黄河上游水电开发与生态保护路径研究

周 恒，牛 乐，李厚峰，张乃畅

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710004）

黄河是我国第二大河，发源于青藏高原巴颜喀拉山脉[1]，地貌复杂，气候多变[2]，流域面积75万km2，多年水资源量525亿m3，以占全国2%的水资源量承载了15%的耕地和12%的人口供水任务，对西北地区的工农业发展举足轻重[3]。按地理环境及水文特征，黄河干流划分为上、中、下游3个河段，其中源头至内蒙古托克托县河口镇为上游河段[4]，河长3 472 km，控制流域面积38.6 万km2，流量大，多瀑布险滩[1，4，5]，水能蕴藏丰富，适宜水电开发。根据1979 年全国水力资源普查结果，黄河干支流水能理论装机容量为4 055万kW，技术可开发量3 344万kW，目前上游段是我国重要的水电基地之一，已建成运行的水电站装机容量1 496 万kW，占黄河流域水能可开发量的44.7%，随着玛尔挡、茨哈峡和羊曲等水电站的建成，占比将达到67.5%，其脆弱的生态系统将面临更大的考验。

黄河孕育了中华文明，不仅是我国经济腹地和能源基地，更是我国北方最重要的生态屏障。历史上，黄河流域治理可划分为4 个阶段[6]。1949 年之前，黄河经常发生洪涝灾害，是以防洪保护人民生命和财产安全为主的第一阶段。1949—1999年，随着水利设施的投建，黄河治理进入除害兴利的现代治水时期。1999—2019 年，黄河治理进入多目标综合治理的第三阶段。2019 年9 月，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，将黄河流域生态保护和高质量发展确定为国家重大战略[7]，黄河治理进入以生态保护为主的第四阶段。目前，随着生态文明建设的深入推进，各项法律法规的不断完善，如何平衡黄河上游水电开发与生态保护，避免其脆弱的生态环境特别是水生态系统遭到破坏，成为水电发展亟待解决的问题。

1 黄河上游水电开发现状

根据国家统计局数据，2001—2021 年，我国水电装机容量保持正增长趋势，年均增长速率为8%，如图1所示。

图1 2001-2021全国水电生产电力量统计

发电总量除2003、2011和2021年出现负增长以外，其余均保持正增长，年均增长速率为9%，如图2所示。

图2 2001-2021全国水电装机容量统计

其中，黄河流域上游水电装机容量占全国水电装机容量的3.9%，发电量占全国水电发电量的3.8%，随着玛尔挡、羊曲、茨哈峡等水电站的建成，这一占比还将增加，黄河上游梯级水电站的开发密度对流域生态保护特别是水生生态提出了更高要求。1980 年，全国水力资源普查确定了“十三大水电基地”，黄河上游是其中最早开发的水电基地。2000 年，根据西部大开发战略，国家“十五”规划纲要提出建设“西电东送”北、中、南3 条大通道战略，其中北通道电源依托黄河上游水电基地[8]。2005年，根据国家能源发展“十一五”规划，龙羊峡以上河段水电规划工作全面开展。2013 年，国务院批复了《黄河流域综合规划（2012—2030 年）》，从流域综合利用层面确定了黄河上游水电梯级开发的布置格局[9]。2020 年5 月，《中共中央国务院关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》提出“加强可再生能源开发利用，开展黄河梯级电站大型储能项目研究，培育一批清洁能源基地”等清洁能源发展新要求。2021 年10 月，《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》以系统性、科学性、引领性、可获取性为原则，从实现“让黄河成为幸福河”整体目标出发，突出干支流河流健康功能维持、流域生态环境有效保护、经济社会高质量发展三维协同[10]。

黄河上游龙羊峡至青铜峡河段水电开发时间较早、开发程度较高，梯级主要集中在龙羊峡至乌金峡河段，龙羊峡以上河段开发时间较晚、开发程度低。目前龙羊峡至乌金峡河段已建水电梯级23座，如图3 所示，总装机容量1 496 万kW，占全国总装机容量3.8%。年均发电量约518亿kW·h，占全国总发电量的3.9%，黄河上游已建水电站统计情况详见表1。

表1 黄河上游已建水电站统计

图3 黄河流域上游已建水电站分布

同时，目前在建水电梯级2 座，分别是玛尔挡和羊曲水电站，总装机容量340万kW；规划水电梯级5座，分别是首曲、宁木特、尔多、茨哈峡、山坪水电站，总装机容量437.5万kW。

2 黄河上游生态保护

2.1 不断完善生态保护法规

环境影响评价是对工程建设和影响进行调查、评价，对可能造成的影响提出环境保护措施，对推进生态文明和环境保护具有重要意义。我国自20 世纪70年代引入环境影响评价的概念，已开展了大量环境影响评价工作[11]。21 世纪初期，我国水电事业呈现飞跃式发展，开展了基于陆生、水生、地表水以及地下水等专业的环境影响评价，并开展相应的生态补偿措施，为水电工程环境影响评价和保护积累了丰富的实践经验[12，13]。

在政策层面，2005 年10 月，党的十六届五中全会关于《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》明确要求在生态环境保护的基础上，有序开发水电；“十一五”和“十二五”规划中都明确了水电开发过程中生态环境保护的重要性和迫切性，也为未来水电开发和运行提出了新的生态保护要求[14]。2014 年，生态环境部（原环境保护部）发文《关于深化落实水电开发生态环境保护措施的通知》，提出“生态优先、统筹考虑、适度开发、确保底线”的环保要求。2022 年，国家自然资源部、生态环境部、林业和草原局联合发文要求加强生态保护红线管理，严守自然生态安全。

在规划层面，2003 年《中华人民共和国环境影响评价法》实施后，2008 年开展了龙羊峡至刘家峡河段水电开发环境影响后评价，系统回顾了河段水电开发对环境的影响。2015 年开展了龙羊峡至尔多河段水电规划环评工作，通过评价，优化了黄河上游水电开发梯级布置格局，推荐玛尔挡水电站为生态保护实施梯级，首曲、宁木特、尔多作为后续研究梯级。水电规划保留976 km 河段进行生态环境保护，占龙羊峡以上河段长度的70%。2018 年开展了茨哈至羊曲河段水电开发环境影响回顾评价，对已建班多水电站、拟建羊曲水电站提出了补建环保措施、陆生生态及水生生态保护方面的具体要求。

在项目层面，黄河上游水电梯级除开发时间较早的龙羊峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡外，均编制了环境影响评价技术文件并通过了环保主管部门审批。在2000年之前我国环境影响评价制度处在形成期，早期的环境影响主要以施工期的水质保护、水土流失防治等为主。2002年以后随着对水生生物保护工作的重视，鱼类增殖放流作为鱼类资源补偿的措施首先出现于环境影响评价及批复中。之后，随着生态环境保护理念不断发展完善，水电环境影响评价及批复在鱼类栖息地保护、过鱼措施、生态流量保障措施等方面提出了具体的要求。班多水电站开展环境影响后评价并补建鱼道[15]，在建玛尔挡水电站开展流域生态保护评价，对流域鱼类栖息地开展影响保护研究，并开展支流替代生境修复措施。

2.2 主要生态环境影响探讨

随着电力需求的攀升，水电作为优质电力不断扩机新建，对流域生态环境的影响与日俱增，使生态系统自调节压力越来越大[16]。从影响对象来看，主要为水生动植物、陆生动植物、水文水质以及局部气候等。

全球近400条大型河流中有27%处于梯级水电开发状态，施工区和淹没区侵占了陆生动植物赖以生存的土地，阻隔了河流的自然流态，威胁了其生存环境。而河流的连通性对水生生态尤其是鱼类的生息繁衍具有重要意义。梯级水电的开发导致河流连通性受阻，改变了河流自然形态，河相向湖相变迁，库区上下游鱼类生境遭到破坏和迁移[17]。此外，由于水库形成后地方渔业养殖产业的兴起，间接地造成了外来物种入侵影响，如黄河上游龙羊峡、李家峡水库的虹鳟养殖等，造成了对当地土著鱼类生存空间的挤压和破坏，进而还会导致群落结构和种质资源发生衰退，特别是对产漂流性和沉性卵的鱼类[18]。鱼类是水域生态系统中的顶级消费者，也是水域和陆域能量的主要传递者，对河流生态系统的稳定有重要作用[19]，同时水生环境的变化与鱼类的种群变化和栖息繁衍息息相关[20]。因此，针对梯级水电开发的鱼类保护策略研究对维持水电工程的可持续发展和水域生态系统的稳定十分必要。

水电工程对生态环境的影响还包括对河道水质、地质结构、水温以及局部气候的改变。水电工程在施工期间，特别是在枯水期进行的施工，在水域内产生大量的生活垃圾、污废水或建筑垃圾，如果不及时进行处理，会直接进入临近水体中，导致水体中COD、总磷、总氮等污染指标大幅度增加，对水电工程所在地水域造成污染。库区蓄水也会降低枢纽区的水流速度和挟沙能力，进而削弱对有害物质的吸附[21]，进一步增加水体富营养化。此外，库区水位上升会造成两侧山体岩坡抗剪强度降低，因而引发山体滑坡、塌方以及岩体失稳的现象[22]。水电工程建设极易造成严重的水土流失，诱发坍塌、滑坡等地质灾害[23]。水库水位增高后对库区周围形成长时间的侵蚀，也容易造成边坡的坍塌。研究表明，单个水电工程对库区水温的影响不仅体现在水电工程附近河流平均水温上升，还体现在分层现象显著，表层水温年内温差大，库底水温年内温差小[24，25]。水电站运行后由于库容较大，水层出现温差比较大的温跃层对栖息生物影响较大，采用数学模型研究发现梯级电站联合运行时库区的水温分层较单独运行时更小，而下泄水温过程的延迟和均化现象会进一步加强[26]；通过对比建坝前天然水温和建坝后下泄水温，发现梯级电站使下泄水温年变化过程趋于均化，且不同的水库水温结构对水温累积效应的影响不同[27]。国外相关研究发现，修建水坝显著改变了流域下游的水流量状况[28]。国内研究则表明水电站建设和联合调度运行，改变了天然径流的分配模式，河流年水位-时间过程线会趋于平缓，出现坝下河流呈非汛期流量增加、汛期流量减少的现象[29，30]。另外，修建大坝改变了该流域原有的集水区域地形特征，水域面积发生了明显变化，从而影响大气环流和水分蒸发，形成了局地小气候，主要表现在：水库蓄水造成局部地区水量和蒸发量增大，空气湿度明显增大，且随着水汽量加大和迁移速度增加，库区降水效应也明显增强，由于水面的镜面效应，直接造成库区平均气温上升，且水库中的水资源具有一定的蓄热能力，造成气温变化幅度减小[31]。

2.3 生态保护措施

生态环境保护措施是人类对受人类活动影响或破坏的生态环境的一种修复补偿机制[32]，它是一种缓慢的、长期的、单方面的补偿措施，是对生态系统的修复以及生态功能的重塑或者替代[33]。针对水电工程造成的各种生态问题，目前已有的生态保护措施主要包括栖息地保护、过鱼设施、生态调度等[34]。

栖息地保护主要包括对栖息地生境的评估、保护和修复[35]，根据水电工程对河流生态系统的影响程度，通过栖息地评价分析，保护模式主要有两种，对于未受干扰或干扰程度较低的河流，可直接采取栖息地原生态保育，避免人为干扰；对于干扰较为严重引起生境环境变化和破坏的水电工程，则以栖息地人工修复为主，较为严重的可以采取支流生境替代保护策略[36]。在加拿大罗斯布兰奇河，通过栖息地修复改善和重建了鱼类栖息环境，通过修建鱼道修复鱼类的生殖回游通道。澳大利亚Freudenau 水库通过人工修建生态护坡，种植水生植物，丰富了水库消落带的生态功能[37]。

鱼道和鱼类增殖站在保护黄河特有鱼类和生态系统的稳定性方面发挥了重要的作用[38]，可以修复受影响的河流生态，但对鱼道的水流参数、诱鱼策略等还需要因地制宜，根据不同水电站的位置和过鱼品种具体确定[39]。鱼类增殖站随着人工繁育技术的提升和养殖设施设备的更新，基本可满足保护鱼类的繁育和放流要求[40]。黄河上游已建电站目前采取的鱼类保护措施主要为鱼类增殖站，龙羊峡至刘家峡河段已建苏只、积石峡、大河家、炳灵4座鱼类增殖站；刘家峡至乌金峡河段已建河口、乌金峡2座鱼类增殖站。繁殖成功的土著鱼类主要为花斑裸鲤、黄河裸裂尻、极边扁咽齿鱼[41]。龙羊峡以上河段已建的班多水电站补建了右岸鱼道。近期建设的玛尔挡水电站、羊曲水电站均考虑了鱼类栖息地保护、过鱼措施、增殖放流等较为全面鱼类保护措施。李家峡水电站在实施扩机工程的同时，实现了环保措施的“以新带老”，拟对主体工程考虑补建鱼类增殖站和集运鱼系统。

河流生态系统保护和可持续利用的重要一点是维持河流一定的生态基流，通过水电站进行生态调度，不仅可以保证河流生态基流，还能维持河流生态系统的稳定。生态调度主要的目的是给下游释放足够的流量，保证下游河流生物生息繁衍的生态需求。为达到这一生态目标，对生态基流下泄流量、流速、水中溶解氧以及水温都要进行评价和监测，以保证下游种群不受水文参数变化的影响[42]。

陆生环境保护方面，2000 年以前修建的水电站重点关注的是施工扰动区域，保护措施以弃渣场、料场、施工道路等的水土保持为主。2000 年以后国务院提出了进一步推进全国绿色通道建设的通知，对水利水电项目要求做好库区周边的绿化工作。除常规水土保持措施外，固体废弃物措施也是陆生生态保护的一项重要措施，主要是对施工和生产生活中产生的各种建筑废物、生活垃圾及时进行分类回收处理和再次循环利用，移民安置点应配套相应的污水收集处理设施、固废收集转运设施等，避免其对陆生生态环境的污染。

3 黄河上游水电开发与生态保护路径

3.1 水风光储能源互补一体化，提高能源利用率，降低水电开发对河流生态的压力

在2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”目标背景下，随着今后风光等新能源大规模开发，跨区域大规模风光集中消纳问题需要发挥我国水电规模、集中程度的资源禀赋，充分利用各水电基地干流梯级巨大的“储能”和多尺度调节的灵活性作用。水电行业也将由“电源供应者”逐步转向为“电源供应者+‘电池’调节者”，服务国家大的碳减排环境保护战略目标[43]。

在双碳目标下，需要创新能源体制机制，扩大优质能源供给，实现黄河上游梯级水电从规模速度型向质量效益型转变，提升能源利用效率。首先，在规划层面，水电等可再生能源发展应与地方“多规合一”协调，统筹考虑开发空间与生态保护空间的关系；其次，需按照国家和有关部门制定的战略规划，在生态保护的前提下深入研究建设梯级水电储能工厂，利用已、在建水电站建设储能泵站或抽水蓄能电站；再次，研究对有条件的水电站进行扩建，充分发挥已建水电站的功能效益，结合西北地区丰富的风光资源，建设“水风光储”多能互补一体化可再生能源创新示范基地。通过能源互补、削峰填谷提高能源利用率，使发电和生态调度稳定运行，降低对生态系统的压力。

3.2 加强对流域水电开发的环境影响评价和回顾性评价，注重生态保护和修复效率

应积极落实黄河上游流域层面相关规划环境影响评价、回顾性环境评价要求，执行流域层面相关环境保护措施体系规划。充分调查评估支流生态环境状况，进行支流生态修复，将对干流生态环境保护起到较好的补充作用。

在特殊河段应以生态保护优先，限制开发。龙羊峡以上河段开发程度较低，位于或毗邻三江源地区，生态环境相对脆弱，应以预防保护为主。龙羊峡至乌金峡河段水电梯级集中且开发时间较早，应以生态修复为主，储能、扩机等工程重视环保措施的“以新带老”，逐步提升河段生态环境状况。乌金峡以下河段开发程度较低，水电资源主要集中于黑山峡河段。通过调查、评估，制定生态修复规划，包括统筹鱼类增放流措施、关键河段河流连通性恢复措施、梯级联合生态调度、外来物种综合治理、水土流失严重区域治理、重要湿地生境修复措施等。应结合水电规划环评工作，充分考虑水电梯级生态环境影响，从流域层面确定生态环境保护重要河段，提出保护对策。

3.3 通过间接方式开始水电工程的生态环境服务付费（PES）尝试

生态环境服务付费（PES）最早由美国学者Lar⁃son&Mazzarese提出[44]，国内外对PES的研究随着生态保护政策的完善开展了很多尝试，特别是在湿地和森林生态系统保护方面[45]。如，1997 年拉丁美洲La Esperanza 水电站对上游森林生态系统做出的生态环境补偿服务付费，按照每公顷每年10美元的标准支付，主要用于降低温室气体的排放、流域保护、生物多样性保护和自然景观修复[46]；位于柬埔寨水电工程的PES项目中，为了保护森林生态系统、减少水土流失、维护上游森林覆盖率，根据流域侵蚀模型和水库淤积估算造成的能量价值损失，经计算得到PES 补偿方案为每公顷4.26～5.78 美元[47]。在水电开发工程中应用较少，但基于在其他生态系统开展的PES 成功经验，可将其应用到黄河上游水电开发生态环境保护实践中，特别是针对其脆弱的河流生态环境以及鱼类保护工作方面。

3.4 实施黄河上游水电梯级智慧化管控

伴随着我国科技信息化水平的不断提升，环境保护综合监测、环保措施效果评估、环境保护管理等工作的信息化可以大幅提升工作效率和准确性、时效性。特别是在当前我国大力实施“互联网+”战略的大背景下，加强水电工程信息化建设具有十分重要的价值。运用大数据、物联网等信息化手段，逐步推进黄河上游水电站包括生态环境保护在内的各管理要素智慧管控，实现精准决策、快速反应，可为流域生态保护与高质量发展提供有力支持。

4 小结与展望

黄河上游水电开发时间总体较早，早期开发的水电工程环境保护措施制定存在一定历史局限性；水电工程生态环境保护措施实施效果缺乏长期观测、研究和管理；流域层面的水电开发生态环境保护措施统筹性不足，如干支流协同保护不够、鱼类增殖站等措施总体布局不协调等。为此，需要采取长期监测及管理手段，一方面对已建梯级环境保护措施进行完善，另一方面对今后新建梯级环境保护措施进行不断提升调整。开展黄河上游水电梯级环境综合监测及环保措施适应性管理工作，掌握水电梯级群总体的生态环境影响，制定流域层面的环境保护对策，科学分析环境保护问题，并不断优化水电梯级环境保护措施，实时掌握各水电梯级环境保护措施运行情况及运行效果，整体研究解决区域自然要素的生态环境问题，探索修复路径，恢复和强化“山水林田湖草沙”系统生态功能，提升生态环境品质，推进黄河流域生态保护和流域经济高质量发展。