小水電梯級開發(fā)的河流生態(tài)環(huán)境承載力研究*
——以秋香江為例

劉 潔 肖 旭 楊大勇 張麗娟 劉協(xié)亭 陳曉宏#

(1.廣東省社會科學(xué)院,廣東 廣州 510635；2.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心,廣東 廣州 510275；3.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510535；4.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510170)

水電約占全世界電力供應(yīng)的16%[1],然而水電工程對生態(tài)環(huán)境的影響不可忽視[2]。學(xué)者們已對我國的大水電工程開展了一些生態(tài)環(huán)境影響的研究[3-8],但對小水電工程未予以重視。實際上,我國的小水電工程裝機(jī)容量一度達(dá)到全世界裝機(jī)總量的40%[9],為我國農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電以及促進(jìn)地方財政收入都做出了重要貢獻(xiàn)。小水電工程主要以中小河流梯級開發(fā)的形式存在。梯級開發(fā)是指在一條河流上建造一個接一個的水電工程。水電梯級開發(fā)既具有流域性的環(huán)境影響又具有全局性的環(huán)境影響,因此對水電梯級開發(fā)的河流進(jìn)行生態(tài)環(huán)境承載力研究很有必要。

生態(tài)環(huán)境承載力源于生態(tài)學(xué)中的土地承載力與環(huán)境容量的概念,用于表明一個區(qū)域所能承載的人類活動的強(qiáng)度[10-12]。在水資源與水環(huán)境研究中,常采用與水相關(guān)的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)來表征對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的承受能力[13-15]。2020年生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《水環(huán)境承載力評價方法(試行)》,要求各省級生態(tài)環(huán)境部門開展市、縣域水環(huán)境承載力狀況評價。同年,中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會發(fā)布了《水生態(tài)承載力評估技術(shù)指南(征求意見稿)》,建立了綜合考慮工業(yè)與生活污染源強(qiáng)、水質(zhì)、水生生物狀況的評估框架。

水電梯級開發(fā)有別于一般的污染項目,特別是小水電的梯級開發(fā)不會產(chǎn)生污染物,但會直接快速地影響河道生境而影響水生生物,進(jìn)而削弱生態(tài)環(huán)境承載力,目前對小水電梯級開發(fā)引起的河流生態(tài)環(huán)境承載力狀況評價還未有合適的方法。珠江水系干流東江中游的一級支流秋香江大部分河道與岸帶1 km范圍內(nèi),除小水電開發(fā)外,無其他大規(guī)模、高強(qiáng)度人類活動干擾,而小水電卻貫穿于上下游,水電開發(fā)類型涵蓋了引水式電站、壩后式電站、河床式電站等典型的小水電開發(fā)類型,選取秋香江作為研究對象,可以盡可能減少其他人類活動對研究結(jié)果的影響,又能很好地反映小水電梯級開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的綜合影響。因此,本研究選擇秋香江進(jìn)行小水電梯級開發(fā)引起的河流生態(tài)環(huán)境影響研究,在對水文情勢、水域生態(tài)、岸帶陸域生態(tài)進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查與研究的基礎(chǔ)上,選取合適指標(biāo)對小水電梯級開發(fā)前后河流生態(tài)環(huán)境承載力的變化進(jìn)行綜合評判,識別出小水電梯級開發(fā)對于生態(tài)環(huán)境的主要影響因子。

1 秋香江小水電開發(fā)情況

秋香江位于廣東省境內(nèi),是珠江水系干流東江中游的一級支流,流域面積1 669 km2,地形以山地、丘陵為主,地勢東高西低,已梯級建成水電站21座,其中4座建于支流清溪河上,其余17座皆位于秋香江干流,裝機(jī)總量18 730 kW,年發(fā)電總量4 381 kW·h。已建成的21座水電站中,引水式電站7座,壩后式電站2座,河床式電站12座。電站分布如圖1所示。

2 小水電梯級開發(fā)的生態(tài)環(huán)境承載力模型

2.1 時段劃分

1998年以前,秋香江上水電站數(shù)量及水庫庫容均處于較低水平,1998年之后水電站數(shù)量及水庫庫容急劇增加,因此將研究時段劃分為小水電梯級開發(fā)對秋香江生態(tài)環(huán)境影響的低影響期(1958—1998年)和高影響期(1998年至今),分別用來反映秋香江小水電梯級開發(fā)的歷史和現(xiàn)狀。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

(1) 水文數(shù)據(jù)來自秋香江流域內(nèi)的紫金縣水文局。水文情勢指標(biāo)通過1958—2016年近60年的歷年逐日流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到,用1958—1998年的數(shù)據(jù)代表低影響期,1999—2016年的數(shù)據(jù)代表高影響期。采用反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,將氣象因素、人類活動對河流水文的影響與水電的影響分離,詳細(xì)計算過程參見文獻(xiàn)[16]。

(2) 低影響期的水質(zhì)數(shù)據(jù)使用河源市生態(tài)環(huán)境局提供的1998年東江流域秋香江河段的地表水環(huán)境評價結(jié)果作為代表,高影響期的水質(zhì)數(shù)據(jù)以2018年豐、枯兩期參照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)監(jiān)測的地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)作為代表。

(3) 低影響期的水生生物數(shù)據(jù)通過查閱歷史資料[17-18]確定。高影響期的水生生物數(shù)據(jù)于2018年參照《淡水生物資源調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(DB43/T 432—2009)、《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)等采樣調(diào)查得到。

(4) 岸帶陸域生態(tài)數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(https://earthdata.nasa.gov/)的LandsatTM/ETM+遙感解譯數(shù)據(jù),分別用1995、2015年的數(shù)據(jù)代表低影響期和高影響期。

2.3 指標(biāo)體系的構(gòu)建

水電開發(fā)對流域生態(tài)環(huán)境的影響是多方面的,在建立指標(biāo)體系時,應(yīng)綜合考慮水電開發(fā)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的累積影響[19-21]。本研究建立的指標(biāo)體系包括水文情勢、岸帶陸域生態(tài)、水域生態(tài)3個系統(tǒng)層,下含7個因素層,共22個指標(biāo)。需要說明的是,中小河流的水電梯級開發(fā)會引起流域內(nèi)上下游水資源可利用量的空間分配改變,但對于水資源總量影響不大。由于本研究的對象是小水電開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響,因此在設(shè)計指標(biāo)體系時,不考慮社會經(jīng)濟(jì)因素。

2.4 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

采用等距插值法將各指標(biāo)從低到高分為劣、差、中、良、優(yōu)5個等級,確定其標(biāo)準(zhǔn)化值的范圍如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化值等級范圍Table 1 Grading ranges of standard values

在參考已有的水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響研究成果[22-25]基礎(chǔ)上,依據(jù)《河流健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法》(水利部水資源司,2010年)、《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南(試行)》(原環(huán)境保護(hù)部,2013年)、《河流水生態(tài)環(huán)境評價技術(shù)指南(試行)》(原環(huán)境保護(hù)部,2014年)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002),確定每個指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果見表2。

正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別按式(1)和式(2)計算標(biāo)準(zhǔn)化值。

(1)

(2)

式中：xi、ri分別為第i個指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化值；a為xi對應(yīng)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的等級范圍下限值；minxi、maxxi分別為xi的最小值和最大值。單位根據(jù)實際情況而定。

2.5 生態(tài)環(huán)境承載力指數(shù)的計算

本研究采用層次分析法[26]確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值乘以指標(biāo)權(quán)重計算因素層、系統(tǒng)層的得分并換算成百分制,最后得到生態(tài)環(huán)境承載力綜合指數(shù)。

3 生態(tài)環(huán)境承載力計算結(jié)果分析

秋香江小水電梯級開發(fā)生態(tài)環(huán)境承載力計算的各指標(biāo)權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化值結(jié)果見表3。

3.1 高影響期(現(xiàn)狀)評價結(jié)果

水文情勢、岸帶陸域生態(tài)、水域生態(tài)3個系統(tǒng)層的最終得分分別為63.83、75.76、47.82,岸帶陸域生態(tài)為得分最高子系統(tǒng),其次依次是水文情勢、水域生態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn),秋香江小水電梯級開發(fā)對水域生態(tài)的影響最大,對岸帶陸域生態(tài)的影響最小。

水域生態(tài)中水質(zhì)指標(biāo)和水生態(tài)指標(biāo)兩個因素層的得分分別為40.00、50.71,水質(zhì)指標(biāo)得分低是由于秋香江水體環(huán)境中氮磷營養(yǎng)鹽濃度較高,水生態(tài)指標(biāo)得分低是受浮游動物、底棲動物的香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)和魚類損失度等指標(biāo)的影響。

表2 指標(biāo)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)1)Table 2 Grading standards of indexes

表3 指標(biāo)權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化值Table 3 Weights standard and values of the indexes

水文情勢中水文指標(biāo)和河流連通性指標(biāo)兩個因素層的得分分別為67.51、43.56。影響水文指標(biāo)因素層得分的主要原因是最小1日平均流量的標(biāo)準(zhǔn)化值較低,只有0.36,但生態(tài)流量滿足度和生態(tài)低流量歷時的標(biāo)準(zhǔn)化值較高,分別為0.90、0.67,說明秋香江小水電梯級開發(fā)后雖然河道流量較小但仍能滿足生態(tài)流量。河流連通性指標(biāo)因素層得分在水文情勢中較低的原因是因為電站數(shù)量較多、對河道造成阻隔,有些引水式電站甚至造成了部分河段全年斷流。

岸帶陸域生態(tài)中活力指標(biāo)、抗壓指標(biāo)和組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)3個因素層的得分分別為89.43、57.66、86.18。香農(nóng)多樣性指數(shù)、森林覆蓋率、土地利用綜合指數(shù)、歸一化植被指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值都較高,分別為1.00、1.00、0.86、0.86。而抗壓指標(biāo)的景觀恢復(fù)力指數(shù)和蔓延度指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值不高,分別為0.61、0.53。

總體上,從高影響期的現(xiàn)狀來看,水域生態(tài)的退化是影響秋香江生態(tài)環(huán)境承載力綜合指數(shù)的關(guān)鍵因素,尤其表現(xiàn)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長和小水電梯級開發(fā)對水質(zhì)的污染上；從水文情勢的變化來看,梯級電站對流量的影響較大,不過目前仍能滿足生態(tài)流量；河道阻隔對魚類的影響需引起注意,此外引水式電站造成的部分河道全年斷流應(yīng)予以解決。

3.2 高影響期與低影響期對比

由圖2可見,隨著秋香江全河段小水電梯級開發(fā)逐漸進(jìn)行,生態(tài)環(huán)境承載力綜合指數(shù)下降。1998年以前秋香江上投產(chǎn)的電站只有4座,而1998年后急劇增加了17座。但由于秋香江上的小水電多為河床式電站,壩高較低,對河流整體的水文水質(zhì)影響不是非常巨大,另外秋香江地處華南濕潤地區(qū),降雨量多,水資源充沛,河道徑流量充足,減少了由小水電開發(fā)造成的河道減流和大壩下游斷流問題,因此水文條件變化在可控范圍內(nèi),仍能滿足生態(tài)流量。高影響期與低影響期相比,水文情勢、岸帶陸域生態(tài)、水域生態(tài)3個系統(tǒng)層的得分變化分別為-2.47、0.59、-27.23。

水文情勢的變化主要是河流斷流指數(shù)、河流阻隔指數(shù)和最小1日平均流量標(biāo)準(zhǔn)化值的減小,但是洪水發(fā)生頻率及生態(tài)低流量歷時的標(biāo)準(zhǔn)化值并沒有減少,反而有所增加,說明水電梯級開發(fā)使低流量發(fā)生頻率增大,但同時洪水發(fā)生頻率及發(fā)生生態(tài)低流量的時長得到了控制。

岸帶陸域生態(tài)的變化比較特殊,雖然變化不大但出現(xiàn)了高影響期比低影響期增大的現(xiàn)象,主要原因是岸帶陸域生態(tài)的香農(nóng)均勻度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值增大,說明岸帶各類景觀的分布在小水電梯級開發(fā)過程中得到了更加均勻地規(guī)劃。

水域生態(tài)的變化最大,高影響期的得分比低影響期降低了36.28%。其中水質(zhì)指標(biāo)及魚類損失度在水電梯級開發(fā)前后變化較大；與低影響期相比,大量小水電梯級開發(fā)后河道魚類種類減少46%,因此小水電梯級開發(fā)對魚類資源影響較大。

4 總結(jié)與展望

(1) 建立了綜合考慮水文情勢、岸帶陸域生態(tài)、水域生態(tài)的小水電梯級開發(fā)的河流生態(tài)環(huán)境承載力評價模型。

(2) 秋香江小水電梯級開發(fā)主要是對河流的水域生態(tài)和水文情勢造成影響,沿岸社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長與水電梯級開發(fā)共同作用造成的水質(zhì)污染是影響水域生態(tài)的重要原因。同時,小水電梯級開發(fā)對河道造成阻隔,對魚類資源的影響較大,對于流量雖有影響但仍能滿足生態(tài)流量。

(3) 本研究的目的是關(guān)注小水電梯級開發(fā)造成的河流生態(tài)環(huán)境綜合影響,鑒于生態(tài)環(huán)境綜合影響的復(fù)雜性,建立的模型仍然比較粗糙,不能考慮到所有因素,指標(biāo)和數(shù)據(jù)的選取也具有較大的不確定性,賦值也采取了一些簡化措施,因此還需要進(jìn)一步深入研究,但建立的模型實用性較強(qiáng),對相關(guān)技術(shù)實踐工作來說是一次有益的探索,值得參考。