引水式小水电梯级开发环境影响的生态足迹分析

陈丽君

（玉门市水务局，甘肃 玉门 735211）

0 引 言

在国内，装机容量不超过50 MW 的水电被定义为小水电（SHP）。截至2015 年底，国内已建成47000 多座水电站，总装机容量73 GW，年发电量23000 亿kW·h，占全国水电的25%。小水电的开发在改善偏远山区的能源供应和农村电气化方面发挥着重要作用。小水电已经是许多农村地区的主要发电方式。利用SHP 是减少木材消耗防止森林砍伐的一种切实可行的解决方案。然而，小水电的开发，特别是引水小水电的开发也可能造成环境干扰和破坏，包括水文条件的变化、水生生态系统结构的改变、植被破坏、土壤侵蚀等[1]。引水式小水电开发的这些影响可能在一定程度上导致生态系统的损失。人们可能认为单一引水式小型水电站对环境的影响并不严重。但随着流域的梯级开发，其影响可能会增加。

以往对引水式小水电的环境影响研究主要采用定性分析方法。很少有研究使用定量分析方法对梯级引水SHP 的累积效应进行评估。为了评估和比较积极和消极累积效应的程度，有必要使用统一方法对其进行量化[2]。生态足迹（EF）分析方法是一种基于生物物理量的简单评估工具，与可持续发展理论密切相关。EF 以国际单位hm2表示。国际单位hm2是指一公顷具有世界平均生产力的生物生产空间。EF 可用于测量任何产品、活动或影响。所需数据容易获得，操作方法简便。因此，环境足迹可用于环境管理和规划工具。

文章研究的第一个目的是使用EF 方法评估小型河流中梯级引水SHP 电站的累积环境影响。第二个目标是比较环境足迹成分，以确定需要特别注意的环境影响的最主要因素。

1 研究区概况

本研究的研究区域河流全长约85km，流域面积634km2，海拔800～1200m，研究区域年降水量1200～1600mm。该河流流域植被覆盖率超过74%。盆地内裸露的岩石相对破碎，风化，加上高山陡坡，暴雨和山洪暴发时会发生滑坡、崩塌或泥石流等地质灾害，平均侵蚀强度为1000 t/km2。

从上世纪末开始，在该河上修建了七座梯级引水小水电站，即一至七座小水电站，分别表示为H1、H2、H3、H4、H5、H6 和H7。表1 列出了七个引水小水电站的装机容量、年发电量、代柴发电量、减水段面积、植被破坏面积、水土流失面积。

表1 七个梯级引水小水电站的基本情况

2 研究方法

2.1 环境足迹计算框架

考虑到上文讨论的引水式小水电开发的主要正面和负面环境影响，提出了环境足迹计算框架。在本研究中，正面影响被定义为生态供应足迹（ESF），主要指通过使用引水SHP 替代木材来保护植被。负面影响被定义为生态损失足迹（ELF），包括施工期间和施工后运营期间，减水段的鱼类和净初级生产力损失、植被破坏和引水SHP造成的土壤侵蚀。

2.2 换算系数

环境足迹账户包括两个转换因子的组合：等价因子和收益因子。

2.2.1 等效因子。

等效因子是一种比例因子，它将特定土地类型（如农田或森林）转换为生物生产面积的通用单位hm2。当量系数表示给定生物生产区域相对于所有生物生产区域的世界平均潜在生产力的世界平均潜在生产力。对于生产力高于地球上所有生物生产区平均生产力的土地类型（如森林），当量系数＞1。给定年份的不同区域具有相同的等效因子，每年仅略有变化。本研究中使用的等效因子为森林1.1，生产水域 0.2。

2.2.2 屈服因子。

由于不同地区的生产要素（如气候、土壤、技术等）不同，同一块土地在不同地区的生产能力也不同。产量因子表示一类生产空间（如森林）的当地产量与一类生产空间（如森林）的全球平均产量之间的差异。每个地区都有自己的一套产量因素，每种类型的生物生产区各有一套。在本研究中，森林的产量因子为0.91，生产水域的产量因子为1.0。

2.3 ESF 的评价模型

2.3.1 单引水小水电ESF 评价模型。

电可以转换成热。全球水电平均生产率为1000GJ/hm2. 换算关系如下：1 GJ 等于1×109焦耳（J），1 J 等于2.778×10-7kW·h。采用热换算法（将取代木材的小水电发电量转换为热量）评估植被保护面积：

式中：EFf为单引水SHP的生态供应；φ为替代木材的发电量与总发电量的比率；Qe为平均年发电量；r3为森林的等效因子；y3为森林的屈服因子。

2.3.2 梯级引水小水电ESF 评价模型。

梯级引水水电站的ESF 为单个引水水电站的ESF 之和：

式中：EFnf为引水式小水电n级电站的生态供应；φn为n号引水式小水电中用于替代木材的发电量与总发电量的比率；Qne为n号引水式小水电的年平均发电量。

2.4 ELF 的评价模型

2.4.1 单一引水小水电的生物量和净初级生产力损失。

生产单位重量的鱼消耗的浮游植物量至少是浮游植物量的25 倍。因此，引水水电站减水段鱼类和净初级生产力损失足迹之间存在定量关系：

式中：EFr为鱼类和单一引水SHP 的净初级生产力损失足迹；k为净初级生产力与鱼类生物量的比率，k取25；Sr为减水段水域面积的减少，hm2；r5为生产水域的当量系数；y5为生产水域的产量系数。

2.4.2 梯级引水小水电的鱼类和净初级生产力损失。

基于理论分析和现场研究，假设n级引水式小水电级的鱼类和净初级生产力累积损失呈非线性增加。随着引水SHP 电站数量的增加，引水SHPn梯级的鱼类和净初级生产力损失足迹将增加λn-1倍：

式中：EFnr为n梯级引水SHP 的鱼类和净初级生产力损失足迹；EF(n-1)r为（n-1）梯级引水SHP 的鱼类和净初级生产力损失足迹；k为净初级生产力与鱼类生物量的比率（k取25）；Snr为n级引水SHP 减水段水域面积减少量，hm2；λ为河流生态破坏程度指数（λ=1.3）。

2.4.3 单一引水水电站的植被破坏。

引水式小水电的植被破坏主要是由于长距离引水管道工程的施工造成的。单个引水SHP 的植被破坏足迹可按以下模型计算：

式中：EFv为单引水水电站的植被破坏面积，hm2；Sv为长距离引水管道工程施工造成的植被破坏面积，hm2。

2.4.4 梯级引水小水电的植被破坏。

梯级引水水电站的植被破坏足迹为单个引水水电站的植被破坏足迹之和：

式中：EFnv为指n梯级引水水电站的植被破坏足迹；Snv为指在引水水电站修建长距离引水管道工程而造成的植被破坏区域。

2.4.5 单引水小水电的土壤侵蚀。

引水式小水电站的水土流失主要是由于长距离引水管道工程的建设造成的。单个引水水电站的土壤侵蚀足迹可按以下模型计算：

式中：EFe为单引水水电站的土壤侵蚀足迹；Se为长距离引水管道工程施工引起的土壤侵蚀面积，hm2。

2.4.6 梯级引水小水电的土壤侵蚀。

梯级引水小水电站的土壤侵蚀足迹为单个引水小水电站的土壤侵蚀足迹之和：

式中：EFne为n梯级引水式小水电的土壤侵蚀面积；Sne为n梯级引水式小水电中修建长距离引水管道工程而产生的土壤侵蚀面积，hm2。

2.5 环境影响的判断

通过ESF 和ELF 的比较，可以定量分析引水式小水电站的环境影响。生态供给的数值加上生态损失的数值得出的积极结果表示引水式小水电对环境的有利影响，两者之间的差异越大表示积极影响越大。负面结果表示引水SHP 对环境的负面影响，两者之间的差异越大，负面影响越大。

3 结果和讨论

图1中给出了单引水小水电的ESF 和ELF，其计算符合基于表1 数据的公式（1）、（3）、（5）和（7）。在本研究中，ESF 值范围为3.24 ～37.26 hm2，ELF 值范围为4.88 ～19.65 hm2。对于H1、H4、H5和H6 的单导流SHP，ESF 超过ELF，而对于H2、H3 和H7，ESF 小于ELF（图2）。从单引水小水电的角度来看，大多数项目对环境有积极影响，少数项目有轻微的负面影响。

图1 单引水水电站ELF 和ESF 的比较

图2给出了梯级引水SHP 的累积ESF 和ELF，其计算符合基于表1 数据的公式（2）、（4）、（6）和（8）。对于梯级引水水电站，随着水电站数量的增加，累积ESF 和ELF 显著增加。累积ESF 值在15.93～122.41hm2之间，累积ELF 值在15.00～172.47 hm2之间。研究区域内2、3、4 级引水小水电的累积生态损失与供给之间没有显著差异。但对于5、6、7 级引水小水电来说，累积生态损失与供给之间的不平衡是明显的。随着引水式小水电站数量的增加（n ＞4），生态损失和供给之间的差异明显增大，表明梯级引水式小水电的不利影响将在研究区域内累积。

图2 梯级引水水电站ELF 和ESF 的比较

对于梯级引水小水电，生物和净生产力的累积损失是最大的生态损失，占总损失的52.3%～85.1%（图3）。

图3 梯级引水水电站ELF 的组成

随着引水水电站数量的增加，鱼类和净生产力累积损失在总生态损失中所占的比例逐渐增加。鱼类和净生产力的累积损失增加表明，梯级引水SHP造成的更多减水段可能会对水生生态系统造成巨大的不利影响。因此，梯级引水水电开发的鱼类和净生产力损失需要更多的关注。与鱼类和净生产力相比，累积植被破坏（8.3%～25.0%）和土壤侵蚀（6.8%～22.7%）相对较小。这表明，在研究区域的梯级引水SHP 开发过程中，植被破坏和土壤侵蚀不会像鱼类和净生产力损失那样严重。

4 结 论

EF 分析方法可用于定量评估梯级开发引水小水电的累积环境影响程度。根据建立的评价模型，计算了该地区梯级引水水电站的ESF 和ELF。在本研究中，ESF 和ELF 在梯级引水SHP 中表现出相似的变化趋势。对于＜4 级（n ≤4）的引水小水电，累积ESF 和ELF 之间没有显著差异。随着引水式水电站数量的增加（n ＞4），ELF 和ESF 之间的差异明显增大，表明梯级引水式水电站的不利影响在研究区域积累。与植被破坏和土壤侵蚀相比，鱼类和净生产力的累积损失是梯级引水水电不利影响的最重要方面，需要引起更多的关注。