龐明月, 張力小, 王長波

北京師范大學環(huán)境學院， 水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

基于能值分析的我國小水電生態(tài)影響研究

龐明月, 張力小*, 王長波

北京師范大學環(huán)境學院， 水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

如何系統(tǒng)定量地評價小水電開發(fā)過程所引起的景觀變化、河流局部斷流等生態(tài)影響，是平息爭議、進行合理規(guī)劃與開發(fā)小水電前提之一。運用能值分析方法，以貴州省赤水市觀音巖水電站為例，將小水電建設、運行的資源投入，以及河道中水流的時空改變所導致生態(tài)服務功能的損失納入核算體系，對其生態(tài)影響進行綜合定量評估。從2010年的實際結果來看，由于河流斷流，導致水壩下游生態(tài)系統(tǒng)服務功能的能值損失為2.77×1018sej，占到了系統(tǒng)建設運行總投入的44.84%，其中重點保護魚種在影響河段的生境破壞是最大的能值損失。若不考慮下游生態(tài)系統(tǒng)服務功能損失，系統(tǒng)的環(huán)境負載率為1.92，可持續(xù)性指標為1.22；而考慮下游生態(tài)影響之后，系統(tǒng)環(huán)境負載率增大至4.26，可持續(xù)性指標減小為0.34。研究表明，小水電的開發(fā)必須遵循適度開發(fā)、規(guī)劃優(yōu)先，保障河流最基本的生態(tài)需水底線，是協(xié)調小水電開發(fā)和河流健康矛盾、追求小水電持續(xù)發(fā)展的剛性要求。

小水電; 生態(tài)系統(tǒng)服務功能; 能值分析; 生態(tài)影響

相比于備受爭議的大型水電工程的生態(tài)影響[1]，小型水電站(簡稱小水電)的環(huán)境友好性似乎得到了公眾的普遍認可，如Paish認為小水電工程簡單，對當地生態(tài)環(huán)境的負面影響比大型水電工程要小得多[2]；實驗方法證明在適度開發(fā)和采取合理保護措施的情況下，小水電不會對下游河流底棲藻類、水質和魚類產生較大影響[3-4]；能值分析也顯示小水電建設運行過程中的資源使用對生態(tài)環(huán)境的壓力較小[5]?；谶@種對小水電環(huán)境友好性的認知以及解決偏遠山區(qū)居民的用電問題，我國小水電自改革開放以來得到快速發(fā)展，截至2011年末，全國范圍內已建成小型水電站4.5萬多座，裝機容量6212萬kW，年發(fā)電量1757億kWh[6]。

但是，近些年我國快速甚至“過熱”的小水電開發(fā)開始呈現盲目、無序等趨勢，如在貴州省赤水市境內長48.6km的習水河干流上，所建小型水電站達10級之多，各級水電站水壩攔截與引流無序分配河水，導致在大多數年份下河流基本生態(tài)需水得不到滿足，許多河段出現斷流，河流生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，削弱了河流生態(tài)系統(tǒng)服務功能。因此，關于小水電開發(fā)生態(tài)影響的爭議持續(xù)出現在學術界及媒體輿論中[7-9]。但是，目前關于小水電生態(tài)環(huán)境影響的研究多為基于某一時間點與時間段的實驗監(jiān)測對單要素的定量分析，能夠整合建設運行對區(qū)域資源環(huán)境壓力、生態(tài)系統(tǒng)退化等影響的系統(tǒng)性評價較少見于報道。

能值分析方法是重要的生態(tài)能量方法之一，能夠統(tǒng)一度量系統(tǒng)內儲存和流動的各種形式物質和能量，以能量的集聚、結構與效率等特征指標來衡量系統(tǒng)的改變，能夠對系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境影響和可持續(xù)發(fā)展水平進行綜合定量分析[10-14]，目前已被用于國內外幾座大型水電站的系統(tǒng)分析[15-17]，筆者也將其應用于小水電的可持續(xù)性分析[5]，為本研究提供了很好的基礎。因此，本研究選取習水河干流上的觀音巖水電站為例，將小水電建設、運行的資源投入，以及河道中水流的時空改變所導致生態(tài)服務功能的損失納入核算體系，利用能值分析方法對其生態(tài)影響進行定量分析，以期為小水電開發(fā)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展提供定量化依據。

1 研究對象與方法

1.1 觀音巖水電站概述

圖1 觀音巖水電站景觀圖Fig.1 Landscape photo of Guanyinyan SHP station

觀音巖水電站(N28°32′24.89″，E106°06′39.81″)位于貴州省赤水市官渡鎮(zhèn)境內習水河干流上，為習水河干流赤水市境內河段水電梯級規(guī)劃的第五級電站，項目總投資2809.5萬元，始建于2005年，為壩后式水電站，其發(fā)電用水來自習水河上游，主要任務為水力發(fā)電。水電站攔河筑壩，集中落差，水庫正常蓄水位容量為121萬m3，平均水頭為11.75m，水流由進水口經引水管道進入發(fā)電廠房發(fā)電，水輪機引用流量為32.2m3/s，尾水經尾水渠排入習水河下游，水電通過變電設備向遵義市電網供電(圖1)。電站設計裝機容量為3200kW，年利用小時3810h，年發(fā)電量為1220萬kWh。但因來水受季節(jié)性降雨和上游水電站的影響，電站實際運行情況與設計規(guī)劃存在一定差距，2010年發(fā)電量僅為633萬kWh，上網628萬kWh，折算成年滿發(fā)小時數為1979h(表1)。另外需要指出的是，在水壩下游約2.28km處有習水河一級支流長嵌河匯入。

1.2 小水電生態(tài)影響機理解析

一種事物對另外一種事物的影響，可以看作它們之間相互作用導致的特定改變。從某種意義上講，改變就是一種影響，雖然這種影響或正或負。小水電的建設運行對生態(tài)環(huán)境的改變主要包括兩方面：大量外部資源投入導致的能量集聚(表現為景觀破壞)和攔截引流導致水量時空分布變化(表現為間歇性斷流)導致的下游河段生態(tài)系統(tǒng)退化。

表1 水電站設計運行清單Table 1 The main characteristics of small hydropower plant

(1)建設運行期間的外部資源投入

小水電在建設期間，需要大量來自社會的如水泥、機械設備、鋼材等非可再生資源的投入；運行期間所需外部資源投入較少，但仍需要勞動力等的投入，如圖2所示。從外部引入的這些資源在本地使用，雖然沒有直接污染本地的生態(tài)環(huán)境，但使得本地系統(tǒng)因為能量的輸入遠離平衡態(tài)，破壞了系統(tǒng)原有的景觀結構，對當地生態(tài)環(huán)境造成壓力。

圖2 觀音巖水電站的物質能量流動圖Fig.2 Diagram of the emergy flows in Guanyinyan SHP station

(2)運行期間水壩下游河段生態(tài)系統(tǒng)退化

圖3 案例小水電生態(tài)影響示意圖Fig.3 Diagram of ecological impacts of the studied system

小水電攔河筑壩，不會改變河流的總水量，但會改變河水下泄的時間，從而改變了河流水體的自然時空分布，中斷河流生態(tài)系統(tǒng)原有的“時空連續(xù)性”[7-8]。如圖3所示，小水電在運行期間將連續(xù)的自然河流分成了三段水體：擋水壩以上河段(A)、水壩取水口與出水口之間的河段(B)以及出水口至支流匯入的河段(C)。對觀音巖水電站2010年每日運行數據進行統(tǒng)計可知，水電站上游每日都有來水，即A河段不會出現無水情況，因此A、B、C三段水體的生境可分為圖3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種情景。其中，情景I即水壩出現溢流在2010年只有大約40d出現；大部分時刻處于情景Ⅱ，即水輪發(fā)電機組在運轉，但河壩無溢流，此時B段河流無水，C段獲得發(fā)電下泄水量；除此之外，幾乎每日都有不同時長的情景Ⅲ間斷出現，即水輪發(fā)電機組停止工作，無水溢流也無水發(fā)電下泄，B、C河段斷流，2010年中有34個整天處于這種狀態(tài)。

通過以上分析可知，B河段在一年中絕大部分時段都處于完全斷流狀態(tài)，河床裸露，不能為水生生物提供有效生境；而C河段因為幾乎每日都有斷流情況出現，對河流生境變化最為敏感的水生動物包括重點保護魚種在此河段生境內不能生存，但此前研究表明在枯水期只要保證河流周期性的連通，不會對底棲藻類產生較大影響，因此在此河段水生植物可以正常生存。隨著沿途大型支流匯入，河流生境逐漸恢復，為水生生物提供棲息地。此外在本研究中主要考慮小水電建設運行對水壩下游河道的生態(tài)環(huán)境影響，因此沒有考慮小水電建設運行對水壩上游即A河段的影響。

1.3 能值分析

所謂能值是指產品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的有效能總量[10]。實際應用中，太陽能是包含在地球所有生物化學過程中最重要的能量，所以常以太陽能值為基準衡量某一能量的能值，單位為太陽能焦耳(sej)[18-19]。不同類別的能量即能量(J)、質量(g)和貨幣($)通過單位能值價值(即UEV)轉化成太陽能值，從而對系統(tǒng)進行定量比較和分析。當能量形式為焦耳時，UEV又可稱為能值轉換率[20-21]。

根據輸入資源是否免費以及是否具有可再生性，將其分為本地免費可更新資源(RL)、外界輸入免費可更新資源(RO)、本地免費非可更新資源(NL)以及購入資源(P)，其中購入資源又可分為可更新購入資源(PR)和非可更新購入資源(PN)。此外，運行成本中還包括小水電過度開發(fā)導致下游河道斷流引起的生態(tài)系統(tǒng)服務功能損失(LES)，表2列出了小水電系統(tǒng)不同資源輸入及主要能值指標。

表2 小水電系統(tǒng)的主要能值指標Table 2 Emergy indices for small hydropower system assessment

續(xù)表2

2 結果與分析

2.1 觀音巖水電站系統(tǒng)的能量流動

基于觀音巖水電站工程設計報告和課題組的實地調研，建立了2010年觀音巖水電站實際運行的系統(tǒng)能值核算表(表3)。需要指出的是該電站設計運行周期是30.5a，由于本研究是基于1a的靜態(tài)核算，因此在能值核算清單中建設材料及發(fā)電設備等一次性投入能值均折算為年度的流動量。

表3 觀音巖水電站系統(tǒng)能值核算表Table 3 Emergy evaluation table of Guanyinyan SHP station system

①根據能值方法的最新發(fā)展，本研究采用2000年后Odum重新計算的驅動全球過程的能值量，即15.83×1024sej/a，為使得單位能值價值之間具有可比性，基于9.44×1024sej/a計算得到的單位能值價值乘以1.68(15.83/9.44)進行換算[30];②勞動力投入主要分為建設和運行兩個階段，建設期工日為9.28萬，除以30.5轉化為年度流動量；運行期每年為3442工日;因此，2010年勞動力總投入為6485d，通過轉換系數3000×4.186將其單位轉換成焦耳

由核算結果可知，整個觀音巖水電站生產系統(tǒng)2010年的能值總投入為6.18×1018sej，生產2.26×1013J的水電，因此小水電的能值轉換率為2.73×105sej/J。在能值結構，最大的投入是下游河流生態(tài)系統(tǒng)服務功能的損失(2.77×1018sej/a)，占到總投入的44.84%，說明觀音巖水電站運行對下游河流生態(tài)系統(tǒng)產生的影響較大；其次河水重力勢能和建設石材的投入分別是1.04×1018和9.10×1017sej/a，分別為能值核算清單中第二、三大能值輸入。而在本地免費可更新資源中，即太陽能、降雨和風能，雨水的能值(1.19×1014sej/a)是最大的，為避免重復計算，只將雨水納入到核算體系中。在購入資源中，水泥(4.99×1017sej/a)、運行維護(3.70×1017sej/a)和建設服務(主要包括水電站建設期間的機械使用費用等，2.95×1016sej/a)是三個最大的能值投入，而其它建設材料所占比例很小。圖4為觀音巖水電站的主要能值輸入即能值結構。

圖4 案例小水電的能值輸入結構Fig.4 Emergy structure of Guanyinyan SHP station system

2.2 水壩下游生態(tài)服務功能損失的能值評估

小水電在運行期間擠占生態(tài)用水導致下游河道減脫水甚至斷流的現象十分普遍，對河流水生生態(tài)系統(tǒng)造成了毀滅性破壞。實地調研得知，習水河干流官渡鎮(zhèn)境內河段禁止捕撈魚類、水生植物，因而不具有水產品生產功能，此外此河段有重點保護魚類長吻鮠(Leiocassislongirostris)。因此，河道減脫水甚至斷流主要影響的是下游河段小氣候調節(jié)與生物多樣性維持功能等方面的能值損失。測量得到B河段水域面積為7973.33m2，C河段水域面積為74746.67m2，兩河段總共水域面積為82720m2。根據上文的分析可知7973.33m2的水域面積因不能為水生植物提供生境而喪失氣候調節(jié)功能；而82720m2的水域面積喪失了生物多樣性維持功能。生物多樣性維持功能損失忽略其它非重點保護水生動物的能值損失，僅計算重點保護魚種長吻鮠在此河段消失的能值損失，計算公式及結果見附表。

通過核算可知觀音巖水電站2010年運行擠占下游河段生態(tài)用水導致其生態(tài)系統(tǒng)服務功能損失的能值為2.77×1018sej，主要是由重點保護魚種長吻鮠在受影響河段消失導致生物多樣維持功能的喪失引起的，小氣候調節(jié)功能的能值損失較小，僅為4.63×1013sej。可見，如果不能保障河道基本生態(tài)需水，僅以小水電發(fā)電為中心目標，就會破壞水生物種的生存生境，大大削弱其生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

2.3 觀音巖水電站生產系統(tǒng)綜合分析

根據上述核算結果，進一步計算相關能值指標，為比較河流斷流的影響，可分為考慮和不考慮下游河流生態(tài)系統(tǒng)退化兩種情況，如表4所示。

表4 觀音巖水電站生產系統(tǒng)2010年主要能值指標Table 4 Emergy indices for Guanyinyan SHP station system in 2010

能值轉換率是指系統(tǒng)生產單位物質所需投入的能值量。當不同系統(tǒng)生產相同的產品時，能值轉換率可表征系統(tǒng)的生產效率。能值轉換率低，生產相同的產品所需能量少，或者相同能量可生產出更多的產品，則說明系統(tǒng)生產效率高[10,31]。本研究中，若考慮下游生態(tài)環(huán)境影響，小水電的能值轉換率為2.73×105sej/J，大于湄公河上兩座大壩的水電能值轉換率(分別為1.54×105、1.57×105sej/J)[15]；而不考慮下游生態(tài)影響，其能值轉換率為1.51×105sej/J，可見下游生態(tài)系統(tǒng)退化大大降低了小水電生態(tài)系統(tǒng)的生產效率。

環(huán)境負載率是評估系統(tǒng)對當地生態(tài)環(huán)境壓力大小的一個重要指標，其值越大，系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境的壓力越大，若持續(xù)處于較高的環(huán)境負載率，將會造成系統(tǒng)不可逆轉的功能退化[31-32]。若不考慮下游生態(tài)環(huán)境影響，觀音巖水電站2010年的環(huán)境負載率為1.92，低于湄公河上兩座大壩(分別為3.2、3.1)[15]，這與筆者之前關于小水電可持續(xù)研究中的結論相一致[5]，在沒有下游生態(tài)系統(tǒng)退化的影響下，小水電的建設運行對生態(tài)環(huán)境的壓力普遍較小；而考慮下游生態(tài)環(huán)境影響之后，環(huán)境負載率增大至4.26，水電站由于過度開發(fā)擠占生態(tài)用水，下游河段生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，增大了水電站對生態(tài)環(huán)境的壓力。

考慮下游河段的生態(tài)系統(tǒng)退化之后，系統(tǒng)能值產出率由2.33減小到1.46，環(huán)境負載率增大，使得系統(tǒng)可持續(xù)性降低?？沙掷m(xù)性指標表征系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力，值越小，系統(tǒng)的可持續(xù)能力越差[33-34]。本研究中，系統(tǒng)的ESI為0.34，遠小于1，表明該水電站生產系統(tǒng)為消費型系統(tǒng)，長久來看是不可持續(xù)的；若不考慮下游生態(tài)環(huán)境影響，系統(tǒng)ESI為1.22，兩者對比說明下游河段生態(tài)系統(tǒng)的退化嚴重影響了小水電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展進程，進而表明小水電單純追求發(fā)電效益，擠占下游河段生態(tài)用水、以生態(tài)環(huán)境破壞為代價的開發(fā)方式是不可持續(xù)的。

3 結論與啟示

本研究以能值分析理論為基礎，將小水電運行導致的水壩下游生態(tài)系統(tǒng)服務功能損失計入其運行成本，定量分析了小水電開發(fā)運行的生態(tài)環(huán)境影響，結果表明：

(1)2010年觀音巖水電站運行需要6.18×1018sej的能值投入，其中由下游河流斷流導致的生態(tài)系統(tǒng)服務功能損失能值為2.77×1018sej，占到系統(tǒng)能值總投入的44.84%，是系統(tǒng)運行的最大消耗項。而在生態(tài)系統(tǒng)服務功能損失中，重點保護魚種長吻鮠在受影響河段消失損失的能值最大，破壞水生生物的棲息地是小水電過度開發(fā)對下游最主要的影響之一。

(2)若忽略水壩下游生態(tài)系統(tǒng)退化，系統(tǒng)的ELR為1.92，低于大型水電站的此項指標，而ESI為1.22，系統(tǒng)可持續(xù)能力較強；而考慮此影響之后，研究系統(tǒng)的ELR增大至4.26，ESI減小為0.34，系統(tǒng)對當地生態(tài)環(huán)境壓力過大，是不可持續(xù)的，進而表明盲目無序的小水電開發(fā)方式不符合可持續(xù)發(fā)展的原則。

(3)從本研究的結果來看，如果給小水電設定一個開發(fā)底線，即在保障河流生態(tài)需水的前提下，小水電開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響較小。但在目前工業(yè)、農業(yè)、生活等多家爭水的格局下，河流生態(tài)需水很難得到保障，小水電的無序開發(fā)無疑加劇了河流生態(tài)系統(tǒng)退化的步伐。

(4)小水電開發(fā)雖不改變水資源總量，但通過攔截與引流分配，大大改變了河流水體的時空分布，間接影響了水資源的可用性。因此，流域小水電開發(fā)要生態(tài)優(yōu)先、規(guī)劃先行，既要避免“大馬拉小車”，造成水能資源浪費，又要避免“小馬拉大車”，發(fā)電負荷不能滿足，進而大大擠占河流生態(tài)需水，造成河流生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化，最終達到小水電開發(fā)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的目的。

附表 觀音巖水電站運行造成的水壩下游生態(tài)系統(tǒng)服務損失的能值計算表Appendix Emergy evaluation of the ecosystem service losses in the downstream of the dam caused by the operation of the station

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Emergy evaluation for ecological impacts of small hydropower in China

PANG Mingyue, ZHANG Lixiao*, WANG Changbo

StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

In China, most of the small hydropower (short for SHP) plants are currently seeking for benefits in power generation and economic revenue with little consideration of environmental flows for ecosystems, causing great impacts on river ecosystem services in the downstream of the dams. Negative ecological impacts of small hydropower have drawn increasing attention from the public. This paper used emergy analysis, one of the ecological energetic accounting methods, to evaluate the overall ecological impacts of construction and operation of small hydropower and took Guanyinyan hydropower plant in Chishui City, northwest of Guizhou Province as an example. Having capabilities in accounting multiple forms of energy and materials both from environmental and economic points of view on a common energy basis, the method of emergy analysis was widely used for supporting the evaluation of agricultural, wetlands and urban systems and was proved to be a useful tool for evaluating the overall performance of a mixed ecological and economic systems. The related indices and ratios based on emergy flows such as emergy yield ratio (EYR), environmental loading ratio (ELR) and emergy sustainability index (ESI) can be used for characterizing resource consumptions, environmental impacts and overall system sustainability. Through incorporating losses of the downstream ecosystem services into the operation cost of the power production system, the results showed that the studied system was supported by a total emergy of 6.18×1018sej in 2010 to produce 2.26×1013J of electricity, of which the downstream ecosystem service losses was the largest among multiple marginal costs, accounting for 44.84% of total ecological economic cost. The losses of ecosystem service mainly included those due to biodiversity losses (especially rare species losses) and climate regulation losses, with 2.77×1018and 4.63×1013sej/a respectively. Without considering the ecosystem service losses, the ELR of the studied system was 1.92 and the ESI was 1.22. However, when considering ecosystem service losses, the ELR of the studied system increased to 4.26, which was much larger than those of large hydropower generation projects in Mekong River or those in Korea, showing an increased pressure on local environment. And the value of ESI decreased to 0.34, which was much lower than 1, indicating that the studied power production system was not sustainable. Furthermore, the results suggested that the degradation of river ecosystem in the downstream of the dam during operation period greatly reduced the sustainability of the system. Thus, for a small hydropower, occupying environmental flows of the downstream and the development pattern at the expense of the ecosystem approach would be unsustainable. Sufficient environmental flows would be essential to the river ecosystem in the downstream, especially for maintaining the aquatic biodiversity. Environmental-friendly and social harmonious development of water resources would be necessary to achieve sustainable development for small hydropower. Relevant authorities should strengthen the planning and management of water resources development to ensure the sustainability of small hydropower and the health of river ecosystem. In addition, this paper reflected that emergy analysis, as a measure of the environmental support and the work to keep ecosystem sustainability, is an effective tool that is capable of providing an integrative assessment, and then provide a basic for the sustainable development of small hydropower.

small hydropower; ecosystem service; emergy analysis; ecological impacts

2013-06-09;

日期:2014-05-16

10.5846/stxb201306091484

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhanglixiao@bnu.edu.cn

龐明月, 張力小, 王長波.基于能值分析的我國小水電生態(tài)影響研究.生態(tài)學報,2015,35(8):2741-2749.

Pang M Y, Zhang L X, Wang C B.Emergy evaluation for ecological impacts of small hydropower in China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2741-2749.