淺析水電開發(fā)的河流水環(huán)境效應(yīng)及其評(píng)價(jià)方法

侯小波

摘 要：闡釋了河流水環(huán)境效應(yīng)的表征，針對(duì)水電站開發(fā)的河流水環(huán)境效應(yīng)從水域景觀、河道形態(tài)與結(jié)構(gòu)、水文情勢(shì)、水質(zhì)污染、流體性質(zhì)、水生生境、生物通道等方面進(jìn)行了系統(tǒng)剖析，并對(duì)近年水電開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，以徑流和泥沙時(shí)間序列、水質(zhì)變化等為主要水環(huán)境因子梳理了水環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)方法，可為相關(guān)研究和工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：水電開發(fā);水生態(tài)環(huán)境效應(yīng);發(fā)展特點(diǎn);評(píng)價(jià)方法

中圖分類號(hào)：TV742 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0005-02

相比氣候和下墊面變化，水電開發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響更加直接和明顯。根據(jù)開發(fā)方式和模式，引起的水環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為改變自然情勢(shì)以及河道特征;庫(kù)區(qū)水域擴(kuò)大，生境轉(zhuǎn)變;引、調(diào)水導(dǎo)致生態(tài)需水不能保障;阻斷水生生物的生存通道及營(yíng)養(yǎng)來源;改變污染擴(kuò)散、遷移、富集及轉(zhuǎn)化過程，影響水體自凈能力;造成自然創(chuàng)面，水土流失和泥沙問題;污染排放影響水質(zhì)和水環(huán)境容量;局地氣候變化以及多因子耦合累積環(huán)境問題。

1 水電開發(fā)的河流水環(huán)境效應(yīng)

1.1 河流水環(huán)境效應(yīng)的表征

河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能具有自身的區(qū)域適應(yīng)性和發(fā)展特點(diǎn)，在一定的外界擾動(dòng)強(qiáng)度之下可以保持相對(duì)穩(wěn)定。如外界壓力和刺激超過其承受限度，環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能就會(huì)發(fā)生變化[1]。水電開發(fā)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工、運(yùn)營(yíng)等階段都會(huì)對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響，大規(guī)模流域開發(fā)還能在短時(shí)間內(nèi)使水生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生整體和突發(fā)的變異。

1.2 水電開發(fā)的水環(huán)境效應(yīng)

水電開發(fā)對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的積極影響主要表現(xiàn)在水力發(fā)電可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)可大幅度增加當(dāng)?shù)氐腉DP和財(cái)政收入，對(duì)于部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境改善具有積極意義。消極影響主要是人為改變水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部組成;干預(yù)水循環(huán)過程及系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量交換和轉(zhuǎn)移;占據(jù)水域空間;排放污染物等。使原生系統(tǒng)遭受改變或者破壞，影響了生態(tài)環(huán)境自身的持續(xù)發(fā)展[2]。具體而言，對(duì)河流水環(huán)境的不利影響主要存在：

（1）對(duì)水域景觀的影響。建設(shè)期間對(duì)原有的河道、岸坡進(jìn)行開挖、堆砌，破壞河流的庫(kù)岸的完整性[3]及景觀視覺表達(dá);運(yùn)行期，河流連續(xù)性被隔斷，出現(xiàn)淹沒區(qū)、減水區(qū)、脫水區(qū)，原有河流風(fēng)貌將不存在;大壩矗立，與自然景觀形成強(qiáng)烈對(duì)照，與自然結(jié)合不協(xié)調(diào);泥沙淤積及水體污染，尤其是水體渾濁及富營(yíng)養(yǎng)化[4]會(huì)嚴(yán)重影響河道景觀。

（2）河道形態(tài)與結(jié)構(gòu)。淹沒區(qū)的河道斷面出現(xiàn)顯著變化，河流形態(tài)伴隨水位上漲出現(xiàn)如彎曲到順直、沿程水面寬均化等轉(zhuǎn)變;由于減、脫水區(qū)的出現(xiàn)，下游河道變得彎曲，河道沿程水面寬變化劇烈[5];同時(shí)，泥沙沖於發(fā)展出現(xiàn)差異，岸邊崩塌、泥石流及水庫(kù)地震對(duì)河道形態(tài)與結(jié)構(gòu)的改變迅速[6]。若進(jìn)行裁彎取直、建渠引水等活動(dòng)，會(huì)直接改變河道的形態(tài)特征。

（3）水文情勢(shì)影響。水電開發(fā)對(duì)于水體物質(zhì)的交換與轉(zhuǎn)移的影響表現(xiàn)在徑流和泥沙方面?？傮w上使下游河道的水量減小，上、下游站徑流關(guān)系發(fā)生變化，調(diào)節(jié)徑流時(shí)程分配，下游雨季洪水威脅減小，旱季徑流增加[7]，年內(nèi)變化趨向均一，提高下游徑流的分配均勻度[8];庫(kù)區(qū)流速減緩容易產(chǎn)生淤積，而下游泥沙來源減少出現(xiàn)河道沖刷等問題。

（4）河流水質(zhì)污染。水電站建成后，庫(kù)區(qū)水體水量增多，流速減慢，污染物、泥沙在庫(kù)區(qū)得不到很好的凈化，容易富集，下游徑流減少，污染物的凈化減弱[9]，水環(huán)境容量減小;庫(kù)區(qū)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化等問題;大型水庫(kù)出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象，下泄水出現(xiàn)低溫效應(yīng)。

（5）改變流體性質(zhì)和水力條件。水體理化性質(zhì)發(fā)生改變，如含氧量變化、含沙量變化，繼而在霧化空蝕[10]、庫(kù)區(qū)水溫的動(dòng)態(tài)變化、冰情發(fā)展[11]狀況等方面產(chǎn)生影響。

（6）水生生境與生物習(xí)性。庫(kù)區(qū)淹沒區(qū)由陸地變?yōu)樗h(huán)境，下游陸生環(huán)境向河流逼近，臨水生態(tài)格局改變，直至重新平衡[12]。庫(kù)區(qū)水位上升、水溫分層、污染富集、泥沙淤積及水體透光性改變，水生生物生活習(xí)性受到影響，富營(yíng)養(yǎng)化還可能對(duì)其造成致命威脅。

（7）阻隔生物通道和營(yíng)養(yǎng)來源。大壩的興建對(duì)上下游的生物信息造成了阻隔;洄游魚類不能完成其生命周期空間轉(zhuǎn)移[13];減少下游生物的營(yíng)養(yǎng)來源，對(duì)于生物群落的發(fā)展不利[14]。

2 水電開發(fā)的水環(huán)境影響發(fā)展特點(diǎn)

水電開發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響因水電工程的建設(shè)而起，隨著近年水電建設(shè)運(yùn)行進(jìn)入高速發(fā)展階段，對(duì)于河流生態(tài)壞境的影響表現(xiàn)出新的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

（1）影響范圍擴(kuò)大。隨著開發(fā)活動(dòng)的深入，尤其是流域梯級(jí)開發(fā)，影響范圍逐漸擴(kuò)大，影響源相互聯(lián)系更緊密。

（2）危害更加深入。城市化對(duì)生態(tài)環(huán)境已造成了破壞，新建工程對(duì)其的影響較以往都要嚴(yán)重[15]，以各種方式，不同途徑對(duì)人類和各種生物造成影響不斷。

（3）區(qū)域累積影響效應(yīng)明顯。水電對(duì)水環(huán)境的影響是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的過程。與單項(xiàng)工程相比，梯級(jí)水電站對(duì)水環(huán)境的影響更明顯，但又不同于各梯級(jí)電站水環(huán)境效應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加。在時(shí)、空間尺度，梯級(jí)水電開發(fā)更具有累積影響效應(yīng)[15]。

（4）影響維度更加廣泛而綜合[16]。生態(tài)系統(tǒng)具有它本身的系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性，遭受擾動(dòng)或破壞時(shí)，得到的結(jié)果是諸多因子的共同反饋，各子系統(tǒng)或組成部分給出各自的信息，表現(xiàn)為不同程度的生態(tài)環(huán)境缺陷或變異。

3 水電開發(fā)的水環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)方法

水電開發(fā)對(duì)河流水生態(tài)環(huán)境的影響在學(xué)術(shù)界及工程界存在不少的爭(zhēng)議，前者往往強(qiáng)調(diào)客觀評(píng)價(jià)水電開發(fā)的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，提倡預(yù)防和恢復(fù);后者則多考慮生態(tài)環(huán)境的正效應(yīng)及工程效益，主張經(jīng)濟(jì)彌補(bǔ)。但水電開發(fā)的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)已經(jīng)得到越來越深刻的認(rèn)識(shí)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)同經(jīng)濟(jì)效益間不能進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，而是一個(gè)原則性問題。工程建設(shè)必然以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值為重要目標(biāo)，但是生態(tài)環(huán)境的健康是此目標(biāo)存在的前提。水電開發(fā)產(chǎn)生的的水環(huán)境影響錯(cuò)綜復(fù)雜，評(píng)估這些影響及其發(fā)展規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)水電開發(fā)與河流管理有重要價(jià)值。

水電開發(fā)的水環(huán)境效應(yīng)研究針對(duì)具體的水環(huán)境問題開展，如徑流變化、水質(zhì)污染、泥沙遷移、水溫過程等單項(xiàng)分析，以及對(duì)景觀改造和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變異等的綜合診斷與評(píng)價(jià)。在單項(xiàng)研究中，對(duì)比分析法、還原平衡法、隨機(jī)預(yù)測(cè)法、模型實(shí)驗(yàn)法是主要方法，研究對(duì)象包括趨勢(shì)、周期、變異識(shí)別和評(píng)估，而綜合評(píng)價(jià)研究中應(yīng)用系統(tǒng)的思維融入GIS空間分析、生態(tài)水文模擬及系統(tǒng)指標(biāo)分解等技術(shù)手段。研究目的可分為機(jī)理分析、評(píng)估研究以及定量預(yù)測(cè)等。

在徑流和泥沙時(shí)間序列分析方面，常采用統(tǒng)計(jì)分析以及數(shù)據(jù)挖掘的方法，趨勢(shì)分析包括了相關(guān)系數(shù)法、過程線法、滑動(dòng)平均法、均值法、累積距平法、肯德爾秩次相關(guān)檢驗(yàn)、斯波曼秩次相關(guān)檢驗(yàn)、Mann-Kendall法、累積曲線斜率差異幅度分析法、R/S分析的Hurst系數(shù)法等;變異分析有基于相關(guān)系數(shù)的方法、滑動(dòng)游程法、趨勢(shì)線法、變異系數(shù)方法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、R/S分析方法、降水-徑流雙累積曲線法、滑動(dòng)F法、滑動(dòng)T法、滑動(dòng)秩和法、Lee-Heghinian法、集對(duì)分析、Brown-Forsythe法、最優(yōu)二分割法、有序聚類法、啟發(fā)式分割算法以及其他新方法，如基于水文學(xué)原理的變動(dòng)范圍法（RVA）、相對(duì)關(guān)聯(lián)距離熵、時(shí)-空變異分析法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法等;周期分析法多源于信號(hào)處理及識(shí)別技術(shù)，主要包括了波譜分析、簡(jiǎn)單分波法、傅立葉分析法、周期圖分析、最大熵譜分析法、分段搜索法、多因子逐步回歸周期分析法、小波分析等，以及灰色系統(tǒng)周期分析法等新方法及改進(jìn)。另外，對(duì)于河流泥沙來源的空間動(dòng)態(tài)分析，一般采用多指標(biāo)賦權(quán)法、景觀生態(tài)學(xué)及GIS空間分析等方法，對(duì)于水文綜合效應(yīng)分析還可以采用水文模型進(jìn)行研究。

水質(zhì)評(píng)價(jià)分為單因子評(píng)價(jià)及多指標(biāo)分級(jí)評(píng)價(jià)。單因子時(shí)間序列評(píng)價(jià)方法來源于徑流、泥沙分析方法及其改進(jìn)，但分析較簡(jiǎn)單，多用均值、污染負(fù)荷、污染指數(shù)等進(jìn)行表征，同時(shí)利用污染物遷移轉(zhuǎn)化模型進(jìn)行預(yù)測(cè);對(duì)多指標(biāo)分級(jí)評(píng)價(jià)主要主要涉及綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)方法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法、Topsis法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、集對(duì)分析、模糊識(shí)別評(píng)價(jià)法、物元分析法、投影尋蹤法、貝葉斯公式、Copula評(píng)價(jià)法等，以及各方法的改進(jìn)和耦合形式。

以上總結(jié)了徑流、泥沙、水質(zhì)分析和評(píng)價(jià)方面的方法和技術(shù)，對(duì)于水溫變化的分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及水環(huán)境影響的綜合評(píng)價(jià)則不再闡述，除了水溫分布模型實(shí)驗(yàn)、景觀生態(tài)法、景觀圖法等外，基本上也同屬以上范疇。

總體上，這些方法還是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)學(xué)模型及構(gòu)建指標(biāo)體系為主，雖然方法眾多，但特點(diǎn)及適宜性各異，新方法提供新的途徑，但其準(zhǔn)確性及適用性有待檢驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

水電開發(fā)帶來的水環(huán)境效應(yīng)是多方面的，復(fù)雜而系統(tǒng)，相較于積極影響和直接效益，更應(yīng)關(guān)注不利影響帶來的諸多問題。對(duì)這些影響的識(shí)別和分析評(píng)價(jià)是進(jìn)行評(píng)估、修復(fù)和補(bǔ)償?shù)挠欣罁?jù)。研究從水域景觀、河道形態(tài)與結(jié)構(gòu)、水文情勢(shì)、水質(zhì)污染、流體性質(zhì)、水生生境、生物通道等各個(gè)方面對(duì)水電開發(fā)的河流水環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)剖析，梳理了徑流和泥沙時(shí)間序列、水質(zhì)變化等主要水環(huán)境因子水環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)方法，對(duì)進(jìn)一步的科研和工程實(shí)踐具有重要意義。

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