梯级开发对河流水文情势及生态系统的影响研究综述

岳俊涛，甘治国，廖卫红，秦 韬(.东华大学，上海 0600；.中国水利水电科学研究院，北京 00038)

河流梯级开发指在河流上布置一系列阶梯式的水利枢纽，以充分开发利用河流的水能、水运资源，可以分为大流域大规模的水利枢纽梯级开发和小流域小水电的梯级开发项目。我国河川径流量约为2.8 万亿m3，占世界总径流量的5%，位于世界第6位[1]。为了合理开发利用水资源，我国建设了大量的水库和大坝，截至2013年[2]，全国已建各类水库97 721 座，总库容8 298 亿m3。其中：大型水库687 座，总库容6 528 亿m3；中型水库3 774 座，总库容1 070 亿m3。虽然这些工程对水资源的调节和控制发挥了极大的作用，但这些工程也对河流及其周边的生态和环境带来了一定程度的影响。水库的建设和运行导致河流的天然属性发生很大改变，影响了河道的稳定性，造成河槽萎缩、断流等，使得河流生态系统维持健康状态的能力减弱[3]。而且梯级开发对河流的影响具有范围大、历时长，以及效应的系统性、群应性、累积性、波及性、潜在性等特性，使得梯级开发对河流的影响比单一水库更为严重[4]。在梯级开发的河流上，河流生态的发展态势被这些工程的实施与运行严重干扰，引起的偏离也越发明显。随着社会发展，人们对生态环境的关注度越来越高，梯级开发对河流生态的影响也引起众多领域学者们的关注，并从不同角度开展了相关研究，取得了很多研究成果。本文在这些成果的基础上，系统地总结了河流梯级开发对河流水文情势和生态系统的典型影响以及其中的内在联系，并提出了需要深入研究的方向，以期为进一步研究梯级开发对河流的影响以及我国梯级开发河流生态的保护和恢复提供参考。

1 对水文情势的影响

水文情势指河流、湖泊、水库等水体各水文要素随时间、空间的变化情况，其中水文要素主要包括水位、径流、输沙和河流形态等。20世纪70年代以来，很多国家都对保护河流的健康开展了研究和实践，提出了很多评价河流状态的方法，比如澳大利亚的溪流状态指数(Index of Stream Condition, ISC)、英国的河流保护评价系统(System for Evaluating Rives for Conservation, SERCON)和南非的溪流地貌指数法(Index of Stream Geomorphology, ISG)等。但应用最为广泛的还是1997年Ritchter提出的IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系，该指标体系建立了33个可以量化的水文参数，这些参数比较贴近水文情势的概念，为大多数学者所认同。Richter随后在IHA指标体系的基础上提出了RVA(Range of Variability Approach)方法来评价河流的变化程度。许多学者利用IHA指标体系和RVA方法对水库闸坝工程建设运行前后河流的水文情势变化进行研究，研究结果都表明工程建设运行后河流水文情势变化明显[5,6]，而且梯级水库联合运行比无梯级水库联合运行对河流水文情势产生的影响更大[7,8]。除此之外，梯级开发对下游水文情势的影响会随着距离的延伸而减弱[9]。

1.1 对径流的影响

现行水库的运行调度规则，使得枯水期出库流量比天然流量有所增加，而汛期出库流量有所减少。马聪等研究安康水库建设前后下游径流量变化发现，水库建设后，4-11月平均月径流量减少6.9亿m3/月，12-3月平均月径流量增加1.0 亿m3/月，并且水库建设是造成此结果最直接的因素[10]。顾颖等以澜沧江为例，研究发现梯级电站运行后，雨季多年平均径流量降低10.64%，旱季升高45.94%，而年平均流量几乎没有变化[11]。这样调节后的河流年水位～时间过程趋于平缓，年内径流变化不大，对大洪水有削峰和错峰作用，有利于减少洪水所带来的危害。河流的流速也发生明显变化，有研究显示，梯级开发后，从库尾到坝前，流速逐渐减慢，水库库容越大，对天然河道径流的流速改变越大[12]。王洁以横江为例研究发现，横江干流梯级电站建设后，库尾及坝前的流速较天然状况下有不同程度降低，其中库尾流速降低较小，而坝前流速降低巨大[13]。流速减缓后，对河流的影响是很大的，比如河流的自净能力会下降，本来波澜壮阔的大自然风光也会随之消失等，整个河流显得没有活力。有研究显示，河流景观多样性与梯级开发呈负相关性[14]。河流的生态系统是与河流径流息息相关的，梯级开发使得河流径流发生剧烈变化，而这些剧烈变化对河流的生态系统势必也会造成巨大的冲击。

1.2 对输沙的影响

水库在截留水的同时也截留了水中所带的泥沙，并且由于流速的减慢，库区的泥沙快速大量的沉积，造成水库泥沙淤积。泥沙淤积会侵占水库调节库容、增加水库淹没损失、影响航运等。淤积还会因回水而上延，影响上游河道形态。与此同时，水库下游的水则泥沙含量很小。Matti等研究发现，漫湾大坝建设后初期，湄公河下游含沙量平均降低约20.3%[15]。翁文林等研究发现，长江上游水库群兴建后，下游含沙量大大降低，降幅为26.5%～84.2%[16]。一方面清澈的水流有利于水资源利用，但另一方面在水库下泄洪水时，会造成下游河道的局部冲刷，造成河床冲刷变形，并引起水体中含沙量的上升，且影响河岸稳定。面对水库泥沙淤积的不断累积和人类对水资源需求量不断的加大，水库淤积问题越来越受到关注，如何对水库淤积进行管理，保持和恢复水库的功能，是当前亟待研究的内容。

1.3 对水位的影响

水库的建设对上游来水的拦截引起水库库区的水位上升，水深从库尾到坝前逐渐增加[12]，水库下游河段的水位变化则有些复杂，根据刘扬扬等人的研究结果，对于调节性能较强的水库，水库下游汛期水位较天然情况下降显著，非汛期水位较天然情况上升明显，水位在年内变化较大；而对于调节能力较弱的水库，由于水库建设后下泄流量变化不明显，而且可能会受到来自下游梯级的反调节作用，以致水库下游水位较天然情况变化不大。除此之外，由于河道冲刷的影响，在径流相同的情况下，水位也会有所下降。水库的修建和运行必然会对当地的地质造成影响，比如水库中水的大量渗漏，造成地下水位的上升。有研究显示，水库水位的变化与地震活动有着明显的相关性[17-19]，如何应对这些影响也是当前研究的方向。梯级开发对河流水位的影响，会使得河流在沿水深方向上的生态组成结构发生改变。

1.4 对河流形态的影响

河流梯级开发使得天然河道变成由多个规模和调节性能不一的水库、减水河段和未开发河段组成的水体，纵向连续性发生改变。梯级水库蓄水后，库区河段水域面积明显增加，对于深切峡谷型流域，这种对水域形态和面积的改变相对于平原性的河流较为突出。如澜沧江梯级水电站建成后，8个梯级水库面积共62 112 km2，其水域面积比天然河流增加约53 211 km2，是天然水面面积的7倍[20]。下泄清水对河道的冲刷还可能使得河道会发生侧移，河流被裁弯取直。而与直河道相比，蜿蜒的河道降低了坡降，减小了河流流速和水沙输送能力，有利于形成多样的水生环境来保护水生生物的物种多样性。所以，河流形态的改变，也会对河流生态系统产生不利影响。

1.5 小 结

从目前这些研究成果来看，梯级开发从不同的角度都对河流水文情势产生了不小的影响，而这些影响都会紧接着对河流生态系统发生冲击，但是大多学者仅仅只是研究梯级开发对河流水文情势的各个方面产生了何种影响以及影响的程度，对不同规模的梯级开发在不同尺度的河流上所造成的影响研究甚少，而且也没有继续深入研究如何通过工程措施或非工程措施来避免或减小这些影响，笔者认为今后应该更注重这方面的研究。

2 对生态系统的影响

河流生态系统的结构和功能由水文、生物、地形、水质和连通性等5个部分组成，各个部分相互影响，而其中，水文是对河流生态系统起着主动性、决定性的作用，包括河流的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等，水文情势的改变在不同时空尺度上改变栖息地条件，从而影响物种的分部和丰度，进而影响生物群落的组成和多样性[21-23]。近年来，许多评价河流生态系统的方法和模型被相继提出，如Jinpeng等提出一个综合指标——浮游生物完整性指数来评估水生生态系统[24]；Ruonan等以漓江的河坚鱼为研究对象，开发了一个综合模型，可以应用于水库运行以改善河坚鱼的栖息地质量，并且认为该模型经过改编后能应用到其他河流[25]；还有美国环保署的生境适宜性指数(Habitat Suitability Index, HIS)和南非的河口健康指数(Estuarine Health Index, EHI)等。

在河流上修建梯级水库后，可能会使得河流生态系统产生高度的变化，使其稳定性降低，容易受到外来物种的入侵，导致生态系统失衡。Maria等对巴西圣保罗州河流梯级水库的研究发现，河流中物种多样性持续下降，而且有可能随着水库的老化，本地物种持续被外来物种所侵蚀[26]。Yuankun等研究丹江口水库对汉江的生态影响发现水生生物多样性大大降低，提出为了尽量减少负面生态影响，有必要优化水库的运行规则以保护河流生态系统[27]。

2.1 对库区生态系统的影响

大型水库尤其是调节性能好的水库，由于水体的大量蓄积，水位升高较大，在垂直方向上会形成有规律的水温分层现象[28]。水库上层温水由于与空气交换，溶氧量较高，在此状态下，如果库区内氮、磷含量较高，而且库区水流速度较低，透明度大，有利于藻类的光合作用，很有可能会造成水体富营养化。而下层水由于比较平稳，氧气的补充很少，且上层水生生物死亡而沉降到下层后，其分解也会消耗氧，并产生硫化氢等气体，影响水质，并使水体发出难闻的气味。长此以往，下层水体成为了厌氧生物环境，水生生物结构发生改变。Ming等研究发现三峡水库蓄水初期，大型底栖生物密度显著降低；然而经过一定的时间适应后，从2005年起，大型底栖生物的总密度显著增加，而且显示出明显的季节性，在冬季最低，秋季最高[29]。发展到后期时，水库会老化，此时大型底栖生物群落多样性和密度都会降低，形成以耐污种为优势类群的单一结构[30]。

梯级开发库区由于水域面积增加，水体的热效应使得当地的环境质量和陆地性气候得以改善，比如降雨增加、湿度增加、年平均气温升高和温差降低，影响程度与水域面积增加的程度也有着正相关性。刘红年等[31]研究发现，高山峡谷地区的水库由于水域面积增加程度较大，将导致附近地区在冬季增温0.4～0.85 ℃，使春、夏、秋季降温可达2 ℃，但影响范围不大，主要在水平2.5 km、高度0.5 km左右范围内。而如果水库水域面积较天然状况增加不大，则对当地的气候影响较小。王洁研究发现横江各梯级水库库容较小，水域面积增加较小，对当地的气候基本无影响[16]。

2.2 对下游河道生态系统的影响

水库的形成以及水库在枯水期时的下泄水量使得河道下游水位上升，淹没损失漫滩、湿地和岸边植物带[32]，梯级水库的建设将会叠加扩大这些影响。河岸带无法在沉积物、营养物和污染物流入河流之前将它们滤出或吸收，水质会产生变化。Fan Yang等以长江三峡工程为例研究发现河岸植被大比例消失，受到的影响主要来自于洪水的逆转、洪水持续时间延长和新消落带的产生[33]。Ouyang等以黄河上游为例，研究开发了一种用于识别和预测梯级开发对河岸植被影响的分析技术，可以为减少梯级开发对河岸的影响提供基础指导[34]。河岸带是部分陆生植物及候鸟的栖息地，其淹没减少也会对这部分生物造成影响。流速的降低也增加适应平静水流的物种，如水葫芦等，破坏原有的生态系统；流速的降低还会改变河流中污染物的扩散速度，降低河流的自净能力，部分流域回水区出现水体富营养化甚至“水华”现象[35]。

水库在拦截水量的同时还拦截了大量的鹅卵石和砂石，这使得上游河床底部的无脊椎动物如贝壳类动物等的生存环境减少。在下游河段，水电站大流量下泄使得不能承受巨大的流速的小型昆虫若虫和无脊椎动物数量显著降低；流量的陡增引发的漂流，造成底栖生物存量大大减少；受调控的河段水流模式不稳定，也会造成大型无脊椎动物群落物种稀少[36]。

水库的形成还使得河流的纵向连续性、横向连通性以及垂向渗透性发生改变，进而引起水生生物栖息地发生变化。大坝的阻隔将河流生态系统分割成不连续的片段，这使洄游鱼类、半洄游鱼类的生境发生巨大改变。这类生物将无法更换各生活时期的生活水域来满足不同时期的对生活条件的需要，产卵等各种重要生命活动无法维持，继而数量大大减少。

水库排沙和下泄洪水会造成下游河道水体含沙量上升，在下游河道形成高含沙水流。含沙量的增加会降低水体溶解氧浓度，细颗粒泥沙会堵塞鱼鳃结构，影响摄入氧气功能，造成鱼类的死亡[37]。水中含沙量的改变还与鱼类繁殖有着密切的联系。彭秀华在研究中发现，中华鲟会在江水含沙量明显下降之后才开始产卵，产卵过程中江水的含沙量必须要较为稳定[38]，水库的泄洪和排沙将极大的影响中华鲟的繁殖过程。

水量的改变也会影响到鱼类的繁殖。例如，4大家鱼(鲢鱼、草鱼、青鱼、鳙鱼)在一定时间的持续涨水过程后，才会开始产卵。而目前的水库调度规则运行时，河道流量过程趋于均一化，使4大家鱼第1次产卵的信号减弱或消失；同时洪水过程单一化，持续时间变短，连续日流量上涨率减小，洪峰最高流量降低，影响了4大家鱼的繁殖过程[39]。

大型水库会造成水温分层，冬季下层水温偏高，春夏秋季下层水温偏低；下层水下泄后，会使得下游河道水温在冬季偏高，春夏秋季偏低，干扰鱼类的繁殖过程。有研究发现[40]，三峡水库蓄水后，下游宜昌江段中华鲟和4大家鱼产卵时间推迟，且产卵规模大幅度降低。

2.3 小 结

河流生态系统是一个复杂、开放、动态、非平衡和非线性系统，研究河流生态系统特别需要关注河流生命系统和生命支持系统的相互作用和耦合关系[41]。梯级开发对河流水文情势和生态系统的影响并不是独立的，而是首先通过改变河流的水文情势，继而对河流的生态系统产生影响，河流生态系统的改变还会反作用于河流水文情势。目前的研究表明，梯级开发使得河流水文情势发生改变并作用于河流生态系统，但是河流生态系统的改变并不只是因为水文情势的改变，也存在其他的原因，人类的活动例如捕捞和对河流的污染等也会影响河流生态系统，所以笔者认为，需要进一步研究并阐明河流水文情势及其各个方面与河流生态系统的相关性，为如何避免或减小这些影响以及如何恢复河流的水文生态提供理论基础。

3 结语与展望

随着经济社会的不断发展，对能源和水资源的需求增加，河流的梯级开发成为常态，现行的水库调度规则一般以防洪和兴利调度为目标，对于保护河流健康的关注有所欠缺，随着人们对河流健康关注度的上升，研究河流梯级开发对河流水文情势及生态系统的影响具有重要意义。本文系统地归纳总结了梯级开发从多个方面对河流水文情势和生态系统的影响，并解释了二者之间的内在联系。虽然众多学者已经就梯级开发对河流的水文生态影响进行过很多研究，也取得了大量成果，但是仍然存在很多不足之处。例如目前对河流梯级开发的水文生态影响研究大多集中在对水文情势的影响，对河流生态的影响研究较少；梯级开发对河流水质的相关影响研究很薄弱；对梯级开发所造成的回水对河流的影响及相关研究较少；而且目前的研究对象大部分都局限于某一个方面，未能就梯级开发对河流产生的综合影响以及累积效应开展研究。因此，本文认为今后需要在以往的研究基础上，对不同尺度的河流以及不同的梯级开发规模筛选出河流受梯级开发影响的重要因子，并进行相关性分析，研究梯级开发在不同时空尺度条件下对河流的综合影响，着重于对河流生态的影响，提出相关的适用模型对河流梯级开发进行影响评价，为梯级开发环境影响评价提供理论基础，并就如何避免或减小这些影响以及如何恢复河流的水文生态展开研究。

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