王俊杰
（陕西省土地工程建设集团有限责任公司黄河西岸土地整治分公司 陕西 西安 710000）
摘 要：在自然水体流域沿线依据地形进行阶梯式的水电站开发建设是目前提高水能利用效率，通过水力发电技术生产清洁能源的重要手段。该举措有利于缓解目前全球范围内日趋严峻的化石能源枯竭和环境大气污染问题，是我国自“十一五”规划以来着重发展建设的重点民生工程之一。然而，水电站的梯级开发需要在一条水域的各段建设水坝、水轮机等一系列截水和水力发电构筑物，对当地的气候和水文地质条件造成改变，加之设备运行过程中的噪音污染等因素都会对周边的生物的生存环境造成不可避免的伤害。本文在查阅相关文献的基础上结合个人工作经验，总结了水电站梯级开发对周边生物系统结构的影响，为水电站建设的生态可持续性评估提供参考。
关键词：水电站；梯级开发；生态结构；影响
中图分类号：S157.3；文献标识码：A
0 引 言
水力发电的基本原理是先利用流域上下游高差造成的水流势能带动水轮机转动，再让转动的叶轮切割磁感线，借助电磁感应现象产生电能。因此水电站通常建设在流域上下游高差悬殊的地段，特别是瀑布的下游[2]。而当一条具有开发价值的水体流域从河源到河口的长度超过了一个水电站开发所能达到的最大开发段长时，就必须采用分段开发的策略，将原本的流域分为多个开发段，建立独立的呈现阶梯式的连续水利枢纽。这样的水能开发方式就被称为流域的阶梯开发，而每个开发段中的水电站就被成为梯级电站[1,2,3]。
梯级电站的开发更加适应大多数流域的地势特点，能够提供源源不断的低成本清洁电力资源，为我国经济社会的进一步发展提供动力。但是，在实践中，我国各个流域梯级电站项目从开最初发勘探设计、中期施工建设再到最后的投产运营环节都是以经济利益为导向，几乎没有兼顾到项目的开发建设对周边生态环境可能造成的潜在影响，使得项目的经济和生态耦合性较低，对项目周边环境造成小到扰动，大到破坏性影响的负面生态效应，大大降低了阶梯电站项目建设流域的生态可持续性。
阶梯电站开发建设负面效应的产生也是我国改革开放以来奉行一切以经济建设为中心的发展策略的必然结果。但随着近年来我国全民生态意识的提高，特别是保护环境作为我国的一项基本国策被正式确立，生态友好被提升到了与经济发展更为重要的位置上[4]。梯级电站的开发自然也不例外，必须在水能开发与流域可持续发展并行的总体思路下进行。在这样的时代背景下，本文从生态学和生物学的相关理论知识为切入点，结合案例和自身工作实践经验，总结了梯级电站开发对生态结构的具体影响，为解决生态问题，改善能源结构提供科学参考。
1 水电站梯级开发对水体微生物结构影响研究
1.1溶解氧浓度变化
水电站的建设会影响水体中的溶解氧浓度，改变微生物种群结构。水能的利用分为蓄能、释能和能量转化三个基本步骤，其中的第一步就是积累足够的水体势能，方法则是修建大坝拦截地表径流，抬高水位，增加水量。但是这一做法将原本的河道型水体转变为了湖泊型水体，大大减缓了流域的整体流速，增加了水力停留时间，使得水体的富氧能力下降，并同时促进了有机物质的富集。因此，一旦水电站开始运行，大坝蓄水将导致水体的生化需氧量（BOD）逐渐升高，溶解氧（DO）浓度降低，滋养水中的厌氧和兼性厌氧微生物大量繁殖，最终这些微生物的厌氧发酵将导致水体水质的恶化[5]。同时，在缺少好养条件的情况下，水体中的磷酸盐浓度也将因为无法被聚磷菌正常新陈代谢而快速升高，诱发水体富营养化现象，引起藻类的疯狂繁殖。通常，藻类植物会快速覆盖整个水体表面，将水中的溶解氧迅速消耗殆尽，并阻止阳光透过水面与水中的植物进行正常的光合作用，引起水体水质的下降和水生动物的大量窒息死亡[5]。
1.2酸碱平衡失调
此外，水电站开发会改变水体物理生化指标，进而影响微生物种类。当水中的溶解氧变化导致一系列的连锁反应之后，水体的pH值将不可避免的发生变化，直接改变水中各类无机和金属元素的浓度，影响微生物种群。例如我国辽西区域的大凌河流域本是一片生物多样性丰富的流域，但由于阶梯电站的开发导致周边几家矿产企业的生产废水在流域中的停留时间大大增加，使得水体的pH由原本的7.5~8.0变为了9.2~9.5，致使水中生物以每年一种的速度灭绝。无独有偶，我国于上世纪60年代在乌江流域兴建的11所阶梯水电站也在日后的几十年中不断地经历富营养化、汞元素、锰元素超标以及总铵浓度超标等一系列的生态问题，装机容量高达834kW的发电站始终没有能够正常全力运转[6]。不仅如此，这里原本的II类水质也因为水电站对设生态环境的改变最终降低到了劣V类，成为了当地名副其实的“臭水沟”。不仅破坏了生态环境，还使得这一水电站项目宣告失败，当地政府不得不再次投入资金拆除电站，治理水系，成为了一个典型的反面教材。
2 水电站梯级开发对水生植物结构影响研究
2.1 引发水华，杀死水下植被
水生植物是水域生态环境中的重要组成部分，它们不仅可以进行光合作用，产生氧气供给生物呼吸。还可以通过蒸腾作用提供足够的湿度，调节气候。另外水道两侧植被的根系组织还可以起到防风固沙，保持水土的作用。根据前文所述，梯级水电站的建设会直接增加水体中磷酸盐的浓度，引起“水华”现象，表现为水体表面藻类植被的大面积疯狂生长和水体内部需要进行光合作用的植被的大面积死亡，直接影响水电站周边水生植物的种群结构[7]。
2.2 冲击土层，造成水土流失
从构筑物建设的角度来看，在施工建设期间，大坝以及发电站的建设都需要对河道和建设地周边进行河道扩宽和土方开挖，不可避免的会损伤甚至移除一些植被用来给构筑物建设留出空间。
特别是在一些一些山地区域，河道两岸的多是由水力冲刷形成的河漫滩，土层厚度普遍偏薄，生态系统十分脆弱，一旦由于施工造成破坏将很难在自然条件下得到恢复，并且埋下水土流失的隐患。而在水电站的运营期间，不断的周期性蓄水和泄水会反复改变河道两侧的水文地质条件，严重阻碍了新生植被的萌芽生长。
2.3 抬高水位，淹没周边植被
更为糟糕的是，为了积累足够的势能，蓄水水位常常要高出原水位数十米，代价就是蓄水水位与原水位之间的一切陆生植被的永久破坏[8]。例如我国金沙江中下游区域的水电站阶梯建设项目，由于当地沿江两岸的山坡土层偏薄，在施工过程中又未能采取有效的防护措施，造成了两岸的表层土壤与下部浅层岩石剥离，严重破坏了两岸原有的灌草植被，给当地的植被生态系统造成了不可挽回的损害。项目建成后，坝前蓄水水位抬升至820m，直接淹没影响涉及四川省凉山彝族自治州的宁南县和会东县及云南省昭通市的巧家县、曲靖市的会泽县、昆明市的东川区和禄劝县，共 6 个县(区)38 个乡镇 110 个行政村 , 影响农用地面积8 558 hm2[9]。
3 水电站梯级开发对动物结构影响研究
3.1 改变动物栖息环境，阻碍鱼类迁移
如前文所述，无论水体微生物还是水生植被种群的变化都会对周围动物的栖息环境带来改变。其中植被的减少还会改变当地的气候条件，使得一些对温度和湿度敏感的动物面临灭顶之灾。此外，修建蓄水大坝将在河道断面形成物理屏障，阻挡了某些鱼类的正常迁徙和产卵活动，导致种群数量的严重减少。据报道，在北美洲太平洋和大西洋沿岸的水坝阻挡了当地鲑鱼在产卵期前往上游水流平稳区域产卵以及年幼的鲑鱼的入海，大大减少了当地的鲑鱼种群数量[9]。为此，当地政府采取了修建鱼梯和在鲑鱼产卵期降低大坝使用频率等一系列措施，但效果仍旧十分有限。甚至有些地区迫于无奈人工通过游艇运输鲑鱼乃至拆除部分大坝（如旱獭大坝）来恢复鲑鱼的种群数量。在我国也有类似的案例，最为典型的就是长江三峡大坝对野生中华鲟洄游和繁殖路线的干扰导致该物种在长江流域濒临灭绝。大坝的修建除了影响鱼类的通行之外，在枯水期的蓄水行为还会直接导致下游区域处于周期性的脱水状态，挤压下游河段鱼类生存空间，致使鱼类种群数量急剧减少[10]。
3.2 引发食物链连锁反应，破坏渔业
当鱼类因为水环境改变或迁移受阻出现种群数量下降之后，以鱼类为食的鸟类和陆生动物也将因为缺少食物生存危机。不仅如此，脱水现象也会使得水质下降，威胁生物的饮水安全[11]。例如，我国岷江上游支流理县附近两座梯级电站之间约15公里的河道就是因为蓄水导致河道脱水，鱼类数量大幅度降低，以往周围居民赖以生存的渔业也被迫终止，影响了当地居民的收入。
除了上述两点，水电站在运行的过程中尽管不会产生有毒有害的气体或液体，但水轮机和水流倾泻而下产生的噪声污染却无法避免。这样的噪声给附近居民和动物都造成了严重的生存困扰[12]。
总之，梯级电站的修建会将开发河段原有的河流生态系统转化为水库生态系统，使得生物种群结构向静水群落演化。但其造成的脱水等客观事实会极大的威胁鱼类和与之相关整个食物链上物种的生存[12]。因此在规划梯级电站的时候必须要进行严格的水文地质条件勘探和影响评估。
4 总 结
梯级电站的开发建设是缓解能源危机、改善空气污染的有效途径，是我国未来重点发展的战略性民生工程之一。但是，这种对自然环境的“侵入式”改造将注定会带来一系列的蝴蝶效应，对当地的生态环境造成极大的影响，最终的结果很可能是我们人类自食恶果。
本文以相关文献为基础，结合自身工作经验，总结了梯级电站开发对周边生物系统的影响：（1）对于水生微生物，梯级电站通过影响水流的停留时间，影响水体溶解氧浓度，扰乱了水体自净的正常运作，进而引起水中氮、磷、无机盐以及金属离子浓度的连锁变化，改变水体pH值，改变水体中微生物的种群结构。（2）对于植被来讲，水电站的梯级开发建设会直接影响水体的水位和水流条件，破坏河道周围的土壤环境，威胁植被的生存。此外，水电站建设所诱发的“水华”现象也是造成区域植被破坏的重要原因之一。（3）在物种种群方面，水坝的物理阻隔作用不仅会严重阻碍部分鱼类的迁移繁殖行为，在下游区域形成脱水现象，大大压缩鱼类的生存空间，导致种群数量下降。还会将原本的流域性水体改变为水库型水体，使得水生动物在自然选择的情形下向静水型生物系统转变。
水电站的梯级开发是我国实现可持续发展的必然选择，但在开发过程中必须摒弃以往一切以经济利益为主导的发展思路，在梯级电站开发之前对意向流域进行充分的水文地质勘探调研，评估生态影响，并综合经济、社会和生态效益论证可行性，研究建设具体方案，采用对自然影响最小的开发建设方式进行开发。
参考文献：
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作者简介：王俊杰（1990-），男，硕士研究生，主要从事水利工程与土地工程科学研究