[俄羅斯]M.P.費德洛夫 I.N.烏薩切夫 A.L.蘇達(dá)拉娃等

岳 兵 譯自英刊《水電與大壩》2009年增刊

基斯羅古布斯卡亞電站是世界上最早建成的潮汐電站之一,已運行 40余年。它為證實潮汐電站建設(shè)在技術(shù)及環(huán)境上的可行性起到了非常重要的作用。

與傳統(tǒng)電站相比,潮汐電站有很多優(yōu)點:無污染、不占用土地、不需要移民搬遷,而且在潰壩時不會對人類的生命和財產(chǎn)構(gòu)成威脅。

除了這些固有的優(yōu)點外,有必要就潮汐電站的環(huán)境影響進(jìn)行深入研究,為此 Lengidroproekt研究所于1924年開展了對基斯拉雅(Kislaya)海灣區(qū)域環(huán)境的研究。俄羅斯科學(xué)院極地漁業(yè)和海洋研究所(PIFO)于1960～1970年對該區(qū)域的植物區(qū)系和動物區(qū)系進(jìn)行了研究。截至1983年,來自摩爾曼斯克海洋生物研究所(MSBI)、PIFO、莫斯科國立大學(xué)、圣彼得堡國立科技大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院科拉分院等單位的專家就基斯羅古布斯卡亞電站對環(huán)境的影響展開了深入研究。

1 電站剛建成時的生態(tài)系統(tǒng)狀況

基斯拉雅海灣面積很小(1.1 km2),具有一個狹窄入口和一海脊。全長3.5 km,被約5 m高的海脊分成兩部分,水深為 36m左右。

在建設(shè)電站前,海灣和大海之間的水體流動不受任何限制,潮汐是有規(guī)律的半日潮。生物屬于海洋類型,海灣上游生活著咸水生物。研究人員在建站前已經(jīng)對該區(qū)域的生物種類及其豐富度進(jìn)行了調(diào)查,在科拉海海灣通常生活著大約210～220種生物。

對被海壩阻隔的水域的研究表明,其水文條件完全依賴于規(guī)律性的水體交換。在潮汐電站建設(shè)過程中,該海灣的入?？诒灰怀毕珘巫钄嗔?4 a,使海灣變成一個淡水 -海水的局部循環(huán)池。

在電站正常運行前的建設(shè)期及第1年的試運行期間,基斯拉雅海灣和巴倫支海間的水體交換速度下降了5～7倍。其結(jié)果引起了該水庫水文特征的改變:潮汐范圍及循環(huán)下降、表層水發(fā)生巨大的改變、表層和深層水體交換停止,并且冰情也發(fā)生變化。這些徹底改變了基斯拉雅海灣的生態(tài)狀況。

20世紀(jì) 80年代早期,水體交換已降到最低的程度。研究發(fā)現(xiàn),這段時間物種組成發(fā)生了改變。淺水區(qū)生物量和產(chǎn)量大大降低。由于表層水的脫鹽化,大型植物群落已經(jīng)完全消失,并且大量的蚌類、貝類也因水體硫化氫污染而絕跡。潮間帶生物群落面積減少,海面以下20多米處動物絕跡。

但在1984年,電站開始按設(shè)計工況運行,水體交換恢復(fù)到天然狀況下的1/4。PIFO與 MSBI對海底生物進(jìn)行了研究,結(jié)果證實海底生物群落已經(jīng)開始恢復(fù)。

隨后發(fā)現(xiàn),脫鹽化對海洋生物的影響局限在 3～5m深的區(qū)域,并且僅在庫區(qū)的中游以及上游水深15～20m的水域發(fā)現(xiàn)水體硫化氫污染和沉積物減少的現(xiàn)象。海平面12 m以下的海洋生物都得以恢復(fù),尤其是一種稱為多枝紅石灰藻的生物。

1983～1984年,在基斯拉雅海灣共發(fā)現(xiàn)了115種海洋生物(占建站前總數(shù)的53%),其中包括14種大型植物、96種底棲動物和5種魚類。但沒有發(fā)現(xiàn)潮間帶大型植物(如巖藻屬、泡葉藻屬等)。在巖質(zhì)潮間帶,無脊椎動物和植物的數(shù)量降低了約 6倍(共11種,建站前為 60～70種),海底生物量下降了2～3倍。在砂質(zhì)潮間帶,物種數(shù)量下降了 3倍(共 8種,建站前為24 ～25種 )。

在新排水區(qū)的下部零星分布著多種蚌類,諸如白鳥蛤,上部海搖蚊居多?？傮w上來看,海沙蠋種群沒有恢復(fù)。在深水區(qū),這些物種部分被 Polyheta nereis替代。植物群落也有所改變,海面被幸存的水生植物,諸如廣鹽性絲狀綠藻、濱褐藻、外子藻屬和硅藻及藍(lán)綠藻所覆蓋。

電站正常運行后,生態(tài)系統(tǒng)狀況在2 a內(nèi)開始好轉(zhuǎn)。雖然冰覆蓋仍然存在,但脫鹽化大大減弱。與外海相比,浮游生物群落僅在其結(jié)構(gòu)和演替上稍有差異。在基斯拉雅海灣山區(qū),形成河口復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。潮間帶生物群落開始在新的垂直界面上形成。在基質(zhì)為砂土的排水區(qū),紫貽貝幾乎占據(jù)了白鳥蛤全部和海搖蚊大部分的棲息地,隨后它們又被海洋類型生物替代。各種 polyhet大量增加,騰壺屬的植物在潮汐區(qū)的礁石上大量繁殖。在亞潮間帶上區(qū)能觀測到繩藻以及一些海星和海膽類生物(波羅的海星、綠海膽)的快速增長。

在生態(tài)系統(tǒng)開始恢復(fù)的 3 a中,對電站進(jìn)行了修復(fù),這為海洋生物創(chuàng)造了更為有利的水體交換條件。在其后正常運行的2 a中,在潮間帶垂直面上的主要種群趨于穩(wěn)定,并且淺水砂土區(qū)海底生物變遷也基本結(jié)束。海底生物的種類達(dá)到25種,生物量增加(主要是蚌類生物量增加),其中潮間帶上區(qū)增加到2～3.4 kg/m2,潮間帶下區(qū)增加到0.1～0.9 kg/m2。

在基斯拉雅灣寬闊的水域,夏季水體密度躍層深達(dá)18～19 m,而在海灣上部水域則維持在7～9 m。在海灣的中部水域,水體交換條件改善的結(jié)果是硫化氫污染消失,底棲生物恢復(fù)。

大型植物種類也恢復(fù)到建站前的 33種。雖然墨角藻在排水區(qū)的下部隨處可見(基斯拉雅灣崎嶇段除外),但潮間帶大型植物充分生長的狀況尚未得到完全恢復(fù)。一些生活在土壤中、在退潮期能夠抵抗較長時間流水沖刷的物種,在淺海區(qū)域的上部生存了下來。

2 潮汐電站水庫水體脫氧后的生態(tài)狀況

基于1991～1994年在隔離的水庫以及從海灣一側(cè)向大壩延伸的烏拉灣淺海區(qū)的觀測資料,對該區(qū)域的水體結(jié)構(gòu)、物種多樣性以及浮游動物的種類和分布進(jìn)行了分析。

夏季水庫水體明顯分為 4層。表層水深2～5 m,溫度較高(12～15℃),并且海水鹽度的變化較大。壩區(qū)水體的鹽度為 30‰,而庫區(qū)上游因為湖泊淡水的進(jìn)入而使鹽度降為零。

亞表層具有平流特點,鄰近電站的深孔水深5～15 m,是一個相對均一(溫度為 8～9℃,鹽度為32‰～32.5‰)的水層。在水庫上游密度躍層要比下游深5 m,其中鹽度對該躍層形成的作用要比溫度的作用強2～3倍。

孔深層水的溫度和鹽度較為恒定,年際間差異微小(溫度為1.5～2.0℃,鹽度為 34‰)。其通氣狀況存在實質(zhì)性的差異,深孔含氧量較高,為 4～6 mg/L,而表孔含氧量為 0～4 mg/L,并且有時候還可檢測到硫化氫。烏拉海灣參與水體交換的水體結(jié)構(gòu)與潮汐水庫的情況基本一致。

水庫水體交換穩(wěn)定(達(dá)到設(shè)計狀況)時,水庫和鄰近海域的水體結(jié)構(gòu)和浮游生物量基本一致。烏拉海灣淺水區(qū)生活的各類浮游動物在水庫都可以找到。在庫區(qū),自大壩到上游的淡水區(qū)物種數(shù)逐漸減少。烏拉海灣浮游動物分布密度較大。在潮汐水庫,鄰近大壩處浮游動物數(shù)量顯著減少,全庫各深層的浮游動物數(shù)量均少于烏拉海灣。

表層水中的浮游生物最多,亞表層略少,而在密度躍層和孔深水處急劇減少,尤其是在缺氧的表孔。

與浮游生物的分布不同,海底生物群落的結(jié)構(gòu)不僅與周圍的水體特征有關(guān),還取決于土壤特性、海底是否存在合適的基質(zhì)以及生物間已經(jīng)形成的相互關(guān)系。因此,在環(huán)境改變的影響下,海底無脊椎動物群落的變化更為緩慢,但另一方面,一旦發(fā)生變化,其狀況將長期維持不變。因此,在研究潮汐電站對海洋生態(tài)系統(tǒng)長期影響的程度和影響性質(zhì)上,相比其他生物群落,研究對象更宜選用海底生物群落。

由莫斯科國立大學(xué)領(lǐng)銜的研究表明,自從水體脫氧化開始消失的 8 a中,水庫生物量以及海洋類型物種數(shù)量不斷上升,曾遭破壞的動物群落生境(在深孔處由脫氧化引起,在潮間帶由脫鹽化引起)有所恢復(fù)。如果基斯拉雅海灣的非生物條件保持穩(wěn)定,一些海底生物群落會逐漸形成。然而,它們不可避免地與建站前的群落有所不同,因為引起它們演替的主要因素依然存在并發(fā)揮作用:海灣和外海間的水體交換減少,潮汐水庫水體結(jié)構(gòu)和海底水動力學(xué)由此發(fā)生了改變。壩區(qū)海底生物群落的重建要比浮游生物群落重建耗時長,并且重建后的生態(tài)系統(tǒng)與原來的系統(tǒng)有所不同。群落的形成和發(fā)展不僅與潮汐水庫和外海之間的水體交換特點有關(guān),還與水體結(jié)構(gòu)以及水體動力學(xué)有關(guān)。

潮汐堰壩建設(shè)影響魚類從海洋洄游到水庫和河流。然而,Sevryba公司得出的基斯羅古布斯卡亞潮汐電站理論數(shù)據(jù)和試驗(通過捕獲來調(diào)查穿過大壩的魚量)結(jié)果表明,直徑大于25 cm的魚可以毫無損傷地穿過直徑為3.3m、運行速度為72 r/m in的燈泡式發(fā)電機組的導(dǎo)葉和低水頭轉(zhuǎn)輪。對于更大的電站來說,機組轉(zhuǎn)輪的直徑達(dá)到5～10m以上,故對于魚類的通過更是沒有問題。另外,魚類自由通過堰壩,也意味著它們能通過電站閘門(每次潮汐循環(huán)閘門打開2～2.5 h蓄水)。為基斯羅古布斯卡亞電站設(shè)計制造的新型正交水輪機組,將使魚類暢通無阻成為可能。與軸流式水輪機不同,其過水能力翻番(空轉(zhuǎn)狀態(tài)),垂直葉片等截面1.2m寬、轉(zhuǎn)速只有37 r/min,使魚類更易通過。

3 電站穩(wěn)定運行時的生態(tài)狀況

按照 UNESCO“波羅的海漂流大學(xué)”計劃的研究框架,1994～1996年夏季開展了對基斯拉雅海灣(潮汐水庫以及附近的烏拉海灣)的研究。其目的是開發(fā)海岸環(huán)境技術(shù)體系的監(jiān)測技術(shù),并評估基斯拉雅海灣生態(tài)系統(tǒng)演替情況。

對非生物因素狀況的分析表明,影響潮汐排水區(qū)海底生物的限制因素包括:脫鹽化、影響生物群落類型的土壤類型、人為改變潮汐(規(guī)模及低水位持續(xù)時間)節(jié)律的程度。水孔底部海底生物的發(fā)展受到缺氧的不利影響。

在受潮汐影響的區(qū)域,分布著兩種類型的海底生物群落。其中一種分布在淺海礁石區(qū),包括騰壺、腹足類(蝸牛)、端足類等10個種群。最多的物種是騰壺,其分布密度達(dá)到 40～60個/m2,多的達(dá)到100個 /m2。

在基斯拉雅西岸環(huán)礁湖砂土區(qū),生活著以 3個優(yōu)勢種群(鹽生搖蚊、蛤、溝蝦等)為主的生物群落:第1種屬于海洋生物類型,而第2種介于咸水和海洋生物類型之間,第 3種(食草蝸牛)只在海灣的南部可見,分布密度達(dá)到 300個 /m2。

蛤類(海灣中部)和?？?海灣上、中部)在次大陸架中零星可見,扇貝分布在海灣上部和中部的交界處,但數(shù)量不多。紫貽貝作為可食用的蚌類,其分布密度還達(dá)不到商業(yè)捕獲的要求。因此,根據(jù)以上分析,在潮汐電站庫區(qū)內(nèi)沒有一種海底生物具有市場開發(fā)價值。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,以下幾種海底生物可以作為長期監(jiān)測基斯拉雅海灣的指示生物:濱螺、紫貽貝和綠海膽。

4 結(jié) 語

對基斯拉雅海灣環(huán)境的深入研究得出,該海灣生態(tài)系統(tǒng)已基本穩(wěn)定。一方面,一些特殊的海底和浮游生物物種數(shù)量已經(jīng)達(dá)到較高的水平。另一方面,該海灣新生態(tài)系統(tǒng)還沒有完全形成。在一些非生物環(huán)境條件變化的影響下,正在形成的生態(tài)系統(tǒng)已與先前的系統(tǒng)有所區(qū)別。例如,在1996年異常高水位年份,由大量融化水和排水導(dǎo)致的強脫鹽化使海灣生物群落短期受到巨大影響。

與自然生態(tài)系統(tǒng)相比,基斯拉雅海灣物種減少和其生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定性可作為環(huán)境變化的證明。潮汐電站對環(huán)境的影響以及鹽水物種保護(hù)是基斯羅古布斯卡亞蓄潮池環(huán)境技術(shù)體系的主要內(nèi)容。潮間帶被認(rèn)為是生態(tài)風(fēng)險最大的區(qū)域(該區(qū)域海水可能嚴(yán)重脫鹽化)。此外,低氣壓的水孔(因氧虧)也被認(rèn)為是另一個生態(tài)風(fēng)險區(qū)。

為改善基斯拉雅海灣生態(tài)狀況,可采取如下一些工程技術(shù)措施:

(1)潮汐發(fā)電機組應(yīng)該在生態(tài)安全設(shè)計模式下運行;

(2)在潮間帶,人工構(gòu)建由多種海藻組成的生境,它們對脫鹽化不敏感并且可以吸引一些浮游水生生物;

(3)通過輸入烏拉灣的海水,可將一些含氧豐富的冷海水補充到缺氧的水孔;

(4)可以考慮建立幾個海水養(yǎng)殖中心。根據(jù)PIFO養(yǎng)魚設(shè)施的運行經(jīng)驗,在基斯羅古布斯卡亞潮汐電站的兩側(cè)可以養(yǎng)殖虹鱒、鮭魚和鱈魚。

在俄羅斯潮汐電站設(shè)計中的生態(tài)優(yōu)化方案中,應(yīng)關(guān)注以下幾種趨勢:

(1)在確定潮汐電站布置方案以及在設(shè)計、比選合適的建造方法時都要考慮生態(tài)因素;

(2)利用對環(huán)境負(fù)面影響最小的工業(yè)技術(shù)和設(shè)備;

(3)采用并維持一種能防止海洋生態(tài)系統(tǒng)退化的運行方式;

(4)開發(fā)和實施一些特殊的措施,例如環(huán)境可持續(xù)的土地開墾、自然保護(hù)和環(huán)境保護(hù)等;

(5)潮汐電站對環(huán)境的影響具有區(qū)域特異性,而沒有全球普遍性。

經(jīng)研究證實,潮汐電站對人類健康沒有影響,并且對環(huán)境的影響是可控的,在電站規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行的所有階段采取預(yù)防性的措施、借鑒以往的經(jīng)驗和教訓(xùn)、聽取各種意見等可將對環(huán)境的影響減至最小。

自1924年開始的基斯拉雅海灣生態(tài)監(jiān)測(提供了 90多年的數(shù)據(jù)資料),在證實俄羅斯潮汐電站生態(tài)安全方面起到了重要作用。有關(guān)基斯羅古布斯卡亞潮汐電站對生態(tài)影響的詳細(xì)研究為今后潮汐電站設(shè)計、建設(shè)和運行原理的創(chuàng)建具有相當(dāng)大的作用。