梯級開發對河流水文情勢及生態系統的影響研究綜述

岳俊濤，甘治國，廖衛紅，秦 韜(.東華大學，上海 0600；.中國水利水電科學研究院，北京 00038)

河流梯級開發指在河流上布置一系列階梯式的水利樞紐，以充分開發利用河流的水能、水運資源，可以分為大流域大規模的水利樞紐梯級開發和小流域小水電的梯級開發項目。我國河川徑流量約為2.8 萬億m3，占世界總徑流量的5%，位于世界第6位[1]。為了合理開發利用水資源，我國建設了大量的水庫和大壩，截至2013年[2]，全國已建各類水庫97 721 座，總庫容8 298 億m3。其中：大型水庫687 座，總庫容6 528 億m3；中型水庫3 774 座，總庫容1 070 億m3。雖然這些工程對水資源的調節和控制發揮了極大的作用，但這些工程也對河流及其周邊的生態和環境帶來了一定程度的影響。水庫的建設和運行導致河流的天然屬性發生很大改變，影響了河道的穩定性，造成河槽萎縮、斷流等，使得河流生態系統維持健康狀態的能力減弱[3]。而且梯級開發對河流的影響具有范圍大、歷時長，以及效應的系統性、群應性、累積性、波及性、潛在性等特性，使得梯級開發對河流的影響比單一水庫更為嚴重[4]。在梯級開發的河流上，河流生態的發展態勢被這些工程的實施與運行嚴重干擾，引起的偏離也越發明顯。隨著社會發展，人們對生態環境的關注度越來越高，梯級開發對河流生態的影響也引起眾多領域學者們的關注，并從不同角度開展了相關研究，取得了很多研究成果。本文在這些成果的基礎上，系統地總結了河流梯級開發對河流水文情勢和生態系統的典型影響以及其中的內在聯系，并提出了需要深入研究的方向，以期為進一步研究梯級開發對河流的影響以及我國梯級開發河流生態的保護和恢復提供參考。

1 對水文情勢的影響

水文情勢指河流、湖泊、水庫等水體各水文要素隨時間、空間的變化情況，其中水文要素主要包括水位、徑流、輸沙和河流形態等。20世紀70年代以來，很多國家都對保護河流的健康開展了研究和實踐，提出了很多評價河流狀態的方法，比如澳大利亞的溪流狀態指數(Index of Stream Condition, ISC)、英國的河流保護評價系統(System for Evaluating Rives for Conservation, SERCON)和南非的溪流地貌指數法(Index of Stream Geomorphology, ISG)等。但應用最為廣泛的還是1997年Ritchter提出的IHA(Index of Hydrologic Alteration)指標體系，該指標體系建立了33個可以量化的水文參數，這些參數比較貼近水文情勢的概念，為大多數學者所認同。Richter隨后在IHA指標體系的基礎上提出了RVA(Range of Variability Approach)方法來評價河流的變化程度。許多學者利用IHA指標體系和RVA方法對水庫閘壩工程建設運行前后河流的水文情勢變化進行研究，研究結果都表明工程建設運行后河流水文情勢變化明顯[5,6]，而且梯級水庫聯合運行比無梯級水庫聯合運行對河流水文情勢產生的影響更大[7,8]。除此之外，梯級開發對下游水文情勢的影響會隨著距離的延伸而減弱[9]。

1.1 對徑流的影響

現行水庫的運行調度規則，使得枯水期出庫流量比天然流量有所增加，而汛期出庫流量有所減少。馬聰等研究安康水庫建設前后下游徑流量變化發現，水庫建設后，4-11月平均月徑流量減少6.9億m3/月，12-3月平均月徑流量增加1.0 億m3/月，并且水庫建設是造成此結果最直接的因素[10]。顧穎等以瀾滄江為例，研究發現梯級電站運行后，雨季多年平均徑流量降低10.64%，旱季升高45.94%，而年平均流量幾乎沒有變化[11]。這樣調節后的河流年水位～時間過程趨于平緩，年內徑流變化不大，對大洪水有削峰和錯峰作用，有利于減少洪水所帶來的危害。河流的流速也發生明顯變化，有研究顯示，梯級開發后，從庫尾到壩前，流速逐漸減慢，水庫庫容越大，對天然河道徑流的流速改變越大[12]。王潔以橫江為例研究發現，橫江干流梯級電站建設后，庫尾及壩前的流速較天然狀況下有不同程度降低，其中庫尾流速降低較小，而壩前流速降低巨大[13]。流速減緩后，對河流的影響是很大的，比如河流的自凈能力會下降，本來波瀾壯闊的大自然風光也會隨之消失等，整個河流顯得沒有活力。有研究顯示，河流景觀多樣性與梯級開發呈負相關性[14]。河流的生態系統是與河流徑流息息相關的，梯級開發使得河流徑流發生劇烈變化，而這些劇烈變化對河流的生態系統勢必也會造成巨大的沖擊。

1.2 對輸沙的影響

水庫在截留水的同時也截留了水中所帶的泥沙，并且由于流速的減慢，庫區的泥沙快速大量的沉積，造成水庫泥沙淤積。泥沙淤積會侵占水庫調節庫容、增加水庫淹沒損失、影響航運等。淤積還會因回水而上延，影響上游河道形態。與此同時，水庫下游的水則泥沙含量很小。Matti等研究發現，漫灣大壩建設后初期，湄公河下游含沙量平均降低約20.3%[15]。翁文林等研究發現，長江上游水庫群興建后，下游含沙量大大降低，降幅為26.5%～84.2%[16]。一方面清澈的水流有利于水資源利用，但另一方面在水庫下泄洪水時，會造成下游河道的局部沖刷，造成河床沖刷變形，并引起水體中含沙量的上升，且影響河岸穩定。面對水庫泥沙淤積的不斷累積和人類對水資源需求量不斷的加大，水庫淤積問題越來越受到關注，如何對水庫淤積進行管理，保持和恢復水庫的功能，是當前亟待研究的內容。

1.3 對水位的影響

水庫的建設對上游來水的攔截引起水庫庫區的水位上升，水深從庫尾到壩前逐漸增加[12]，水庫下游河段的水位變化則有些復雜，根據劉揚揚等人的研究結果，對于調節性能較強的水庫，水庫下游汛期水位較天然情況下降顯著，非汛期水位較天然情況上升明顯，水位在年內變化較大；而對于調節能力較弱的水庫，由于水庫建設后下泄流量變化不明顯，而且可能會受到來自下游梯級的反調節作用，以致水庫下游水位較天然情況變化不大。除此之外，由于河道沖刷的影響，在徑流相同的情況下，水位也會有所下降。水庫的修建和運行必然會對當地的地質造成影響，比如水庫中水的大量滲漏，造成地下水位的上升。有研究顯示，水庫水位的變化與地震活動有著明顯的相關性[17-19]，如何應對這些影響也是當前研究的方向。梯級開發對河流水位的影響，會使得河流在沿水深方向上的生態組成結構發生改變。

1.4 對河流形態的影響

河流梯級開發使得天然河道變成由多個規模和調節性能不一的水庫、減水河段和未開發河段組成的水體，縱向連續性發生改變。梯級水庫蓄水后，庫區河段水域面積明顯增加，對于深切峽谷型流域，這種對水域形態和面積的改變相對于平原性的河流較為突出。如瀾滄江梯級水電站建成后，8個梯級水庫面積共62 112 km2，其水域面積比天然河流增加約53 211 km2，是天然水面面積的7倍[20]。下泄清水對河道的沖刷還可能使得河道會發生側移，河流被裁彎取直。而與直河道相比，蜿蜒的河道降低了坡降，減小了河流流速和水沙輸送能力，有利于形成多樣的水生環境來保護水生生物的物種多樣性。所以，河流形態的改變，也會對河流生態系統產生不利影響。

1.5 小 結

從目前這些研究成果來看，梯級開發從不同的角度都對河流水文情勢產生了不小的影響，而這些影響都會緊接著對河流生態系統發生沖擊，但是大多學者僅僅只是研究梯級開發對河流水文情勢的各個方面產生了何種影響以及影響的程度，對不同規模的梯級開發在不同尺度的河流上所造成的影響研究甚少，而且也沒有繼續深入研究如何通過工程措施或非工程措施來避免或減小這些影響，筆者認為今后應該更注重這方面的研究。

2 對生態系統的影響

河流生態系統的結構和功能由水文、生物、地形、水質和連通性等5個部分組成，各個部分相互影響，而其中，水文是對河流生態系統起著主動性、決定性的作用，包括河流的物質循環、能量過程、物理棲息地狀況和生物相互作用等，水文情勢的改變在不同時空尺度上改變棲息地條件，從而影響物種的分部和豐度，進而影響生物群落的組成和多樣性[21-23]。近年來，許多評價河流生態系統的方法和模型被相繼提出，如Jinpeng等提出一個綜合指標——浮游生物完整性指數來評估水生生態系統[24]；Ruonan等以漓江的河堅魚為研究對象，開發了一個綜合模型，可以應用于水庫運行以改善河堅魚的棲息地質量，并且認為該模型經過改編后能應用到其他河流[25]；還有美國環保署的生境適宜性指數(Habitat Suitability Index, HIS)和南非的河口健康指數(Estuarine Health Index, EHI)等。

在河流上修建梯級水庫后，可能會使得河流生態系統產生高度的變化，使其穩定性降低，容易受到外來物種的入侵，導致生態系統失衡。Maria等對巴西圣保羅州河流梯級水庫的研究發現，河流中物種多樣性持續下降，而且有可能隨著水庫的老化，本地物種持續被外來物種所侵蝕[26]。Yuankun等研究丹江口水庫對漢江的生態影響發現水生生物多樣性大大降低，提出為了盡量減少負面生態影響，有必要優化水庫的運行規則以保護河流生態系統[27]。

2.1 對庫區生態系統的影響

大型水庫尤其是調節性能好的水庫，由于水體的大量蓄積，水位升高較大，在垂直方向上會形成有規律的水溫分層現象[28]。水庫上層溫水由于與空氣交換，溶氧量較高，在此狀態下，如果庫區內氮、磷含量較高，而且庫區水流速度較低，透明度大，有利于藻類的光合作用，很有可能會造成水體富營養化。而下層水由于比較平穩，氧氣的補充很少，且上層水生生物死亡而沉降到下層后，其分解也會消耗氧，并產生硫化氫等氣體，影響水質，并使水體發出難聞的氣味。長此以往，下層水體成為了厭氧生物環境，水生生物結構發生改變。Ming等研究發現三峽水庫蓄水初期，大型底棲生物密度顯著降低；然而經過一定的時間適應后，從2005年起，大型底棲生物的總密度顯著增加，而且顯示出明顯的季節性，在冬季最低，秋季最高[29]。發展到后期時，水庫會老化，此時大型底棲生物群落多樣性和密度都會降低，形成以耐污種為優勢類群的單一結構[30]。

梯級開發庫區由于水域面積增加，水體的熱效應使得當地的環境質量和陸地性氣候得以改善，比如降雨增加、濕度增加、年平均氣溫升高和溫差降低，影響程度與水域面積增加的程度也有著正相關性。劉紅年等[31]研究發現，高山峽谷地區的水庫由于水域面積增加程度較大，將導致附近地區在冬季增溫0.4～0.85 ℃，使春、夏、秋季降溫可達2 ℃，但影響范圍不大，主要在水平2.5 km、高度0.5 km左右范圍內。而如果水庫水域面積較天然狀況增加不大，則對當地的氣候影響較小。王潔研究發現橫江各梯級水庫庫容較小，水域面積增加較小，對當地的氣候基本無影響[16]。

2.2 對下游河道生態系統的影響

水庫的形成以及水庫在枯水期時的下泄水量使得河道下游水位上升，淹沒損失漫灘、濕地和岸邊植物帶[32]，梯級水庫的建設將會疊加擴大這些影響。河岸帶無法在沉積物、營養物和污染物流入河流之前將它們濾出或吸收，水質會產生變化。Fan Yang等以長江三峽工程為例研究發現河岸植被大比例消失，受到的影響主要來自于洪水的逆轉、洪水持續時間延長和新消落帶的產生[33]。Ouyang等以黃河上游為例，研究開發了一種用于識別和預測梯級開發對河岸植被影響的分析技術，可以為減少梯級開發對河岸的影響提供基礎指導[34]。河岸帶是部分陸生植物及候鳥的棲息地，其淹沒減少也會對這部分生物造成影響。流速的降低也增加適應平靜水流的物種，如水葫蘆等，破壞原有的生態系統；流速的降低還會改變河流中污染物的擴散速度，降低河流的自凈能力，部分流域回水區出現水體富營養化甚至“水華”現象[35]。

水庫在攔截水量的同時還攔截了大量的鵝卵石和砂石，這使得上游河床底部的無脊椎動物如貝殼類動物等的生存環境減少。在下游河段，水電站大流量下泄使得不能承受巨大的流速的小型昆蟲若蟲和無脊椎動物數量顯著降低；流量的陡增引發的漂流，造成底棲生物存量大大減少；受調控的河段水流模式不穩定，也會造成大型無脊椎動物群落物種稀少[36]。

水庫的形成還使得河流的縱向連續性、橫向連通性以及垂向滲透性發生改變，進而引起水生生物棲息地發生變化。大壩的阻隔將河流生態系統分割成不連續的片段，這使洄游魚類、半洄游魚類的生境發生巨大改變。這類生物將無法更換各生活時期的生活水域來滿足不同時期的對生活條件的需要，產卵等各種重要生命活動無法維持，繼而數量大大減少。

水庫排沙和下泄洪水會造成下游河道水體含沙量上升，在下游河道形成高含沙水流。含沙量的增加會降低水體溶解氧濃度，細顆粒泥沙會堵塞魚鰓結構，影響攝入氧氣功能，造成魚類的死亡[37]。水中含沙量的改變還與魚類繁殖有著密切的聯系。彭秀華在研究中發現，中華鱘會在江水含沙量明顯下降之后才開始產卵，產卵過程中江水的含沙量必須要較為穩定[38]，水庫的泄洪和排沙將極大的影響中華鱘的繁殖過程。

水量的改變也會影響到魚類的繁殖。例如，4大家魚(鰱魚、草魚、青魚、鳙魚)在一定時間的持續漲水過程后，才會開始產卵。而目前的水庫調度規則運行時，河道流量過程趨于均一化，使4大家魚第1次產卵的信號減弱或消失；同時洪水過程單一化，持續時間變短，連續日流量上漲率減小，洪峰最高流量降低，影響了4大家魚的繁殖過程[39]。

大型水庫會造成水溫分層，冬季下層水溫偏高，春夏秋季下層水溫偏低；下層水下泄后，會使得下游河道水溫在冬季偏高，春夏秋季偏低，干擾魚類的繁殖過程。有研究發現[40]，三峽水庫蓄水后，下游宜昌江段中華鱘和4大家魚產卵時間推遲，且產卵規模大幅度降低。

2.3 小 結

河流生態系統是一個復雜、開放、動態、非平衡和非線性系統，研究河流生態系統特別需要關注河流生命系統和生命支持系統的相互作用和耦合關系[41]。梯級開發對河流水文情勢和生態系統的影響并不是獨立的，而是首先通過改變河流的水文情勢，繼而對河流的生態系統產生影響，河流生態系統的改變還會反作用于河流水文情勢。目前的研究表明，梯級開發使得河流水文情勢發生改變并作用于河流生態系統，但是河流生態系統的改變并不只是因為水文情勢的改變，也存在其他的原因，人類的活動例如捕撈和對河流的污染等也會影響河流生態系統，所以筆者認為，需要進一步研究并闡明河流水文情勢及其各個方面與河流生態系統的相關性，為如何避免或減小這些影響以及如何恢復河流的水文生態提供理論基礎。

3 結語與展望

隨著經濟社會的不斷發展，對能源和水資源的需求增加，河流的梯級開發成為常態，現行的水庫調度規則一般以防洪和興利調度為目標，對于保護河流健康的關注有所欠缺，隨著人們對河流健康關注度的上升，研究河流梯級開發對河流水文情勢及生態系統的影響具有重要意義。本文系統地歸納總結了梯級開發從多個方面對河流水文情勢和生態系統的影響，并解釋了二者之間的內在聯系。雖然眾多學者已經就梯級開發對河流的水文生態影響進行過很多研究，也取得了大量成果，但是仍然存在很多不足之處。例如目前對河流梯級開發的水文生態影響研究大多集中在對水文情勢的影響，對河流生態的影響研究較少；梯級開發對河流水質的相關影響研究很薄弱；對梯級開發所造成的回水對河流的影響及相關研究較少；而且目前的研究對象大部分都局限于某一個方面，未能就梯級開發對河流產生的綜合影響以及累積效應開展研究。因此，本文認為今后需要在以往的研究基礎上，對不同尺度的河流以及不同的梯級開發規模篩選出河流受梯級開發影響的重要因子，并進行相關性分析，研究梯級開發在不同時空尺度條件下對河流的綜合影響，著重于對河流生態的影響，提出相關的適用模型對河流梯級開發進行影響評價，為梯級開發環境影響評價提供理論基礎，并就如何避免或減小這些影響以及如何恢復河流的水文生態展開研究。

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[1] 賈金生，袁玉蘭，鄭璀瑩,等. 中國水庫大壩統計和技術進展及關注的問題簡論[J]. 水力發電,2010,36(1):6-10.

[2] 中華人民共和國水利部. 2013年全國水利發展統計公報[M]. 北京：中國水利水電出版社，2014.

[3] Gowan C, Stephenson K, Shabman L. The role of ecosystem valuation in environmental decision making: hydropower relicensing and dam removal on the Elwha River[J]. Ecological Economics,2006,56(4):508-523.

[4] 李朝霞，牛文娟. 水電梯級開發對生態環境影響評價模型與應用[J]. 水力發電學報，2009， 28(2):35-40.

[5] 杜河清，王月華，高龍華，等. 水庫對東江若干河段水文情勢的影響[J]. 武漢大學學報(工學版)，2011，44(8):466-470.

[6] 王俊娜，李 翀，廖文根. 三峽-葛洲壩梯級水庫調度對壩下河流的生態水文影響[J]. 水利發電學報，2011，30(2):84-91.

[7] 張洪虎，黃 強，張雙虎. 梯級水庫運行對黃河上游水文條件的累積影響[J]. 河海大學學報(自然科學版)，2011，39(2):137-142.

[8] 黎云云，暢建霞，涂 歡，等. 黃河干流控制性梯級水庫聯合運行對下游水文情勢的影響[J]. 資源科學，2014，36(6):1 183-1 190.

[9] 蔡文君，殷峻暹，王 浩. 三峽水庫運行對長江中下游水文情勢的影響[J]. 人民長江，2012，43(5):22-25.

[10] 馬 聰，魯春霞，李亦秋，等. 安康水庫下游徑流演變及水庫運行對徑流影響分析[J]. 長江流域資源與環境，2013，22(11):1 433-1 440.

[11] 顧 穎,雷四華,劉靜楠,等. 瀾滄江梯級電站建設對下游水文情勢的影響 [J]. 水利水電技術, 2008,39(4):20-23.

[12] 劉揚揚,李 斐,許秀貞. 嘉陵江中下游干流水電開發對水文情勢的影響 [J]. 人民長江, 2014,(5):10-15.

[13] 王 潔. 橫江水電開發對水質和水文情勢影響評價[D]. 昆明：昆明理工大學, 2009.

[14] Ouyang W, Skidmore AK, Hao FH. Accumulated effects on landscape pattern by hydroelectric cascade exploitation in the Yellow River basin from 1977 to 2006 [J]. Landscape and Urban Planning, 2009,93:163-171.

[15] Matti Kummu, Ollo Varis. Sediment-related impacts due to upstream reservoir trapping, the Lower Mekong River [J]. Geomorphology, 2007,85(3-4):275-293.

[16] 翁文林,劉堯成,周新春. 長江上游水庫群興建對水沙情勢的影響分析 [J]. 長江科學院院報, 2013,30(5):1-4.

[17] 胡毓良,陳獻程. 我國的水庫地震及有關成因問題的討論 [J]. 地震地質, 1979,1(4):45-57.

[18] 周建芬. 水庫誘發地震機理研究[D]. 昆明：昆明理工大學, 2013.

[19] 鐘羽云,周 昕,張 帆. 水庫水位變化與地震活動關系研究 [J]. 大地測量與地球動力學, 2013,33(2):35-40.

[20] 鐘華平,劉 恒,耿雷華. 瀾滄江流域梯級開發的生態環境累積效應 [J]. 水利學報, 2007,38(S1):577-581.

[21] Richter B D, Mathews R, Harrison D I, et al. Ecologically sustainable water management: managing river flows for ecological integrity [J]. Ecological Applications, 2002,13(1):206-224.

[22] Poff N I, Allan J D, Bain M B, et al. The natural flow regine: a paradigm for river conservation and restoration[J]. Bioscience, 1997,47(11):22-29.

[23] 胡巍巍. 蚌埠閘及上游閘壩對淮河自然水文情勢的影響[J].地理科學，2012，32(8):1 013-1 018.

[24] Jinpeng Li, Shikui Dong, Zhifeng Yang, et al. Effects of cascading hydropower dams on the composition, biomass and biological integrity of phytoplankton assemblages in the middle Lancang-Mekong River [J]. Ecological Engineering, 2013,81:316-324.

[25] Ruonan Li, Qiuwen Chen, Daniele Tonina, et al. Effects of upstream reservoir regulation on the hydrological regime and fish habitats of the Lijiang River, China[J]. Ecological Engineering, 2015,76:75-83.

[26] Maria Letizia Petesse, Miguel Petrere Jr. Tendency towards homogenization in fish assemblages in the cascade reservoir system of the Tietê river basin, Brazil[J]. Ecological Engineering, 2012,48:109-116.

[27] Yuankun Wang, Dong Wang, Jichun Wu. Assessing the impact of Danjiangkou reservoir on ecohydrological conditions in Hanjiang river, China[J]. Ecological Engineering, 2015,81:41-52.

[28] 王 煜，戴會超. 大型水庫水溫分層現象及防治措施[J]. 三峽大學學報(自然科學版)，2009，31(6):11-15.

[29] Zhang M, Shao M, Xu Y, et al. Effect of hydrological regime on the macroinvertebrate community in Three-Gorges Reservoir, China[J]. Quaternary International, 2010,226(1):129-135.

[30] Popp A, Hoagland K D. Changes in benthic community composition in response to reservoir aging[J]. Hydrobiologia, 1995,366:159-171.

[31] 劉紅年，張 寧，吳 澗，等. 水庫對局地氣候影響的數值模擬研究[J]. 云南大學學報(自然科學版)，2010，32(2):171-176.

[32] 陳慶偉，劉蘭芬，劉昌明. 筑壩對河流生態系統的影響及水庫生態調度研究[J]. 北京師范大學學報(自然科學版)，2007，43(5):578-582.

[33] Fan Yang, Wei-Wei Liu, Jie Wang, et al. Riparian vegetation's responses to the new hydrological regimes from the Three Gorges Project: clues to revegetation in reservoir water-level-fluctuation zone[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012,32(2):89-98.

[34] W Ouyang, F H Hao, C Zhao, et al. Vegetation response to 30 years hydropower cascade exploitation in upper stream of Yellow River[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2010,15(7):1 928-1 941.

[35] 王趙松，李 蘭. 流域水電梯級開發與環境生態保護的研究進展[J]. 水電能源科學，2009，27(4):43-45.

[36] 馮瑞萍，常劍波，張曉敏，等. 長江干流關鍵點流量變化及其生態影響分析[J]. 環境科學與技術，2010，33(9):57-62.

[37] 白音包力皋，陳興茹. 水庫排沙對下游河流魚類影響研究進展[J]. 泥沙研究，2012,(1):74-80.

[38] 彭秀華. 大壩運行對中華鱘自然繁殖影響及修復措施研究[D]. 湖北宜昌：三峽大學，2013.

[39] 李清清，覃 暉，陳廣才，等. 長江中游水文情勢變化及對魚類的影響分析[J]. 人民長江，2012，43(11):86-89.

[40] 郭文獻,王鴻翔,徐建新,等. 三峽水庫對下游重要魚類產卵期生態水文情勢影響研究[J]. 水利發電學報，2011，30(3):22-26.

[41] 董哲仁. 河流生態系統研究的理論框架[J]. 水利學報，2009，40(2):129-137.