俄罗斯基斯罗古布斯卡亚潮汐电站对生态环境的影响

[俄罗斯]M.P.费德洛夫 I.N.乌萨切夫 A.L.苏达拉娃等

岳 兵 译自英刊《水电与大坝》2009年增刊

基斯罗古布斯卡亚电站是世界上最早建成的潮汐电站之一,已运行 40余年。它为证实潮汐电站建设在技术及环境上的可行性起到了非常重要的作用。

与传统电站相比,潮汐电站有很多优点:无污染、不占用土地、不需要移民搬迁,而且在溃坝时不会对人类的生命和财产构成威胁。

除了这些固有的优点外,有必要就潮汐电站的环境影响进行深入研究,为此 Lengidroproekt研究所于1924年开展了对基斯拉雅(Kislaya)海湾区域环境的研究。俄罗斯科学院极地渔业和海洋研究所(PIFO)于1960～1970年对该区域的植物区系和动物区系进行了研究。截至1983年,来自摩尔曼斯克海洋生物研究所(MSBI)、PIFO、莫斯科国立大学、圣彼得堡国立科技大学和俄罗斯科学院科拉分院等单位的专家就基斯罗古布斯卡亚电站对环境的影响展开了深入研究。

1 电站刚建成时的生态系统状况

基斯拉雅海湾面积很小(1.1 km2),具有一个狭窄入口和一海脊。全长3.5 km,被约5 m高的海脊分成两部分,水深为 36m左右。

在建设电站前,海湾和大海之间的水体流动不受任何限制,潮汐是有规律的半日潮。生物属于海洋类型,海湾上游生活着咸水生物。研究人员在建站前已经对该区域的生物种类及其丰富度进行了调查,在科拉海海湾通常生活着大约210～220种生物。

对被海坝阻隔的水域的研究表明,其水文条件完全依赖于规律性的水体交换。在潮汐电站建设过程中,该海湾的入海口被一潮汐坝阻断了 4 a,使海湾变成一个淡水 -海水的局部循环池。

在电站正常运行前的建设期及第1年的试运行期间,基斯拉雅海湾和巴伦支海间的水体交换速度下降了5～7倍。其结果引起了该水库水文特征的改变:潮汐范围及循环下降、表层水发生巨大的改变、表层和深层水体交换停止,并且冰情也发生变化。这些彻底改变了基斯拉雅海湾的生态状况。

20世纪 80年代早期,水体交换已降到最低的程度。研究发现,这段时间物种组成发生了改变。浅水区生物量和产量大大降低。由于表层水的脱盐化,大型植物群落已经完全消失,并且大量的蚌类、贝类也因水体硫化氢污染而绝迹。潮间带生物群落面积减少,海面以下20多米处动物绝迹。

但在1984年,电站开始按设计工况运行,水体交换恢复到天然状况下的1/4。PIFO与 MSBI对海底生物进行了研究,结果证实海底生物群落已经开始恢复。

随后发现,脱盐化对海洋生物的影响局限在 3～5m深的区域,并且仅在库区的中游以及上游水深15～20m的水域发现水体硫化氢污染和沉积物减少的现象。海平面12 m以下的海洋生物都得以恢复,尤其是一种称为多枝红石灰藻的生物。

1983～1984年,在基斯拉雅海湾共发现了115种海洋生物(占建站前总数的53%),其中包括14种大型植物、96种底栖动物和5种鱼类。但没有发现潮间带大型植物(如岩藻属、泡叶藻属等)。在岩质潮间带,无脊椎动物和植物的数量降低了约 6倍(共11种,建站前为 60～70种),海底生物量下降了2～3倍。在砂质潮间带,物种数量下降了 3倍(共 8种,建站前为24 ～25种 )。

在新排水区的下部零星分布着多种蚌类,诸如白鸟蛤,上部海摇蚊居多。总体上来看,海沙蠋种群没有恢复。在深水区,这些物种部分被 Polyheta nereis替代。植物群落也有所改变,海面被幸存的水生植物,诸如广盐性丝状绿藻、滨褐藻、外子藻属和硅藻及蓝绿藻所覆盖。

电站正常运行后,生态系统状况在2 a内开始好转。虽然冰覆盖仍然存在,但脱盐化大大减弱。与外海相比,浮游生物群落仅在其结构和演替上稍有差异。在基斯拉雅海湾山区,形成河口复合生态系统。潮间带生物群落开始在新的垂直界面上形成。在基质为砂土的排水区,紫贻贝几乎占据了白鸟蛤全部和海摇蚊大部分的栖息地,随后它们又被海洋类型生物替代。各种 polyhet大量增加,腾壶属的植物在潮汐区的礁石上大量繁殖。在亚潮间带上区能观测到绳藻以及一些海星和海胆类生物(波罗的海星、绿海胆)的快速增长。

在生态系统开始恢复的 3 a中,对电站进行了修复,这为海洋生物创造了更为有利的水体交换条件。在其后正常运行的2 a中,在潮间带垂直面上的主要种群趋于稳定,并且浅水砂土区海底生物变迁也基本结束。海底生物的种类达到25种,生物量增加(主要是蚌类生物量增加),其中潮间带上区增加到2～3.4 kg/m2,潮间带下区增加到0.1～0.9 kg/m2。

在基斯拉雅湾宽阔的水域,夏季水体密度跃层深达18～19 m,而在海湾上部水域则维持在7～9 m。在海湾的中部水域,水体交换条件改善的结果是硫化氢污染消失,底栖生物恢复。

大型植物种类也恢复到建站前的 33种。虽然墨角藻在排水区的下部随处可见(基斯拉雅湾崎岖段除外),但潮间带大型植物充分生长的状况尚未得到完全恢复。一些生活在土壤中、在退潮期能够抵抗较长时间流水冲刷的物种,在浅海区域的上部生存了下来。

2 潮汐电站水库水体脱氧后的生态状况

基于1991～1994年在隔离的水库以及从海湾一侧向大坝延伸的乌拉湾浅海区的观测资料,对该区域的水体结构、物种多样性以及浮游动物的种类和分布进行了分析。

夏季水库水体明显分为 4层。表层水深2～5 m,温度较高(12～15℃),并且海水盐度的变化较大。坝区水体的盐度为 30‰,而库区上游因为湖泊淡水的进入而使盐度降为零。

亚表层具有平流特点,邻近电站的深孔水深5～15 m,是一个相对均一(温度为 8～9℃,盐度为32‰～32.5‰)的水层。在水库上游密度跃层要比下游深5 m,其中盐度对该跃层形成的作用要比温度的作用强2～3倍。

孔深层水的温度和盐度较为恒定,年际间差异微小(温度为1.5～2.0℃,盐度为 34‰)。其通气状况存在实质性的差异,深孔含氧量较高,为 4～6 mg/L,而表孔含氧量为 0～4 mg/L,并且有时候还可检测到硫化氢。乌拉海湾参与水体交换的水体结构与潮汐水库的情况基本一致。

水库水体交换稳定(达到设计状况)时,水库和邻近海域的水体结构和浮游生物量基本一致。乌拉海湾浅水区生活的各类浮游动物在水库都可以找到。在库区,自大坝到上游的淡水区物种数逐渐减少。乌拉海湾浮游动物分布密度较大。在潮汐水库,邻近大坝处浮游动物数量显著减少,全库各深层的浮游动物数量均少于乌拉海湾。

表层水中的浮游生物最多,亚表层略少,而在密度跃层和孔深水处急剧减少,尤其是在缺氧的表孔。

与浮游生物的分布不同,海底生物群落的结构不仅与周围的水体特征有关,还取决于土壤特性、海底是否存在合适的基质以及生物间已经形成的相互关系。因此,在环境改变的影响下,海底无脊椎动物群落的变化更为缓慢,但另一方面,一旦发生变化,其状况将长期维持不变。因此,在研究潮汐电站对海洋生态系统长期影响的程度和影响性质上,相比其他生物群落,研究对象更宜选用海底生物群落。

由莫斯科国立大学领衔的研究表明,自从水体脱氧化开始消失的 8 a中,水库生物量以及海洋类型物种数量不断上升,曾遭破坏的动物群落生境(在深孔处由脱氧化引起,在潮间带由脱盐化引起)有所恢复。如果基斯拉雅海湾的非生物条件保持稳定,一些海底生物群落会逐渐形成。然而,它们不可避免地与建站前的群落有所不同,因为引起它们演替的主要因素依然存在并发挥作用:海湾和外海间的水体交换减少,潮汐水库水体结构和海底水动力学由此发生了改变。坝区海底生物群落的重建要比浮游生物群落重建耗时长,并且重建后的生态系统与原来的系统有所不同。群落的形成和发展不仅与潮汐水库和外海之间的水体交换特点有关,还与水体结构以及水体动力学有关。

潮汐堰坝建设影响鱼类从海洋洄游到水库和河流。然而,Sevryba公司得出的基斯罗古布斯卡亚潮汐电站理论数据和试验(通过捕获来调查穿过大坝的鱼量)结果表明,直径大于25 cm的鱼可以毫无损伤地穿过直径为3.3m、运行速度为72 r/m in的灯泡式发电机组的导叶和低水头转轮。对于更大的电站来说,机组转轮的直径达到5～10m以上,故对于鱼类的通过更是没有问题。另外,鱼类自由通过堰坝,也意味着它们能通过电站闸门(每次潮汐循环闸门打开2～2.5 h蓄水)。为基斯罗古布斯卡亚电站设计制造的新型正交水轮机组,将使鱼类畅通无阻成为可能。与轴流式水轮机不同,其过水能力翻番(空转状态),垂直叶片等截面1.2m宽、转速只有37 r/min,使鱼类更易通过。

3 电站稳定运行时的生态状况

按照 UNESCO“波罗的海漂流大学”计划的研究框架,1994～1996年夏季开展了对基斯拉雅海湾(潮汐水库以及附近的乌拉海湾)的研究。其目的是开发海岸环境技术体系的监测技术,并评估基斯拉雅海湾生态系统演替情况。

对非生物因素状况的分析表明,影响潮汐排水区海底生物的限制因素包括:脱盐化、影响生物群落类型的土壤类型、人为改变潮汐(规模及低水位持续时间)节律的程度。水孔底部海底生物的发展受到缺氧的不利影响。

在受潮汐影响的区域,分布着两种类型的海底生物群落。其中一种分布在浅海礁石区,包括腾壶、腹足类(蜗牛)、端足类等10个种群。最多的物种是腾壶,其分布密度达到 40～60个/m2,多的达到100个 /m2。

在基斯拉雅西岸环礁湖砂土区,生活着以 3个优势种群(盐生摇蚊、蛤、沟虾等)为主的生物群落:第1种属于海洋生物类型,而第2种介于咸水和海洋生物类型之间,第 3种(食草蜗牛)只在海湾的南部可见,分布密度达到 300个 /m2。

蛤类(海湾中部)和海葵(海湾上、中部)在次大陆架中零星可见,扇贝分布在海湾上部和中部的交界处,但数量不多。紫贻贝作为可食用的蚌类,其分布密度还达不到商业捕获的要求。因此,根据以上分析,在潮汐电站库区内没有一种海底生物具有市场开发价值。

根据监测结果,以下几种海底生物可以作为长期监测基斯拉雅海湾的指示生物:滨螺、紫贻贝和绿海胆。

4 结 语

对基斯拉雅海湾环境的深入研究得出,该海湾生态系统已基本稳定。一方面,一些特殊的海底和浮游生物物种数量已经达到较高的水平。另一方面,该海湾新生态系统还没有完全形成。在一些非生物环境条件变化的影响下,正在形成的生态系统已与先前的系统有所区别。例如,在1996年异常高水位年份,由大量融化水和排水导致的强脱盐化使海湾生物群落短期受到巨大影响。

与自然生态系统相比,基斯拉雅海湾物种减少和其生态系统不稳定性可作为环境变化的证明。潮汐电站对环境的影响以及盐水物种保护是基斯罗古布斯卡亚蓄潮池环境技术体系的主要内容。潮间带被认为是生态风险最大的区域(该区域海水可能严重脱盐化)。此外,低气压的水孔(因氧亏)也被认为是另一个生态风险区。

为改善基斯拉雅海湾生态状况,可采取如下一些工程技术措施:

(1)潮汐发电机组应该在生态安全设计模式下运行;

(2)在潮间带,人工构建由多种海藻组成的生境,它们对脱盐化不敏感并且可以吸引一些浮游水生生物;

(3)通过输入乌拉湾的海水,可将一些含氧丰富的冷海水补充到缺氧的水孔;

(4)可以考虑建立几个海水养殖中心。根据PIFO养鱼设施的运行经验,在基斯罗古布斯卡亚潮汐电站的两侧可以养殖虹鳟、鲑鱼和鳕鱼。

在俄罗斯潮汐电站设计中的生态优化方案中,应关注以下几种趋势:

(1)在确定潮汐电站布置方案以及在设计、比选合适的建造方法时都要考虑生态因素;

(2)利用对环境负面影响最小的工业技术和设备;

(3)采用并维持一种能防止海洋生态系统退化的运行方式;

(4)开发和实施一些特殊的措施,例如环境可持续的土地开垦、自然保护和环境保护等;

(5)潮汐电站对环境的影响具有区域特异性,而没有全球普遍性。

经研究证实,潮汐电站对人类健康没有影响,并且对环境的影响是可控的,在电站规划、设计、建设和运行的所有阶段采取预防性的措施、借鉴以往的经验和教训、听取各种意见等可将对环境的影响减至最小。

自1924年开始的基斯拉雅海湾生态监测(提供了 90多年的数据资料),在证实俄罗斯潮汐电站生态安全方面起到了重要作用。有关基斯罗古布斯卡亚潮汐电站对生态影响的详细研究为今后潮汐电站设计、建设和运行原理的创建具有相当大的作用。