水能资源系统与生态系统互动关系的理论分析

包广静

（云南财经大学 国土资源与持续发展研究所，昆明 650221）

1 前言

水能资源系统作为社会-经济-生态的复合系统，有其特殊的系统构成及系统功能。水能资源系统构成的基本要素及功能由水能资源开发所在流域生态、经济、社会等背景要素所决定。除具有一般系统常规特点外，水能资源系统还有其特殊性，体现在以下几个方面：系统功能的经济主导性，即水能资源的开发其主要目标是为了促进社会经济的发展；系统功能定位的多元性，在以经济功能为主的前提下，水能资源系统还需考虑更多的生态功能、社会功能、文化功能等，在区域可持续发展体系的构建中，水能资源其系统功能的定位具有多元化的趋势；系统属性构成的复合性，水能资源系统除受其区域背景影响外，其内部构成也是极为复杂的，既包括人类社会主导下形成的社会经济要素，也包括自然生态环境主导下形成的自然要素。水能资源系统作为人类社会经济发展的能源支持系统，具有很强的社会经济属性，同时，水能资源系统形成、运行必须依靠自然生态环境，因此自然生态属性也在其发展中起着关键性作用。

在走过资金约束、技术约束阶段后，当前水能资源的开发主要受到生态的约束，研究分析水能资源系统的区域生态背景及其内部生态子系统的特征状况，对于减少水能开发生态影响，协调水能开发与生态关系具有重要的作用。

2 水能资源系统与生态系统的关系

从区域生态系统的角度来看，水能资源系统属人类干扰下形成的区域生态系统的子系统之一，其系统的特点具有明显的人为影响性，是人与生态相互作用关系表现最为突出的复合系统之一，水能资源系统及其内部构成要素是区域生态系统的重要组成部分，同时，水能资源系统又可作为一个相对独立的系统来看待，当将其视为独立系统时，其与区域生态系统彼此产生相互的物质、信息、能量的交换，相互影响相互关联。在研究和分析水能资源系统时，为强调突出水能资源系统对区域生态系统的影响和作用，往往将其视为一个独立的系统来对待，分析其开发、建设和运行对生态环境的影响。而在考虑区域生态环境综合长期效应时，则可将其视为区域生态系统的组成要素，从要素构成变动对系统功能影响的角度来考虑问题，以方便更好的从系统的角度来把握水电开发的生态问题。

由此可见，从不同的空间尺度、时间尺度考虑分析水能资源系统生态关联效应时，需要采取不同的研究视角以满足不同的研究目的。但总的来说，水能资源系统作为生态系统的一部分，生态系统是水能资源系统的母体之一，两个系统分别构建，相互交叉、相互作用，构成一个复杂的复合系统。

3 生态系统对水能资源系统的作用

3.1 要素限定

水能资源系统生态要素的构成是以其所在区域已有的生态要素为基础，区域生态系统从根本上决定了水能资源系统的生态要素组成，这种从属关系决定了水能资源系统的正常运行离不开区域生态系统的支持。同时，生态系统也须不断调整状态，控制、调节并整合由水能资源系统产生的效应。从前面关于水能资源系统与区域生态系统的相互关系可以看出，河流生态系统中的水体是构成水能资源生态系统的主要部分，除河流生态系统中水体外，水能资源系统生态要素的构成还包括河流两岸陆地生态系统的相关要素。对于大型水能资源开发工程来说，由于其生态效应涉及区域面积较大，效应发挥时间跨度较大，在确定其生态要素构成时，包括的范围除河流、河岸外还应进一步向外延伸。

受开发区域地形、地势的影响，水能资源系统生态要素的构成具有明显的地域差别。对于高山峡谷区域，水能资源生态系统要素构成具有明显的高程分布差异，而对于河流深切较小，流域面积较广阔的区域，水能资源系统生态要素的构成则具有明显的水平分布的特点。在水能资源开发前，合理有效划定水能资源生态系统要素构成区域及生态影响区域将能较为系统地对水能资源开发生态效应进行把握，对于明确水能资源生态效应的作用范围，采取有效的空间调控措施，促进水能资源的开发将起到积极的作用。

3.2 功能保障

在要素限定的前提下，水能资源系统正常功能的发挥离不开生态系统的支持与保障。从整体来看，区域良好生态环境是构建水能资源系统与区域良性互动发展的前提所在，没有生态系统正常功能的发挥，水能资源系统其运行也将受到影响。从系统要素来看，水能资源系统必须依赖于河流水能的输入，才可实现其开发目的，如果因区域生态系统恶化，导致断流或流量较小，将极大的影响到水能资源社会、经济效应的发挥；从功能调节来看，良好生态环境的存在，可有效的调节水能资源系统的运行，减少水能资源系统恶化的可能。流域陆地生态系统不仅是水库生态系统的水补给源，也是水库生态系统的营养来源，可以说流域生态水文格局的紊乱是水体污染的根本原因。流域生态水文格局和水库水文情势的变化都影响着水体富营养化的进程，流域生态水文格局决定了入库营养负荷的强度，水文格局的变化也影响着水库水质和水体生态过程，对水库富营养化具有定性作用。在流域生态系统在对水能资源系统功能保障的过程中，流域生态系统的自我调节能力起到了关键作用，如果调节能力较低，水能资源系统恶化的风险将增加，与区域生态系统的协调程度也将降低。

在调节水库水质，水环境，为水能发电产生经济效应提供保障的同时，区域生态系统同时也是水能资源系统其它功能正常发挥的重要保障，如防洪、灌溉、旅游、景区的建设等都离不开良好生态环境的支持。因此，区域生态系统在保障水能资源系统功能，增益其效应的基础上，为水能资源系统的良性发展提供了支撑环境。在考虑水能资源系统生态功能效应时，应从区域生态系统的全局出发，从整体上进行调控，而不仅仅只考虑生态要素某一阶段的状态。

3.3 价值引导

对于传统水能开发项目来说，其最基本的价值导向是促进经济的发展，进入21世纪，全球致力于减少碳排放量，发展循环经济、低碳经济，水能在资源利用方式上符合发展低碳经济的要求。在具体开发过程中，虽然水能资源开发前都将生态保护、环境改善作为项目的重要功能，但在经济与生态的博弈之中，生态问题、生态环境的价值往往让位于发展经济的需要，使得绿色能源得不到绿色的开发、绿色的管理，引发了诸多开发与环境保护的冲突，使水能开发中的生态约束不断增强。生态环境的重要性及生态危机的出现，进一步增强了人们的环境保护意识，信息的公开性，决策透明度的提高，也使更多的人可以参与到水能开发的规划决策之中，水能开发工程规划如果未能很好的体现其生态价值，是难以实施建设的。

因此，水能工程建设必须以生态系统的健康发展为目标，确定其生态价值体系，才能从根本上协调水能开发与生态环境的相互关系。从水能资源系统与区域生态系统的相互关系来看，二者在发展中必须形成良性互动机制，才有可能共同发展，没有区域生态系统的良好发展，水能资源的开发也将是不可持续的。区域生态的有序发展需要水能资源系统在价值导向上更多的关注其生态效应，尽最大可能提高水能开发项目的生态友好性。水能资源开发也只有在开发中重视生态效应，才有可能获得更高的综合开发效应。

3.4 生态约束

水能资源开发生态约束的提出源于已有开发项目所导致的生态破坏，生态约束在一定程度上加快了水能资源开发的生态友好性，提高了水能资源开发利用的生态效应，同时也体现了人们对水电开发与生态相互关系认识的提高。一般而言，水能资源开发的生态约束体现在两个方面，一是为提高水能开发工程建设的生态友好性而导致开发成本上升带来的约束；二是区域生态现状对整体水能开发、运行等具体过程带来的约束。对于第一种情况来说，其根本还在于资金的约束。

目前水能开发生态约束主要源于水能开发导致的水能资源开发系统与生态系统在要素、结构、功能等方面产生的冲突。水能资源开发作为人类活动对自然生态的干扰形式之一，不可避免的对原有生态系统要素构成及功能发挥、演替路径等产生影响。大坝建设之后，区域生态系统中自然流动的河流，经大坝拦截后成了非连续性状态，这种状态的改变进而又会改变河流的物理特性以及生物物种的生境，新的物种可能产生，原有的物种可能消失[1-4]。当生态系统的这种改变被认为是一种不良反应，并危害到生态系统时，在进行下一次水能开发时，这一问题便会被作为水能开发破坏生态的事实而提出。为解决这一问题，需对具体区域进行生态环境现状的分析，评价生态影响，决定需采取的对策措施，在水能开发项目运行后还需监测具体影响的发生，这一过程便是生态约束产生并发挥作用的过程。

由于生态系统的复杂性及生态功能效应的尺度依赖性，某些生态约束的产生源于不完全正确的分析结论，如前面所说的水能开发后导致新物种的出现、原有物种的消失，这种现象也不能完全定义为负面效应。因此，在探讨水能资源开发的生态约束时，需以科学合理的分析结论为依据，也只有建立在科学认识的基础上，生态约束才能更好的发挥其正面效应，促进水能开发的生态友好性。

4 水能资源系统对生态系统的作用—水能资源系统生态功能论

4.1 景观改造

水能资源系统作为人类利用水流动能、势能创造价值而形成的复合系统，其对区域生态系统的影响最先表现为对区域生态系统构成要素的影响。在水利水电工程的作用下，将使原来自然的河流渠道化，自然河流的非连续化、河道功能的改变、水流流量的改变，物种、种群、群落都将因大坝的建设而发生改变。这其中有物种生活习性的改变、物种的消失，物种的迁移等，所有这些变化将使区域生态系统中水能资源开发影响区域的系统要素发生新的重组，这种重组在水能资源系统对生态系统的影响中起到基础性的作用，是更大范围内景观改造、功能效应发挥的基础。

在对区域生态系统局部构成要素进行重组的之后，水能资源系统对区域生态系统的影响表现为对区域生态景观的改造。大坝的出现，大面积水体的形成，电力输送线路的架设，移民安置区的建设等，都将对区域生态景观产生明显的景观格局影响。这是水能开发直接导致的一些景观变化，这些变化由于其较明显，并且相关研究已较成熟，进行调控的可行性较大。除这些较明显的施工建设期的影响外，在大坝建成之后，蓄水发电，大面积水体的出现，将对库体岸边造成侵蚀，引发滑坡等自然灾害。局部小气候的改变则有可能导致降雨的增长，泥石流等灾害的加剧，对于某些水能开发前生态环境就较为脆弱的地区，这种景观格局影响将会更加明显，水能开发加上自然界内外营力作用，将使景观格局发生改变。

对于水能资源开发过程中造成的原有景观不同程度上的变化，其生态影响取决于受影响景观斑块的大小以及不同物种对这种变化的适应性，以工程影响范围内物种种群最小生境面积为参照，提高工程开发的生态友好性，最大限度的减少工程开发造成的景观改变，将有助于开发后水能资源系统与生态系统的良性互动的实现。

4.2 空间阻隔

景观要素的重组改变了河流的结构，相应的河流系统功能将受到影响。从河流生态系统的功能来看，主要可以分为河流的物理功能、生物功能和生态功能三个层次。董哲仁提出河流是物理—生物—生态功能的连续体，这三维连续性包括河流水文—水利学连续性，生物群落结构连续性，营养物质流和能量连续性，信息连续性为主体的河流连续性概念。水利水电工程的建筑施工将对河流生态系统这三个主要功能造成空间阻隔，对其功能的连续性造成影响（如图1）。具体影响表现在，水利水电工程对河流流量、水位、流速、脉动力压、水温等物理功能的影响；对生物群落连续性分布及其食物链的影响；对营养物质输移、扩散的影响；对河流生物生命信号信息的影响。[5]

大坝的建设将从空间上阻隔河流的物理—生物—生态功能，具体包括水流方向、在地平面上与水流垂直方向、与地平面垂直向下方向三个维度上的阻隔 （如图1a、b）。如果采用梯级开发方式，大坝对河流功能在三维空间上的阻隔效应将会随着梯级电站数量的增加而累积、扩大，空间影响力度也随之加强（如图1c、d）。从梯级电站生态影响的空间关系来看，电站规模的大小决定了其主要影响的空间区域，相对来说，规模较大，大坝设计水位较高的电站其影响控制范围较大，规模较小的工程项目其影响范围较小。梯级电站生态影响空间组合关系如图2所示。

对于阻隔效应的存在，目前所采取的应对措施主要是为特定物种，主要是鱼类，修建相应的通道，维持其生存、繁殖所必需的生境，阻隔效应的降低有赖于大坝建设后河道联通度的提高。考虑不同物种对河道联通度的需求，降低河道对特定物种的阻隔影响，将是今后水能资源开发中需重点解决的问题之一。

4.3 效应干扰

功能调节，效应干扰主要发生在水电运行期。水能资源系统在建设期会对生态景观产生较明显的影响，在其运行期，影响继续延续并累积、扩大。相对于建设期来说，运行期时间更长，生态效应会随着时间不断的发展变化，一些潜在的影响因此而出现，并且效应的性质及大小也有别于建设期。目前，由于一些地方水能资源开发运行期管理不当，造成的生态破坏已成为水能资源开发的主要生态问题。

水能项目运行期管理工作的好坏将直接影响到生态效应的发挥。在进行项目管理过程中，管理行为成为重要的系统功能调节手段，某些建设期形成的生态问题，如河流岸体的崩塌、水质的恶化等可通过加强建设后对水库区域景观的管理，得以改善。水能资源开发作为人类对生态系统自然发展状态的干扰，对具体区域来说，这种干扰行为其效应是难以准确把握的，但却可以进行调控，因此，加强运行期的管理就显得尤为重要。管理的过程是水能资源开发中二次干扰的实施过程，相对于第一次干扰来说，管理干扰不仅针对水能资源系统本身，更重要的在于对开发造成的潜在影响的防患及系统路径的监测与修正。为了使水能资源系统健康、持续的发展，管理过程必须加强科学理论与先进技术的应用，努力使管理干扰既在区域生态系统承载范围内，又能使区域生态系统功能朝着良性状态发展。

5 水能资源系统与生态系统互动发展的结点选择

5.1 要素层面

水能开发重点关联的生态系统要素包括珍稀动植物、地质环境、水文环境、土地资源、旅游景观资源等。水能开发对这些关键性因素影响在河段尺度、流域尺度及区域生态环境尺度存在的负面效应都相对明显，对区域发展可能带来的影响都具有全局性的意义，属水能开发中与生态系统关联的关键战略性要素。因此，在水能开发前需加强对这些重点关联要素发展变化规律的研究，把握其发展趋势，并结合水能开发所带来干扰的环境效应，加强运行期的管理工作，使水能开发和生态环境实现协调发展。

5.2 功能层面

系统功能层面的协调是水能开发与区域生态系统协调的主要目的，从系统功能层面的协调为出发点考虑水能开发的生态影响问题，有助于从较大尺度上把握水能开发的生态影响，对于决策的可操作性及实用性有着积极的意义。功能层面的协调重点关注水能资源系统生态功能，包括前面分析的景观改造、空间阻隔、效应干扰等功能，同时考虑生态系统原有的基本生态功能，以水能资源系统功能与生态系统功能有机的协调为目的，开展相关建设管理工作，对于协调二者的关系，将起到积极的作用。

5.3 效应层面

后期运行管理在协调水能开发生态效应过程中起着重要的作用，只重视工程建设，认为只要建完了工程就一定会取得相应的效益，而忽视后期管理往往使更多的负面生态效应产生。作为一个复杂的系统工程，大坝建设只是整个工程的开端，水能资源系统运行期才是水能开发与生态系统相互作用的关键时期。国内外水资源流域管理中取得的生态环境效益的实践，就已经充分证明水电开发后期管理的重要性。建成的水利水电工程，仅仅是提供了人们全面控制、管理水资源的条件，能不能管好、发挥最大的生态环境效益还要取决于后期管理的水平。因此，科学的管理好已建工程是在生态保护的基础上有序开发水能的重要组成部分。

5.4 价值层面

从价值层面来看，生态价值已成为水能资源开发中不可忽视的重要部分，水利水电工程的长远发展离不开生态环境的支持。倡导生态价值对于水能开发生态友好的提高将起到持续的促进作用。从价值层面考虑水能资源系统与生态系统的协调，必须充分认识到生态价值、生态环境价值对于水能资源系统与区域可持续发展系统的重要性。在以水能资源开发促进区域发展的理念中，必须将区域生态系统的发展作为重要目标，在一些生态脆弱地区，水能资源开发应突现更多生态改善效应，增强水能资源开发的生态价值。

另外从发展意识来看，生态价值的重视程度与社会经济发展程度密切相关，对于一些发展中国家来说，发展的首要目的在于发展经济、摆脱贫困，在这一过程，生态价值会因经济利益的因素而有所消减，这种发展中的价值取舍，是不利于水能资源系统综合效应的发挥的，要想实现可持续的水能资源利用，必须不断提升生态价值，包括物质层面和精神意识层面。

6 结语

互动作为系统内部要素及系统间相互作用关系的一种状态，是客观存在的，互动重点关注的是一定结构之下，功能的相互作用机制及其结果。对于水能资源系统与生态系统来说，互动关系的存在使得我们在协调二者关系时须以二者的系统组成要素及系统功能特点为出发点，考虑互动发生的层面，预测其互动结果。相对于生态系统来说，水能资源系统既可作为其内部的影响系统，同时，水能资源系统也包含有其自身的生态环境系统。因此，分析水能资源系统与生态系统互动关系时，除以对等系统尺度分析外，还需从不同的尺度范围进行交叉分析，以对其互动关系更为全面的理解与界定，这将有助于系统构建水能资源开发中生态协调对策，促进水能资源利用的生态友好性。

[1]姚维科，崔保山，刘杰，等.大坝的生态效应:概念、研究热点及展望[J].生态学杂志，2006，25（2）：428～434.

[2]毛战坡，王雨春，彭文启，等.筑坝对河流生态系统影响研究进展[J].水科学进展，2005，16（11）：134～139.

[3]毛战坡，彭文启，周怀东.大坝的河流生态效应及对策研究[J].中国水利，2004，（15）：43～45.

[4]刘兰芬.河流水电开发的环境效益及主要环境问题研究[J].水利学报，2002，（8）：12l～128.

[5]董哲仁，孙东亚.生态水利工程原理与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.