水能资源系统与生态系统时空关联效应分析

包广静

（云南财经大学 国土资源与持续发展研究所，昆明 650221）

从系统的角度综观水电开发生态环境问题的成因，主要是水电开发过程中人类非理性的活动对和谐生态格局的破坏，即人类活动超出了生态环境的承载力，导致生态破坏、生态过程的紊乱。水能开发会对生态环境造成明显的影响，如对河流水文、物理化学特性、地质环境、生态系统结构、功能等的影响[1]，并产生相应的环境问题和效应，如水环境污染问题、库区淤积问题、截留效应、水温效应[2-3]等，水能开发生态问题的核心就是水能开发后生态格局改变所导致的生态过程的紊乱。分析研究水能资源系统与生态系统相互作用的时空效应，对于从系统结构、功能方面开展水能开发与生态系统的人为调控将起到重要的作用。同时，从时空角度分析水能开发与生态环境的关联效应，有助于把握水能开发与生态系统的时空对应关系，可为不同区域水能开发提供基础理论上的支持，对于提高水能开发与生态系统的协调度将起到积极的作用。

1 水能资源与生态环境复合系统

1.1 水能资源系统

水能资源系统包括水能资源和水能资源环境两个部分。水能资源指水体的动能、势能和压力能等能量资源。自由流动的天然河流的能量，称为河流潜在的水能资源，或称水力资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。到20世纪90年代初，河流水能是人类大规模利用的水能资源；潮汐水能也得到了较成功的利用；波浪能和海流能资源则正在进行开发研究。人类利用水能的历史悠久，但早期仅将水能转化为机械能，直到高压输电技术发展、水力交流发电机发明后，水能才被大规模开发利用。目前水力发电是水能利用的主要方式，故通常把水电作为水能的代名词，本文中的水能资源指以水力发电为主的水资源利用方式。

水能资源系统除水能资源外还包括水能资源环境部分。水能资源环境是以水能资源的开发、利用、管理为中心，由影响水能资源系统管理运行、发展演化的各种自然因素和人文因素相互作用而共同构成的综合体。水能资源环境包括水能资源自然环境和人文环境，自然环境又可进一步划分出地质、地貌环境、生态环境等，人文环境则主要包括经济环境、社会环境、文化环境、制度环境等。水能资源与水能资源环境共同构成水能资源系统，通过其功能效应的发挥与外界系统产生相互作用。

1.2 水能资源系统的特点及其生态系统的相互关系

水资源系统有其特殊的系统构成及系统功能，水能资源系统构成的基本要素及功能由水能资源开发所在流域生态、经济、社会等背景要素所决定。除具有一般系统常规特点外，水能资源系统还有其特殊性，体现在以下几个方面：系统功能的经济主导性，即水能资源的开发其主要目标是为了促进社会经济的发展；系统功能定位的多元性，在以经济功能为主的前提下，水能资源系统还需考虑更多的生态功能、社会功能、文化功能等，在区域可持续发展体系的构建中，水能资源其系统功能的定位具有多元化的趋势；系统属性构成的复合性，水能资源系统除受其区域背景影响外，其内部构成也是极为复杂的，既包括人类社会主导下形成的社会经济要素，也包括自然生态环境主导下形成的自然要素。水能资源系统作为人类社会经济发展的能源支持系统，具有很强的社会经济属性，同时，水能资源系统形成、运行必须依靠自然生态环境，因此自然生态属性也在其发展中起着关键性作用。

在水能资源系统中，生态子系统是其重要组成部分，除生态子系统外，水能资源系统的组成还包括经济子系统和社会子系统。从水能资源开发的历史我们可以看出，在走过资金约束、技术约束阶段后，当前水能资源的开发主要受到生态的约束，研究分析水能资源系统的区域生态背景及其内部生态子系统的特征状况，对于减少水电开发生态影响，协调水电开发与生态关系具有重要的作用。从区域生态系统的角度来看，水能资源系统属人类干扰下形成的区域生态系统的子系统之一，其系统的特点具有明显的人为影响性，是人与生态相互作用关系表现最为突出的复合系统之一，水能资源系统及其内部构成要素是区域生态系统的重要组成部分，同时，水能资源系统又可作为一个相对独立的系统来看待，当将其视为独立系统时，其与区域生态系统彼此产生相互的物质、信息、能量的交换，相互影响相互关联。在研究和分析水能资源系统时，为强调突出水能资源系统对区域生态系统的影响和作用，往往将其视为一个独立的系统来对待，分析其开发、建设和运行对生态环境的影响，而在考虑区域生态环境综合长期效应时，则可将其视为区域生态系统的组成要素，从要素构成变动对系统功能影响的角度来考虑问题，以方便更好的从系统的角度来把握水电开发的生态问题。由此可见，从不同的空间尺度、时间尺度考虑分析水能资源系统生态关联效应时，需要采取不同的研究视角以满足不同的研究目的，但总的来说，水能资源系统作为生态系统的一部分，生态系统是水能资源系统的母体之一，两个系统分别构建，相互交叉、相互作用，构成一个复杂的复合系统。

1.3 水能资源系统与生态环境的复合系统

从水能资源系统中生态子系统的构成与区域生态系统相互关联基本构架来看 （图1），水能资源生态系统中的陆生生态、岸边水陆交错带以及水生生态是其主要的次一级子系统，通过这三个子系统水能资源生态系统与区域生态系统中的流域生态系统产生关联，并在生境适应性及河流物理特性两个主要方面产生相互的作用。

在水能资源生态系统与区域生态系统产生关联的同时，水能资源系统的社会、经济子系统同样与区域生态系统产生交互作用。以水能开发系统中的移民子系统来看，在相关移民政策的作用下，移民离开原住区域，到新的区域重新开始生活，移民的生产需求、生活需求、文化知识等将在移民安置区土地利用过程中产生相应的生态效应，影响到安置区生态系统的生物多样性、植被物种等相关要素，在这一过程中需要通过人为措施对由移民造成的环境突发事件、脆弱性增加等进行调控。相对于大坝建设来说，水能资源系统中的移民系统对生态系统造成的影响较为多样化，体现出更高的复合性。

2 时空关联效应产生的基础

2.1 生态系统的等级性

生态系统的等级性是水能资源系统与生态系统关联时空分异产生的自然动因机制。生态系统的等级性使得某一区域生态系统由众多不同等级的子系统构成，这些不同等级子系统之间在结构和功能上存在时空尺度的分异；水能资源系统同样由各级子系统构成，当区域生态系统的多样性与水能资源系统的多样性产生关联时，不同的组合状态，将形成不同的时空组合关系。

2.2 生态系统演替路径的随机性

某一生态系统的演替方向具有其特定的规律性，但在朝向演替方向发展的过程中，受到各种干扰的作用，其演替路径将具有很强的随机性，这种随机性，增加了系统关联时的时空分异。对于某一流域来说，流域内不同的土地利用方式，将产生各种不同的生态效应，作用于河流生态系统，河流生态系统在这些不同效应的作用下，其演替路径的随机性将增加，水能资源系统与该河流生态系统关联的时空分异也将随之增加。

2.3 影响效应的尺度依赖性

不同时空尺度的相互作用对了解生态系统的决定因素，以及它们对水能资源发展的意义至关重要。生态系统的稳定性是一个相对的概念，组成生态系统的各个子系统所产生的功能效应也是相对的。从时间的尺度来看，水能资源系统开发、运行对区域生态系统的效应可以看作是时间的函数，效应的发挥取决于观察生态系统时所选定的时间尺度。评价水能资源对生态系统产生的效应首先需确定分析的时间尺度，即变化速率。当生态系统因水电开发的变化速率大于确定的运动速率时，就可认为生态系统失去了稳定性，水电开发对生态系统产生了负面效应；当变化速率小于确定的运动速率时，则可认为生态系统是稳定的，水电开发所产生的生态负面效应较小。

从空间的尺度来看，景观稳定性实际是许多复杂结构在立地斑块上的不断变化与景观水平上相对静止的统一[4]，这种稳定性又被称为景观的异质稳定性。流域尺度上河岸植被的稳定性要比沿河流渠道各段的局部稳定性高，就是异质稳定性的体现，小尺度上景观要素组成和结构的变化较快，而大尺度上的景观变化比较慢，小尺度上的剧烈波动，可能在较大尺度上被异质景观格局吸收。这种规律存在于绝大多数景观之中。当然，一些景观战略点的变化也可能在较大尺度上被放大，导致景观整体的剧烈变化。水能资源系统对生态系统所能产生的效应同样应从不同的空间尺度来加以衡量调控，而关键问题在于开发中对生态系统关键战略点的识别的把握，对于某些较小的影响、局部的影响如果确定为非生态系统战略关键点，则其负面影响应该是可以接受的，但困难之处则在于对于哪些是战略关键点,哪些是非战略关键点的确立。

2.4 决策尺度的异质性

决策尺度的异质性是二者时空关联分异的人文要素基础。社会、政治，以及经济过程也都具有不同特征的时空尺度。生态过程和社会政治过程的特征尺度大小往往互不吻合。由于生态尺度、决策尺度，以及决策的制度层次尺度互不吻合，因此产生了许多环境问题。例如，在纯粹的局地尺度评估中，可以发现其中最为有效的社会对策只能从国家的尺度上去实施 （例如取消某一补贴或者建立某一规则）。此外，单纯的局地评估可能缺少一定的实用性和可信度，不能刺激国家或区域层次的变化。另一方面，单纯的全球评估也可能缺乏必需的实用性和可信度，不能促使在局地尺度上生态系统管理工作的变化 （尽管对当地来说确实需要）。一个特定尺度上的评估结果，总是受其它尺度上生态、社会经济，以及政治因素的相互作用的严重影响[5]。因此，分析评估水能资源开发生态效应应从时间和空间等层面进行，开展多尺度的决策研究，避免因仅关注单一尺度而忽略其它尺度及其之间的相互作用。

图2 系统关联时空分异形成的过程示意

2.5 研究者视角的差异

水能开发生态影响的时空分异还受研究者的影响，生态系统时空尺度的关联必须将系统固有的性质和观察者的理解、兴趣和能力相结合。生态系统在空间和时间上都表现出高度的复杂性，这种复杂性来源于时间和空间的异质性和大量组分间的非线性关联。判断某个生态系统的复杂程度依赖于描述的途径和观察的目标[6]。研究者个体在价值观、兴趣、研究能力及知识体系上的差异将使其研究结果表现出差异，这其中包括时间尺度和空间尺度方面的差异。如对于热衷于水能开发的研究者来说，在研究分析水能开发生态效应时，更倾向于揭示水能开发的正面生态效应，而对负面生态效应则会采取选择性的关注；对水能开发持消极态度的研究者，其已有的价值取向使其更易去重点关注水能开发的负面生态效应。

3 时空关联效应的特征表现

3.1 效应的滞后性

生态系统和人类系统都具有相当程度的惯性，当前变化所产生的影响也许在几年或几十年之后都难以觉察。无论是从时间尺度还是从空间尺度来开展相关的生态效应分析，基于现有研究条件的研究结论都存在效应滞后的现象。某一时间点或某一时间段内开展的研究结论其适应性受时间变化的影响，从空间角度来看，基于某一空间尺度开展的对未来生态效应的预测可能早已在另一级别的空间尺度产生着作用。从生态系统的角度来看，在经受某一影响后，演替的进程在大多数情况下也不再按原来的速率进行，存在提前或推后的可能。滞后性受两大因素的影响，研究者的分析判断能力和生态系统自身的发展变化的速率。效应发挥滞后性的存在加大了对潜在生态影响的预测难度，也使得对生态效应分析研究不准确性的增加。这种滞后性使得水电开发效应随时间累积变化，即使是水电大坝拆除后，其影响都还将长期存在。

3.2 尺度的对应性

生态系统过程和服务功能只有在特定的时空尺度上才能表现其显著的主导作用和效果，并且最容易被观测，从而被典型而充分地表达出来。生态系统过程和服务功能常常具有一个特征尺度，即典型的空间范围和持续时段。空间尺度和时间尺度常常密切相关 （图3）。

一般来说一个较小的时间尺度对应的空间尺度也较小，从微观尺度开展的研究一般对应较短的时间，较小的空间范围，对某些极短时间内发生并很快结束的生态学现象，是不需要考虑其空间尺度的。水能资源系统与生态系统的关联在时空尺度上也具有对应性。如水能施工建设期、运行期产生的重点效应可分别对应河流生态系统中的河段、流域空间级别，虽然其对应界线并不是很明显，但从主要效应的发挥与显现上来看是存在这种对应关系的。从生态系统来看，因水能开发而导致的河流生态系统的物种变化、迁移、群落更替可分别对应水能资源系统的库区、河段、流域等 （图3）。这种时空尺度的对应性，为分阶段、分区域调控水能资源开发与生态系统的关系提供了可能，增加了调控的时空尺度参照，并为开展更高层次的综合系统调控提供了基础。

3.3 效应的多样性

对于水能资源系统本身来说，其不同时间段、不同空间领域范围内其系统结构及状态是不相同的；而对生态系统来说，这种异质就更高。当将二者进行叠加分析时，异质性将会越高，其二者相互作用效应的多样性就越高，这类似于一定程度上的高景观异质性有助于提高生物多样性一样。以生态系统来看，如生态系统某一空间范围内存的物种越多，那水能资源开发所产生的效应就越复杂，对该空间范围内不同物种产生不同效应，物种间的相互作用又使得水能资源开发效应发生变异，形成新的作用结果；从水能资源系统来看，水库的不同蓄水状态，将形成不同的洄水空间，对库区及上下流地区产生不同的生态影响，如对河流采取梯级开发，开发空间范围的增加，水能资源系统空间异质性增加，其对生态系统产生的效应也将随之增加。异质性将伴随着效应的多样性，但在效应多样性中，区分正面效应与负面效应与异质性的关系将是研究的重点与难点所在。

4 结语

系统间的相互关系决定了水能资源系统与生态系统相互影响、相互作用，二者的发展存在互动关系，而这种互动关系在不同的空间上、时间上表现出差异性，对二者关联效应的分析需建立于特定的时空组合状态下。出于保护环境的需求，当前水能资源开发面临的生态约束不断增强，生态友好型水利工程的建设成为今后水能资源开发的重要方向，而如何评价一项工程的生态友好度则需基于水能资源系统与生态系统关联的基本时空效应特点，以这一特点为分析框架将有助于提高水能资源开发生态效应评价的科学性，加快二者良性互动关系的形成，促进生态友好型水利水电工程的建设与发展。

[1]毛战坡，王雨春，彭文启，等.筑坝对河流生态系统影响研究进展[J].水科学进展，2005，16(11)：134-139．

[2]姚维科，崔保山，刘杰，等.大坝的生态效应:概念、研究热点及展望[J]. 生态学杂志，2006，25(2)：428-434.

[3]刘兰芬．河流水电开发的环境效益及主要环境问题研究[J].水利学报，2002，（8）：12l-128．

[4]郭晋平，周志翔.景观生态学[M].北京：中国林业出版社，2007.

[5]千年生态系统评估项目概念框架工作组.生态系统与人类福利：评估框架[R].World Resources Institute，2003.

[6]邬建国.景观生态学格局过程尺度与等级[M].北京:高等教育出版社，2002.