梯級開發(fā)對河流水文情勢及生態(tài)系統(tǒng)的影響研究綜述

岳俊濤，甘治國，廖衛(wèi)紅，秦 韜(.東華大學(xué)，上海 0600；.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 00038)

河流梯級開發(fā)指在河流上布置一系列階梯式的水利樞紐，以充分開發(fā)利用河流的水能、水運(yùn)資源，可以分為大流域大規(guī)模的水利樞紐梯級開發(fā)和小流域小水電的梯級開發(fā)項目。我國河川徑流量約為2.8 萬億m3，占世界總徑流量的5%，位于世界第6位[1]。為了合理開發(fā)利用水資源，我國建設(shè)了大量的水庫和大壩，截至2013年[2]，全國已建各類水庫97 721 座，總庫容8 298 億m3。其中：大型水庫687 座，總庫容6 528 億m3；中型水庫3 774 座，總庫容1 070 億m3。雖然這些工程對水資源的調(diào)節(jié)和控制發(fā)揮了極大的作用，但這些工程也對河流及其周邊的生態(tài)和環(huán)境帶來了一定程度的影響。水庫的建設(shè)和運(yùn)行導(dǎo)致河流的天然屬性發(fā)生很大改變，影響了河道的穩(wěn)定性，造成河槽萎縮、斷流等，使得河流生態(tài)系統(tǒng)維持健康狀態(tài)的能力減弱[3]。而且梯級開發(fā)對河流的影響具有范圍大、歷時長，以及效應(yīng)的系統(tǒng)性、群應(yīng)性、累積性、波及性、潛在性等特性，使得梯級開發(fā)對河流的影響比單一水庫更為嚴(yán)重[4]。在梯級開發(fā)的河流上，河流生態(tài)的發(fā)展態(tài)勢被這些工程的實施與運(yùn)行嚴(yán)重干擾，引起的偏離也越發(fā)明顯。隨著社會發(fā)展，人們對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度越來越高，梯級開發(fā)對河流生態(tài)的影響也引起眾多領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注，并從不同角度開展了相關(guān)研究，取得了很多研究成果。本文在這些成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了河流梯級開發(fā)對河流水文情勢和生態(tài)系統(tǒng)的典型影響以及其中的內(nèi)在聯(lián)系，并提出了需要深入研究的方向，以期為進(jìn)一步研究梯級開發(fā)對河流的影響以及我國梯級開發(fā)河流生態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)提供參考。

1 對水文情勢的影響

水文情勢指河流、湖泊、水庫等水體各水文要素隨時間、空間的變化情況，其中水文要素主要包括水位、徑流、輸沙和河流形態(tài)等。20世紀(jì)70年代以來，很多國家都對保護(hù)河流的健康開展了研究和實踐，提出了很多評價河流狀態(tài)的方法，比如澳大利亞的溪流狀態(tài)指數(shù)(Index of Stream Condition, ISC)、英國的河流保護(hù)評價系統(tǒng)(System for Evaluating Rives for Conservation, SERCON)和南非的溪流地貌指數(shù)法(Index of Stream Geomorphology, ISG)等。但應(yīng)用最為廣泛的還是1997年Ritchter提出的IHA(Index of Hydrologic Alteration)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系建立了33個可以量化的水文參數(shù)，這些參數(shù)比較貼近水文情勢的概念，為大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)同。Richter隨后在IHA指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上提出了RVA(Range of Variability Approach)方法來評價河流的變化程度。許多學(xué)者利用IHA指標(biāo)體系和RVA方法對水庫閘壩工程建設(shè)運(yùn)行前后河流的水文情勢變化進(jìn)行研究，研究結(jié)果都表明工程建設(shè)運(yùn)行后河流水文情勢變化明顯[5,6]，而且梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行比無梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行對河流水文情勢產(chǎn)生的影響更大[7,8]。除此之外，梯級開發(fā)對下游水文情勢的影響會隨著距離的延伸而減弱[9]。

1.1 對徑流的影響

現(xiàn)行水庫的運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，使得枯水期出庫流量比天然流量有所增加，而汛期出庫流量有所減少。馬聰?shù)妊芯堪部邓畮旖ㄔO(shè)前后下游徑流量變化發(fā)現(xiàn)，水庫建設(shè)后，4-11月平均月徑流量減少6.9億m3/月，12-3月平均月徑流量增加1.0 億m3/月，并且水庫建設(shè)是造成此結(jié)果最直接的因素[10]。顧穎等以瀾滄江為例，研究發(fā)現(xiàn)梯級電站運(yùn)行后，雨季多年平均徑流量降低10.64%，旱季升高45.94%，而年平均流量幾乎沒有變化[11]。這樣調(diào)節(jié)后的河流年水位～時間過程趨于平緩，年內(nèi)徑流變化不大，對大洪水有削峰和錯峰作用，有利于減少洪水所帶來的危害。河流的流速也發(fā)生明顯變化，有研究顯示，梯級開發(fā)后，從庫尾到壩前，流速逐漸減慢，水庫庫容越大，對天然河道徑流的流速改變越大[12]。王潔以橫江為例研究發(fā)現(xiàn)，橫江干流梯級電站建設(shè)后，庫尾及壩前的流速較天然狀況下有不同程度降低，其中庫尾流速降低較小，而壩前流速降低巨大[13]。流速減緩后，對河流的影響是很大的，比如河流的自凈能力會下降，本來波瀾壯闊的大自然風(fēng)光也會隨之消失等，整個河流顯得沒有活力。有研究顯示，河流景觀多樣性與梯級開發(fā)呈負(fù)相關(guān)性[14]。河流的生態(tài)系統(tǒng)是與河流徑流息息相關(guān)的，梯級開發(fā)使得河流徑流發(fā)生劇烈變化，而這些劇烈變化對河流的生態(tài)系統(tǒng)勢必也會造成巨大的沖擊。

1.2 對輸沙的影響

水庫在截留水的同時也截留了水中所帶的泥沙，并且由于流速的減慢，庫區(qū)的泥沙快速大量的沉積，造成水庫泥沙淤積。泥沙淤積會侵占水庫調(diào)節(jié)庫容、增加水庫淹沒損失、影響航運(yùn)等。淤積還會因回水而上延，影響上游河道形態(tài)。與此同時，水庫下游的水則泥沙含量很小。Matti等研究發(fā)現(xiàn)，漫灣大壩建設(shè)后初期，湄公河下游含沙量平均降低約20.3%[15]。翁文林等研究發(fā)現(xiàn)，長江上游水庫群興建后，下游含沙量大大降低，降幅為26.5%～84.2%[16]。一方面清澈的水流有利于水資源利用，但另一方面在水庫下泄洪水時，會造成下游河道的局部沖刷，造成河床沖刷變形，并引起水體中含沙量的上升，且影響河岸穩(wěn)定。面對水庫泥沙淤積的不斷累積和人類對水資源需求量不斷的加大，水庫淤積問題越來越受到關(guān)注，如何對水庫淤積進(jìn)行管理，保持和恢復(fù)水庫的功能，是當(dāng)前亟待研究的內(nèi)容。

1.3 對水位的影響

水庫的建設(shè)對上游來水的攔截引起水庫庫區(qū)的水位上升，水深從庫尾到壩前逐漸增加[12]，水庫下游河段的水位變化則有些復(fù)雜，根據(jù)劉揚(yáng)揚(yáng)等人的研究結(jié)果，對于調(diào)節(jié)性能較強(qiáng)的水庫，水庫下游汛期水位較天然情況下降顯著，非汛期水位較天然情況上升明顯，水位在年內(nèi)變化較大；而對于調(diào)節(jié)能力較弱的水庫，由于水庫建設(shè)后下泄流量變化不明顯，而且可能會受到來自下游梯級的反調(diào)節(jié)作用，以致水庫下游水位較天然情況變化不大。除此之外，由于河道沖刷的影響，在徑流相同的情況下，水位也會有所下降。水庫的修建和運(yùn)行必然會對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)造成影響，比如水庫中水的大量滲漏，造成地下水位的上升。有研究顯示，水庫水位的變化與地震活動有著明顯的相關(guān)性[17-19]，如何應(yīng)對這些影響也是當(dāng)前研究的方向。梯級開發(fā)對河流水位的影響，會使得河流在沿水深方向上的生態(tài)組成結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

1.4 對河流形態(tài)的影響

河流梯級開發(fā)使得天然河道變成由多個規(guī)模和調(diào)節(jié)性能不一的水庫、減水河段和未開發(fā)河段組成的水體，縱向連續(xù)性發(fā)生改變。梯級水庫蓄水后，庫區(qū)河段水域面積明顯增加，對于深切峽谷型流域，這種對水域形態(tài)和面積的改變相對于平原性的河流較為突出。如瀾滄江梯級水電站建成后，8個梯級水庫面積共62 112 km2，其水域面積比天然河流增加約53 211 km2，是天然水面面積的7倍[20]。下泄清水對河道的沖刷還可能使得河道會發(fā)生側(cè)移，河流被裁彎取直。而與直河道相比，蜿蜒的河道降低了坡降，減小了河流流速和水沙輸送能力，有利于形成多樣的水生環(huán)境來保護(hù)水生生物的物種多樣性。所以，河流形態(tài)的改變，也會對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

1.5 小 結(jié)

從目前這些研究成果來看，梯級開發(fā)從不同的角度都對河流水文情勢產(chǎn)生了不小的影響，而這些影響都會緊接著對河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生沖擊，但是大多學(xué)者僅僅只是研究梯級開發(fā)對河流水文情勢的各個方面產(chǎn)生了何種影響以及影響的程度，對不同規(guī)模的梯級開發(fā)在不同尺度的河流上所造成的影響研究甚少，而且也沒有繼續(xù)深入研究如何通過工程措施或非工程措施來避免或減小這些影響，筆者認(rèn)為今后應(yīng)該更注重這方面的研究。

2 對生態(tài)系統(tǒng)的影響

河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能由水文、生物、地形、水質(zhì)和連通性等5個部分組成，各個部分相互影響，而其中，水文是對河流生態(tài)系統(tǒng)起著主動性、決定性的作用，包括河流的物質(zhì)循環(huán)、能量過程、物理棲息地狀況和生物相互作用等，水文情勢的改變在不同時空尺度上改變棲息地條件，從而影響物種的分部和豐度，進(jìn)而影響生物群落的組成和多樣性[21-23]。近年來，許多評價河流生態(tài)系統(tǒng)的方法和模型被相繼提出，如Jinpeng等提出一個綜合指標(biāo)——浮游生物完整性指數(shù)來評估水生生態(tài)系統(tǒng)[24]；Ruonan等以漓江的河堅魚為研究對象，開發(fā)了一個綜合模型，可以應(yīng)用于水庫運(yùn)行以改善河堅魚的棲息地質(zhì)量，并且認(rèn)為該模型經(jīng)過改編后能應(yīng)用到其他河流[25]；還有美國環(huán)保署的生境適宜性指數(shù)(Habitat Suitability Index, HIS)和南非的河口健康指數(shù)(Estuarine Health Index, EHI)等。

在河流上修建梯級水庫后，可能會使得河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生高度的變化，使其穩(wěn)定性降低，容易受到外來物種的入侵，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失衡。Maria等對巴西圣保羅州河流梯級水庫的研究發(fā)現(xiàn)，河流中物種多樣性持續(xù)下降，而且有可能隨著水庫的老化，本地物種持續(xù)被外來物種所侵蝕[26]。Yuankun等研究丹江口水庫對漢江的生態(tài)影響發(fā)現(xiàn)水生生物多樣性大大降低，提出為了盡量減少負(fù)面生態(tài)影響，有必要優(yōu)化水庫的運(yùn)行規(guī)則以保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)[27]。

2.1 對庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響

大型水庫尤其是調(diào)節(jié)性能好的水庫，由于水體的大量蓄積，水位升高較大，在垂直方向上會形成有規(guī)律的水溫分層現(xiàn)象[28]。水庫上層溫水由于與空氣交換，溶氧量較高，在此狀態(tài)下，如果庫區(qū)內(nèi)氮、磷含量較高，而且?guī)靺^(qū)水流速度較低，透明度大，有利于藻類的光合作用，很有可能會造成水體富營養(yǎng)化。而下層水由于比較平穩(wěn)，氧氣的補(bǔ)充很少，且上層水生生物死亡而沉降到下層后，其分解也會消耗氧，并產(chǎn)生硫化氫等氣體，影響水質(zhì)，并使水體發(fā)出難聞的氣味。長此以往，下層水體成為了厭氧生物環(huán)境，水生生物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。Ming等研究發(fā)現(xiàn)三峽水庫蓄水初期，大型底棲生物密度顯著降低；然而經(jīng)過一定的時間適應(yīng)后，從2005年起，大型底棲生物的總密度顯著增加，而且顯示出明顯的季節(jié)性，在冬季最低，秋季最高[29]。發(fā)展到后期時，水庫會老化，此時大型底棲生物群落多樣性和密度都會降低，形成以耐污種為優(yōu)勢類群的單一結(jié)構(gòu)[30]。

梯級開發(fā)庫區(qū)由于水域面積增加，水體的熱效應(yīng)使得當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量和陸地性氣候得以改善，比如降雨增加、濕度增加、年平均氣溫升高和溫差降低，影響程度與水域面積增加的程度也有著正相關(guān)性。劉紅年等[31]研究發(fā)現(xiàn)，高山峽谷地區(qū)的水庫由于水域面積增加程度較大，將導(dǎo)致附近地區(qū)在冬季增溫0.4～0.85 ℃，使春、夏、秋季降溫可達(dá)2 ℃，但影響范圍不大，主要在水平2.5 km、高度0.5 km左右范圍內(nèi)。而如果水庫水域面積較天然狀況增加不大，則對當(dāng)?shù)氐臍夂蛴绊戄^小。王潔研究發(fā)現(xiàn)橫江各梯級水庫庫容較小，水域面積增加較小，對當(dāng)?shù)氐臍夂蚧緹o影響[16]。

2.2 對下游河道生態(tài)系統(tǒng)的影響

水庫的形成以及水庫在枯水期時的下泄水量使得河道下游水位上升，淹沒損失漫灘、濕地和岸邊植物帶[32]，梯級水庫的建設(shè)將會疊加擴(kuò)大這些影響。河岸帶無法在沉積物、營養(yǎng)物和污染物流入河流之前將它們?yōu)V出或吸收，水質(zhì)會產(chǎn)生變化。Fan Yang等以長江三峽工程為例研究發(fā)現(xiàn)河岸植被大比例消失，受到的影響主要來自于洪水的逆轉(zhuǎn)、洪水持續(xù)時間延長和新消落帶的產(chǎn)生[33]。Ouyang等以黃河上游為例，研究開發(fā)了一種用于識別和預(yù)測梯級開發(fā)對河岸植被影響的分析技術(shù)，可以為減少梯級開發(fā)對河岸的影響提供基礎(chǔ)指導(dǎo)[34]。河岸帶是部分陸生植物及候鳥的棲息地，其淹沒減少也會對這部分生物造成影響。流速的降低也增加適應(yīng)平靜水流的物種，如水葫蘆等，破壞原有的生態(tài)系統(tǒng)；流速的降低還會改變河流中污染物的擴(kuò)散速度，降低河流的自凈能力，部分流域回水區(qū)出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化甚至“水華”現(xiàn)象[35]。

水庫在攔截水量的同時還攔截了大量的鵝卵石和砂石，這使得上游河床底部的無脊椎動物如貝殼類動物等的生存環(huán)境減少。在下游河段，水電站大流量下泄使得不能承受巨大的流速的小型昆蟲若蟲和無脊椎動物數(shù)量顯著降低；流量的陡增引發(fā)的漂流，造成底棲生物存量大大減少；受調(diào)控的河段水流模式不穩(wěn)定，也會造成大型無脊椎動物群落物種稀少[36]。

水庫的形成還使得河流的縱向連續(xù)性、橫向連通性以及垂向滲透性發(fā)生改變，進(jìn)而引起水生生物棲息地發(fā)生變化。大壩的阻隔將河流生態(tài)系統(tǒng)分割成不連續(xù)的片段，這使洄游魚類、半洄游魚類的生境發(fā)生巨大改變。這類生物將無法更換各生活時期的生活水域來滿足不同時期的對生活條件的需要，產(chǎn)卵等各種重要生命活動無法維持，繼而數(shù)量大大減少。

水庫排沙和下泄洪水會造成下游河道水體含沙量上升，在下游河道形成高含沙水流。含沙量的增加會降低水體溶解氧濃度，細(xì)顆粒泥沙會堵塞魚鰓結(jié)構(gòu)，影響攝入氧氣功能，造成魚類的死亡[37]。水中含沙量的改變還與魚類繁殖有著密切的聯(lián)系。彭秀華在研究中發(fā)現(xiàn)，中華鱘會在江水含沙量明顯下降之后才開始產(chǎn)卵，產(chǎn)卵過程中江水的含沙量必須要較為穩(wěn)定[38]，水庫的泄洪和排沙將極大的影響中華鱘的繁殖過程。

水量的改變也會影響到魚類的繁殖。例如，4大家魚(鰱魚、草魚、青魚、鳙魚)在一定時間的持續(xù)漲水過程后，才會開始產(chǎn)卵。而目前的水庫調(diào)度規(guī)則運(yùn)行時，河道流量過程趨于均一化，使4大家魚第1次產(chǎn)卵的信號減弱或消失；同時洪水過程單一化，持續(xù)時間變短，連續(xù)日流量上漲率減小，洪峰最高流量降低，影響了4大家魚的繁殖過程[39]。

大型水庫會造成水溫分層，冬季下層水溫偏高，春夏秋季下層水溫偏低；下層水下泄后，會使得下游河道水溫在冬季偏高，春夏秋季偏低，干擾魚類的繁殖過程。有研究發(fā)現(xiàn)[40]，三峽水庫蓄水后，下游宜昌江段中華鱘和4大家魚產(chǎn)卵時間推遲，且產(chǎn)卵規(guī)模大幅度降低。

2.3 小 結(jié)

河流生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜、開放、動態(tài)、非平衡和非線性系統(tǒng)，研究河流生態(tài)系統(tǒng)特別需要關(guān)注河流生命系統(tǒng)和生命支持系統(tǒng)的相互作用和耦合關(guān)系[41]。梯級開發(fā)對河流水文情勢和生態(tài)系統(tǒng)的影響并不是獨立的，而是首先通過改變河流的水文情勢，繼而對河流的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，河流生態(tài)系統(tǒng)的改變還會反作用于河流水文情勢。目前的研究表明，梯級開發(fā)使得河流水文情勢發(fā)生改變并作用于河流生態(tài)系統(tǒng)，但是河流生態(tài)系統(tǒng)的改變并不只是因為水文情勢的改變，也存在其他的原因，人類的活動例如捕撈和對河流的污染等也會影響河流生態(tài)系統(tǒng)，所以筆者認(rèn)為，需要進(jìn)一步研究并闡明河流水文情勢及其各個方面與河流生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)性，為如何避免或減小這些影響以及如何恢復(fù)河流的水文生態(tài)提供理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)語與展望

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，對能源和水資源的需求增加，河流的梯級開發(fā)成為常態(tài)，現(xiàn)行的水庫調(diào)度規(guī)則一般以防洪和興利調(diào)度為目標(biāo)，對于保護(hù)河流健康的關(guān)注有所欠缺，隨著人們對河流健康關(guān)注度的上升，研究河流梯級開發(fā)對河流水文情勢及生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。本文系統(tǒng)地歸納總結(jié)了梯級開發(fā)從多個方面對河流水文情勢和生態(tài)系統(tǒng)的影響，并解釋了二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。雖然眾多學(xué)者已經(jīng)就梯級開發(fā)對河流的水文生態(tài)影響進(jìn)行過很多研究，也取得了大量成果，但是仍然存在很多不足之處。例如目前對河流梯級開發(fā)的水文生態(tài)影響研究大多集中在對水文情勢的影響，對河流生態(tài)的影響研究較少；梯級開發(fā)對河流水質(zhì)的相關(guān)影響研究很薄弱；對梯級開發(fā)所造成的回水對河流的影響及相關(guān)研究較少；而且目前的研究對象大部分都局限于某一個方面，未能就梯級開發(fā)對河流產(chǎn)生的綜合影響以及累積效應(yīng)開展研究。因此，本文認(rèn)為今后需要在以往的研究基礎(chǔ)上，對不同尺度的河流以及不同的梯級開發(fā)規(guī)模篩選出河流受梯級開發(fā)影響的重要因子，并進(jìn)行相關(guān)性分析，研究梯級開發(fā)在不同時空尺度條件下對河流的綜合影響，著重于對河流生態(tài)的影響，提出相關(guān)的適用模型對河流梯級開發(fā)進(jìn)行影響評價，為梯級開發(fā)環(huán)境影響評價提供理論基礎(chǔ)，并就如何避免或減小這些影響以及如何恢復(fù)河流的水文生態(tài)展開研究。

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