1.6　梯级电站建设的生态环境效益补偿关键技术研究进展

自20世纪90年代以来，随着三峡工程等水利工程建设加速，国内一批学者开始关注水利工程的生态环境效应，并在“水坝与生态”这一命题上进行了大量的相关研究，推动了生态水力学、生态水文学和生态水工学等学科的发展。河流的水文情势、水力学特性、地形地貌等均为河流生态系统中重要的生境因子。这些生态水利学科的研究重点是探究河流各类水生生物构成的生命系统与各类栖息地环境因子（非生物因子）之间的复杂关系，其核心是通过水生态系统具有表征意义的生物群落与关键生境因子之间的耦合，研究河流生态生物因子与非生物因子之间的反馈关系。

董哲仁等提出生态水工学和生态水力学的理论框架和基本观点，认为在研究河湖系统时，除了掌握水体本身在水文循环中的作用之外，应关注水体作为淡水生态系统的重要载体对维持水生生物群落稳定性方面的重要意义。生态水工学成为融合工程学和生态学的新兴交叉学科。生态水力学是研究水生生物生命周期的生理行为或群落特性与关键栖息地水力学条件之间的相关关系，着重研究在流速、水深、湿周等水力参数变化情况下的生物响应特征，预测水生态系统的演变规律，从而通过控制改善流场特性，实现对河流栖息地质量的提升。

陈求稳等进一步完善了生态水力学理论与定量化方法，围绕水电开发的生态环境效应模拟与调控，系统而全面地量化水库调节对下游河道水文情势、水环境、底栖动物生境、岸边植被、鱼类及其生境的影响，通过建立河流水环境生态模型和生态流量过程推求方法，为水库优化运行提供科学依据和定量手段。

崔保山等以漫湾水电站为例，分析了漫湾水电站的建设对河流栖息地影响的原理以及河流栖息地的时空变化特征，提取了大坝对栖息地影响的主要因子，建立了水电大坝对上游库区和下游河道栖息地的影响评价体系。苏国欢等通过评价金沙江观音岩水电站大坝截流前后鱼类群落组成情况，对比分析截流前后大坝下游鱼类群落结构和功能多样性的变化，从而分析大坝建设的生态效应。

在水电开发运行对底栖动物的影响方面，国内学者进行了部分研究。杨青瑞等以广西漓江流域为研究实例，研究水库运行对下游大型底栖动物栖息地的影响，建立了耦合水环境模型和基于人工神经网络算法的栖息地模型的大型底栖动物空间动态模型，并对水库不同运行方式下大型底栖动物栖息地的动态变化进行了模拟。郭伟杰对云南景谷河3座电站影响下河流底栖动物的群落结构进行调查，通过对比减水段和混合段处底栖动物群落结构，研究引水式电站的生态效应。王强和陈凯等调查研究了引水式小水电站的生态环境效应及其运行对河流底栖动物多样性的影响。此外，在梯级电站运行的生态效应方面，国内学者也进行了大量工作。陈浒等研究了乌江梯级电站开发对大型底栖无脊椎动物群落结构和多样性的影响，简东等研究了红水河干流梯级电站建设运行后的底栖动物演替现象，李斌等研究了香溪河流域梯级水库大型底栖动物群落变化及其与环境的关系。

水流状态（flow regime）被很多水生态的研究者认为是决定河流和河漫滩生态质量的重要指标。水流变化可对河流及湿地生态系统产生持续性威胁。作为重要的生境因子，水流状态的改变能够影响生物物种丰度和生物密度。研究表明，激流中的底栖动物群落分布主要受流速、底质组成、食物供给的影响。其中，Williams认为流速影响最为显著，水流是底栖动物的生存介质，流速变化不但可以直接作用于底栖动物个体，也可以改变食物供给和底质组成从而间接影响群落分布。与Williams的观点相似，Ciborowski认为流速是影响底栖动物漂移和空间分布的决定性因素，并假设相似的流速分布场可能包含相似的底栖动物群落分布，不同种类的底栖动物具备不同的生物漂移和沉降特性，但对处于相似流场中的某一物种来讲，其生物密度应当是近似的。

Stuart E B根据研究尺度的不同，将水流状态变化划分为三类：流域尺度（catchment scale，例如整条河流）；河段尺度（reach scale，例如浅滩和深潭）；栖息地斑块尺度（patch scale，例如水力参数和底质）。针对河流，Lake将水体变化的扰动划分为以下三种类型：①脉冲扰动，该扰动较为迅速和突然，例如河道洪水的爆发；②压力扰动，该扰动较为缓慢，例如气候影响；③渐变扰动，该扰动随时间发生变化，例如干旱，调度。其中，脉冲扰动和渐变扰动几乎均伴随着河流水文情势、水力要素的变化。

河流中的指示物种可以在一定程度上表征河流环境特征和水生生物栖息地质量。因此，常被用来预测评价河流环境污染、水生生物种群发展变迁趋势和水生生物栖息地质量。由于河流指示物种对河流生态的评价方法相对简单、快捷，并且具备较强的说服力，因此在很多国家得到广泛应用。

常用于河流生态健康评价的水生指示物种包括浮游生物、藻类、水生植物、鱼类以及大型底栖无脊椎动物等。

鱼类被认为是水质优良和水生态系统健康的良好指示物种。在河流生态系统中，鱼类是处于水生食物链系统末端的消费者，能较全面地反映河流综合的生态条件。Karr于1981年提出生物完整性指数IBI（index of biological integrity），该指数包括鱼类丰度、数量、营养类型等10余项指标，用于评估水体的生态质量。一些学者运用IBI指数对相关流域进行生态系统健康评价。

大型底栖动物是生活在水体底部的水生无脊椎动物类群，它们对外界胁迫响应比较敏感，可通过摄食、产卵、掘穴等行为与周围栖息环境相互作用。在河流生态系统中，大型底栖动物处于食物链的中间环节，在物质交换和能量交换中起着重要作用。底栖动物作为指示物种在河流生态快速评价中有着一定优势，并越来越多地应用于水质监测和河流整体健康评价。近年来，我国一些学者在不同流域开展了底栖动物的调查研究工作，利用典范对应分析（CCA）等方法，分析论证了环境变量与底栖动物群落结构之间的相关关系，这些研究工作主要集中于水环境因子（如水化学因子、有机质等）对底栖动物的影响，涉及水动力条件、底质等其他栖息地环境因子的较少。生态系统具有复杂性，不同流域中底栖动物群落与栖息地环境因子之间并没有普适的对应关系，需要针对研究区域的特征，进行特定的生态采样和栖息地环境因子调查，通过相关分析研究底栖动物群落与栖息环境的关系，为流域生态保护和生态修复提供支撑。