小水电梯级开发的河流生态环境承载力研究*——以秋香江为例

刘 洁 肖 旭 杨大勇 张丽娟 刘协亭 陈晓宏#

(1.广东省社会科学院,广东 广州 510635；2.中山大学水资源与环境研究中心,广东 广州 510275；3.生态环境部华南环境科学研究所,广东 广州 510535；4.广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510170)

水电约占全世界电力供应的16%[1],然而水电工程对生态环境的影响不可忽视[2]。学者们已对我国的大水电工程开展了一些生态环境影响的研究[3-8],但对小水电工程未予以重视。实际上,我国的小水电工程装机容量一度达到全世界装机总量的40%[9],为我国农村及偏远地区居民用电以及促进地方财政收入都做出了重要贡献。小水电工程主要以中小河流梯级开发的形式存在。梯级开发是指在一条河流上建造一个接一个的水电工程。水电梯级开发既具有流域性的环境影响又具有全局性的环境影响,因此对水电梯级开发的河流进行生态环境承载力研究很有必要。

生态环境承载力源于生态学中的土地承载力与环境容量的概念,用于表明一个区域所能承载的人类活动的强度[10-12]。在水资源与水环境研究中,常采用与水相关的生态环境综合指数来表征对社会经济系统的承受能力[13-15]。2020年生态环境部印发了《水环境承载力评价方法(试行)》,要求各省级生态环境部门开展市、县域水环境承载力状况评价。同年,中国环境科学学会发布了《水生态承载力评估技术指南(征求意见稿)》,建立了综合考虑工业与生活污染源强、水质、水生生物状况的评估框架。

水电梯级开发有别于一般的污染项目,特别是小水电的梯级开发不会产生污染物,但会直接快速地影响河道生境而影响水生生物,进而削弱生态环境承载力,目前对小水电梯级开发引起的河流生态环境承载力状况评价还未有合适的方法。珠江水系干流东江中游的一级支流秋香江大部分河道与岸带1 km范围内,除小水电开发外,无其他大规模、高强度人类活动干扰,而小水电却贯穿于上下游,水电开发类型涵盖了引水式电站、坝后式电站、河床式电站等典型的小水电开发类型,选取秋香江作为研究对象,可以尽可能减少其他人类活动对研究结果的影响,又能很好地反映小水电梯级开发对生态环境的综合影响。因此,本研究选择秋香江进行小水电梯级开发引起的河流生态环境影响研究,在对水文情势、水域生态、岸带陆域生态进行现状调查与研究的基础上,选取合适指标对小水电梯级开发前后河流生态环境承载力的变化进行综合评判,识别出小水电梯级开发对于生态环境的主要影响因子。

1 秋香江小水电开发情况

秋香江位于广东省境内,是珠江水系干流东江中游的一级支流,流域面积1 669 km2,地形以山地、丘陵为主,地势东高西低,已梯级建成水电站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,装机总量18 730 kW,年发电总量4 381 kW·h。已建成的21座水电站中,引水式电站7座,坝后式电站2座,河床式电站12座。电站分布如图1所示。

2 小水电梯级开发的生态环境承载力模型

2.1 时段划分

1998年以前,秋香江上水电站数量及水库库容均处于较低水平,1998年之后水电站数量及水库库容急剧增加,因此将研究时段划分为小水电梯级开发对秋香江生态环境影响的低影响期(1958—1998年)和高影响期(1998年至今),分别用来反映秋香江小水电梯级开发的历史和现状。

2.2 数据来源与处理

(1) 水文数据来自秋香江流域内的紫金县水文局。水文情势指标通过1958—2016年近60年的历年逐日流量数据统计得到,用1958—1998年的数据代表低影响期,1999—2016年的数据代表高影响期。采用反向神经网络方法,将气象因素、人类活动对河流水文的影响与水电的影响分离,详细计算过程参见文献[16]。

(2) 低影响期的水质数据使用河源市生态环境局提供的1998年东江流域秋香江河段的地表水环境评价结果作为代表,高影响期的水质数据以2018年丰、枯两期参照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)监测的地表水水质数据作为代表。

(3) 低影响期的水生生物数据通过查阅历史资料[17-18]确定。高影响期的水生生物数据于2018年参照《淡水生物资源调查技术规范》(DB43/T 432—2009)、《内陆水域浮游植物监测技术规程》(SL 733—2016)等采样调查得到。

(4) 岸带陆域生态数据来自美国国家航空航天局(https://earthdata.nasa.gov/)的LandsatTM/ETM+遥感解译数据,分别用1995、2015年的数据代表低影响期和高影响期。

2.3 指标体系的构建

水电开发对流域生态环境的影响是多方面的,在建立指标体系时,应综合考虑水电开发对生态环境产生的累积影响[19-21]。本研究建立的指标体系包括水文情势、岸带陆域生态、水域生态3个系统层,下含7个因素层,共22个指标。需要说明的是,中小河流的水电梯级开发会引起流域内上下游水资源可利用量的空间分配改变,但对于水资源总量影响不大。由于本研究的对象是小水电开发的生态环境影响,因此在设计指标体系时,不考虑社会经济因素。

2.4 数据的标准化

采用等距插值法将各指标从低到高分为劣、差、中、良、优5个等级,确定其标准化值的范围如表1所示。

表1 标准化值等级范围Table 1 Grading ranges of standard values

在参考已有的水电开发生态环境影响研究成果[22-25]基础上,依据《河流健康评估指标、标准与方法》(水利部水资源司,2010年)、《流域生态健康评估技术指南(试行)》(原环境保护部,2013年)、《河流水生态环境评价技术指南(试行)》(原环境保护部,2014年)与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002),确定每个指标的等级划分标准,结果见表2。

正向指标和负向指标分别按式(1)和式(2)计算标准化值。

(1)

(2)

式中：xi、ri分别为第i个指标的原始值和标准化值；a为xi对应的等级划分标准的等级范围下限值；minxi、maxxi分别为xi的最小值和最大值。单位根据实际情况而定。

2.5 生态环境承载力指数的计算

本研究采用层次分析法[26]确定指标权重。指标标准化值乘以指标权重计算因素层、系统层的得分并换算成百分制,最后得到生态环境承载力综合指数。

3 生态环境承载力计算结果分析

秋香江小水电梯级开发生态环境承载力计算的各指标权重和标准化值结果见表3。

3.1 高影响期(现状)评价结果

水文情势、岸带陆域生态、水域生态3个系统层的最终得分分别为63.83、75.76、47.82,岸带陆域生态为得分最高子系统,其次依次是水文情势、水域生态。可以发现,秋香江小水电梯级开发对水域生态的影响最大,对岸带陆域生态的影响最小。

水域生态中水质指标和水生态指标两个因素层的得分分别为40.00、50.71,水质指标得分低是由于秋香江水体环境中氮磷营养盐浓度较高,水生态指标得分低是受浮游动物、底栖动物的香农-威纳多样性指数和鱼类损失度等指标的影响。

表2 指标的等级划分标准1)Table 2 Grading standards of indexes

表3 指标权重和标准化值Table 3 Weights standard and values of the indexes

水文情势中水文指标和河流连通性指标两个因素层的得分分别为67.51、43.56。影响水文指标因素层得分的主要原因是最小1日平均流量的标准化值较低,只有0.36,但生态流量满足度和生态低流量历时的标准化值较高,分别为0.90、0.67,说明秋香江小水电梯级开发后虽然河道流量较小但仍能满足生态流量。河流连通性指标因素层得分在水文情势中较低的原因是因为电站数量较多、对河道造成阻隔,有些引水式电站甚至造成了部分河段全年断流。

岸带陆域生态中活力指标、抗压指标和组织结构指标3个因素层的得分分别为89.43、57.66、86.18。香农多样性指数、森林覆盖率、土地利用综合指数、归一化植被指数的标准化值都较高,分别为1.00、1.00、0.86、0.86。而抗压指标的景观恢复力指数和蔓延度指数的标准化值不高,分别为0.61、0.53。

总体上,从高影响期的现状来看,水域生态的退化是影响秋香江生态环境承载力综合指数的关键因素,尤其表现在社会经济发展、人口增长和小水电梯级开发对水质的污染上；从水文情势的变化来看,梯级电站对流量的影响较大,不过目前仍能满足生态流量；河道阻隔对鱼类的影响需引起注意,此外引水式电站造成的部分河道全年断流应予以解决。

3.2 高影响期与低影响期对比

由图2可见,随着秋香江全河段小水电梯级开发逐渐进行,生态环境承载力综合指数下降。1998年以前秋香江上投产的电站只有4座,而1998年后急剧增加了17座。但由于秋香江上的小水电多为河床式电站,坝高较低,对河流整体的水文水质影响不是非常巨大,另外秋香江地处华南湿润地区,降雨量多,水资源充沛,河道径流量充足,减少了由小水电开发造成的河道减流和大坝下游断流问题,因此水文条件变化在可控范围内,仍能满足生态流量。高影响期与低影响期相比,水文情势、岸带陆域生态、水域生态3个系统层的得分变化分别为-2.47、0.59、-27.23。

水文情势的变化主要是河流断流指数、河流阻隔指数和最小1日平均流量标准化值的减小,但是洪水发生频率及生态低流量历时的标准化值并没有减少,反而有所增加,说明水电梯级开发使低流量发生频率增大,但同时洪水发生频率及发生生态低流量的时长得到了控制。

岸带陆域生态的变化比较特殊,虽然变化不大但出现了高影响期比低影响期增大的现象,主要原因是岸带陆域生态的香农均匀度指数标准化值增大,说明岸带各类景观的分布在小水电梯级开发过程中得到了更加均匀地规划。

水域生态的变化最大,高影响期的得分比低影响期降低了36.28%。其中水质指标及鱼类损失度在水电梯级开发前后变化较大；与低影响期相比,大量小水电梯级开发后河道鱼类种类减少46%,因此小水电梯级开发对鱼类资源影响较大。

4 总结与展望

(1) 建立了综合考虑水文情势、岸带陆域生态、水域生态的小水电梯级开发的河流生态环境承载力评价模型。

(2) 秋香江小水电梯级开发主要是对河流的水域生态和水文情势造成影响,沿岸社会经济发展、人口增长与水电梯级开发共同作用造成的水质污染是影响水域生态的重要原因。同时,小水电梯级开发对河道造成阻隔,对鱼类资源的影响较大,对于流量虽有影响但仍能满足生态流量。

(3) 本研究的目的是关注小水电梯级开发造成的河流生态环境综合影响,鉴于生态环境综合影响的复杂性,建立的模型仍然比较粗糙,不能考虑到所有因素,指标和数据的选取也具有较大的不确定性,赋值也采取了一些简化措施,因此还需要进一步深入研究,但建立的模型实用性较强,对相关技术实践工作来说是一次有益的探索,值得参考。