發布時間：2021-09-17所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:香溪河是長江三峽水庫湖北省最大且靠近壩首的支流，干流全長94km，流域面積為3099km2，其水能資源豐富，自然落差達1540m。以香溪河流域內的18座小水電站為研究對象，于2005年10月20日至11月1日分別對河流主要理化指標及生態系統功能(以附石藻葉綠素a濃
摘要:香溪河是長江三峽水庫湖北省最大且靠近壩首的支流，干流全長94km，流域面積為3099km2，其水能資源豐富，自然落差達1540m。以香溪河流域內的18座小水電站為研究對象，于2005年10月20日至11月1日分別對河流主要理化指標及生態系統功能(以附石藻葉綠素a濃度為代表)進行測量，分析其對梯級水電站建設的響應。結果表明:5條河流(包括香溪河干流和4條主要支流)的空間異質性較大;
從全流域來看，各主要理化因子如溶解氧、水深、濁度、流速等與附石藻葉綠素a含量相關性很高，但不同支流的主要影響因子各異，證明了流域空間異質性對研究小水電的影響具有重要作用;梯級小水電站建設對河流生態系統功能已產生顯著影響，特別是在取水口下游的3號樣點。由于取水造成的斷流現象嚴重(采樣時期，50%的電站出現斷流，最長距離達3.2km)，因此在枯水期確定河流的最低生態需水量，是一個亟待解決的問題。從流域角度出發，通過多學科交叉手段研究小水電站建設如何與其他環境脅迫因子交互作用，如何共同影響河流生物多樣性、生態系統結構、功能與服務。這將是流域水電站管理的重要抓手及解決途徑，也是未來河流生態學的研究重點。
關鍵詞:梯級小水電站;葉綠素a濃度;空間異質性;環境因子;流域水電管理
小型水電站(<10MW)通常建在具有高海拔梯度的山區河流中，這些生態系統通常支持適應激流生境的獨特動植物群落[1]。與大型水壩不同，小水電站需要建設遠程取水壩(約3～5km的距離)，通過取水管道將上游河水持續地輸送到下游的發電站。因此被作為清潔能源而廣泛開發。同時，許多當地政府也在補貼小水電站建設，他們認為與大型水電站相比，小水電站對河流生態的不利影響較小[2]。目前來看，全球小水電站數量已遠遠超過大型水壩數量:綜合數據顯示，在150個國家中正在運營或正在建設的小水電站有82891個。若將所有水力潛能開發，還可建設181976個新的小水電站[3]。中國小水電站的數量已超過45000，總裝機容量超過68GW，位居世界第一。小水電站約占中國總發電量的5%，是農村電氣化的主要支柱[4]。因此，小水電站在確保中國區域電力供應方面發揮著不可替代的作用。然而，它們對包括水量、水質、生物多樣性及漁業在內的生態系統服務的負面影響卻受到越來越多的關注。小水電站建設會干擾甚至阻斷上下游沉積物和養分的傳輸，并最終破壞河流生態連通性，進而影響河流生態功能與服務[5～7]。此外，這些水壩改變了水流狀態并阻礙了生物群落的擴散和遷移，這可能導致基因多樣性減少，并增加了敏感物種滅絕的風險[8]。前期研究主要分析了小水電站建設對河流理化條件[9]、底棲藻類[6，7]、河流浮游生物[10，11]，大型無脊椎動物[12，13]、魚類[14]及生物多樣性動態[8]等的影響。但與對大型水壩的深入研究相比，關于小水電站在局域和流域尺度上對河流生態系統功能和服務的影響仍然較少[8]。此外，雖然生境變化對魚類群落的影響方面已達成共識[9，14]，但對藻類、底棲動物生物量、群落組成和生物多樣性的影響結果仍然具有分歧，并受到空間異質性的顯著影響[8]。
發源于神農架保護區的香溪河是長江三峽水庫湖北省最大且靠近壩首的支流，干流全長94km，流域面積為3099km2[15～17]，其水能資源豐富，自然落差達1540m，年產水量19.56億m3[15]。流域內小水電站的梯級開發比較嚴重[4]，因此是研究流域梯級小水電站對河流生態系統影響的理想之地。然而，該區域的前期研究主要集中在物種組成、生物多樣性等[6，7，10～12]方面，對河流生態系統功能影響的研究較少。葉綠素a濃度是生態系統功能的重要指示指標之一[18，19]。具有普生性的附石藻類是河流生態系統中的主要初級生產者，是維持河流生態系統功能與服務的重要組成部分，而且附石藻類對水質及生境變化具有快速反應性[15，17]。在香溪河流域，有關附石藻類的研究很多[6，15，20，21]，但關于小水電站的開發對河流生態系統功能的影響卻未有報道。因此，本文以附石藻葉綠素a濃度為研究對象，分析其在梯級小水電建設后的響應，探討該影響的空間異質性(即不同支流的差異性)，以期為合理的水電開發和管理提供基礎數據和科學依據。
1材料與方法
1.1樣點設置及研究區域概況
于2005年10月20日至11月1日，對香溪河流域內干流及4個主要支流水系(九沖河、古夫河、高嵐河和孔子河)的18座小水電站(圖1)進行附石藻樣品采集。分別在電站的取水口上游(約200m)、取水口處、取水口下的水塘內、出水口上游(約200m)和出水口處采樣，樣點名稱分別為:1、2、3、4和5，電站名稱以其英文縮寫代替，例如:小當陽電站的1號樣點記做XDY1，其它樣點依次類推。
1.2采樣方法
隨機選取3～5塊具代表性的石頭，在石塊表面固定一定的面積(本次實驗用半徑為2.7cm的圓蓋)，先將蓋子周圍的藻類刷掉，再用無藻水將石頭表面的附石藻類清洗干凈，充分搖勻后裝入100mL標本瓶，抽濾后冰凍保存，以測定附石藻類葉綠素a的含量。具體方法參考文獻[22]。現場用GPS測定樣點坐標;用卷尺測量樣點河段的水面寬度和平均水深;用LJD型打印式流速儀測定斷面流速;用Horiba測量pH、溶解氧(DO)、電導(COND)、總溶解性顆粒物(TDS)等因子。
1.3數據分析
統計分析用SPSS(10.0)軟件進行，用雙因素方差分析(Two-wayANVOA)分析電站間及內部5個樣點間的差異性(P<0.05)，用BivariateCorrelations分析各物理指標與附石藻類葉綠素a濃度的相關性(P<0.05)。
2結果與討論
2.1主要理化指標在各支流間的比較
Almodóvar等[23]、Parasiewicz等[24]認為流速改變是小水電開發對河流生態系統的主要影響，同時Leland等[25]也提出水深是河流浮游藻類群落空間分布的主要水文特征。雖然這兩個因素在香溪河干流及其4個支流間差異不顯著(P>0.05)(表1)，但pH、COND、DO、TDS、Cl-、Ca2+則差異極其顯著(P<0.001)。這表明香溪河流域不同河流具有空間異質性特征，因此有必要分別討論各流域內小水電開發對附石藻葉綠素a濃度的影響。
2.2葉綠素a濃度在各河流中的變化及與環境因子的關系
香溪河干流香溪河干流小水電站開發比較嚴重，自20世紀60年代以來，修建的小水電站近20個[26]。如圖2，不同樣點之間，從樣點1～3附石藻葉綠素a濃度依次升高，樣點4降低，5號樣點又增大;而不同電站之間，由上到下游附石藻葉綠素a濃度呈現增加趨勢(除蒼坪河CPH電站外)，這主要是由溫度升高所引起的。
相關期刊推薦：《長江流域資源與環境》刊物立足于長江流域，面向國內外，圍繞長江流域的資源開發與利用保護、生態環境、社會經濟可持續發展、河流流域綜合管理、湖泊富營養化、濕地恢復與保護、自然災害等重大問題，報道原創性的研究成果，主要讀者對象為從事相關工作的科研人員、決策管理人員以及高等院校相關專業師生等。
相關分析顯示，水深(5個樣點間差異顯著，F=5.479，P<0.01)與葉綠素a濃度顯著正相關(r=0.390，P<0.05)(表2)。這與Leland等[25]的結果相一致。因為沉積作用，水深是影響有機物質流失的重要因素[27]。電站取水壩的建立，使樣點3的流速變為0，水深增加，同樣在5號樣點因電站出水的沖擊在河道內形成了一個流速相對較小的水塘，因此樣點3、5沉積增加，有機物質積聚，其葉綠素a濃度均顯著高于其相鄰樣點。
九沖河
它是香溪河上游的一大支流，雖然長度很短(約18km)，但自然落差較大，境內小水電站有5個(包括東溝電站、齊溝電站)，上一個電站的出水不經過河道直接被下個電站取走，所以僅采得樣點1、2、3的附石藻類。與干流相似，葉綠素a濃度在電站間和內部均存在一定的差異(圖3)，但因境內電站的梯級開發尤為嚴重，河道內除少量的山體滲透和地表徑流水外，幾乎干枯(電站取水壩下游的平均斷流長度約0.5km，JC電站竟長達1.3km)，所以對整條河來說，生態系統功能的喪失不容忽視。
相關分析顯示，濁度(TURB)是影響九沖河葉綠素a濃度的主要環境因子(r=-0.691，P<0.05)(表2)。濁度可以影響河流底部的光照強度，而光照是藻類進行光合作用的必要條件。Stephens[28]發現在高低光照條件下，硅藻群落組成有顯著差異;Roberts等[29]也認為:藻類群落在形成優勢的過程中，物種對光照條件的適應性是至關重要的。Hillebrand[30]也指出:在控制附石藻類生物量的方法中，光照有著與營養元素同樣重要的作用。因此，濁度的大小也可以間接影響葉綠素a含量。
古夫河
它是香溪河中游的一大支流，其流域面積明顯大于九沖河，但本次研究只對兩個較大的電站(馬家河，MJH與平水電站，PS)進行采樣。該河主要的兩個蓄水型電站(古洞口一、二級電站)另做研究。由圖4可見，葉綠素a濃度從樣點1～5逐漸增大，而且兩個電站的變化趨勢相同。相關分析表明，所測幾項理化指標均與其無顯著相關性(P>0.05)，因此推斷，在古夫河附石藻類葉綠素a濃度可能與小水電的開發關系不大，而與其它一些物理因素(如海拔、光照等)關系顯著。March等[31]認為，海拔、光照等因子可以決定附石藻類的分布。
高嵐河
它是香溪河下游的一大支流，采樣時期該河的下游河段已經成為香溪河庫灣的一部分。與香溪河干流相似，附石藻類葉綠素a濃度在3號點最大，1、2、4號樣點相似，3、5號樣點幾乎相同(圖5a)。在電站之間(圖5b)，從上游的學堂坪電站(XTP)到楊道河電站(YDH)呈明顯的遞增趨勢。雙因素方差分析(Two-wayANVOA)表明:5個電站間的差異顯著(F=3.517，P<0.05)。相關分析結果說明，平均河寬和pH與葉綠素a濃度顯著相關(P<0.05)。河寬和水深等物理干擾對附石藻類結構和功能的顯著影響，現已被廣泛認可[32]。Tang等[20]、Pan等[33]也證明pH與附石藻類的分布密切相關。
孔子河
它是高嵐河的一條重要支流，境內森林覆蓋較好，且人群居住稀疏，對河流幾乎沒有任何破壞，因此，在這里的研究意義重大，更能準確地揭示水電開發對河流生態系統的影響。所以我們將建于該河的孔子峽(KZX)和高嵐電站(GL)也作為分析的一部分。如圖6，附石藻葉綠素a濃度在電站內部變化明顯，3號樣點明顯增大，而其它樣點基本相似;兩個電站的平均濃度相當(KZX:15.14mg/m2;GL:11.60mg/m2)。方差分析表明，樣點3與其它樣點濃度顯著不同(F=64.03，P<0.001)。相關分析表明，平均流速和溶解氧(DO)濃度與葉綠素a濃度顯著相關(P<0.01)(表2)。流速改變是小水電開發對河流生態系統的主要影響。與多數小水電站一樣，由于取水壩的建設，樣點3的流速、水深均與其它樣點不同(流速變小為0，水深也明顯增大)，葉綠素a濃度受到了很大影響;同時，DO也是附石藻類的重要影響因子，Phillips等[34]研究發現DO與一種藻類(Peridiniumaciculiferum)的密度顯著相關(P=0.019)，Schnfelder等[35]應用CCA分析也發現DO是藻類分布的最重要因素(P<0.01)。
3結論
根據河流連續統理論[36]，河流是一個連續且完整的生態系統，從較小的上游源頭到下游開闊的河段其外源和內源性的營養物質具有連續的變化。這種連續不僅指地理空間上的連續，更是生態系統結構、功能和生態過程的連續。小水電站特別是梯級小水電站建設勢必引起河流連續統的破壞，從而影響河流水生生物的物種組成及分布，進而影響河流生態系統的功能。本研究結果也證明了上述假設:梯級小水電站建設對河流生態系統功能(以附石藻葉綠素a含量為代表)已產生顯著影響，特別是在取水口下游的3號樣點(多數樣點的流速變為0)，成為受影響最大的點(古夫河除外)，與其鄰近的上游樣點相比，其葉綠素a濃度均出現不同程度的增高。從全流域來看，各主要理化因子如DO、水深、濁度、流速等與附石藻葉綠素a含量相關性很高(P<0.01)(表2)，但不同支流的主要影響因子各異。這證明流域空間異質性對研究小水電的影響具有重要作用，也說明對小水電研究進行“一站一策”的重要性。
此外，由于電站取水造成的河流斷流現象不容忽視。采樣期間，因小水電站建設50%的河流出現了斷流，其中MJH電站出現了長達3.2km的斷流河段。因此對水電開發和管理者來說，在枯水期如何避免或減少小水電站開發對河流生態系統的影響。確定河流的最低生態需水量，是一個亟待解決的問題。同時，考慮到淡水生態系統正受到多重環境脅迫因子(如富營養化、全球變暖、河道及水文節律改變等)的影響，生物多樣性正以前所未有的速度下降[37，38]。從流域角度出發，通過多學科交叉手段研究小水電站建設如何與其他環境脅迫因子交互作用，如何共同影響河流生物多樣性、生態系統結構、功能與服務。這將是流域水電管理的重要抓手及解決途徑，也是河流生態學的研究重點。——論文作者：吳乃成1，2，唐濤1，周淑嬋1，2，蔣萬祥1，傅小城1，李鳳清1，蔡慶華1*
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