基于生態(tài)足跡的農(nóng)村引水式電站生態(tài)環(huán)境影響評價

王振華，李青云，黃 茁，趙偉華，沈曉瑩

(1.長江科學(xué)院流域水環(huán)境研究所，湖北 武漢 430010；2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430010；3.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002)

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基于生態(tài)足跡的農(nóng)村引水式電站生態(tài)環(huán)境影響評價

王振華1,2,3，李青云1,2，黃 茁1,2，趙偉華1,2，沈曉瑩1,2

(1.長江科學(xué)院流域水環(huán)境研究所，湖北 武漢 430010；2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430010；3.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002)

在全球氣候變化背景和國家節(jié)能減排需求下，量化農(nóng)村水電對生態(tài)環(huán)境的積極作用和不利影響具有重要意義。針對農(nóng)村水電的梯級引水式分布特點及其在提供水電能源和降低河道及岸坡生態(tài)服務(wù)功能兩方面的突出影響，基于生態(tài)足跡分析法，劃分了農(nóng)村引水式電站生態(tài)供給足跡賬戶和生態(tài)需求足跡賬戶，建立了農(nóng)村引水式電站的生態(tài)供給足跡模型和生態(tài)需求足跡模型，并以云南山區(qū)某小型河流梯級引水式電站為例進行了生態(tài)供給足跡與生態(tài)需求足跡計算，定量評價了其生態(tài)環(huán)境累積影響。結(jié)果表明，農(nóng)村梯級引水式電站的生態(tài)環(huán)境累積影響顯著；隨著引水式電站開發(fā)運行級數(shù)增多，其生態(tài)需求足跡與生態(tài)供給足跡的差值增大，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生累積影響的程度越大；在眾多不利影響因素中，河道減水脫水產(chǎn)生的累積影響占主導(dǎo)作用。圖2幅，表2個。

梯級引水式電站；生態(tài)環(huán)境累積影響；定量評價；生態(tài)供給足跡；生態(tài)需求足跡

0 引 言

農(nóng)村水電又稱小水電，是指裝機容量5萬kW及以下的水電站，其一般修建在山區(qū)小型河流上，多呈現(xiàn)梯級引水式分布。農(nóng)村水電是我國水電能源的重要組成部分，其發(fā)電量約占全國水能發(fā)電量的37.6%。農(nóng)村水能資源開發(fā)利用對促進農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展尤其是解決偏遠山區(qū)居民生產(chǎn)、生活用電難問題發(fā)揮了不可替代的作用。作為清潔能源，農(nóng)村水電尤其是“小水電代燃料工程”的運行實施，有效減少了山區(qū)居民對薪柴的消耗量，有效保護了林草植被面積。農(nóng)村水電開發(fā)運行在保障山區(qū)電力供應(yīng)和改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮積極作用的同時，也對河道和岸坡生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一些不利影響，如廠壩間河道減水脫水、水生生態(tài)破壞、工程棄渣占用河道等，其中多級、連續(xù)的減水脫水河道對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的累積疊加影響尤為突出。在全球氣候變化背景和國家節(jié)能減排需求下，探討并量化農(nóng)村水電對生態(tài)環(huán)境的積極作用和不利影響，客觀評價農(nóng)村水電的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，對正確處理農(nóng)村水電站開發(fā)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護之間的關(guān)系、尋求農(nóng)村水電經(jīng)濟效益與河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重要理論意義和實踐參考價值。

目前，國內(nèi)對于農(nóng)村水電生態(tài)環(huán)境影響的相關(guān)研究成果以定性描述為主[1_6]，定量分析較少，梯級引水式電站累積影響定量評價研究更少。雖然我國已有《農(nóng)村水電站工程環(huán)境影響評價規(guī)程》(SL 315—2005)，但該技術(shù)規(guī)程僅適用對某一具體農(nóng)村水電工程項目的環(huán)境影響進行評價，不適用于對農(nóng)村梯級引水式電站的生態(tài)環(huán)境累積影響進行評價。

生態(tài)足跡(Ecological Footprint，簡稱EF)分析法是以“生物生產(chǎn)性土地”為度量指標，測算人類活動對生態(tài)環(huán)境影響程度的一套定量方法，其具有計算簡便、可操作性強、全球可比、易與其他指標結(jié)合、結(jié)論易懂等優(yōu)點，并在多個行業(yè)(如旅游業(yè)、教育業(yè)、餐飲業(yè)、制造業(yè)、種植業(yè)、地區(qū)貿(mào)易等)得以應(yīng)用[7_11]。近年來，國內(nèi)已有學(xué)者將生態(tài)足跡分析法應(yīng)用于大型水利工程對生態(tài)環(huán)境影響評價研究[12_14]，如肖建紅等(2006，2008)應(yīng)用生態(tài)足跡法分別對三峽工程和全國水利工程的生態(tài)供給足跡和生態(tài)需求足跡進行了計算，為大型水利工程生態(tài)環(huán)境影響評價提供了重要參考，但是針對農(nóng)村引水式電站開發(fā)運行對生態(tài)環(huán)境影響的生態(tài)足跡計算模型及評價研究尚未見報道。與大型水電工程的水庫調(diào)蓄、物質(zhì)攔截、水庫污染、水溫分層等生態(tài)環(huán)境影響不同，農(nóng)村引水式電站對生態(tài)環(huán)境的不利影響較為單一，主要表現(xiàn)為降低河道和岸坡的生態(tài)服務(wù)功能。本文在文獻[12_14]研究成果的基礎(chǔ)上，針對農(nóng)村水電梯級引水式開發(fā)運行的特點，構(gòu)建農(nóng)村梯級引水式電站生態(tài)供給足跡模型和生態(tài)需求足跡模型，并以云南山區(qū)某小型河流梯級引水式電站為例進行生態(tài)足跡計算，評價其生態(tài)環(huán)境累積效應(yīng)，以期為農(nóng)村引水式電站生態(tài)環(huán)境累積影響定量評價提供基本方法。

1 農(nóng)村引水式電站生態(tài)足跡賬戶劃分

農(nóng)村引水式電站對生態(tài)環(huán)境的突出影響表現(xiàn)在提供水電能源和降低河道及岸坡生態(tài)服務(wù)功能兩個方面。農(nóng)村引水式電站開發(fā)山區(qū)河流的水電能源為山區(qū)居民提供電力，有效減少了山區(qū)居民對薪柴的消耗量，保護林草植被面積，改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。這種通過以電代柴而增強的林草植被服務(wù)功能供給能力稱為農(nóng)村引水式電站生態(tài)供給，將其能夠折算的世界生物生產(chǎn)性土地或水域的總面積稱為農(nóng)村引水式電站生態(tài)供給足跡。農(nóng)村引水式電站開發(fā)運行造成廠壩間河道減水脫水、水生生態(tài)破壞、工程棄渣占用河道、電站永久占地與引水設(shè)施占地、岸坡植被損毀、水土流失等影響，削弱或降低的河道和岸坡生態(tài)服務(wù)功能供給能力稱為農(nóng)村引水式電站生態(tài)需求，將其能夠折算的世界生物生產(chǎn)性土地或水域的總面積稱為農(nóng)村引水式電站生態(tài)需求足跡。農(nóng)村引水式電站生態(tài)供給足跡賬戶(以電代柴)和生態(tài)需求足跡賬戶(降低河道及岸坡生態(tài)服務(wù)功能)的關(guān)系如下所示(見圖1)。

圖1 農(nóng)村引水式電站生態(tài)足跡賬戶示意

2 引水式電站生態(tài)供給足跡計算模型

2.1 單座引水式電站生態(tài)供給足跡模型

水力發(fā)電的電量可以轉(zhuǎn)化為熱量，引水式電站生態(tài)供給足跡是指產(chǎn)生等量于以電代柴電量的熱量所需林地的面積。已知1 GJ=1×109J，1 J=2.778×10-7kW·h，全球水電平均生產(chǎn)力為1 000 GJ/hm2，則單座引水式電站生態(tài)供給足跡計算公式如下：

(1)

式中：EFf為單座引水式電站以電代柴生態(tài)供給足跡(hm2)；φ為用于以電代柴的電量占總發(fā)電量的比例；Qe為多年平均發(fā)電量(kW·h)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

2.2 梯級引水式電站生態(tài)供給足跡模型

隨著河流上引水式電站開發(fā)級數(shù)的增加，以電代柴的生態(tài)供給能力主要表現(xiàn)為線性增加，則梯級引水式電站生態(tài)供給足跡為各級電站以電代柴生態(tài)供給足跡之和，其計算公式如下：

EFnf=Σ3.6×10-6φnQner3y3=3.6×10-6r3y3ΣφnQne

(2)

式中：EFnf為n級引水式電站以電代柴生態(tài)供給足跡(hm2)；φn為第n級引水式電站用于以電代柴的電量占總發(fā)電量的比例；Qne為第n級引水式電站的多年平均發(fā)電量(kW·h)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

3 引水式電站生態(tài)需求足跡計算模型

3.1 單座引水式電站生態(tài)需求足跡模型

(1)河道減水脫水生態(tài)需求足跡模型

傳統(tǒng)的生態(tài)需求足跡模型在計算水域面積減少造成的生態(tài)環(huán)境影響時，僅核算了魚類等水生動物的減少量，而未考慮對浮游植物等初級生產(chǎn)力的影響。根據(jù)河流系統(tǒng)“浮游植物—浮游動物—魚”食物鏈關(guān)系和能量傳遞最大效率20%計算，生產(chǎn)單位重量的魚，至少需要消耗25倍等量于魚的浮游植物，因此水域面積減少對浮游植物等初級生產(chǎn)力的影響不容忽視。

基于上述考慮，河道減水脫水生態(tài)需求足跡不僅包括河道減水脫水造成魚類等河流動物減少所形成的生態(tài)需求足跡，還應(yīng)包括河道減水脫水造成浮游植物等初級生產(chǎn)力降低所形成的生態(tài)需求足跡，其計算公式如下：

EFr=EFa+EFP=Srr5y5+kSrr5y5=(1+k)Srr5y5

(3)

式中：EFr為單座引水式電站的河道減水脫水生態(tài)需求足跡(hm2)；EFa為河道減水脫水造成魚類等河流動物減少形成的生態(tài)需求足跡(hm2)；EFp為河道減水脫水造成河流浮游植物等初級生產(chǎn)力降低形成的生態(tài)需求足跡(hm2)；Sr為下游河道減少的水域面積(hm2)；r5為水域的均衡因子；y5為水域的產(chǎn)量因子；k為河流浮游植物等初級生產(chǎn)力與魚類等河流動物生物量的比例，取25。

(2)棄渣占用河道生態(tài)需求足跡模型

EFs=Ssr5y5

(4)

式中：EFs為單座引水式電站的棄渣占用河道生態(tài)需求足跡(hm2)；Ss為引水設(shè)施建設(shè)棄渣占用河道的面積(hm2)；r5為水域的均衡因子；y5為水域的產(chǎn)量因子。

(3)電站永久占地生態(tài)需求足跡模型

EFh=Shr3y3

(5)

式中：EFh為單座引水式電站永久占地生態(tài)需求足跡(hm2)；Sh為引水式電站永久占用林地的面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

(4)引水設(shè)施占地生態(tài)需求足跡模型

EFd=Sdr3y3

(6)

式中：EFd為單座引水式電站的引水設(shè)施占地生態(tài)需求足跡(hm2)；Sd為引水設(shè)施占用林地的面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

(5)岸坡植被破壞生態(tài)需求足跡模型

EFv=Svr3y3

(7)

式中：EFv為單座引水式電站的引水設(shè)施施工破壞岸坡植被生態(tài)需求足跡(hm2)；Sv為引水設(shè)施施工破壞岸坡林地的面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

(6)岸坡水土流失生態(tài)需求足跡模型

EFe=Ser3y3

(8)

式中：EFe為單座引水式電站的岸坡水土流失生態(tài)需求足跡(hm2)；Se為引水設(shè)施施工破壞岸坡林地引起的水土流失面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

3.2 梯級引水式電站生態(tài)需求足跡計算模型

隨著河流上引水式電站開發(fā)級數(shù)的增加，電站永久占地、引水設(shè)施占地、岸坡植被破壞、水土流失等影響，降低的河道和岸坡生態(tài)服務(wù)功能供給能力主要表現(xiàn)為線性增加，則梯級引水式電站永久占地、引水設(shè)施占地、岸坡植被破壞、水土流失等產(chǎn)生的生態(tài)需求足跡分別為各級電站相應(yīng)的生態(tài)需求足跡之和。隨著減水脫水河段的增加，河流生態(tài)破碎化進一步加劇，河流生態(tài)破壞(主要是對河流動物、浮游植物及河濱帶植物等產(chǎn)生的不利影響)而降低的河流生態(tài)服務(wù)功能供給能力表現(xiàn)為非線性增加。綜合理論分析和野外調(diào)研經(jīng)驗，本研究假設(shè)減水脫水河段增加對河流生態(tài)的累積影響如下所示(見圖2)；相對于單座引水式電站來說，梯級引水式電站的第n級引水式電站減水脫水生態(tài)需求足跡將增加λn-1倍(λ>1，λ值反映了河流生態(tài)破壞程度，本研究中λ取1.3)。

圖2 梯級引水式電站減水脫水對河流生態(tài)累積影響效應(yīng)示意

根據(jù)上述分析和假設(shè)，梯級引水式電站產(chǎn)生的廠壩間河道減水脫水、水生生態(tài)破壞、工程棄渣占用河道、電站永久占地與引水設(shè)施占地、岸坡植被損毀、水土流失等生態(tài)需求足跡計算模型分別如下：

(1)梯級引水式電站減水脫水生態(tài)需求足跡模型

EFnr=EF(n-1)r+(1+k)Snrr5y5λn-1=(1+k)r5y5(Sr+S2rλ+S3rλ2+……+Snrλn-1)

(9)

式中：EFnr為n級引水式電站減水脫水生態(tài)需求足跡(hm2)；EF(n-1)r為n-1級引水式電站減水脫水生態(tài)需求足跡；Snr為第n級引水式電站下游河道減少的水域面積(hm2)；r5為水域的均衡因子；y5為水域的產(chǎn)量因子；k為河流浮游植物等初級生產(chǎn)力與魚類等河流動物生物量的比例，取25；λn-1為第n級引水式電站減水脫水生態(tài)需求足跡的增加倍數(shù)，λ>1。

(2)梯級引水式電站棄渣占用河道生態(tài)需求足跡模型

EFns=ΣSnsr5y5=r5y5ΣSns

(10)

式中：EFns為n級引水式電站的引水設(shè)施建設(shè)棄渣占用河道生態(tài)需求足跡(hm2)；Sns為第n級引水式電站的引水設(shè)施建設(shè)棄渣占用河道的面積(hm2)；r5為水域的均衡因子；y5為水域的產(chǎn)量因子。

(3)梯級引水式電站永久占地生態(tài)需求足跡模型

EFnh=ΣSnhr3y3=r3y3ΣSnh

(11)

式中：EFnh為n級引水式電站永久占地生態(tài)需求足跡(hm2)；Snh為第n級引水式電站永久占用林地的面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y5為林地的產(chǎn)量因子。

(4)梯級引水式電站引水設(shè)施占地生態(tài)需求足跡模型

EFnd=ΣSndr3y3=r3y3ΣSnd

(12)

式中：EFnd為n級引水式電站引水設(shè)施占地生態(tài)需求足跡(hm2)；Snd為第n級電站引水設(shè)施占用林地的面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

(5)梯級引水式電站岸坡植被破壞生態(tài)需求足跡模型

EFnv=ΣSnvr3y3=r3y3ΣSnv

(13)

式中：EFnv為n級引水式電站的引水設(shè)施施工破壞岸坡植被生態(tài)需求足跡(hm2)；Snv為第n級電站引水設(shè)施施工破壞岸坡林地的面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

(6)梯級引水式電站岸坡水土流失生態(tài)需求足跡模型

EFne=ΣSner3y3=r3y3ΣSne

(14)

式中：EFne為n級引水式電站岸坡水土流失生態(tài)需求足跡(hm2)；Sne為第n級電站引水設(shè)施施工破壞岸坡林地引起的水土流失面積(hm2)；r3為林地的均衡因子；y3為林地的產(chǎn)量因子。

4 農(nóng)村引水式電站生態(tài)足跡計算結(jié)果評價

通過對農(nóng)村引水式電站的生態(tài)供給足跡與其生態(tài)需求足跡的比較，即可定量分析農(nóng)村引水式電站的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

(1)當生態(tài)供給足跡大于生態(tài)需求足跡時，農(nóng)村引水式電站對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極作用，且兩者差值越大，則積極作用越大。

(2)當生態(tài)供給足跡小于等于生態(tài)需求足跡時，農(nóng)村引水式電站對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，且兩者差值越大，則不利影響的程度越大。

5 案例分析

5.1 工程概況

云南山區(qū)某小型河流全長約85 km，徑流面積634 km2，海拔800～1 200 m，流域內(nèi)多年平均氣溫15.8～20.2 ℃，年降水量1 200～1 600 mm，森林覆蓋率達74.7%，自然植被恢復(fù)能力強，水土流失為輕度，平均侵蝕強度1 000 t/km2。目前，該河流已開發(fā)引水式電站7座，即一至七級電站，分別表示為H1、H2、H3、H4、H5、H6和H7。各電站裝機容量、年均發(fā)電量和以電代柴發(fā)電量的比例，以及減水脫水河段、棄渣占用河道、電站永久占地、引水設(shè)施占地、岸坡植被破壞、岸坡水土流失等基本情況如下所示(見表1)。

表1 云南山區(qū)某小型河流7座引水式電站基本情況

5.2 生態(tài)供給足跡與生態(tài)需求足跡計算

梯級引水式電站的以電代柴生態(tài)供給足跡，以及河道減水脫水、棄渣占用河道、電站永久占地、引水設(shè)施占地、岸坡植被破壞、岸坡水土流失等的生態(tài)需求足跡，分別采用式(2)、式(9)、式(10)、式(11)、式(12)、式(13)和式(14)進行計算。表2給出了云南山區(qū)某小型河流梯級引水式電站生態(tài)供給足跡和生態(tài)需求足跡的計算結(jié)果(見表2)。

表2 梯級引水式電站生態(tài)足跡計算結(jié)果

5.3 生態(tài)足跡計算結(jié)果評價

根據(jù)表2計算結(jié)果，當引水式電站的級數(shù)分別為一級、二級、三級、四級、五級、六級、七級時，其生態(tài)供給足跡分別為11.71、15.93、19.17、49.44、86.73、119.16、122.40 hm2，生態(tài)需求足跡分別為9.33、15.08、21.56、54.06、100.10、153.82、172.81 hm2。將生態(tài)供給足跡與生態(tài)需求足跡相比可知，二級(n=2)引水式電站的生態(tài)供給足跡大于生態(tài)需求足跡，說明二級引水式電站對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極作用；三級以上(n≥3)時，其生態(tài)供給足跡均小于生態(tài)需求足跡，說明三級以上的引水式電站對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。當引水式電站級數(shù)分別為三級、四級、五級、六級、七級(n=3、4、5、6、7)時，其生態(tài)供給足跡與生態(tài)需求足跡之間的差值(絕對值)分別為2.39、4.62、13.37、34.66、50.41 hm2?？梢钥闯?，當引水式電站級數(shù)增加時，其生態(tài)供給足跡與生態(tài)需求足跡之間的差值增大；這表明隨著級數(shù)增多，梯級引水式電站對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生累積影響的程度越大。

在降低河道和岸坡生態(tài)服務(wù)功能的影響因素中，河道減水脫水生態(tài)需求足跡約占總生態(tài)需求足跡的43%～85%，起主要作用，其對生態(tài)環(huán)境的不利影響最顯著。

6 結(jié) 語

在國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文針對農(nóng)村引水式電站生態(tài)環(huán)境影響特點，采用生態(tài)足跡分析法，劃分了農(nóng)村引水式電站生態(tài)供給足跡賬戶和生態(tài)需求足跡賬戶，建立了農(nóng)村引水式電站的生態(tài)供給足跡模型和生態(tài)需求足跡模型?；跇?gòu)建的生態(tài)足跡模型，以云南山區(qū)某小型河流梯級引水式電站為例進行了生態(tài)供給足跡與生態(tài)需求足跡計算，定量評價了其生態(tài)環(huán)境累積影響。結(jié)果表明，山區(qū)小型河流上引水式電站的級數(shù)超過三級，其生態(tài)環(huán)境累積影響逐漸顯現(xiàn)，且隨著級數(shù)增多，對生態(tài)環(huán)境累積影響的程度越大。在眾多不利影響因素中，河道減水脫水產(chǎn)生的累積影響占主導(dǎo)作用。本研究對農(nóng)村梯級引水式電站生態(tài)環(huán)境累積影響定量評價具有參考價值，同時可為引水式電站開發(fā)建設(shè)模式優(yōu)化尤其是嚴格落實河道生態(tài)流量管理提供理論指導(dǎo)。

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責任編輯 吳 昊

2015-06-02

國家自然科學(xué)基金項目(51209009)；水利部公益性行業(yè)科研專項項目(201101027)；基本科研業(yè)務(wù)費項目(CKSF2015017/SH)

王振華(1980-)，男，高級工程師，主要從事水環(huán)境研究工作。E_mail：wzh04@163.com