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陈求稳、吴世勇所著的《水利水电工程生态环境效应模拟与调控》重点围绕水利水电工程的生态环境影响及调控措施，系统介绍了如何通过野外观测和实验室模型实验，揭示了生物对工程运行导致的水环境要素变化的适应性机制，建立了目标物种对水环境因子的响应曲线；详述了坝下河道生态效应分析模型，实现了水库运行对坝下河道生态系统累积性影响的定量评价；介绍了水电开发的山地灾害预测方法，定量分析了水电开发的环境地质效应；*后论述了流域水电开发生态环境影响评价指标体系与评价方法，揭示了水电开发生态环境影响经济损益特征。

内容简介

《水利水电工程生态环境效应模拟与调控》针对水利水电工程开发运行中的生态环境问题，系统介绍了坝下河道生态效应定量分析、坝下河道生态流量及水库生态调度、水利水电工程环境地质效应分析、水利水电工程生态环境损益评价、水利水电工程生态环境保护的理论与方法。
《水利水电工程生态环境效应模拟与调控》可供高等院校水利、环境、生态和地学专业的教师和学生参考，也可供从事水环境和水生态研究的科研人员参考。

作者简介

无

目　　录

前言
第1章绪论
1.1 水利水电工程生态环境效应概述
1.1.1 水利水电开发
1.1.2 流域生态环境功能
1.1.3 水利水电开发的生态环境效应
1.2 国内外进展
1.2.1 水利水电工程的生态环境影响
1.2.2 水利水电工程生态管理与保护
1.3 主要内容
1.3.1 坝下河道生态效应定量分析
1.3.2 坝下河道生态流量及水库生态调度
1.3.3 水利水电工程环境地质效应分析
1.3.4 水利水电工程生态环境损益经济评价

前言 第1章 绪论 1.1 水利水电工程生态环境效应概述 1.1.1 水利水电开发 1.1.2 流域生态环境功能 1.1.3 水利水电开发的生态环境效应 1.2 国内外进展 1.2.1 水利水电工程的生态环境影响 1.2.2 水利水电工程生态管理与保护 1.3 主要内容 1.3.1 坝下河道生态效应定量分析 1.3.2 坝下河道生态流量及水库生态调度 1.3.3 水利水电工程环境地质效应分析 1.3.4 水利水电工程生态环境损益经济评价 1.3.5 水利水电工程生态环境保护 第2章 坝下河道生态效应定量分析 2.1 生物对水环境因子响应机制识别 2.1.1 关键植物物种确定及其对水环境因子的适应性关系 2.1.2 鱼类调查及适应性机制 2.2 水文水环境影响 2.2.1 水文分析 2.2.2 一维水动力水质模型 2.2.3 二维水动力水质模型 2.2.4 一维二维模型耦合 2.3 河流岸边带植被响应 2.3.1 基于元胞自动机的岸边带植被动态模型 2.3.2 水流与植被模型耦合 2.4 大型底栖动物影响 2.4.1 基于人工神经网络的底栖动物生境模型 2.4.2 结合水环境模块的底栖动物生境模型 2.5 鱼类动态及鱼类栖息地影响 2.5.1 基于个体的鱼类动态模型 2.5.2 鱼类栖息地模型 2.5.3 水环境模型和鱼类动态及栖息地模型耦合 2.6 应用实例 2.6.1 研究区域 2.6.2 岸边带植被与水环境因子响应关系 2.6.3 鱼类与水环境因子响应关系 2.6.4 水文水环境影响 2.6.5 岸边带植被影响 2.6.6 大型底栖动物影响 2.6.7 鱼类影响 2.7 小结 第3章 坝下河道生态流量及水库生态调度 3.1 河流生态流量 3.1.1 生态流量的计算方法 3.1.2 基于鱼类生境保护的生态流量 3.2 水库生态调度 3.2.1 水库生态调度类型 3.2.2 考虑下游生境保护的水库生态调度 3.3 应用实例 3.3.1 河流生态流量 3.3.2 基于河流生物生境保护的生态调度 3.3.3 河道天然径流最小扰动模式的生态调度 第4章 水利水电工程环境地质效应分析 4.1 水库蓄水前后山地环境地质灾害发展影响因素 4.1.1 库岸再造对近水岸坡稳定性的影响 4.1.2 岸坡渗水应力场的影响 4.1.3 其他影响 4.2 水库运行与岸坡环境地质灾害耦合效应 4.2.1 坡体变形与库水位的耦合效应 4.2.2 坡体变形与地下水的耦合效应 4.2.3 地下水与库水位的耦合效应 4.2.4 耦合分析方法 4.3 水利水电工程环境地质效应预测 4.3.1 山地环境地质效应预测方法 4.3.2 可靠性分析模型 4.4 雅砻江中下游梯级开发环境地质效应 4.4.1 二滩库区蓄水前后山地成灾环境变化 4.4.2 二滩库区蓄水前后山地环境地质效应动态 4.4.3 二滩水库运行与岸坡山地环境地质效应的耦合关系 4.4.4 二滩水电开发的山地环境地质效应区域预测 4.5 小结 第5章 水利水电工程生态环境损益评价 5.1 水电开发的区域生态环境效应 5.1.1 陆地生态系统与生物多样性的影响 5.1.2 温室气体排放 5.1.3 下游水生生态系统及生物多样性的影响 5.1.4 水利水电工程对河漫滩生态系统的影响 5.1.5 水利水电工程对渔业的影响 5.1.6 水利水电工程对生态系统的强化作用 5.1.7 累积影响 5.2 水电开发生态环境影响经济损益评价 5.3 水利水电工程生态环境影响调控对策 5.4 雅砻江中下游梯级开发应用实例 5.4.1 土地覆被变化 5.4.2 二滩水库温室气体 5.4.3 雅砻江中下游水电开发生态环境损益评价 5.4.4 雅砻江梯级水电开发生态环境影响的调控对策 5.5 小结 第6章 水利水电工程生态环境保护 6.1 水利水电工程环境保护监测 6.1.1 环境监测内容 6.1.2 环境监测项目 6.1.3 监测范围与点位布置 6.1.4 监测时间与频次 6.2 水利水电工程施工期环境保护 6.2.1 污染控制标准 6.2.2 水环境保护措施 6.2.3 水土保持措施 6.2.4 大气环境保护措施 6.2.5 声环境保护措施 6.2.6 陆生动植物保护措施 6.3 水利水电工程运行期环境保护 6.3.1 陆生生态保护措施 6.3.2 水生生态保护措施 6.4 水利水电工程环境保护应用实例 6.4.1 环境保护监测应用实例 6.4.2 施工期环境保护应用实例 6.4.3 运行期环境保护应用实例 6.5 小结 参考文献

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第1章　绪　　论
1.1　水利水电工程生态环境效应概述
1.1.1　水利水电开发
人类修堤筑坝、防洪引水的历史可以追溯到5000年前（周端庄，1995）。自法国1878年建成世界上第一座水电站以来，水利水电开发的理论与技术都有了长足进步，从中产生的社会效益及经济效益不言而喻。第二次世界大战后，世界各国都加快了大型水利设施建设的步伐。截至2005年，水电开发提供的能源已占人类消耗清洁能源的87%，已有160多个国家拥有各类水电站，总装机容量达902081MW（其中124043MW处于建设中），巴西、加拿大、中国、俄罗斯及美国的装机容量总和占世界总量的一半以上（WorldEnergyCouncil，2007）。
从国家发展的角度来看，优先开发可再生能源，尽量保留化石能源是可持续发展的重要手段之一。作为可再生能源，水电是技术最成熟的，也是目前唯一适用于大规模商业开发的资源。水电资源可以重复利用，但却无法保存，不开发即意味着巨大的浪费。尽管世界各国水能资源的天然条件有很大差异，但发达国家水电开发程度普遍高于发展中国家。截至21世纪初，世界上有24个国家利用水电提供90%以上的能源，55个国家提供50%以上的能源，62个国家提供40%以上的能源，其中发达国家的平均水电开发程度已在60%以上（贾金生，2004）。
当前我国的经济和城市化正处于高速发展时期，能源供需矛盾日益紧张，能源已成为我国经济社会可持续发展亟须解决的问题。我国的水能资源居世界第一位，但目前开发利用率还比较低。截至2005年，水电装机占可开发量的比例不到27%，在全国能源总量中水电的比例约为19%。因此，有序开发水能、提高水资源利用效率已成为我国能源战略及可持续发展战略中的重要组成部分（李世祥等，2008）。
1.1.2　流域生态环境功能
目前，我国的水利水电工程主要是基于流域尺度的，如何在遵循流域生态环境自然规律的前提下，既充分考虑水资源及环境承载能力又能保证流域经济的可持续发展成为人们关注的热点。为更好地平衡流域水资源、生态环境与经济发展，首先需要明确流域的生态环境功能。
流域的功能包含自然功能和社会功能两部分，其中自然功能又分为生态环境功能和水文功能，具体分类见图1.1。Black（1997）详细阐述了这五项基本的流域自然功能。

第1章　绪　　论
 1.1　水利水电工程生态环境效应概述
 1.1.1　水利水电开发
 人类修堤筑坝、防洪引水的历史可以追溯到5000年前（周端庄，1995）。自法国1878年建成世界上第一座水电站以来，水利水电开发的理论与技术都有了长足进步，从中产生的社会效益及经济效益不言而喻。第二次世界大战后，世界各国都加快了大型水利设施建设的步伐。截至2005年，水电开发提供的能源已占人类消耗清洁能源的87%，已有160多个国家拥有各类水电站，总装机容量达902081MW（其中124043MW处于建设中），巴西、加拿大、中国、俄罗斯及美国的装机容量总和占世界总量的一半以上（WorldEnergyCouncil，2007）。
 从国家发展的角度来看，优先开发可再生能源，尽量保留化石能源是可持续发展的重要手段之一。作为可再生能源，水电是技术最成熟的，也是目前唯一适用于大规模商业开发的资源。水电资源可以重复利用，但却无法保存，不开发即意味着巨大的浪费。尽管世界各国水能资源的天然条件有很大差异，但发达国家水电开发程度普遍高于发展中国家。截至21世纪初，世界上有24个国家利用水电提供90%以上的能源，55个国家提供50%以上的能源，62个国家提供40%以上的能源，其中发达国家的平均水电开发程度已在60%以上（贾金生，2004）。
 当前我国的经济和城市化正处于高速发展时期，能源供需矛盾日益紧张，能源已成为我国经济社会可持续发展亟须解决的问题。我国的水能资源居世界第一位，但目前开发利用率还比较低。截至2005年，水电装机占可开发量的比例不到27%，在全国能源总量中水电的比例约为19%。因此，有序开发水能、提高水资源利用效率已成为我国能源战略及可持续发展战略中的重要组成部分（李世祥等，2008）。
 1.1.2　流域生态环境功能
 目前，我国的水利水电工程主要是基于流域尺度的，如何在遵循流域生态环境自然规律的前提下，既充分考虑水资源及环境承载能力又能保证流域经济的可持续发展成为人们关注的热点。为更好地平衡流域水资源、生态环境与经济发展，首先需要明确流域的生态环境功能。
 流域的功能包含自然功能和社会功能两部分，其中自然功能又分为生态环境功能和水文功能，具体分类见图1.1。Black（1997）详细阐述了这五项基本的流域自然功能。
 （1）化学元素的反应及迁移功能。流域提供了物理化学反应进行的场所和运移通道，这些反应利用水作为主要载体，对化学元素在水圈、岩石圈、大气圈以及能量圈之间的迁移转换起到了重要作用。
 
 （2）动植物栖息地功能。流域自身的地形、地貌特点及其水文功能为生活在其中的动植物提供了多样的栖息地，同时，生活在其中的动植物的各类活动也对流域带来了相应的影响。
 
 （3）集水功能。流域能够将时空变化的降水进行收集，然后再结合流域自身特点将降水转化为径流。流域的集水功能主要受制于流域特征（几何特征、地形特征、自然地理特征等）和气候特征。
 
 （4）蓄水功能。流域蓄水是集水与释水的媒介，部分蓄水特征也是集水和释水过程的组成部分；流域蓄水特征主要包括蓄水的类型、蓄水容量、蓄水位置分布、产流的阻力以及前期水分条件等。
 
 （5）释水功能。释水是水资源在流域内的输出过程，也是最后一个环节；影响集水和蓄水的因素都会对释水产生影响，其中主要的影响因素包括产流的阻力（河网特征、距离蓄水位置的距离等）和流域特征等。
 
 
 1.1.3　水利水电开发的生态环境效应
 了解流域生态环境功能和水文功能后，在水利水电工程规划、建设以及运行中就可以根据周边自然环境和工程自身特点，平衡生态环境保护与经济发展的利益。经过几十年的研究，水利水电工程的生态环境效应主要体现在以下方面。
 1.正面效应
 流域水利水电开发的目的是满足社会发展的能源需求，兼顾防洪、灌溉等其他功能。如果水电得到合理的开发利用，在满足根本目的的同时，还会对生态环境产生一定的正面效应。
 1） 无污染的清洁能源
 水电是清洁可再生能源，可以用于代替化石能源，减少化石能源开采以及消耗带来的环境污染和生态破坏。
 2）调节水资源分配，防洪抗灾
 水利工程可以解决区域内水资源时空分布不均，并缓解干旱区生态环境需水的问题，还可以利用工程自身的径流调节能力抵抗洪涝灾害对生态环境造成的破坏。
 3） 改善区域气候及生态环境
 水利工程的开发建设增加了库区的水面面积，增加了环境湿度，在库区及周边形成了适宜动植物生长的湿地环境，提高了局部地区的生物多样性。
 2.负面影响
 流域水电开发改变了河流原有的物质场、能量场、化学场和生物场，因此不可避免地给区域甚至流域生态环境造成负面影响。
 1）对河流水文、水动力特性的影响
 水文动态是河流生态系统的控制变量，是河流传送能量和营养物质的重要机制，水利工程建设及运行导致的水文情势变化将影响河道的流量、水位、流场形态和地下水水位等，并引起河床地貌的演变，进而对河道、岸边带以及洪泛平原的生态环境产生影响（Petts，1984；Karr，1991）。
 2） 对水体理化特性的影响
 工程运行可能带来清水和低温水下泻以及局部河段溶解气体过饱和，同时库内蓄水可能引起水体酸度增加（NaimanandTurner，2000）和营养盐积累（Muthetal.，2000），一方面降低了下游河道的初级生产力和鱼类繁殖，另一方面促进了库内藻类的大量生长（Vorosmarty，1997），若流域内多个电站同时进行调控，可能使得下游百公里以上的河道原有的理化特性得不到恢复。
 3） 对河流生态系统结构和功能的影响
 水利工程建成运行后，流域内原有的陆地变为水域，动水变为静水，使得河流生物群落发生变化，库区内水动力减弱、透明度增加，从而使水生态系统由以底栖附着生物为主的“河流型”异养体系向以浮游生物为主的“湖沼型”自养体系演化（WardandStanford，1979；Saitoetal.，2001）；大坝阻隔洄游性鱼类的通道，将会影响物种的交流；河流水位的急剧变化引起浅滩交替地暴露和淹没，会影响鱼群的栖息和产卵；水文、水质和底质的变化也将影响底栖生物的结构组成。
 4） 对区域生态系统的影响
 水文情势的改变可能导致洪泛区湿地减少（PofandHart，2002）、生物多样性减损、局部生态功能退化以及外来物种的入侵。洪泛平原生态系统适应洪水的季节性变化，水库运行改变了径流峰值和脉动频率，分割了下游主河道与冲积平原的物质联系以及生态系统的食物链（WoottonandParker，1996），从而影响洪泛平原的生态过程（Scottetal.，1996；Pringleetal.，2000）以及区域生态系统的结构和功能（Manderetal.，1997）。一般而言，长期的水文动态与生物的生长史相关，近期的水文事件对种群的组成和数量有影响，现状水文特征主要对生物的行为和生理有影响（Brianetal.，1996）。水利工程的兴建及运行既改变了河流的水文现状特征，又改变了流域内长期的水文动态，这势必从根本上对区域和流域生态系统造成影响。
 1.2　国内外进展
 随着公众环境意识的不断增强，以及环境破坏带来的生态灾难，近十几年来对水利工程利弊的争论愈演愈烈；但是化石能不断减少和能源日益紧张的现实使得流域水电开发依然获得重视。Nilsson等（2005）的研究表明，全球的292条大型河流系统中有超过一半（172）受到了水利工程的影响，其中包括生物地理多样性最为丰富的8条水系。全球高度超过15m的水坝数量在1998年就已超过45000座，蓄水容量超过6.5×1012 m3（AvakyanandLakovleva，1998），约为全球年河流径流量的15%，其中超过300座水坝属于巨型水坝（满足以下三项标准之一：高度超过150m，坝体超过1.5×107 m3，库容超过2.5×1010 m3）。
 这些大规模的水资源和水能资源开发对河流甚至区域生态环境造成深远的影响，如何科学、定量地分析水库运行对河流生态环境的影响，寻求在水电设计、施工和运行中减小负面影响或增强生态环境效益的可操作措施和机制，实现水利水电开发和生态环境的和谐发展，已经成为当前水利科学研究的热点。
 1.2.1　水利水电工程的生态环境影响
 国外关注大坝生态效应是从大坝建设对洄游性鱼类的影响开始的（Collieretal.，1998；Petts，1994），进而逐步研究到其他物种、群落以及水生态的变化情况。20世纪40年代，美国资源管理部门就已经开始关注由于大坝建设而导致的渔场减少问题。美国鱼类和野生动物保护协会对建坝前后鱼类生长、繁殖以及产量与河流的流量问题进行了许多研究。1978年美国大坝委员会环境影响分会出版的《大坝的环境效应》（EnvironmentalEffectsofLargeDams）一书总结了20世纪40～70年代大坝对环境影响的研究成果，主要包括大坝对鱼类、藻类、水生生物、野生动植物、水库蒸发蒸散量、下游河道、水库和下游水质等方面的影响以及水库生态环境效益问题。
 在美国，伴随着对田纳西河、科罗拉多河以及密西西比河等河流的开发，水电建设快速发展，但相继出现的生态环境问题引起了科研人员和管理人员的高度重视。美国爱荷华水力研究所（IIHR）、美国工程兵团、美国科罗拉多大学以及爱荷华大学等研究机构开展了大量的水库生态环境研究。水电站运行首先改变了河流自然的流量模式，对河流水文、水动力特性产生了重要的影响（Graf，1999）。自然河流需要维持河岸稳定、营养物质的输送、水体净化和生态系统稳定等功能。然而，水库运行阻断了河道内物质的运输过程，使大坝下游河道输沙量和水体的含沙量减少（Karr，1991）。有研究表明阿斯旺水库修建后，进入河口的泥沙减少，导致海岸线不断被侵蚀并后退（路玉美等，2008；朱铁蓉等，2008）。
 水库蓄水后周围地下水水位抬高，导致周边土地盐碱化和沼泽化；库区下游地区地下水的补给减少，致使地下水水位下降，大片原有地下水自流灌区失去自流条件，从而降低了下游地区的水资源利用率，对灌溉造成不利影响（Karr，1991；PofandHart，2002）。在水电开发对河流水体的物理与化学特性的影响方面，Vorosmarty（1997）研究发现水库运行改变了营养物质在水中的迁移转化行为，表现出水体盐度增高、水温分层、藻类繁殖加剧等。Naiman和Turner（2000）及Muth等（2000）研究了水库水温分层对水体生源要素的生物地球化学行为的干扰，并较早定量测定了水库温室气体的排放通量。Petts（1984）通过对美国密苏里河的Callaham水库进行跟踪分析，发现出流水体磷酸盐含量比入流时的降低50%，悬移质中总磷含量降低75%，滞留在库内的营养物质使得水库水体更容易发生富营养化现象。
 Ward和Stanford（1979）、Saito等（2001）研究了水文情势、水流条件以及水体物理、化学特性变化对河流生物群落生境的影响，发现在水电运行之后经过再次自然选择和演替，形成一种新生态平衡。Ward和Stanford（1979）通过大量调查发现，由于大量鹅卵石和砂石被大坝拦截，下游河床底部的无脊椎动物如昆虫、软体动物和贝壳类动物等失去了生存环境。Saito等（2001）的研究认为，水库削弱了洪峰，降低了下游河水的稀释作用，使得浮游生物数量大为增加，微型无脊椎动物分布面积和密度显著减少。在库内，水力滞留时间增加以及淹没的有机质分解和入流营养盐沉积，有利于浮游生物的生长和繁衍。
 在水利水电工程对河流生物的影响方面，研究者对鱼类的研究最为深入、系统，特别是对洄游性鱼类、珍稀鱼类和重要经济鱼类（HaefnerandBowen，2001；Katopodis，2002）。Koed等（2002）应用放射性标记法研究了水电站建设对大西洋鲑鱼洄游的影响，发现大坝的建设不仅阻止了洄游鱼类的自由上下，而且增加了鱼类的死亡率。Saltveit（2006）也认为大坝的建设将导致大西洋鲑及斑鳟鱼的产卵路线阻断，死亡率增高。美国工程兵团（Nestler，2002）、IIHR（DenBleykeretal.，1997；Sinhaetal.，1999；Meselheetal.，2000；Good?winetal.，2006）以及爱荷华大学（Jordeetal.，2001）采用了先进的信息技术，在密西西比河和田纳西河中不同特征（年龄、性别、尺寸等）的大马哈鱼个体上安装电子传感器，长时间跟踪这些鱼的行为，再采用统计学方法分析它们的生活习性。在雷诺平均纳维?斯托克斯（RANS）水动力方程（欧拉方法）中引入基于个体模式（individualbasedmodel）的鱼类模型（拉格朗日方法），模拟水库不同运行方式对大马哈鱼的影响（DeangelisandGross，1992），从而优化鱼道的设计和水库的运行。此外，针对水压与气体过饱和对通过涡轮机以及大坝下游鱼类的影响也进行了大量的实验和模拟研究（Abernethyetal.，2003）。针对幼鱼的研究表明，在大流量期间，幼鳟鱼被冲到下游之后，在小流量期间能游回原先的位置，但当流量大到足以把鱼从它们的避难所冲走时，水流波动频率的长期影响可能非常严重，鱼群中较弱小的鱼受到的影响最为严重（哈尔比和李伟民，2002）。
 水利工程的运行将阻断颗粒物的传输，而颗粒物的沉积对河流生物的分布有着显著的影响，库区内有机物质的沉积将导致底栖生物密度和生物量的急剧下降（GrayandWard，1982；Marchant，1989；WoodandArmitage，1997）。引水式水电站的建设，将导致引水河道内的水量大量减少，在枯水期可能发生断流，这种现象不可避免地对水生生物造成严重影响，破坏水域生态环境，使沿河湿地退缩、区域生物多样性可能下降（HumphriesandBaldwin，2003）。长时间的小流量会导致水生生物聚集，植被减少或消失或植被的多样性消失；植物生理胁迫导致植物生长速度较低（ChristerandMagnus，2002）。调峰电站的运行会导致水流陡涨陡落，这将使得水生生物被冲刷或搁浅，洪水的陡落导致生物幼苗种群不能建立（ChristerandMagnus，2002）。
 Mander等（1997）以及Pof和Hart（2002）等研究了水电开发对区域生态环境的效益和影响，结果表明，水电开发可能导致下游洪泛区湿地景观减少、生物多样性减损、生态功能退化。Scott等（1996）和Pringle等（2000）的研究结果也发现，梯级水电开发后，许多生物物种因其生存空间的丧失而面临濒危，繁殖能力下降，种群数量减少甚至退化。Wootton和Parker（1996）研究了水电开发对食物链的影响。vanDuel等（2001，2002）和Baptist（2002，2005）研究了水库下游生物栖息地演变和恢复重建方法。

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