浅析水电开发的河流水环境效应及其评价方法

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　　摘 要：阐释了河流水环境效应的表征，针对水电站开发的河流水环境效应从水域景观、河道形态与结构、水文情势、水质污染、流体性质、水生生境、生物通道等方面进行了系统剖析，并对近年水电开发对生态环境影响的发展趋势和特点进行了总结，以径流和泥沙时间序列、水质变化等为主要水环境因子梳理了水环境效应评价方法，可为相关研究和工程实践提供参考。
　　关键词：水电开发;水生态环境效应;发展特点;评价方法
　　中图分类号：TV742 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0005-02
　　相比气候和下垫面变化，水电开发对水环境的影响更加直接和明显。根据開发方式和模式，引起的水环境效应主要表现为改变自然情势以及河道特征;库区水域扩大，生境转变;引、调水导致生态需水不能保障;阻断水生生物的生存通道及营养来源;改变污染扩散、迁移、富集及转化过程，影响水体自净能力;造成自然创面，水土流失和泥沙问题;污染排放影响水质和水环境容量;局地气候变化以及多因子耦合累积环境问题。
　　1 水电开发的河流水环境效应
　　1.1 河流水环境效应的表征
　　河流生态系统的结构与功能具有自身的区域适应性和发展特点，在一定的外界扰动强度之下可以保持相对稳定。如外界压力和刺激超过其承受限度，环境结构和功能就会发生变化[1]。水电开发在规划、设计到施工、运营等阶段都会对水环境产生影响，大规模流域开发还能在短时间内使水生态系统发生整体和突发的变异。
　　1.2 水电开发的水环境效应
　　水电开发对河流生态环境的积极影响主要表现在水力发电可产生经济效益，建设和运营可大幅度增加当地的GDP和财政收入，对于部分地区的生态环境改善具有积极意义。消极影响主要是人为改变水生态系统内部组成;干预水循环过程及系统内物质、能量交换和转移;占据水域空间;排放污染物等。使原生系统遭受改变或者破坏，影响了生态环境自身的持续发展[2]。具体而言，对河流水环境的不利影响主要存在：
　　（1）对水域景观的影响。建设期间对原有的河道、岸坡进行开挖、堆砌，破坏河流的库岸的完整性[3]及景观视觉表达;运行期，河流连续性被隔断，出现淹没区、减水区、脱水区，原有河流风貌将不存在;大坝矗立，与自然景观形成强烈对照，与自然结合不协调;泥沙淤积及水体污染，尤其是水体浑浊及富营养化[4]会严重影响河道景观。
　　（2）河道形态与结构。淹没区的河道断面出现显著变化，河流形态伴随水位上涨出现如弯曲到顺直、沿程水面宽均化等转变;由于减、脱水区的出现，下游河道变得弯曲，河道沿程水面宽变化剧烈[5];同时，泥沙冲於发展出现差异，岸边崩塌、泥石流及水库地震对河道形态与结构的改变迅速[6]。若进行裁弯取直、建渠引水等活动，会直接改变河道的形态特征。
　　（3）水文情势影响。水电开发对于水体物质的交换与转移的影响表现在径流和泥沙方面。总体上使下游河道的水量减小，上、下游站径流关系发生变化，调节径流时程分配，下游雨季洪水威胁减小，旱季径流增加[7]，年内变化趋向均一，提高下游径流的分配均匀度[8];库区流速减缓容易产生淤积，而下游泥沙来源减少出现河道冲刷等问题。
　　（4）河流水质污染。水电站建成后，库区水体水量增多，流速减慢，污染物、泥沙在库区得不到很好的净化，容易富集，下游径流减少，污染物的净化减弱[9]，水环境容量减小;库区出现富营养化等问题;大型水库出现水温分层现象，下泄水出现低温效应。
　　（5）改变流体性质和水力条件。水体理化性质发生改变，如含氧量变化、含沙量变化，继而在雾化空蚀[10]、库区水温的动态变化、冰情发展[11]状况等方面产生影响。
　　（6）水生生境与生物习性。库区淹没区由陆地变为水生环境，下游陆生环境向河流逼近，临水生态格局改变，直至重新平衡[12]。库区水位上升、水温分层、污染富集、泥沙淤积及水体透光性改变，水生生物生活习性受到影响，富营养化还可能对其造成致命威胁。
　　（7）阻隔生物通道和营养来源。大坝的兴建对上下游的生物信息造成了阻隔;洄游鱼类不能完成其生命周期空间转移[13];减少下游生物的营养来源，对于生物群落的发展不利[14]。
　　2 水电开发的水环境影响发展特点
　　水电开发对水环境的影响因水电工程的建设而起，随着近年水电建设运行进入高速发展阶段，对于河流生态坏境的影响表现出新的特点和发展趋势。
　　（1）影响范围扩大。随着开发活动的深入，尤其是流域梯级开发，影响范围逐渐扩大，影响源相互联系更紧密。
　　（2）危害更加深入。城市化对生态环境已造成了破坏，新建工程对其的影响较以往都要严重[15]，以各种方式，不同途径对人类和各种生物造成影响不断。
　　（3）区域累积影响效应明显。水电对水环境的影响是一个长期而复杂的过程。与单项工程相比，梯级水电站对水环境的影响更明显，但又不同于各梯级电站水环境效应的简单叠加。在时、空间尺度，梯级水电开发更具有累积影响效应[15]。
　　（4）影响维度更加广泛而综合[16]。生态系统具有它本身的系统完整性和稳定性，遭受扰动或破坏时，得到的结果是诸多因子的共同反馈，各子系统或组成部分给出各自的信息，表现为不同程度的生态环境缺陷或变异。
　　3 水电开发的水环境效应评价方法
　　水电开发对河流水生态环境的影响在学术界及工程界存在不少的争议，前者往往强调客观评价水电开发的生态环境负效应，提倡预防和恢复;后者则多考虑生态环境的正效应及工程效益，主张经济弥补。但水电开发的生态环境负效应已经得到越来越深刻的认识，生态环境保护同经济效益间不能进行简单的比较，而是一个原则性问题。工程建设必然以创造经济价值为重要目标，但是生态环境的健康是此目标存在的前提。水电开发产生的的水环境影响错综复杂，评估这些影响及其发展规律，对于指导水电开发与河流管理有重要价值。 　　水电开发的水环境效应研究针对具体的水环境问题开展，如径流变化、水质污染、泥沙迁移、水温过程等单项分析，以及对景观改造和生态环境系统变异等的综合诊断与评价。在单项研究中，对比分析法、还原平衡法、随机预测法、模型实验法是主要方法，研究对象包括趋势、周期、变异识别和评估，而综合评价研究中应用系统的思维融入GIS空间分析、生态水文模拟及系统指标分解等技术手段。研究目的可分为机理分析、评估研究以及定量预测等。
　　在径流和泥沙时间序列分析方面，常采用统计分析以及数据挖掘的方法，趋势分析包括了相关系数法、过程线法、滑动平均法、均值法、累积距平法、肯德尔秩次相关检验、斯波曼秩次相關检验、Mann-Kendall法、累积曲线斜率差异幅度分析法、R/S分析的Hurst系数法等;变异分析有基于相关系数的方法、滑动游程法、趋势线法、变异系数方法、Mann-Kendall检验法、R/S分析方法、降水-径流双累积曲线法、滑动F法、滑动T法、滑动秩和法、Lee-Heghinian法、集对分析、Brown-Forsythe法、最优二分割法、有序聚类法、启发式分割算法以及其他新方法，如基于水文学原理的变动范围法（RVA）、相对关联距离熵、时-空变异分析法、经验模态分解方法等;周期分析法多源于信号处理及识别技术，主要包括了波谱分析、简单分波法、傅立叶分析法、周期图分析、最大熵谱分析法、分段搜索法、多因子逐步回归周期分析法、小波分析等，以及灰色系统周期分析法等新方法及改进。另外，对于河流泥沙来源的空间动态分析，一般采用多指标赋权法、景观生态学及GIS空间分析等方法，对于水文综合效应分析还可以采用水文模型进行研究。
　　水质评价分为单因子评价及多指标分级评价。单因子时间序列评价方法来源于径流、泥沙分析方法及其改进，但分析较简单，多用均值、污染负荷、污染指数等进行表征，同时利用污染物迁移转化模型进行预测;对多指标分级评价主要主要涉及综合污染指数评价方法、综合水质标识指数评价方法、模糊评价法、灰色系统评价法、层次分析法、Topsis法、人工神经网络法、集对分析、模糊识别评价法、物元分析法、投影寻踪法、贝叶斯公式、Copula评价法等，以及各方法的改进和耦合形式。
　　以上总结了径流、泥沙、水质分析和评价方面的方法和技术，对于水温变化的分析和动态监测及水环境影响的综合评价则不再阐述，除了水温分布模型实验、景观生态法、景观图法等外，基本上也同属以上范畴。
　　总体上，这些方法还是以数理统计方法、数学模型及构建指标体系为主，虽然方法众多，但特点及适宜性各异，新方法提供新的途径，但其准确性及适用性有待检验。
　　4 结语
　　水电开发带来的水环境效应是多方面的，复杂而系统，相较于积极影响和直接效益，更应关注不利影响带来的诸多问题。对这些影响的识别和分析评价是进行评估、修复和补偿的有利依据。研究从水域景观、河道形态与结构、水文情势、水质污染、流体性质、水生生境、生物通道等各个方面对水电开发的河流水环境效应进行了系统剖析，梳理了径流和泥沙时间序列、水质变化等主要水环境因子水环境效应评价方法，对进一步的科研和工程实践具有重要意义。
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