水利水电工程的水环境影响(1)

李然水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川大学2012年4月20日水利水电工程的水环境影响1中国的水力资源及其开发利用状况2水利水电工程的特点3水利水电工程的水环境正效益4水利水电工程对生态环境的负面影响5减缓水电工程生态环境影响的对策6结语提纲大渡河1中国的水力资源及其开发利用状况中国的水力资源状况1/1据国家发改委2002~2003年对全国水能资源的复查：水力资源理论蕴藏量：6.944亿kW技术可开发装机容量：5.416亿kW经济可开发装机容量：4.0179亿kW以上三项及已建和在建的水能开发量均居世界首位。中国十三大水电基地水力资源的分布1/1我国水力资源在地域上分布不平衡，西部多、东部少，相对集中于西南。水力资源技术可开发量最丰富的三省(区)依次为：四川、西藏、云南。水力资源的开发状况1/12009年底我国水电开发程度为45.7%。其中：东部地区水电基本开发完毕，1937年始建的丰满水电站已进入全面治理（重建）阶段。中部地区开发程度达到73%，世界上规模最大的水电站——三峡水电站（2240万kW）2009年完建。西部地区（包括西南、西北）开发程度较低，仅为23%。西南地区仅为17%，已建成二滩水电站（330万kW）、小湾水电站（420万kW）、瀑布沟水电站（330万kW）等一批大型水电站。水电发展历程1/8中国水电的发展大致经历了以下阶段：技术制约阶段：大致在20世纪50年代及以前新中国成立前和成立之初，科学技术落后，经济发展水平低和技术水平低制约了水电的发展。经济制约阶段：大致在20世纪60年代至80年代初经济发展迟缓，经济水平难以承受大规模的水电建设。生态环境制约阶段：大致在20世纪80年代后期以来经济的发展和人口的增长，资源、环境压力凸显，环境污染和生态破坏导致生态系统承载力的急剧下降，生态环境成为制约水电开发的主要因素。水电发展历程2/8新中国成立前，水电站主要在小型河流上建设，数量少、规模小。新中国成立时，全国水电总装机容量只有36万kW。中国第一座水电站我国第一座水电站—云南石龙坝水电站。石龙坝水电站1910年开工，1912年两台240kW水轮发电机组安装完并开始发电。至今石龙坝水电站仍在正常运行，它也是世界上较早修建的水电站之一。技术制约阶段水电发展历程3/820世纪50年代，我国“自主设计、自制设备、自己建设”了建国后第一座大型水电站—新安江水电站（新安江水库现称千岛湖）。坝高102m，装机容量66.25万kW，1960年4月建成投产。新安江水电站1954年8月，龙溪河（现属重庆）最上游的一级—狮子滩水电站开工，最大坝高51m，是中国建造的第一座大型堆石坝。1957年4月，位于黄河干流的三门峡水电站开工（由于泥沙淤积，三门峡水电站多次改建，引发了存废之争）。1957年末，全国水电总装机容量约100万kW，发展缓慢。技术制约阶段刘家峡水电站葛洲坝水电站水电发展历程4/8经济制约阶段1975年，新中国第一座百万千瓦级水电站刘家峡电站(135万kW)全部建成。此后，又陆续建成：白山水电站（150万kW）乌江渡水电站（121万kW）龙羊峡水电站（128万kW）葛洲坝水电站（271.5万kW）1980年，我国水电装机容量达到约2000万kW。岩滩水电站漫湾水电站生态环境制约阶段水电发展历程5/8经济发展促进了水电开发，20世纪80~90年代，生态环境保护逐步纳入电站建设基本程序。1980年的政府工作报告中指出：要因地制宜地发展火电和水电，逐步把重点放在水电上。中国水电建设开始制度创新，业主制、招投标制、监理制等引入。广蓄(240万kW)、岩滩(121万kW)、漫湾(125万kW)、隔河岩(120万kW)、水口(140万kW)并称为新“五朵金花”。生态环境制约阶段20世纪90年代~本世纪初：万家寨(108万kW)、二滩(330万kW)、小浪底(180万kW)、天生桥一、二级(共252万kW)、大朝山(135万kW)等一批大型水电站建成投产。1992年，第七届全国人民代表大会第五次会议上以67％的赞成票通过三峡工程上马。2000年，我国水电总装机容量约7700万kW，超过加拿大，位居世界第二。1980~2000年的20年间，新增水电装机5700万kW，水电进入快速发展的时期。水电发展历程6/8生态环境制约阶段本世纪以来，三板溪(100万kW)、公伯峡(150万kW)等大型水电站相继开工并建成。龙滩(630万kW)、小湾(420万kW)、水布垭(160万kW)、构皮滩(300万千瓦)等超大型水电站逐步投产。锦屏一、二级(共840万kW)、溪落渡(1260万kW)、向家坝(600万kW)、瀑布沟(330万kW)、拉西瓦(420万kW)等水电站相继开工。2004年，我国水电装机容量突破1亿kW，超过美国成为世界水电第一大国。2008年底，中国水电总装机容量达到1.72亿kW。2010年底，中国水电装机容量为2.07亿kW。水电发展历程7/8生态环境制约阶段众多具有世界一流指标的水电站已经或即将在中国诞生：溪洛渡（单宽泄洪功率世界第一）锦屏一级（世界第一高拱坝）锦屏二级（引水系统综合规模世界第一）双江口（世界第一高坝）三峡（世界最大水电站）两河口（落差世界第一）小湾（世界第二高拱坝）二滩（我国已建成的最高坝）生态环境制约阶段水电快速发展引起的移民安置问题和对生态、环境以及景观的影响逐步显现。杨柳湖反调节水库（2003年）怒江水电规划（2003年）汉源事件(2004年10月)孟连事件(2008年7月)温家宝批示(2004年2月)，怒江水电开发规划要“慎重研究，科学决策”，怒江水电开发因此暂停。水电建设开始减速。国家“十一五”规划：在保护生态基础上有序开发水电。统筹做好移民安置、环境治理、防洪和航运。建设金沙江、雅砻江、澜沧江和黄河上游等水电基地和溪落渡、向家坝等大型水电站。适当建设抽水蓄能电站。水电发展历程8/8水电在中国能源结构中的地位1/3水电在中国能源结构中的地位2/3“十二五”中国能源结构调整目标坝后式水电站引水式水电站2水利水电工程的特点筑坝以取水和形成水头。对流量进行调节。按集中水头的方式分为坝式、引水式和混合式三种。3水利水电工程的生态环境正效益减少温室气体排放防洪效益供水、灌溉、航运效益调节局地气候、形成新景观减少温室气体排放1/1我国的电力生产主要依靠燃煤发电，2007年全国发电量为32644亿kW･h，其中燃煤发电为27207亿kW･h、占83.3%，水电为4714亿kW･h、占14.4%。如果不利用水电，主要或只能用燃煤发电替代，那么就得多消耗煤炭1.57亿t（为当年全国煤炭生产总量的6.2%），进而多产生二氧化碳2.69亿t。水电作为可再生能源，其全生命周期的CO2、NOx、SO2等温室气体和环境有害气体的排放量远小于火电，甚至小于太阳能。水电是一种安全的传统能源，没有核电站核事故引发的放射性污染问题。洪水泛滥防洪效益1/1承担防洪任务的水电站可以有效减轻下游河道沿岸城市的防洪标准。三峡水库的防洪库容在73~220亿m3之间，可使下游荆江大堤的防洪能力由防御十年一遇的洪水，提高到抵御百年一遇的大洪水。紫坪铺水库的调洪库容为5.38亿m3，可将百年一遇的洪水削减为十年一遇。供水、灌溉、航运效益1/1水库可以提高水资源利用率，提供工农业用水、环境用水和生态补水任务。紫坪铺水利枢纽工程可提高都江堰设计灌溉面积1086万亩耕地的灌溉供水保证率，还可为毗河丘陵扩灌区314万亩灌溉面积提供水源；向成都市提供工业和生活水量50m3/s（比工程前增加22m3/s）；在枯水期（12月至次年5月）向成都市提供20m3/s的环境用水。金沙江与岷江干支流控制性水库联合运行可为长江宜宾至重庆段航道等级由三级提高至一级提供水源条件。水库的形成有利于促进库区航运。紫坪铺水库库区在512汶川大地震救灾中成为了名副其实的生命通道。二滩库区新安江水电站库区“千岛湖”景色调节局地气候、形成新景观1/1水库增加了水域面积，使局地气候变得更湿润。有关的研究表明，水库或水域上的气温在炎热季节降低4～5℃；相对湿度提高10%～15%。水库及大坝形成特有的水利景观。4水利水电工程对生态环境的负面影响对水库库区及下游河道水文情势的影响水库泥沙淤积及对下游河道冲刷与淤积的影响局地气候影响，包括库周降水量、雾、湿度、气温、风速风向等地质环境影响，包括水库诱发地震、库坡稳定对水温水质的影响，包括水温的年内变化过程与变幅、库区水环境容量变化以及水库富营养化对水生生物的影响，包括阻隔、生境变化、泄流过饱和气体影响、减脱水影响等对土壤的影响，包括土地沼泽化、盐碱化、浸没影响对陆生生物的影响水库淹没与移民的影响人群健康影响景观影响工程施工对环境的影响其它影响，如泄流雾化引起边坡失稳、灌溉工程输水系统对沿线地下水的影响、灌溉回归水的影响等重点关注水环境影响水温影响水质与富营养化高坝泄水溶解气体过饱和及其对鱼类的影响河流生态需水与生态修复5高坝泄水溶解气体过饱和及其对鱼类的影响•气体溶解度在一定的温度和平衡压力下，溶解在单位质量水中的气体的质量数。一般采用浓度单位(mg/l)表示。气体饱和度影响气体浓度的主要因素压强水温盐度(%)100sCGC0510152025303540450510152025303540温度(C)溶解度(mg/L)水蒸汽氧气氮气高坝泄水TDG过饱和及其对鱼类的影响•总溶解气体过饱和TotalDissolvedGas,TDG高坝泄水TDG过饱和及其对鱼类的影响O220.9%N278.1%Ar0.9%Co20.1%水利工程泄水水体温度升高，如电厂温排水影响藻类光合作用过度井水泄洪洞水舌冲坑水面线水面线高坝泄水TDG过饱和及其对鱼类的影响常见的TDG过饱和现象泄水产生的过饱和TDG随水流进入下游河道后并不会很快析出，而是随水流输移扩散到下游相当远的距离。根据观测资料，三峡电站泄水时，下游500km以外的长江河段仍能观测到溶解氧和总溶解气体过饱和现象。在这一过程中，鱼类可能出现气泡病(GasBubbleDisease,GBD)症状，甚至危及生命。Duvall等(2002)研究得到，1996至2002年间PriestRapids大坝泄水后，坝下水体TDG饱和度达113%~130%时，捕获的大马哈鱼幼鱼中有1.7%~8.5%出现了气泡病症状高坝泄水TDG过饱和及其对鱼类的影响鱼类气泡病及其症状TDG过饱和标准限值中国目前尚无关于水体中TDG水平限值的标准或规定。1977年美国国家环保局针对Columbia及Snake河流域因大坝泄洪产生TDG过饱和对鱼类的不利影响，规定了河流水体表层允许的TDG饱和度上限为当地大气压的110%1994年，美国国家海洋渔业局针对Oregon和Washington州水利工程泄洪，规定前池水体表层TDG饱和度标准为115%，尾水水体表层允许的TDG饱和度标准为120%。1997年，在原有TDG饱和度标准的基础上，Washington州补充规定河流水体表层TDG饱和度允许达到当地大气压的125%，但只能持续1小时高坝泄水TDG过饱和及其对鱼类的影响•国外关于过饱和TDG生成预测的研究多针对于50m以下的中低水头泄流。由于我国许多高坝工程坝高超过200m甚至300m，泄洪流量、消能方式及过饱和TDG的生成等特性与中低坝有着很大不同，因此国外许多相关研究成果虽可借鉴但尚不能直接应用。•梯级水库联合运行中，上游泄水产生的过饱和TDG在下游库区的释放过程尚有待研究•我国由于对高坝溶解气体过饱和问题的研究开展较晚，目前尚无关于水体中TDG水平限值的标准或规定我国高坝TDG过饱和问题研究存在的问题分析近年来主要研究成果(1)水体中TDG过饱和生成机理试验(2)水体中总溶解气体过饱和TDG释放机理试验(3)高坝工程原型观测(4)过饱和TDG生成预测(5)过饱和TDG释放预测(6)鱼类对过饱和TDG的耐受性研究(1)水体