陳麗君

（玉門市水務(wù)局，甘肅 玉門 735211）

0 引 言

在國內(nèi)，裝機容量不超過50 MW 的水電被定義為小水電（SHP）。截至2015 年底，國內(nèi)已建成47000 多座水電站，總裝機容量73 GW，年發(fā)電量23000 億kW·h，占全國水電的25%。小水電的開發(fā)在改善偏遠山區(qū)的能源供應(yīng)和農(nóng)村電氣化方面發(fā)揮著重要作用。小水電已經(jīng)是許多農(nóng)村地區(qū)的主要發(fā)電方式。利用SHP 是減少木材消耗防止森林砍伐的一種切實可行的解決方案。然而，小水電的開發(fā)，特別是引水小水電的開發(fā)也可能造成環(huán)境干擾和破壞，包括水文條件的變化、水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變、植被破壞、土壤侵蝕等[1]。引水式小水電開發(fā)的這些影響可能在一定程度上導致生態(tài)系統(tǒng)的損失。人們可能認為單一引水式小型水電站對環(huán)境的影響并不嚴重。但隨著流域的梯級開發(fā)，其影響可能會增加。

以往對引水式小水電的環(huán)境影響研究主要采用定性分析方法。很少有研究使用定量分析方法對梯級引水SHP 的累積效應(yīng)進行評估。為了評估和比較積極和消極累積效應(yīng)的程度，有必要使用統(tǒng)一方法對其進行量化[2]。生態(tài)足跡（EF）分析方法是一種基于生物物理量的簡單評估工具，與可持續(xù)發(fā)展理論密切相關(guān)。EF 以國際單位hm2表示。國際單位hm2是指一公頃具有世界平均生產(chǎn)力的生物生產(chǎn)空間。EF 可用于測量任何產(chǎn)品、活動或影響。所需數(shù)據(jù)容易獲得，操作方法簡便。因此，環(huán)境足跡可用于環(huán)境管理和規(guī)劃工具。

文章研究的第一個目的是使用EF 方法評估小型河流中梯級引水SHP 電站的累積環(huán)境影響。第二個目標是比較環(huán)境足跡成分，以確定需要特別注意的環(huán)境影響的最主要因素。

1 研究區(qū)概況

本研究的研究區(qū)域河流全長約85km，流域面積634km2，海拔800～1200m，研究區(qū)域年降水量1200～1600mm。該河流流域植被覆蓋率超過74%。盆地內(nèi)裸露的巖石相對破碎，風化，加上高山陡坡，暴雨和山洪暴發(fā)時會發(fā)生滑坡、崩塌或泥石流等地質(zhì)災害，平均侵蝕強度為1000 t/km2。

從上世紀末開始，在該河上修建了七座梯級引水小水電站，即一至七座小水電站，分別表示為H1、H2、H3、H4、H5、H6 和H7。表1 列出了七個引水小水電站的裝機容量、年發(fā)電量、代柴發(fā)電量、減水段面積、植被破壞面積、水土流失面積。

表1 七個梯級引水小水電站的基本情況

2 研究方法

2.1 環(huán)境足跡計算框架

考慮到上文討論的引水式小水電開發(fā)的主要正面和負面環(huán)境影響，提出了環(huán)境足跡計算框架。在本研究中，正面影響被定義為生態(tài)供應(yīng)足跡（ESF），主要指通過使用引水SHP 替代木材來保護植被。負面影響被定義為生態(tài)損失足跡（ELF），包括施工期間和施工后運營期間，減水段的魚類和凈初級生產(chǎn)力損失、植被破壞和引水SHP造成的土壤侵蝕。

2.2 換算系數(shù)

環(huán)境足跡賬戶包括兩個轉(zhuǎn)換因子的組合：等價因子和收益因子。

2.2.1 等效因子。

等效因子是一種比例因子，它將特定土地類型（如農(nóng)田或森林）轉(zhuǎn)換為生物生產(chǎn)面積的通用單位hm2。當量系數(shù)表示給定生物生產(chǎn)區(qū)域相對于所有生物生產(chǎn)區(qū)域的世界平均潛在生產(chǎn)力的世界平均潛在生產(chǎn)力。對于生產(chǎn)力高于地球上所有生物生產(chǎn)區(qū)平均生產(chǎn)力的土地類型（如森林），當量系數(shù)＞1。給定年份的不同區(qū)域具有相同的等效因子，每年僅略有變化。本研究中使用的等效因子為森林1.1，生產(chǎn)水域 0.2。

2.2.2 屈服因子。

由于不同地區(qū)的生產(chǎn)要素（如氣候、土壤、技術(shù)等）不同，同一塊土地在不同地區(qū)的生產(chǎn)能力也不同。產(chǎn)量因子表示一類生產(chǎn)空間（如森林）的當?shù)禺a(chǎn)量與一類生產(chǎn)空間（如森林）的全球平均產(chǎn)量之間的差異。每個地區(qū)都有自己的一套產(chǎn)量因素，每種類型的生物生產(chǎn)區(qū)各有一套。在本研究中，森林的產(chǎn)量因子為0.91，生產(chǎn)水域的產(chǎn)量因子為1.0。

2.3 ESF 的評價模型

2.3.1 單引水小水電ESF 評價模型。

電可以轉(zhuǎn)換成熱。全球水電平均生產(chǎn)率為1000GJ/hm2. 換算關(guān)系如下：1 GJ 等于1×109焦耳（J），1 J 等于2.778×10-7kW·h。采用熱換算法（將取代木材的小水電發(fā)電量轉(zhuǎn)換為熱量）評估植被保護面積：

式中：EFf為單引水SHP的生態(tài)供應(yīng)；φ為替代木材的發(fā)電量與總發(fā)電量的比率；Qe為平均年發(fā)電量；r3為森林的等效因子；y3為森林的屈服因子。

2.3.2 梯級引水小水電ESF 評價模型。

梯級引水水電站的ESF 為單個引水水電站的ESF 之和：

式中：EFnf為引水式小水電n級電站的生態(tài)供應(yīng)；φn為n號引水式小水電中用于替代木材的發(fā)電量與總發(fā)電量的比率；Qne為n號引水式小水電的年平均發(fā)電量。

2.4 ELF 的評價模型

2.4.1 單一引水小水電的生物量和凈初級生產(chǎn)力損失。

生產(chǎn)單位重量的魚消耗的浮游植物量至少是浮游植物量的25 倍。因此，引水水電站減水段魚類和凈初級生產(chǎn)力損失足跡之間存在定量關(guān)系：

式中：EFr為魚類和單一引水SHP 的凈初級生產(chǎn)力損失足跡；k為凈初級生產(chǎn)力與魚類生物量的比率，k取25；Sr為減水段水域面積的減少，hm2；r5為生產(chǎn)水域的當量系數(shù)；y5為生產(chǎn)水域的產(chǎn)量系數(shù)。

2.4.2 梯級引水小水電的魚類和凈初級生產(chǎn)力損失。

基于理論分析和現(xiàn)場研究，假設(shè)n級引水式小水電級的魚類和凈初級生產(chǎn)力累積損失呈非線性增加。隨著引水SHP 電站數(shù)量的增加，引水SHPn梯級的魚類和凈初級生產(chǎn)力損失足跡將增加λn-1倍：

式中：EFnr為n梯級引水SHP 的魚類和凈初級生產(chǎn)力損失足跡；EF(n-1)r為（n-1）梯級引水SHP 的魚類和凈初級生產(chǎn)力損失足跡；k為凈初級生產(chǎn)力與魚類生物量的比率（k取25）；Snr為n級引水SHP 減水段水域面積減少量，hm2；λ為河流生態(tài)破壞程度指數(shù)（λ=1.3）。

2.4.3 單一引水水電站的植被破壞。

引水式小水電的植被破壞主要是由于長距離引水管道工程的施工造成的。單個引水SHP 的植被破壞足跡可按以下模型計算：

式中：EFv為單引水水電站的植被破壞面積，hm2；Sv為長距離引水管道工程施工造成的植被破壞面積，hm2。

2.4.4 梯級引水小水電的植被破壞。

梯級引水水電站的植被破壞足跡為單個引水水電站的植被破壞足跡之和：

式中：EFnv為指n梯級引水水電站的植被破壞足跡；Snv為指在引水水電站修建長距離引水管道工程而造成的植被破壞區(qū)域。

2.4.5 單引水小水電的土壤侵蝕。

引水式小水電站的水土流失主要是由于長距離引水管道工程的建設(shè)造成的。單個引水水電站的土壤侵蝕足跡可按以下模型計算：

式中：EFe為單引水水電站的土壤侵蝕足跡；Se為長距離引水管道工程施工引起的土壤侵蝕面積，hm2。

2.4.6 梯級引水小水電的土壤侵蝕。

梯級引水小水電站的土壤侵蝕足跡為單個引水小水電站的土壤侵蝕足跡之和：

式中：EFne為n梯級引水式小水電的土壤侵蝕面積；Sne為n梯級引水式小水電中修建長距離引水管道工程而產(chǎn)生的土壤侵蝕面積，hm2。

2.5 環(huán)境影響的判斷

通過ESF 和ELF 的比較，可以定量分析引水式小水電站的環(huán)境影響。生態(tài)供給的數(shù)值加上生態(tài)損失的數(shù)值得出的積極結(jié)果表示引水式小水電對環(huán)境的有利影響，兩者之間的差異越大表示積極影響越大。負面結(jié)果表示引水SHP 對環(huán)境的負面影響，兩者之間的差異越大，負面影響越大。

3 結(jié)果和討論

圖1中給出了單引水小水電的ESF 和ELF，其計算符合基于表1 數(shù)據(jù)的公式（1）、（3）、（5）和（7）。在本研究中，ESF 值范圍為3.24 ～37.26 hm2，ELF 值范圍為4.88 ～19.65 hm2。對于H1、H4、H5和H6 的單導流SHP，ESF 超過ELF，而對于H2、H3 和H7，ESF 小于ELF（圖2）。從單引水小水電的角度來看，大多數(shù)項目對環(huán)境有積極影響，少數(shù)項目有輕微的負面影響。

圖1 單引水水電站ELF 和ESF 的比較

圖2給出了梯級引水SHP 的累積ESF 和ELF，其計算符合基于表1 數(shù)據(jù)的公式（2）、（4）、（6）和（8）。對于梯級引水水電站，隨著水電站數(shù)量的增加，累積ESF 和ELF 顯著增加。累積ESF 值在15.93～122.41hm2之間，累積ELF 值在15.00～172.47 hm2之間。研究區(qū)域內(nèi)2、3、4 級引水小水電的累積生態(tài)損失與供給之間沒有顯著差異。但對于5、6、7 級引水小水電來說，累積生態(tài)損失與供給之間的不平衡是明顯的。隨著引水式小水電站數(shù)量的增加（n ＞4），生態(tài)損失和供給之間的差異明顯增大，表明梯級引水式小水電的不利影響將在研究區(qū)域內(nèi)累積。

圖2 梯級引水水電站ELF 和ESF 的比較

對于梯級引水小水電，生物和凈生產(chǎn)力的累積損失是最大的生態(tài)損失，占總損失的52.3%～85.1%（圖3）。

圖3 梯級引水水電站ELF 的組成

隨著引水水電站數(shù)量的增加，魚類和凈生產(chǎn)力累積損失在總生態(tài)損失中所占的比例逐漸增加。魚類和凈生產(chǎn)力的累積損失增加表明，梯級引水SHP造成的更多減水段可能會對水生生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的不利影響。因此，梯級引水水電開發(fā)的魚類和凈生產(chǎn)力損失需要更多的關(guān)注。與魚類和凈生產(chǎn)力相比，累積植被破壞（8.3%～25.0%）和土壤侵蝕（6.8%～22.7%）相對較小。這表明，在研究區(qū)域的梯級引水SHP 開發(fā)過程中，植被破壞和土壤侵蝕不會像魚類和凈生產(chǎn)力損失那樣嚴重。

4 結(jié) 論

EF 分析方法可用于定量評估梯級開發(fā)引水小水電的累積環(huán)境影響程度。根據(jù)建立的評價模型，計算了該地區(qū)梯級引水水電站的ESF 和ELF。在本研究中，ESF 和ELF 在梯級引水SHP 中表現(xiàn)出相似的變化趨勢。對于＜4 級（n ≤4）的引水小水電，累積ESF 和ELF 之間沒有顯著差異。隨著引水式水電站數(shù)量的增加（n ＞4），ELF 和ESF 之間的差異明顯增大，表明梯級引水式水電站的不利影響在研究區(qū)域積累。與植被破壞和土壤侵蝕相比，魚類和凈生產(chǎn)力的累積損失是梯級引水水電不利影響的最重要方面，需要引起更多的關(guān)注。