的步伐。

(4)小水電開(kāi)發(fā)雖不改變水資源總量，但通過(guò)攔截與引流分配，大大改變了河流水體的時(shí)空分布，間接影響了水資源的可用性。因此，流域小水電開(kāi)發(fā)要生態(tài)優(yōu)先、規(guī)劃先行，既要避免“大馬拉小車”，造成水能資源浪費(fèi)，又要避免“小馬拉大車”，發(fā)電負(fù)荷不能滿足，進(jìn)而大大擠占河流生態(tài)需水，造成河流生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化，最終達(dá)到小水電開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。

附表 觀音巖水電站運(yùn)行造成的水壩下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失的能值計(jì)算表Appendix Emergy evaluation of the ecosystem service losses in the downstream of the dam caused by the operation of the station

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Emergy evaluation for ecological impacts of small hydropower in China

PANG Mingyue, ZHANG Lixiao*, WANG Changbo

StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

In China, most of the small hydropower (short for SHP) plants are currently seeking for benefits in power generation and economic revenue with little consideration of environmental flows for ecosystems, causing great impacts on river ecosystem services in the downstream of the dams. Negative ecological impacts of small hydropower have drawn increasing attention from the public. This paper used emergy analysis, one of the ecological energetic accounting methods, to evaluate the overall ecological impacts of construction and operation of small hydropower and took Guanyinyan hydropower plant in Chishui City, northwest of Guizhou Province as an example. Having capabilities in accounting multiple forms of energy and materials both from environmental and economic points of view on a common energy basis, the method of emergy analysis was widely used for supporting the evaluation of agricultural, wetlands and urban systems and was proved to be a useful tool for evaluating the overall performance of a mixed ecological and economic systems. The related indices and ratios based on emergy flows such as emergy yield ratio (EYR), environmental loading ratio (ELR) and emergy sustainability index (ESI) can be used for characterizing resource consumptions, environmental impacts and overall system sustainability. Through incorporating losses of the downstream ecosystem services into the operation cost of the power production system, the results showed that the studied system was supported by a total emergy of 6.18×1018sej in 2010 to produce 2.26×1013J of electricity, of which the downstream ecosystem service losses was the largest among multiple marginal costs, accounting for 44.84% of total ecological economic cost. The losses of ecosystem service mainly included those due to biodiversity losses (especially rare species losses) and climate regulation losses, with 2.77×1018and 4.63×1013sej/a respectively. Without considering the ecosystem service losses, the ELR of the studied system was 1.92 and the ESI was 1.22. However, when considering ecosystem service losses, the ELR of the studied system increased to 4.26, which was much larger than those of large hydropower generation projects in Mekong River or those in Korea, showing an increased pressure on local environment. And the value of ESI decreased to 0.34, which was much lower than 1, indicating that the studied power production system was not sustainable. Furthermore, the results suggested that the degradation of river ecosystem in the downstream of the dam during operation period greatly reduced the sustainability of the system. Thus, for a small hydropower, occupying environmental flows of the downstream and the development pattern at the expense of the ecosystem approach would be unsustainable. Sufficient environmental flows would be essential to the river ecosystem in the downstream, especially for maintaining the aquatic biodiversity. Environmental-friendly and social harmonious development of water resources would be necessary to achieve sustainable development for small hydropower. Relevant authorities should strengthen the planning and management of water resources development to ensure the sustainability of small hydropower and the health of river ecosystem. In addition, this paper reflected that emergy analysis, as a measure of the environmental support and the work to keep ecosystem sustainability, is an effective tool that is capable of providing an integrative assessment, and then provide a basic for the sustainable development of small hydropower.

small hydropower; ecosystem service; emergy analysis; ecological impacts

2013-06-09;

日期:2014-05-16

10.5846/stxb201306091484

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhanglixiao@bnu.edu.cn

龐明月, 張力小, 王長(zhǎng)波.基于能值分析的我國(guó)小水電生態(tài)影響研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(8):2741-2749.

Pang M Y, Zhang L X, Wang C B.Emergy evaluation for ecological impacts of small hydropower in China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2741-2749.