基于生态足迹的农村引水式电站生态环境影响评价

2015-03-16王振华李青云赵伟华沈晓莹

小水电 2015年5期

王振华，李青云，黄茁，赵伟华，沈晓莹

(1.长江科学院流域水环境研究所，湖北武汉 430010；2.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，湖北武汉 430010；3.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002)

王振华1,2,3，李青云1,2，黄茁1,2，赵伟华1,2，沈晓莹1,2

在全球气候变化背景和国家节能减排需求下，量化农村水电对生态环境的积极作用和不利影响具有重要意义。针对农村水电的梯级引水式分布特点及其在提供水电能源和降低河道及岸坡生态服务功能两方面的突出影响，基于生态足迹分析法，划分了农村引水式电站生态供给足迹账户和生态需求足迹账户，建立了农村引水式电站的生态供给足迹模型和生态需求足迹模型，并以云南山区某小型河流梯级引水式电站为例进行了生态供给足迹与生态需求足迹计算，定量评价了其生态环境累积影响。结果表明，农村梯级引水式电站的生态环境累积影响显著；随着引水式电站开发运行级数增多，其生态需求足迹与生态供给足迹的差值增大，对生态环境产生累积影响的程度越大；在众多不利影响因素中，河道减水脱水产生的累积影响占主导作用。图2幅，表2个。

梯级引水式电站；生态环境累积影响；定量评价；生态供给足迹；生态需求足迹

0 引言

农村水电又称小水电，是指装机容量5万kW及以下的水电站，其一般修建在山区小型河流上，多呈现梯级引水式分布。农村水电是我国水电能源的重要组成部分，其发电量约占全国水能发电量的37.6%。农村水能资源开发利用对促进农村地区经济社会发展尤其是解决偏远山区居民生产、生活用电难问题发挥了不可替代的作用。作为清洁能源，农村水电尤其是“小水电代燃料工程”的运行实施，有效减少了山区居民对薪柴的消耗量，有效保护了林草植被面积。农村水电开发运行在保障山区电力供应和改善农村生态环境方面发挥积极作用的同时，也对河道和岸坡生态环境产生了一些不利影响，如厂坝间河道减水脱水、水生生态破坏、工程弃渣占用河道等，其中多级、连续的减水脱水河道对水生态系统产生的累积叠加影响尤为突出。在全球气候变化背景和国家节能减排需求下，探讨并量化农村水电对生态环境的积极作用和不利影响，客观评价农村水电的生态环境效应，对正确处理农村水电站开发建设和生态环境保护之间的关系、寻求农村水电经济效益与河流生态系统的可持续协调发展，具有重要理论意义和实践参考价值。

目前，国内对于农村水电生态环境影响的相关研究成果以定性描述为主[1_6]，定量分析较少，梯级引水式电站累积影响定量评价研究更少。虽然我国已有《农村水电站工程环境影响评价规程》(SL 315—2005)，但该技术规程仅适用对某一具体农村水电工程项目的环境影响进行评价，不适用于对农村梯级引水式电站的生态环境累积影响进行评价。

生态足迹(Ecological Footprint，简称EF)分析法是以“生物生产性土地”为度量指标，测算人类活动对生态环境影响程度的一套定量方法，其具有计算简便、可操作性强、全球可比、易与其他指标结合、结论易懂等优点，并在多个行业(如旅游业、教育业、餐饮业、制造业、种植业、地区贸易等)得以应用[7_11]。近年来，国内已有学者将生态足迹分析法应用于大型水利工程对生态环境影响评价研究[12_14]，如肖建红等(2006，2008)应用生态足迹法分别对三峡工程和全国水利工程的生态供给足迹和生态需求足迹进行了计算，为大型水利工程生态环境影响评价提供了重要参考，但是针对农村引水式电站开发运行对生态环境影响的生态足迹计算模型及评价研究尚未见报道。与大型水电工程的水库调蓄、物质拦截、水库污染、水温分层等生态环境影响不同，农村引水式电站对生态环境的不利影响较为单一，主要表现为降低河道和岸坡的生态服务功能。本文在文献[12_14]研究成果的基础上，针对农村水电梯级引水式开发运行的特点，构建农村梯级引水式电站生态供给足迹模型和生态需求足迹模型，并以云南山区某小型河流梯级引水式电站为例进行生态足迹计算，评价其生态环境累积效应，以期为农村引水式电站生态环境累积影响定量评价提供基本方法。

1 农村引水式电站生态足迹账户划分

农村引水式电站对生态环境的突出影响表现在提供水电能源和降低河道及岸坡生态服务功能两个方面。农村引水式电站开发山区河流的水电能源为山区居民提供电力，有效减少了山区居民对薪柴的消耗量，保护林草植被面积，改善了当地生态环境。这种通过以电代柴而增强的林草植被服务功能供给能力称为农村引水式电站生态供给，将其能够折算的世界生物生产性土地或水域的总面积称为农村引水式电站生态供给足迹。农村引水式电站开发运行造成厂坝间河道减水脱水、水生生态破坏、工程弃渣占用河道、电站永久占地与引水设施占地、岸坡植被损毁、水土流失等影响，削弱或降低的河道和岸坡生态服务功能供给能力称为农村引水式电站生态需求，将其能够折算的世界生物生产性土地或水域的总面积称为农村引水式电站生态需求足迹。农村引水式电站生态供给足迹账户(以电代柴)和生态需求足迹账户(降低河道及岸坡生态服务功能)的关系如下所示(见图1)。

图1 农村引水式电站生态足迹账户示意

2 引水式电站生态供给足迹计算模型

2.1 单座引水式电站生态供给足迹模型

水力发电的电量可以转化为热量，引水式电站生态供给足迹是指产生等量于以电代柴电量的热量所需林地的面积。已知1 GJ=1×109J，1 J=2.778×10-7kW·h，全球水电平均生产力为1 000 GJ/hm2，则单座引水式电站生态供给足迹计算公式如下：

(1)

式中：EFf为单座引水式电站以电代柴生态供给足迹(hm2)；φ为用于以电代柴的电量占总发电量的比例；Qe为多年平均发电量(kW·h)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

2.2 梯级引水式电站生态供给足迹模型

随着河流上引水式电站开发级数的增加，以电代柴的生态供给能力主要表现为线性增加，则梯级引水式电站生态供给足迹为各级电站以电代柴生态供给足迹之和，其计算公式如下：

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

(2)

式中：EFnf为n级引水式电站以电代柴生态供给足迹(hm2)；φn为第n级引水式电站用于以电代柴的电量占总发电量的比例；Qne为第n级引水式电站的多年平均发电量(kW·h)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

3 引水式电站生态需求足迹计算模型

3.1 单座引水式电站生态需求足迹模型

(1)河道减水脱水生态需求足迹模型

传统的生态需求足迹模型在计算水域面积减少造成的生态环境影响时，仅核算了鱼类等水生动物的减少量，而未考虑对浮游植物等初级生产力的影响。根据河流系统“浮游植物—浮游动物—鱼”食物链关系和能量传递最大效率20%计算，生产单位重量的鱼，至少需要消耗25倍等量于鱼的浮游植物，因此水域面积减少对浮游植物等初级生产力的影响不容忽视。

基于上述考虑，河道减水脱水生态需求足迹不仅包括河道减水脱水造成鱼类等河流动物减少所形成的生态需求足迹，还应包括河道减水脱水造成浮游植物等初级生产力降低所形成的生态需求足迹，其计算公式如下：

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

(3)

式中：EFr为单座引水式电站的河道减水脱水生态需求足迹(hm2)；EFa为河道减水脱水造成鱼类等河流动物减少形成的生态需求足迹(hm2)；EFp为河道减水脱水造成河流浮游植物等初级生产力降低形成的生态需求足迹(hm2)；Sr为下游河道减少的水域面积(hm2)；r5为水域的均衡因子；y5为水域的产量因子；k为河流浮游植物等初级生产力与鱼类等河流动物生物量的比例，取25。

(2)弃渣占用河道生态需求足迹模型

EFs=Ssr5y5

(4)

式中：EFs为单座引水式电站的弃渣占用河道生态需求足迹(hm2)；Ss为引水设施建设弃渣占用河道的面积(hm2)；r5为水域的均衡因子；y5为水域的产量因子。

(3)电站永久占地生态需求足迹模型

EFh=Shr3y3

(5)

式中：EFh为单座引水式电站永久占地生态需求足迹(hm2)；Sh为引水式电站永久占用林地的面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

(4)引水设施占地生态需求足迹模型

EFd=Sdr3y3

(6)

式中：EFd为单座引水式电站的引水设施占地生态需求足迹(hm2)；Sd为引水设施占用林地的面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

(5)岸坡植被破坏生态需求足迹模型

EFv=Svr3y3

(7)

式中：EFv为单座引水式电站的引水设施施工破坏岸坡植被生态需求足迹(hm2)；Sv为引水设施施工破坏岸坡林地的面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

(6)岸坡水土流失生态需求足迹模型

EFe=Ser3y3

(8)

式中：EFe为单座引水式电站的岸坡水土流失生态需求足迹(hm2)；Se为引水设施施工破坏岸坡林地引起的水土流失面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

3.2 梯级引水式电站生态需求足迹计算模型

随着河流上引水式电站开发级数的增加，电站永久占地、引水设施占地、岸坡植被破坏、水土流失等影响，降低的河道和岸坡生态服务功能供给能力主要表现为线性增加，则梯级引水式电站永久占地、引水设施占地、岸坡植被破坏、水土流失等产生的生态需求足迹分别为各级电站相应的生态需求足迹之和。随着减水脱水河段的增加，河流生态破碎化进一步加剧，河流生态破坏(主要是对河流动物、浮游植物及河滨带植物等产生的不利影响)而降低的河流生态服务功能供给能力表现为非线性增加。综合理论分析和野外调研经验，本研究假设减水脱水河段增加对河流生态的累积影响如下所示(见图2)；相对于单座引水式电站来说，梯级引水式电站的第n级引水式电站减水脱水生态需求足迹将增加λn-1倍(λ>1，λ值反映了河流生态破坏程度，本研究中λ取1.3)。

图2 梯级引水式电站减水脱水对河流生态累积影响效应示意

根据上述分析和假设，梯级引水式电站产生的厂坝间河道减水脱水、水生生态破坏、工程弃渣占用河道、电站永久占地与引水设施占地、岸坡植被损毁、水土流失等生态需求足迹计算模型分别如下：

(1)梯级引水式电站减水脱水生态需求足迹模型

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

(9)

式中：EFnr为n级引水式电站减水脱水生态需求足迹(hm2)；EF(n-1)r为n-1级引水式电站减水脱水生态需求足迹；Snr为第n级引水式电站下游河道减少的水域面积(hm2)；r5为水域的均衡因子；y5为水域的产量因子；k为河流浮游植物等初级生产力与鱼类等河流动物生物量的比例，取25；λn-1为第n级引水式电站减水脱水生态需求足迹的增加倍数，λ>1。

(2)梯级引水式电站弃渣占用河道生态需求足迹模型

EFns=ΣSnsr5y5=r5y5ΣSns

(10)

式中：EFns为n级引水式电站的引水设施建设弃渣占用河道生态需求足迹(hm2)；Sns为第n级引水式电站的引水设施建设弃渣占用河道的面积(hm2)；r5为水域的均衡因子；y5为水域的产量因子。

(3)梯级引水式电站永久占地生态需求足迹模型

EFnh=ΣSnhr3y3=r3y3ΣSnh

(11)

式中：EFnh为n级引水式电站永久占地生态需求足迹(hm2)；Snh为第n级引水式电站永久占用林地的面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y5为林地的产量因子。

(4)梯级引水式电站引水设施占地生态需求足迹模型

EFnd=ΣSndr3y3=r3y3ΣSnd

(12)

式中：EFnd为n级引水式电站引水设施占地生态需求足迹(hm2)；Snd为第n级电站引水设施占用林地的面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

(5)梯级引水式电站岸坡植被破坏生态需求足迹模型

EFnv=ΣSnvr3y3=r3y3ΣSnv

(13)

式中：EFnv为n级引水式电站的引水设施施工破坏岸坡植被生态需求足迹(hm2)；Snv为第n级电站引水设施施工破坏岸坡林地的面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

(6)梯级引水式电站岸坡水土流失生态需求足迹模型

EFne=ΣSner3y3=r3y3ΣSne

(14)

式中：EFne为n级引水式电站岸坡水土流失生态需求足迹(hm2)；Sne为第n级电站引水设施施工破坏岸坡林地引起的水土流失面积(hm2)；r3为林地的均衡因子；y3为林地的产量因子。

4 农村引水式电站生态足迹计算结果评价

通过对农村引水式电站的生态供给足迹与其生态需求足迹的比较，即可定量分析农村引水式电站的生态环境效应。

(1)当生态供给足迹大于生态需求足迹时，农村引水式电站对生态环境产生积极作用，且两者差值越大，则积极作用越大。

(2)当生态供给足迹小于等于生态需求足迹时，农村引水式电站对生态环境产生不利影响，且两者差值越大，则不利影响的程度越大。

5 案例分析

5.1 工程概况

云南山区某小型河流全长约85 km，径流面积634 km2，海拔800～1 200 m，流域内多年平均气温15.8～20.2 ℃，年降水量1 200～1 600 mm，森林覆盖率达74.7%，自然植被恢复能力强，水土流失为轻度，平均侵蚀强度1 000 t/km2。目前，该河流已开发引水式电站7座，即一至七级电站，分别表示为H1、H2、H3、H4、H5、H6和H7。各电站装机容量、年均发电量和以电代柴发电量的比例，以及减水脱水河段、弃渣占用河道、电站永久占地、引水设施占地、岸坡植被破坏、岸坡水土流失等基本情况如下所示(见表1)。

表1 云南山区某小型河流7座引水式电站基本情况

5.2 生态供给足迹与生态需求足迹计算

梯级引水式电站的以电代柴生态供给足迹，以及河道减水脱水、弃渣占用河道、电站永久占地、引水设施占地、岸坡植被破坏、岸坡水土流失等的生态需求足迹，分别采用式(2)、式(9)、式(10)、式(11)、式(12)、式(13)和式(14)进行计算。表2给出了云南山区某小型河流梯级引水式电站生态供给足迹和生态需求足迹的计算结果(见表2)。

表2 梯级引水式电站生态足迹计算结果

5.3 生态足迹计算结果评价

根据表2计算结果，当引水式电站的级数分别为一级、二级、三级、四级、五级、六级、七级时，其生态供给足迹分别为11.71、15.93、19.17、49.44、86.73、119.16、122.40 hm2，生态需求足迹分别为9.33、15.08、21.56、54.06、100.10、153.82、172.81 hm2。将生态供给足迹与生态需求足迹相比可知，二级(n=2)引水式电站的生态供给足迹大于生态需求足迹，说明二级引水式电站对生态环境产生积极作用；三级以上(n≥3)时，其生态供给足迹均小于生态需求足迹，说明三级以上的引水式电站对生态环境产生不利影响。当引水式电站级数分别为三级、四级、五级、六级、七级(n=3、4、5、6、7)时，其生态供给足迹与生态需求足迹之间的差值(绝对值)分别为2.39、4.62、13.37、34.66、50.41 hm2。可以看出，当引水式电站级数增加时，其生态供给足迹与生态需求足迹之间的差值增大；这表明随着级数增多，梯级引水式电站对生态环境产生累积影响的程度越大。

在降低河道和岸坡生态服务功能的影响因素中，河道减水脱水生态需求足迹约占总生态需求足迹的43%～85%，起主要作用，其对生态环境的不利影响最显著。

6 结语

在国内外已有研究成果的基础上，本文针对农村引水式电站生态环境影响特点，采用生态足迹分析法，划分了农村引水式电站生态供给足迹账户和生态需求足迹账户，建立了农村引水式电站的生态供给足迹模型和生态需求足迹模型。基于构建的生态足迹模型，以云南山区某小型河流梯级引水式电站为例进行了生态供给足迹与生态需求足迹计算，定量评价了其生态环境累积影响。结果表明，山区小型河流上引水式电站的级数超过三级，其生态环境累积影响逐渐显现，且随着级数增多，对生态环境累积影响的程度越大。在众多不利影响因素中，河道减水脱水产生的累积影响占主导作用。本研究对农村梯级引水式电站生态环境累积影响定量评价具有参考价值，同时可为引水式电站开发建设模式优化尤其是严格落实河道生态流量管理提供理论指导。

[1] 罗高荣，刘维东. 小水电环境影响评价[J]. 小水电，1996(6)：21_25.

[2] 许新民. 刍议小水电开发和环境保护[J]. 黑龙江水利科技，2007，35(6)：105_106.

[3] 刘京和. 小水电的生态与环境问题及对策[J]. 中国水利，2007(12)：23_25.

[4] 梁福庆. 我国小水电开发与环境保护[J]. 小水电，2010(2)：47_49.

[5] 黄茁，李青云. 小水电环境影响关键问题及保护对策探讨[J]. 小水电，2011(6)：47_49.

[6] 孙慧，龚壁卫，胡波. 农村水电站引起的生态环境问题及补偿措施初探[J]. 长江科学院院报，2013(3)：12_15.

[7] 张志强，徐中民，程国栋. 生态足迹的概念及计算模型[J]. 生态经济，2000(10)：8_10.

[8] 杨开忠，杨咏，陈洁. 生态足迹分析理论与方法[J]. 地球科学进展，2000，15(6)：630_36.

[9] 刘森，胡远满，李月辉，等. 生态足迹方法及研究进展[J]. 生态学杂志，2006，25(3)：334_339.

[10] 陈冬冬，高旺盛，陈源泉. 生态足迹分析方法研究进展[J]. 应用生态学报，2006，17(10)：1983_1988.

[11] 肖建红，陈绍金，于庆东，等. 基于生态足迹思想的皂市水利枢纽工程生态补偿标准研究[J]. 生态学报，2011，31(22)：6696_6707.

[12] 肖建红，施国庆，毛春梅，等. 三峡工程生态供给足迹与生态需求足迹计算[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2006，30(5)：774_777.